光微谐振器中的碰撞孤子揭示重要基础物理学

孤子是通过色散和非线性之间的平衡实现的自增强类粒子的波包。孤子存在于流体力学、激光、冷原子和等离子体中，当激光场被限制在一个具有超低损耗的圆形谐振器中时，会产生多个围绕谐振器的孤子。

通常，这些孤子以相同的速度移动，所以它们很少接近对方。然而，当孤子相互碰撞时，它们可以揭示出系统的重要基本物理性质，包括主谐振器的特性及其非线性。这意味着证明和控制光微谐振器中的孤子碰撞是非线性动力学和孤子物理研究者的主要目标。

发表在《物理评论X Physical Review X》上的托比亚斯·基彭伯格（Tobias Kippenberg）在瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的实验室的研究人员现在已经开发出一种在微谐振器中产生孤子碰撞的新的有效方法。该方法使用两个激光器产生两种不同的孤子，每种孤子在晶体回音廊模式谐振器中都有一个独特的行波速度。

由不同激光驱动的孤子，既可以相互连接形成一个不可分割的实体，也可以反复碰撞和交叉。

研究人员在微谐振器中输入两个激光场，驱动两个速度失配可灵活控制的孤子。结果，不同速度的孤子相互碰撞。

根据孤子速度的不同，不同的孤子在碰撞后可以相互结合，也可以相互交叉。由于每次碰撞都发生在很短的时间内，传统的技术无法解决单个孤子的行为。

在这里，研究人员使用高速调制器产生的脉冲串来探测孤子。脉冲和孤子之间的干扰产生了可以记录和分析的电子信号，使研究人员能够将结果与精确预测实验观测结果，并且与理论模拟进行比较。

这一现象表明，光学微谐振器中的这些孤子有多么强大。“在孤子碰撞过程中，单个孤子的形状会明显扭曲，其能量表现出剧烈的振动，然而，它们能够经受住碰撞的强烈冲击，在碰撞后能够相互结合或分离。”

这项工作为研究复杂孤子相互作用和瞬态非线性动力学提供了一个方便而强大的平台。但它也有助于产生同步频率梳和基于孤子的光通信。利用碰撞和束缚机制可以构造具有非常规光学测量结构的频率梳，提高频率梳的带宽。

原文链接：https://phys.org/news/2020-04-colliding-solitons-optical-microresonators-reveal.html