级联非线性极限下的耗散二次孤子：非线性调控实现超低阈值光频梳生成

《Nature Communications》：Dissipative quadratic soliton in the cascaded nonlinearity limit

本文针对传统耗散克尔孤子（DKS）在正常色散区难以产生、波长扩展受限的难题，通过非线性调控在级联二次非线性极限下首次实验实现耗散二次孤子（DQS）。研究人员利用PPLN晶体构建单向共振腔增强二次谐波系统，通过温度调控相位失配实现有效非线性系数（EKN）符号反转，在无结构改动前提下原位切换亮孤子与平顶孤子（platicon）状态。该工作为超低阈值多色光频梳在原子钟、天体光谱仪等领域的应用开辟了新路径。

　　

在光频梳技术蓬勃发展的今天，耗散克尔孤子（DKS）作为微腔光频梳的核心载体，已在高速通信、精密光谱等领域展现出巨大潜力。然而传统DKS严重依赖色散工程与材料克尔非线性（MKN），在正常色散区域难以产生，且工作波长受限于特定材料体系。自1997年理论预测以来，具有超低阈值、可调谐性强等优势的耗散二次孤子（DQS）一直未能实现实验突破，成为非线性光学领域长期悬而未决的挑战。

近日，美国科罗拉多大学博尔德分校Mingming Nie、Jonathan Musgrave与黄舒伟（Shu-Wei Huang）团队在《Nature Communications》发表研究成果，首次在级联非线性极限下实验观测到DQS，并通过简单调节非线性晶体温度实现亮孤子与平顶孤子的原位切换。该工作通过非线性调控突破传统色散工程限制，为超低阈值频率梳在非常规波长的应用开辟了新范式。

研究团队采用自由空间四镜环形腔结构，核心创新在于利用周期性极化铌酸锂（PPLN）晶体中的级联二次非线性过程产生等效克尔非线性（EKN）。当相位失配ξ=±2π时，EKN可达材料克尔非线性的100倍以上，且符号可通过温度精确调控。通过构建单场均场方程（SMFE），理论揭示DQS形成源于正常色散与负EKN的平衡，以及相干驱动与腔损耗的平衡机制。

关键技术方法包括：构建387MHz自由空间环形腔，采用25mm长PPLN晶体实现I类相位匹配；通过10mK精度温控系统调控相位失配；使用12ps同步脉冲泵浦结合连续波辅助激光的PDH锁频技术精确控制失谐；采用耦合双波方程（CTWE）和单场均场方程进行数值模拟验证。

亮DQS生成实验

在零群速度失配（GVM）和ξ=-2π条件下，扫描失谐参数观察到图灵环、混沌态到孤子态的转变。实验测得基频光（FF）光谱符合sech²分布，二次谐波（SH）呈现平顶谱型，3dB带宽分别为9nm和5nm，与仿真结果高度一致。射频（RF）频谱证实双色孤子具有高相干性和互陷特性，FF脉冲持续时间290fs，接近变换极限。

参数影响机制

GVM实验显示：当GVM从0增加至11fs/mm，SH光谱不对称性加剧并出现频谱条纹，表明走离效应导致脉冲分裂。相位失配实验表明：SH光谱对ξ变化更为敏感，在ξ=-1.4π至-2.4π区间呈现平顶向sech²谱型的转变，而FF光谱保持稳定。

平顶孤子调控

当调节ξ=2π使EKN转为正值时，系统在红失谐区产生平顶孤子。其特征双肩光谱轮廓在FF和SH端同时出现，且带宽随失谐量增加而展宽。高强度平顶孤子还通过腔内和频产生（SFG）形成524nm绿色频率梳，为光学原子钟等应用提供新光源。

本研究通过非线性工程成功实现DQS的理论构建与实验验证，突破传统DKS对色散工程的依赖。EKN符号的可重构性为孤子调控提供新维度，其超低阈值特性（比传统DKS低100倍）与多色频率梳生成能力，为可见光/紫外波段集成光频梳、原子钟、光学相干断层扫描等应用奠定基础。该工作开创的非线性调控范式更可推广至量子光源、光子传感器等领域，推动非线性光子学向更高维度发展。