激光在非線性介質(zhì)中的傳播和基于新型激光場(chǎng)的非線性調(diào)控是當(dāng)前非線性物理研究的兩大前沿方向。通過(guò)改變色散、衍射和非線性特性，可有效調(diào)控波在非線性介質(zhì)中的傳播特性，也為研究其中的新現(xiàn)象和物理效應(yīng)開(kāi)辟了新途徑。相比凝聚態(tài)和固體物理，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚為研究諸多非線性現(xiàn)象提供了更為干凈和高度可控的媒介，如平均場(chǎng)近似下的亮、暗孤子和多體物理。為了獲得穩(wěn)定的孤子解，通常采用三種方法：由相向傳播的激光束形成的光晶格（線性調(diào)控），費(fèi)希巴赫共振產(chǎn)生的非線性調(diào)控，以及通過(guò)激光實(shí)現(xiàn)綴飾原子自旋態(tài)產(chǎn)生的自旋軌道耦合效應(yīng)。2020年初，中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室阿秒科學(xué)技術(shù)研究方向副研究員曾健華團(tuán)隊(duì)在上述兩大非線性物理前沿理論研究方面取得系列進(jìn)展。
上世紀(jì)六十年代激光誕生不久后，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Townes在其奠基性理論文章中指出“激光在二維自聚焦非線性介質(zhì)中難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳播，會(huì)發(fā)生臨界塌縮”，后人稱(chēng)此現(xiàn)象為“Townes孤子”。之后，克服激光傳播的臨界塌縮現(xiàn)象是物理以及其它領(lǐng)域科學(xué)家追求的目標(biāo)。非線性光學(xué)領(lǐng)域通常采用的方法是引入線性周期勢(shì)（如光子晶體）和競(jìng)爭(zhēng)自聚焦三階-自散焦五階非線性，然而通過(guò)調(diào)節(jié)光場(chǎng)的衍射和三五階競(jìng)爭(zhēng)非線性來(lái)克服塌縮現(xiàn)象仍處于研究萌芽階段。研究團(tuán)隊(duì)在此前非線性調(diào)控研究 [Phys. Rev. A 85, 023824 (2012); Phys. Rev. E 85, 047601 (2012), 86, 036607 (2012), 88, 025201 (2013), 95, 052214 (2017) ]，和近期線性-非線性調(diào)控研究[Adv. Photonics 1, 046004 (2019); Opt. Lett. 44, 1206 (2019), 44, 2661 (2019); Non. Dynamics 98, 985(2019)]的基礎(chǔ)上，通過(guò)結(jié)合線性周期勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)三五階非線性特性，理論研究了激光在分?jǐn)?shù)衍射介質(zhì)中的傳播特性，發(fā)現(xiàn)了三類(lèi)局域于能帶中且能穩(wěn)定傳播的二維局域孤子解，包括基模、帶隙渦旋和類(lèi)截?cái)喾蔷€性布洛赫波（孤子簇），從而克服了二維自聚焦介質(zhì)中的臨界塌縮現(xiàn)象。2020年1月該結(jié)果以Preventing critical collapse of higher-order solitons by tailoring unconventional optical diffraction and nonlinearities發(fā)表在Nature子刊Communications Physics上。
同時(shí)，針對(duì)激光在純非線性飽和介質(zhì)中同步調(diào)控光衍射和自聚焦非線性這一尚未研究的科學(xué)問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)的理論研究結(jié)果以1D Solitons in Saturable Nonlinear Media with Space Fractional Derivatives為題發(fā)表在Annalen der Physik上。研究人員首次采用純非線性調(diào)控方法研究了衍射可調(diào)控的飽和非線性介質(zhì)中激光的傳播特性，發(fā)現(xiàn)在三階或五階自聚焦非線性作用下，均存在穩(wěn)定的基模孤子和高階結(jié)構(gòu)（同相位雙峰結(jié)構(gòu)和反相位偶極子）；找到局域于非線性晶格單周期內(nèi)的穩(wěn)定偶極孤子模。同時(shí)，題目為Self-trapped spatially localized states in combined linear-nonlinear periodic potentials的理論工作結(jié)果發(fā)表在Frontiers of Physics上。研究人員通過(guò)線性-非線性調(diào)控手段，研究了一維和二維自聚焦非線性光學(xué)或物質(zhì)波介質(zhì)中的局域波特性，發(fā)現(xiàn)了兩類(lèi)自捕獲空間局域帶隙模（帶隙孤子和截?cái)喾蔷€性布洛赫波）。該研究可以克服上面提到的二維自聚焦存在的臨界塌縮現(xiàn)象，空間局域模的穩(wěn)定性同時(shí)具有線性和非線性周期勢(shì)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
此外，在含自旋-軌道耦合效應(yīng)的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的純非線性調(diào)控方面，團(tuán)隊(duì)的研究成果以One-dimensional localized modes of spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensates with spatially periodic modulated atom-atom interactions: Nonlinear lattices為題發(fā)表在Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simulat上。該研究首次在雙分量自旋-軌道耦合玻色-愛(ài)因斯坦凝聚中引入非線性空間周期性調(diào)控手段，從理論和計(jì)算方面研究了兩類(lèi)局域模：基本孤子和孤子對(duì)（偶極子和雙峰孤子）的存在和穩(wěn)定情況，探討了系統(tǒng)化學(xué)勢(shì)、自旋軌道耦合和原子相互作用強(qiáng)度對(duì)局域模的影響，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)原子相互作用和凝聚體相互作用都為自聚焦時(shí)才存在穩(wěn)定解。
以上研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)支持。
圖1. 二維空間中的渦旋帯隙孤子（四模束縛態(tài)）的俯視結(jié)構(gòu)圖（上行）、
相位圖（中行）及其特征值（下行）。
圖2. 飽和非線性介質(zhì)中局域于非線性晶格單周期內(nèi)的一維偶極孤子（上圖）及其傳播動(dòng)力學(xué)（下圖）。
圖3. 耦合線性-非線性周期勢(shì)中的二維截?cái)喾蔷€性布洛赫波立體圖（上行）、
俯視圖（中行）及其動(dòng)力學(xué)演化圖（下行）。
圖4. 具有空間周期性調(diào)制原子-原子相互作用的自旋-軌道耦合玻色-愛(ài)因斯坦凝聚
在不同交叉相互作用（a,b）和自旋-軌道耦合系數(shù)（c,d）下的一維基態(tài)模形狀。
自旋向上（a,c）和自旋向下組分波函數(shù)（b,d）。
原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/202003/t20200311_4737347.shtml
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