上海交通大学物理与天文学院教授叶芳伟课题组发表一项最新研究,在国际上首次将莫尔晶格的研究推进到非线性光学范畴,发现莫尔角调节下的空间光孤子。相关研究成果近日发表于《自然—光子学》。

光孤子是指非线性效应平衡光的散开效应,从而在演化过程中始终保持波形不变的一束光或一个光脉冲。光孤子具有粒子性,在携带光信息、实现光控光方面具有重要应用价值。光孤子的研究始终和材料发展、结构设计紧密联系在一起。借助于能带设计,人们可以调控衍射和色散的强度,从而降低形成光孤子的阈值功率,但即便如此,阈值功率依然处于较高水平。

叶芳伟课题组首次发现了莫尔晶格这类准周期晶格中的空间光孤子。研究人员发现,在绝大部分莫尔角度(此时莫尔晶格呈现“不可约”相)下,激发莫尔晶格中的空间光孤子所需阈值功率几近为零。因此,莫尔晶格为极低功率条件下光孤子的激发提供了一个独特的平台,为光孤子走向实际应用突破了功率条件上的限制。

叶芳伟表示,受课题组实验条件限制,在本次研究中,莫尔晶格是“刻写”在一种名叫铌酸锶钡的光折变材料上,这种材料自身具有较高的非线性效应,因此在其中激发孤子的功率要求本来就较低。但是,莫尔晶格中超低功率阈值光孤子的存在并非归因于材料本身较高的非线性效应,而是莫尔晶格中存在大量平带所致。因此,若将莫尔晶格“刻写”到其他非线性材料中,不影响极低功率孤子的存在。

同时,课题组在实验中产生的莫尔晶格具有高度可调特性。当莫尔角连续调节时,对应的莫尔晶格经历了从准周期晶格到周期晶格的连续“相变”,这使得可以在同一个平台上直接比较周期与准周期系统中的光孤子。研究人员发现,对于由两个方形晶格构成的莫尔晶格,这些特殊角其实是勾股角,而此时对应的莫尔晶格则回归为周期晶格(“可约”相),能带结构的曲率达到最大,因此形成孤子所需的阈值功率也达到最大。进一步研究发现,孤子的功率阈值随着勾股角(或者广义勾股角)级次的升高急剧降低,意味着高阶勾股角下的莫尔晶格也支持极低功率条件下的光孤子。(记者黄辛)