eLight | 连续泵浦双色耗散二阶腔孤子

非线性频率转换是获得中红外光至紫外波段超快脉冲的关键手段，以往通常需借助飞秒锁模激光器同步泵浦并结合复杂的色散管理谐振腔。这类系统不仅昂贵且稳定性要求高，限制了其在集成化、可部署平台中的应用。近年来，耗散克尔孤子为连续波驱动下的孤子生成提供了新思路，但其基于较弱的三阶非线性效应和负色散介质，转换阈值高、波长覆盖范围有限，尤其在自由空间腔中难以实现。如何利用更强的二阶非线性效应，在无需色散工程和同步电子学器件的条件下直接产生飞秒脉冲，成为该领域的重要挑战。

研究团队在连续波泵浦的双谐振增强腔中，通过级联二次非线性过程模拟出等效四波混频效应，实现了耗散二次孤子的自发形成。该孤子可在腔中同时支持基频与二次谐波两个波长（1572 nm & 786 nm）的飞秒脉冲，且其等效克尔非线性系数可通过泵浦相位失谐灵活调控符号与大小，从而兼容正色散或反常色散系统。

图1：实验示意图。利用PPLN晶体搭建了自由空间四镜蝶形环形腔，泵浦光为1572 nm连续波，1572 nm以及其倍频光786 nm在腔中双共振，通过调节泵浦失谐生成了时间同步的双色飞秒脉冲

团队搭建了基于PPLN晶体的自由空间双谐振增强腔，在1572 nm连续波泵浦下，直接观测到786 nm二次谐波与基频光的双色飞秒脉冲序列。实验测得基频脉冲宽度274 fs、二次谐波脉冲宽度279 fs，转换效率达8.7%，峰值功率分别高达500 W与240 W。尽管中的晶体中光束半径为60 µm，得益于比材料本身克尔非线性大两个数量级以上的等效克尔非线性，泵浦功率仅为0.8 W，凸显了二阶孤子频梳的超低阈值优势。

图2：实验观测到的单孤子形式下的双色二阶孤子光学频谱、重频电学频谱及时域自相关曲线图

该研究是团队继实现单共振同步泵浦二阶腔孤子[Nat. Commun. 17, 502 (2026)]之后的又一突破性进展，丰富和完善了二阶腔孤子类型，加深了对其物理本质及动力学的理解。该研究在连续波泵浦的二次非线性腔中实现了耗散二次孤子锁模，并直接产生双色飞秒频率梳。通过级联二次非线性构建的可调等效非线性，为在不同色散体制中实现孤子提供了一般性方法。同时，强二阶非线性的大范围频率转换特性，可将频梳工作波长以极低阈值高效拓展到克尔频梳难以企及的可见光及中红外波段，为高效、宽波段、低复杂度的超快光源提供新路径。这一突破不完全摆脱了对飞秒锁模激光器、同步电子学及复杂色散调控的依赖，显著降低了系统复杂度与成本，不仅推动了超快光学与非线性光子学的发展，也为量子光学、频率计量、集成光电子学等应用提供了高效、稳健的实验平台。未来，该技术有望进一步向芯片级系统拓展，推动超快光源在通信、传感与计算中的广泛应用。

Musgrave, J., Nie, M. & Huang, SW. Femtosecond dissipative quadratic soliton mode-locking of cavity-enhanced second-harmonic generation. eLight 6, 15 (2026).

https://doi.org/10.1186/s43593-025-00119-4