[论文解读] Spectral pulsations of dissipative solitons in ultrafast fiber lasers: period doubling and beyond

Zhiqiang Wang, Aurélien Coillet+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 8

一句话总结

本文研究了由耗散孤子驱动的超快光纤激光器中的光谱脉动，通过实时光谱表征揭示了倍周期分岔及复杂不稳定性。研究证明这些脉动源于交织的分岔，包括与 round-trip 谐频的频率锁定，实验与数值证据共同证实了在反常色散与正常色散区域中倍周期动力学的普适性。

ABSTRACT

Period doubling is a universal bifurcation of central importance in all disciplines of nonlinear science, which generally signals the existence of chaotic dynamics in the vicinity of the system parameters. Although observed in diverse ultrafast laser configurations, there is still no consensus on its physical origin. The observations also include other types of pulsating dissipative solitons, with either short or long periods. Real time spectral characterization allows to investigate optical spectral oscillations, whose features reveal the intracavity dynamics leading to instabilities. Following a contextual review, this article presents a variety of period doubling dynamics manifesting in the spectral domain of dissipative solitons. These dynamics are obtained with ultrafast fiber lasers featuring either anomalous or normal dispersion. It reveals a sequence of period doubling bifurcations and instabilities within transient dynamics, unveiling intertwined bifurcations and the entrainment of new pulsating frequencies. The oscillating frequencies tend to lock to the integral of roundtrip numbers as well as coexist with period doubling, demonstrating new combinations of the period doubling bifurcation with other bifurcations. These experimental findings are confirmed by numerical simulations, emphasizing both the universality of the period doubling bifurcations and their potentially highly complicated manifestations within ultrafast laser systems.

研究动机与目标

• 理解超快光纤激光器中耗散孤子的倍周期分岔的物理起源。
• 表征在反常色散与正常色散光纤激光器中导致不稳定的光谱振荡与瞬态动力学。
• 识别复杂的分岔结构，包括新脉动频率的锁相与对 round-trip 谐频的锁定。
• 通过数值模拟验证实验观测结果，证明倍周期现象的普适性。
• 揭示耗散孤子系统中倍周期分岔与其他动力学不稳定性的新组合。

提出的方法

• 利用先进的光学采样技术进行实时光谱表征，以解析耗散孤子中的超快光谱振荡。
• 在反常色散与正常色散配置下实现超快光纤激光器的实验装置。
• 基于复 Ginzburg-Landau 方程的数值模拟，以建模并重现观测到的脉动动力学。
• 分析时间与光谱演化，以识别分岔序列与频率锁定现象。
• 采用 round-trip 数量积分方法，检测脉动频率与腔内 round-trip 周期之间的同步性。
• 对非线性系统中倍周期分岔的背景进行综述，将其与观测到的光学动力学相联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么导致了超快光纤激光器中耗散孤子的倍周期分岔？
• RQ2 光谱脉动在瞬态动力学中如何演化，涉及哪些分岔序列？
• RQ3 脉动频率在多大程度上锁定于腔内 round-trip 频率的整数倍？
• RQ4 交织分岔在复杂脉动动力学出现过程中起到何种作用？
• RQ5 在支持倍周期分岔与光谱脉动现象方面，正常色散与反常色散区域有何异同？

主要发现

• 在反常色散与正常色散的超快光纤激光器中均观测到倍周期分岔，证实其在耗散孤子系统中的普适性。
• 光谱脉动表现出一系列倍周期事件，表明在临界参数区域附近混沌动力学的出现。
• 新的脉动频率出现并被锁定于腔内 round-trip 频率，证明了谐波锁定的存在。
• 系统表现出交织分岔，其中倍周期与其它不稳定性机制共存。
• 数值模拟成功重现了实验观测结果，验证了理论框架，并凸显了非线性动力学的复杂性。
• 实时光谱测量表明，光谱振荡是腔内不稳定性与分岔路径的直接指标。