畸形波是什么?关于畸形波的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:47:16

畸形波又叫“怪波”,是源自于海洋学中的一种独特物理现象,具有极大的峰值能量,比周围的波幅值高出许2-3倍,而且是随机的出现、毫无征兆地消失。其监测十分困难,还会对远洋航行甚至人类生命财产造成难以估量的损失。怪波在流体学、光学和经济学等领域引起了广泛的关注。在光学系统中,由于光波在光纤中的传播与海洋中水波传播相类似,因此将具有上述特点的高能量光波通常称之为“光学怪波”,也称光学畸形波。光纤激光器作为一个典型系统,可以为研究光学怪波现象提供理想的平台。

光学怪波的发现

2007年,Solli等人基于一个微型光子晶体光纤系统,使用一种新的实时监测技术,能够实时捕获大量的随机超短事件。在接近孤子分裂——超连续产生的开端处观察到光学怪波。这种由一个窄带的输入产生的带宽极端辐射是一个对噪声敏感的非线性过程。他们利用一般的非线性薛定谔方程模拟了怪波的产生,并证实了怪波的起因几乎与初始平坦的脉冲无关,而是由一个小噪声的扰动导致能量的转变。如果怪波能够被一个完全确定的过程描述,噪声将作为一个操纵力来增加和减少观察到怪波的可能性。他们的研究还表明,与一般脉冲相比,光学怪波脉冲具有非常陡峭的前沿和后沿,因为其传播的扰动中没有明显的特征,所以它们的出现似乎是不可预测的。该研究是一个重要的里程碑,它表明基于一套便捷的实验室光纤系统能够产生具有与海洋怪波相类似的统计特性的怪波,这为在光学实验台上探究这种极端行为的动力学提供可能。

光学怪波的产生机制

随着Solli首次在实验中观察到光学怪波,众多研究学者认为光学怪波就是在超连续谱产生过程中存在的一种以统计分布确定的罕见超短脉冲,且具有异常大的红移能量和峰值强度。随着不同实验条件下对光学怪波形成机制的研究的增多,这些罕见的意外事件,被认为是经典的和确定的过程。目前人们普遍认为怪波产生的主要原因是调制不稳定性引起的波与波之间的非线性叠加,这要从非线性薛定谔方程说起,它在解释怪波的现象中有重要的意义。1968 年 Zakharov 推导得到了著名的非线性薛定谔方程,该方程用来描述深水波的动力学特性。 该方程存在一些特殊的解,这些解可以用来描述波的状态。所谓调制不稳定性,即平面波上弱的调制随着传输距离的增加能够产生指数增长。初始的指数增长之后,随后的动态特性以循环展现周期的增长和衰减。不同的研究学者在不同的近似条件下得到关非线性薛定谔方程调制不稳定性的动力性的精确解。Peregrine 在 1983 年首次得到了一个有理分式解,被称作Peregrine 孤子解。该解被认为是怪波的原型,因此被称为 Peregrine 怪波解。除了调制不稳定性,呼吸孤子碰撞产生的高振幅波也可以用于解释怪波。基于非线性薛定谔方程,N.Akhmediev 等人给出了两个呼吸碰撞形成高振幅怪波的解析解成为呼吸孤子碰撞产生怪波的理论基础。此后,B.Frisquet 等人在 2013 年在实验上实现了 呼吸孤子碰撞产生高振幅怪波。而后,实验上还演示了在多脉冲锁模激光器中,无序移动的超短光脉冲之间的非线性相互作用与碰撞形成怪波。怪波形成机制依旧是当前的研究热点问题,对怪波生成机制的深入探索有助于进一步对怪波进行利用和控制。

光学怪波的观测手段

时间拉伸法

时间拉伸是一种基于快速傅里叶变换的实时测量技术,能够在光学成像和光谱学中实现快速的实时测量。可以通过色散介质将光谱线映射到时间域的脉冲波形,时域的光强包络线相当于光谱线。要做到这一点,必须满足一定的条件:脉冲被色散元适当地拉伸,从而使相应的时域波形等价于空间域的远场衍射条件的类比。输入脉冲的波形可以被具有大群速度色散的色散单元及时拉伸。然后由高速光电探测器和示波器捕获输出脉冲序列,实现实时测量。因此,啁啾光纤光栅、正常色散光纤和反常色散光纤均可作为色散元件。在2014年,Lecaplain 演示了光纤激光器的光学怪波发射,在实验中,他们利用时间拉伸测量方法制作了脉冲光谱强度的统计分布直方图,可以显示出与高斯形状和典型长尾结构的强烈偏离。2015年,研究人员报道了正常色散掺镱光纤激光器的光学怪波。Chowdhury等人在线性腔掺镱光纤激光器中对光学怪波进行了实验研究。他们利用色散傅里叶变换的方法来观察光学怪波的存在,并分析相应的光谱演化。简而言之,使用时间拉伸法,可以有效地验证光学怪波的生成。然而,其相位信息通常是缺失的。因此,需要考虑更多的测量方法来进一步研究其综合特征。

时间透镜法

时间透镜能够压缩或扩大光波形的脉冲宽度而不失真。时透镜测量可以支持亚皮秒分辨率的超短脉冲的实时测量。采用时透镜法研究了光湍流中非相干孤子的传播和调制不稳定性中随机透入现象。在RWs的时间透镜测量中,成像信号必须为特定的时间同步。2016年,研究人员利用基于时透镜法的实时测量,报道了光纤激光器中光学怪波的产生。此外,研究人员还利用时透镜技术研究了亚ps分辨率下的时间域的往返跟踪演化和详细的时间模式。但是,与时间拉伸测量相比,时间透镜法的测量系统更加复杂,在一定程度上增加了实验成本。

光学怪波的应用

超连续谱的产生

超连续谱是指窄带的入射脉冲经历极端的非线性频谱展宽产生宽频带的输出。首先是,之后在各种非线性介质中也开展了大量研究。继2007年发现光学怪波后,D.R.Solli等人实验上首次实现了光怪波的主动控制以产生高度稳定的超连续谱。此研究表明通过光怪波能够以最小的激发对非线性光纤系统提供积极有效的控制以产生光可切换的、超稳定的超连续谱。

基于光学怪波的光放大

20世纪80年初,随着光孤子概念的出现。研究人员基于几种不同的机制在理论上提出了孤子的放大 。孤子在光纤中传输,由于光纤损耗的影响,孤子的振幅会衰减,需要放大和整形。在光纤损耗存在的情况下,传输过程中孤子的振幅下降,脉宽变宽。振幅与脉宽成等比例的反比变化,因此仍然能保持孤子的形态。孤子这种自相似结构的特点表明只需简单的放大孤子的振幅,在传输过程中孤子的脉宽会变窄,就足以能恢复它的初始状态。