包括阿斯頓大學科學家在內的一個國際研究小組開發了一種新的數學框架，可以解釋雷射脈衝「呼吸」的奇怪行為。這項突破首次將兩種截然不同的雷射動力學結合在一個模型下。
超快雷射產生極短的光脈衝，僅持續皮秒或飛秒。這些雷射廣泛應用於眼科手術、生物醫學影像、先進製造和精密材料加工等技術。了解這些雷射的行為方式可以幫助科學家提高其穩定性並更有效地針對特殊應用進行客製化。
在超快雷射內部，光脈衝反覆穿過稱為雷射腔的結構。在某些條件下，這些脈衝可以產生稱為孤子的穩定波包。與緩慢傳播的普通光脈衝不同，孤子在傳播時保持其形狀。
在大多數情況下，孤子的行為方式穩定且可預測，產生類似心跳的規則脈衝。然而，在「呼吸」雷射中，脈衝隨時間不斷變化。在連續穿過雷射腔的過程中，它們會反覆生長和收縮，產生類似呼吸的有節奏的振盪。這種行為代表了一種非平衡情況，其中雷射輸出不斷演變而不是穩定。
兩種不同類型的雷射「呼吸」。
先前的實驗顯示這些雷射有兩種不同類型的呼吸行為。
當雷射器工作在維持脈衝發射所需的最小功率（稱為閾值）之上時，孤子會快速振盪。在這種情況下，呼吸循環在腔內進行幾輪後重複。
低於閾值，行為會急劇減慢。孤子可以進行數百或數千次往返才能完成一個呼吸週期。
到目前為止，研究人員使用兩個獨立的數學模型來解釋這些不同的機制。這項新研究改變了這一現狀，表明這兩種行為都可以在一個統一的框架中描述。
這項工作由阿斯頓光子技術研究所的 Sonia Boscolo 博士參與，發表在 體檢信 在一篇題為「光纖雷射器中呼吸孤子的統一模型：跨越閾值以下和閾值以上的機制」的論文中。
複雜雷射動力學的統一解釋
研究人員創建了一個新模型，結合了兩個重要因素：雷射腔中光的快速演化和雷射能量供應的較慢變化。透過一起考慮這兩個過程，該團隊證明了這兩種形式的呼吸並不是獨立的現象，而是由相關的基礎物理產生的。
博斯科洛博士說：
「閾值以上和閾值以下的呼吸孤子表現出明顯不同的行為。閾值以上的呼吸孤子快速振盪並可能被鎖腔，產生梳狀射頻頻譜和高階鎖頻態，其光譜中具有獨特的邊帶。可測量性，並且沒有光學邊帶。我們的新模擬可以準確地預測快速和慢速循環，這在以前使用單一模型是不可能的。
「我們的工作提出了一個經過修改的離散模型，它結合了雷射增益介質的緩慢動力學，同時保持了對腔的準確描述。這個統一的框架準確地再現了兩種狀態下所有實驗觀察到的行為，並揭示了它們的潛在機制：閾下呼吸由 Q 突變引起，與孤子構象相結合，而 Kerer 在閾值以上的主導呼吸是分散的閾值。
“這項發現彌補了雷射科學領域長期存在的空白，並為設計下一代光基雷射提供了重要的工具。”
超快雷射的未來應用
研究人員認為，新框架可能成為工程師開發未來光學系統的重要工具。隨著對更強大、更可靠的雷射技術的需求不斷增長，該模型可以幫助科學家更有效地預測複雜的雷射行為，而無需依賴多個斷開的模擬。
該團隊希望這項工作最終能成為設計用於醫學、成像、製造和其他先進技術的下一代超快雷射的實用指南。
