拓扑锁模激光器中的非线性驱动NHSE。a，在我们的锁模激光器合成晶格中实现的NH-SSH畴壁示意图。b，我们的锁模激光器输出超过500次往返的热图。脉冲被加宽以提高可见度。c，我们的拓扑锁模激光器中的锁模脉冲模式。来源:《自然物理》(Nature Physics, 2024)。DOI: 10.1038/s41567-024-02420-4

锁模激光器是一种先进的激光器，它能产生非常短的光脉冲，持续时间从飞秒到皮秒不等。这些激光器被广泛用于研究超快和非线性光学现象，但它们也被证明对各种技术应用是有用的。

加州理工学院的研究人员最近一直在探索锁模激光器作为研究拓扑现象平台的潜力。他们的论文发表在《自然物理》杂志上，概述了这些激光器在研究和实现新的非厄米拓扑物理方面的潜力，并具有各种潜在的应用。该论文的第一作者Alireza Marandi告诉Phys.org:“在过去的十年里，利用光子器件的拓扑鲁棒性和拓扑保护的想法引起了大量的关注，然而这种行为是否能提供实质性的实际好处仍然不清楚。”“我们一直在专门为激光器和非线性光子器件探索这个问题，因为它们的功能本质上是非线性的。顺便提一下，拓扑物理领域也在围绕拓扑和非线性的相互作用发展，而这种探索的实验平台相对较少。"

Marandi和他的同事们最近的研究有两个目的。一方面，他们希望为非线性拓扑行为的研究开辟新的机会，另一方面，他们希望扩大拓扑物理在锁模激光器中的实际应用。

Marandi解释说:“从实验的角度来看，我们的平台是一个时间复用谐振器网络，它由长谐振器中的许多同步脉冲组成。”“脉冲可以通过精确的延迟线以可控的方式相互耦合。这使我们能够创建具有相当灵活性的大规模谐振器的可编程网络。这在其他平台上并不容易。"

在2022年发表的一篇较早的论文中，研究人员探索了大规模光子谐振器中的拓扑现象，但具体来说是在线性体系中。作为他们新研究的一部分，他们使用相同的谐振器来实现耦合锁模激光器。

艺术家对脉冲光子谐振器网络拓扑行为概念的图示。来源:Nicolle R. Fuller, Sayo Studio

研究小组表明，这些激光器产生的脉冲模式可以从非厄米现象和拓扑现象中受益。从本质上讲，他们创造了一个长腔，多脉冲，锁模激光器，并在其内部引入一个结(即，以拓扑方式耦合其脉冲)。Marandi说:“我们实验方法的灵活性使我们既可以研究拓扑和激光锁模的交集，又可以实现以前没有在光子系统中证明的非厄米拓扑物理。”“例如，我们发现在锁模激光器中，非厄米拓扑和系统非线性动力学之间的协同作用自发地产生了表皮模式。这与线性非厄米拓扑系统形成鲜明对比，后者必须用外部源探测蒙皮模式。"

Marandi和他的合作者最近的工作证明了锁模激光器在研究拓扑物理方面的前景，迄今为止，这种前景在实验上很难实现。此外，他们的研究可以激发锁模激光器用于开发新的传感、计算和通信技术。

此外，在他们的实验中，研究人员使用他们开发的激光来确认用于研究随机移动粒子行为的数学模型的稳健性，该模型被称为Hatano-Nelson模型，用于对抗无序诱导的定位。虽然该模型之前已经被广泛研究，但尚未在锁模光子平台上得到证明。

Marandi说:“具体到这一认识，我们进一步探索了Hatano-Nelson模型对无序引起的定位的鲁棒性，以及它如何能够设计出鲁棒的频率梳源。”“通常情况下，这种对某些事物的稳健性之后，对其他事物的敏感性就会随之而来。”

在接下来的研究中，Marandi和他的同事们将尝试使用他们的方法来探索使用Hatano-Nelson模型作为增强灵敏度的传感器。此外，他们希望他们的研究将激励其他团队实验使用锁模激光器来研究拓扑物理现象。

Marandi补充说:“我们也相信，我们的平台可以成为探索大量不容易接近的非线性拓扑和非厄米现象的沃土。”“我们感兴趣的一个例子是孤子形成和拓扑行为的相互作用。”

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