在光電子技術(shù)領(lǐng)域，超快光纖激光器因能夠產(chǎn)生高峰值功率、寬光譜范圍的超短脈沖，成為天文學(xué)、流體力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等眾多前沿學(xué)科的重要研究工具。其輸出的鎖模脈沖本質(zhì)為光孤子，該現(xiàn)象的產(chǎn)生依賴(lài)于傳播介質(zhì)中群速度色散（GVD）與自相位調(diào)制（SPM）的動(dòng)態(tài)平衡。長(zhǎng)期以來(lái)，光孤子非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)研究主要圍繞群速度色散管理展開(kāi)，而高階色散對(duì)孤子形態(tài)的影響則較少受到關(guān)注。直至近年，光子晶體波導(dǎo)中負(fù)四階色散（FOD）與克爾非線(xiàn)性相互作用實(shí)現(xiàn)光孤子穩(wěn)定的研究突破，催生了“純四次孤子”的概念，為構(gòu)建工作于純四次孤子狀態(tài)的超快光纖激光器奠定了理論基礎(chǔ)。研究表明，此類(lèi)激光器輸出的鎖模純四次孤子能量與脈沖持續(xù)時(shí)間的三次冪成反比，這意味著在極短脈沖條件下，其可產(chǎn)生比傳統(tǒng)孤子更寬光譜的高峰值功率脈沖，展現(xiàn)出獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

    近期，華南師范大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《OpticsExpress》發(fā)表論文，針對(duì)正四階色散驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)鎖模光纖激光器中耗散純四次孤子（DPQS）的脈動(dòng)動(dòng)力學(xué)展開(kāi)理論研究，揭示了該類(lèi)孤子在特定參數(shù)條件下的非線(xiàn)性演化規(guī)律。研究團(tuán)隊(duì)采用包含自相位調(diào)制、群速度色散、四階色散及有限帶寬增益效應(yīng)的復(fù)Ginzburg-Landau方程，構(gòu)建了由泵浦源、波分復(fù)用器、摻鉺光纖（EDF）、單模光纖（SMF）、光譜脈沖整形器、可飽和吸收體（SA）及輸出耦合器（OC）組成的激光腔模型。通過(guò)精確設(shè)定腔長(zhǎng)、色散參數(shù)及增益特性（如SMF與EDF的群速度色散分別為-21.58ps²/km與21.2ps²/km，四階色散通過(guò)光譜脈沖整形器補(bǔ)償至0.55ps?），結(jié)合高時(shí)間分辨率（6fs）的數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析了耗散純四次孤子的脈動(dòng)行為。

    研究結(jié)果表明，當(dāng)飽和能量Esat設(shè)定為250pJ時(shí)，激光腔內(nèi)形成穩(wěn)定的耗散純四次孤子。其時(shí)域特性表現(xiàn)為主瓣兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布的時(shí)間基座，頻域呈現(xiàn)正啁啾及光譜邊帶，反映出正四階色散與自相位調(diào)制共同作用下的脈沖整形效應(yīng)——低頻分量與高頻分量分別以快于及慢于中心頻率分量的速度傳播，導(dǎo)致基座與主瓣的相位匹配狀態(tài)。盡管基座存在固有不穩(wěn)定性，但在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，二者可協(xié)同傳輸并維持能量平衡。

    當(dāng)Esat提升至290pJ時(shí)，脈沖峰值功率的增加破壞了主瓣與基座的相位匹配，引發(fā)周期性脈動(dòng)。此時(shí)，主瓣與兩側(cè)基座呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性能量交換，脈動(dòng)周期約為32個(gè)腔周期，能量演化曲線(xiàn)顯示二者呈反相關(guān)系，驗(yàn)證了耗散系統(tǒng)中增益-損耗機(jī)制對(duì)孤子結(jié)構(gòu)的調(diào)制作用。進(jìn)一步將Esat提高至294.5pJ，脈動(dòng)行為從對(duì)稱(chēng)性能量交換轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍?duì)稱(chēng)蠕變模式：主瓣能量逐漸向基座轉(zhuǎn)移，形成M形脈沖結(jié)構(gòu)；由于M形脈沖兩時(shí)間峰值（前導(dǎo)峰與尾隨峰）分別由低頻與高頻縱模構(gòu)成，其增益競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致峰值的交替生成與崩潰，進(jìn)而引發(fā)中心波長(zhǎng)漂移驅(qū)動(dòng)的脈沖位置蠕變，脈動(dòng)周期延長(zhǎng)至約230個(gè)腔周期。該過(guò)程中，相位失配與非線(xiàn)性相移的耦合作用顯著改變了孤子傳輸特性，形成區(qū)別于傳統(tǒng)耗散孤子的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為。

    此項(xiàng)研究首次揭示了正四階色散驅(qū)動(dòng)下耗散純四次孤子的脈動(dòng)機(jī)制，證實(shí)了高階色散對(duì)孤子形態(tài)及能量分布的關(guān)鍵影響。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)稱(chēng)基座的穩(wěn)定性與泵浦功率密切相關(guān)，其從相位匹配到失配的演化過(guò)程直接導(dǎo)致脈動(dòng)模式的轉(zhuǎn)變，而M形脈沖的增益競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制則為理解孤子蠕變行為提供了新視角。該成果不僅豐富了光纖激光器中鎖模孤子的動(dòng)力學(xué)理論，也為設(shè)計(jì)高能量脈沖輸出的超快激光系統(tǒng)提供了參數(shù)優(yōu)化依據(jù)，對(duì)推動(dòng)超短脈沖技術(shù)在精密加工、光通信及非線(xiàn)性光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。
    未來(lái)研究可進(jìn)一步探索不同高階色散組合及非線(xiàn)性效應(yīng)下耗散純四次孤子的穩(wěn)定性邊界，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)論，為實(shí)現(xiàn)孤子脈動(dòng)的主動(dòng)控制及新型激光器件研發(fā)奠定基礎(chǔ)。