孤子是普遍存在于流体力学、凝聚态物理、化学、神经生物学、光学等研究领域的非线性局域波。飞秒激光器中由色散和非线性，增益和损耗的双重平衡而形成光孤子，其在非线性介质中能够稳定传输。类似于化学分子，光孤子具有粒子特性，多个孤子通过相互作用可以形成各种各样的束缚态，通常被称为光学孤子分子。光学孤子分子因其可提高通讯容量和类似物质孤子分子的特性而受到广泛关注。

长期以来，科研人员在各类激光器中通过光学光谱观测到具有恒定的时间间隔和相对相位的静态飞秒孤子分子。然而，光谱分析仪受到探测速度的限制，很难获取非重复性的瞬态信息。近年来，时间展宽色散傅里叶变换(TS-DFT)技术的出现克服了传统光谱仪的速度限制，实现了各种稳态、振荡以及振动孤子分子的快速实时光谱测量。但是，由于受到实时示波器存储能力的限制，其观测时间被限制在数百微秒。

为此，天津大学胡明列课题组提出了一种新的探测手段——轨道角动量(OAM)解析法，能够将孤子分子内部相位演化映射为光学涡旋的旋转运动，从而在CCD上直接观测。这一工作发表在Photonics Research 2020年第8期上Extraction of internal phase motions in femtosecond soliton molecules using orbital angular momentum(OAM)-resolved method, Photonics Research, 8(10), 1580,2020)。论文第一作者为赵雨薇博士，通讯作者为胡明列教授和宋有建副教授。

轨道角动量(OAM)解析法探测孤子分子内部相对相位的演化

OAM解析法的核心是将孤子分子内部时域相位转移到两个具有相反拓扑电荷的光学涡旋的空间相位。因此，利用快速CCD监测两个光学涡旋叠加后产生的干涉模式的旋转运动，便可以实现对孤子分子内部复杂的相对相位运动的长期监测。通过采用该OAM解析方法，该研究团队测量了飞秒激光器产生的不同时间间隔的双孤子以及三孤子分子内部的相对相位的长期演化过程。

该方法简单直观、成本低，可以实现多孤子结构中的复杂相位动力学的可视化，为探索光学非线性系统内部孤子动力学提供了新思路。此外，由于OAM解析方法能够将孤子对的时间相位转移到矢量光束的空间相位，因此有可能通过操纵孤子分子相对相位来捕获和控制纳米粒子的旋转，从而将该方法推广到纳米光子学领域。

论文链接：https://www.osapublishing.org/prj/abstract.cfm?uri=prj-8-10-1580