西电在物理学顶刊PRL发文，实现三次非线性介质中稳定的耗散涡旋光孤子

近日，西电物理学院教师李春艳与俄罗斯科学院光谱学研究所YaroslavV.Kartashov教授合作，在非线性光学领域取得重要理论研究突破。该研究创新性地提出了一种仅采用自散焦非线性介质和局域增益的耗散方程，实现了稳定的高拓扑荷涡旋光孤子，建立了研究光学孤子的全新物理模型。该模型打破了24年来关于耗散孤子研究的传统认知，为在各类耗散系统中实现稳定的高拓扑荷涡旋孤子开辟了新的研究方向。研究成果以“Stable vortex solitons sustained by localized gain in a cubic medium”为题，于5月22日发表在物理学领域顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters，简称PRL）上。李春艳老师为该论文的第一作者和唯一通讯作者，西安电子科技大学物理学院为第一署名单位和第一通讯单位。

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孤子是非线性效应和衍射效应相平衡时所形成的一种局域波包，涡旋孤子是一类携带角动量，并且具有螺旋相位的高维孤子。涡旋光在诸如信息编码、粒子捕获、角动量的控制和转换等方面有着广泛的应用。然而，作为一种激发态，涡旋孤子，尤其是具有高拓扑荷的涡旋孤子在大多数光学和物质波系统中极易受到角向调制的影响而发生不稳定。因此，构建稳定的高拓扑荷涡旋孤子是一个极具挑战性的世界难题。耗散是普遍存在于自然界中的一种现象，增益和损耗之间的平衡能够使耗散系统达到稳定状态。关于耗散涡旋光孤子的研究最早可以追溯到2000年，其后的研究都是基于复Ginzburg-Landau方程或其它具有竞争耗散机制的类似模型。然而，上述耗散系统都必须采用竞争非线性或非线性增益（吸收）来压制涡旋孤子的不稳定，而非线性吸收的存在使得涡旋孤子只有在高功率泵浦下才能够稳定传输。

该项研究打破了人们对耗散光孤子研究的传统认知，创新性地提出了一种仅采用三次自散焦非线性和线性局域增益的简化模型，在极低的功率水平下获得了稳定的高拓扑荷涡旋孤子。研究人员还发现，此类涡旋孤子起源于增益-诱导线性模，这也是增益-诱导这一概念提出近20年来，首次发现其可以支持携带拓扑荷的线性模。文章所提出的独特机制不依赖于任何光学势阱，也不需要任何具有增益、饱和或竞争的非线性形式。该机制利用自散焦非线性迫使能量从具有线性增益的环形区域流向介质的外围，并被线性背景损耗吸收；随着增益幅值的增大，涡旋孤子的稳定性增强；背景损耗的增强则会产生稳定的高拓扑荷涡旋孤子，甚至支持拓扑荷为10的稳定的涡旋孤子。微扰传输模拟表明，稳定的高拓扑荷涡旋光孤子在相当长的演化时间内都会保持其振幅、相位和形态不变；而不同于常见的坍缩或破缺，不稳定的涡旋孤子则会转变为拓扑荷更高或更低的、稳定的涡旋孤子，显示出了独特的传输动力学行为。

（a）拓扑荷为1的不稳定涡旋孤子在传输过程中演变为拓扑荷为3的稳定涡旋孤子；（b）拓扑荷为4的不稳定涡旋孤子在传输过程中演变为拓扑荷为2的稳定涡旋孤子；(c) 增加背景损耗的情况下，拓扑荷为4的涡旋孤子在传输过程中保持其振幅、形状、和相位始终不变，即为稳定的高拓扑荷涡旋孤子

相关研究成果为在诸如极化激元微腔、非线性结构微腔、激光系统等各类耗散物理系统中实现稳定的高拓扑荷涡旋孤子提供了理论和实验上的指导。在实际应用中，涡旋态可以作为以拓扑荷的大小或正负为编码的信息载体进行通信、实现数字螺旋成像、粒子操纵和高分辨率成像、紧凑的涡旋激光器等，稳定的高拓扑荷涡旋光孤子以及拓扑荷数不同的涡旋态之间的转换将极大促进上述应用的发展。该成果的发表标志着我校在非线性光学领域的科研实力和国际影响力得到了显著提升。本项研究得到了国家自然科学基金、国家留学基金委项目及中央高校基本科研业务费的支持。

据了解，《物理评论快报》（Physical Review Letters）是美国物理学会于1958年创办的世界著名物理学顶级刊物，致力于发表物理学各个领域原创性强、且极具重要影响的物理学最新研究成果，并对全球科学社群起着重要的引领作用，其ESI总引用排名长期位于物理学学科第一位。