耗散二阶腔孤子[Phys. Rev. Lett. 79, 2454]自1997年提出以来，一直是非线性光学中的重要理论预言。其具有超低阈值、宽谱可调、波长扩展等优异特性，但实验实现因多波复杂耦合导致的机理不明始终难以突破。
近日，电子科技大学聂明明教授和美国科罗拉多大学博尔德分校黄书伟教授研究团队，首次在实验上实现了在正常色散区域的耗散二阶孤子生成。提出的“非线性工程”原创思想，让非线性符号与大小原位可调；实验中仅通过调节晶体温度实现了亮孤子（bright soliton）与平顶子（platicon）状态的原位切换。该研究不仅深化了对耗散孤子物理的理解，也为超低阈值、多波长频率梳的发展提供了全新途径，在天文频率梳、光学原子钟、相干通信等领域具有重要应用前景。相关成果以“Dissipative quadratic soliton in the cascaded nonlinearity limit”为题发表于Nature Communications。
耗散克尔孤子通过在谐振腔中平衡色散与非线性、增益与损耗，可实现高相干光频梳，广泛应用于通信、传感、光谱等领域。然而，其依赖于材料三阶非线性，阈值较高；其产生需负色散条件，在短波区域难以实现，导致波长扩展受限。理论表明，通过级联二阶非线性过程可产生等效克尔非线性，从而形成耗散二阶孤子，具备更低的阈值、更灵活的光谱调控能力（光谱形状改变以及大范围频率转换）。然而，尽管经过近三十年的理论探索，耗散二阶孤子的实验实现因多波复杂耦合导致的机理不明一直未能突破，成为非线性光学与频率梳领域的一项长期挑战。
团队构建了基于PPLN晶体的自由空间腔增强二次谐波系统，在正常色散条件下成功激发双色二阶亮孤子，实验与理论模拟高度吻合。
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1571 nm脉冲光，仅泵浦光在腔中共振。
利用级联非线性产生的等效克尔非线性可比材料固有非线性高百倍以上，将孤子产生阈值降低至传统耗散克尔孤子的约1/100。
仅通过精细调节PPLN晶体温度，即可反转等效非线性系数符号，从而在原位实现亮孤子与平顶子之间的可逆切换，展现出前所未有的动态调控能力。
图2：通过改变晶体温度，可调控等效三阶非线性的符号及大小。亮孤子生成：正色散与负有效克尔非线性相互平衡；平顶子生成：正色散与正有效克尔非线性相互平衡。
系统不仅产生基频与倍频双色梳，还可通过腔内和频过程产生可见光波段（如524 nm）频率梳，为光学原子钟自参考、量子信息处理等提供了多波长光源。
图3：腔内合频产生524 nm频率梳。
实验详细研究了相位失配与群速度失配对孤子时频特性的影响，与仿真十分吻合，发现二次谐波光谱对相位失配更为敏感，为器件设计与性能优化提供了关键指导。
本研究首次在实验上验证了耗散二阶孤子的存在，并通过“非线性工程”实现了对其状态的原位灵活调控。这项工作打破了耗散二阶孤子长期停留在理论阶段的困境，为发展超低阈值、波长可拓展、性能可重构的下一代光频梳技术奠定了实验基础。未来，该方案可进一步与薄膜铌酸锂等集成光子平台结合，推动可见光乃至紫外波段集成化锁模频率梳的发展，在精密光谱、量子光源、天文探测及高速通信等领域开辟新的应用途径。
论文信息
Nie, M., Musgrave, J. & Huang, SW. Dissipative quadratic soliton in the cascaded nonlinearity limit. Nat. Commun. 17, 502 (2026).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-67195-5
供稿：课题组
