[2019年德国慕尼黑国际激光与光电会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）] 2019年欧洲激光与光电会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）——多模光纤中无序诱导的凝聚加速现象

摘要： 近期关于波湍流的研究揭示，一个纯粹的经典随机波系统能够呈现凝聚过程，其热力学特性与玻色-爱因斯坦凝聚相似[1-3]。经典波凝聚源于向瑞利-金斯平衡分布的自然热化过程，该分布的发散特性导致系统基模被宏观占据。由于实现热化所需的极长传播距离，在保守（无腔）构型中研究凝聚现象构成重大挑战。与这一普遍认知相反，近期在渐变折射率多模光纤(MMF)中发现了显著的空间光束自清洁现象[4-7]。该现象源于纯粹的保守克尔非线性效应[7]，其底层机制仍存争议。已知MMF中的光传播会受到材料固有缺陷和外部扰动导致的结构无序影响?；诓ㄍ牧骼砺?，我们建立了考虑无序影响的非平衡随机波动力学描述。该理论揭示结构无序能使凝聚过程加速数个数量级。这种反直觉的凝聚加速机制为光束自清洁效应提供了自然解释：快速凝聚过程使光功率迅速流向MMF基模，使其宏观占据并牺牲其他遵循瑞利-金斯分布能量均分模式的能量[1]。非线性薛定谔方程(NLSE)模拟结果与推导的动力学方程定量吻合，证实了理论有效性及无序介导的凝聚加速效应(见图1)。此外，该动力学方程还解释了为何阶梯折射率MMF中未观测到空间光束自清洁。我们通过改变输入光束相干性(如图1c所示)的MMF实验验证了向光凝聚的转变过程：当激发大量模式时，输出强度分布趋向热瑞利-金斯分布（即温度高于凝聚临界值，图1c中E>Ecrit），此时未观测到空间光束自清洁；而降低模式激发量（图1c中E<Ecrit）时，功率逐渐凝聚至MMF基模，形成清洁光束，实测凝聚体占比高达约60%。