图1.(A) CUP系统示意图。(B)半蘑菇空腔结构示意图。(C-E) 光子两种模式及对应相图。红色为常规模式，蓝色为混沌模式。

为了研究空腔形貌对于光学混沌的影响，研究人员将光子分别在直角半蘑菇空腔和倾角半蘑菇空腔(图2)中运动的时空信息通过CUP记录下来，进而得到两种空腔对应的相图。实验结果验证了Kolmogorov-Arnol’d-Moser (KAM) theorem, 表明对直角半蘑菇空腔进行在形变上的调控，可以在增加光子在相图中的混沌相，并抑制常规模式的存在。

图2.(A) 直角蘑菇空腔示意图。(B)倾角蘑菇空腔示意图。(C) CUP获得的光子在直角空腔中运动的时空信息。(D)直角蘑菇空腔相图。(E)倾角蘑菇空腔相图。

微扰也会对光学混沌产生显著的影响。如图3所示，研究人员拍摄了间隔1毫秒的两束初始条件完全相图的光子，在同一个半蘑菇空腔中先后的时空运动信息。实验显示两束光子在初始阶段的轨迹完全重合。但到900皮秒之后，两束光子轨迹不再重合，且偏离程度随着时间推移显著增大。图3(D)展示了该两束光子在相空间中随时间的运动轨迹。证明了1毫秒内光学空腔受到的微扰，足以引起显著的光学混沌。这表明对微扰的精确控制，将有助于在实际应用中调控光学混沌。图3(D)同时展示出CUP技术研究光学混沌的独特优势，就是可以获得光子时间和空间一一对应的完整信息。这一特点对于今后研究光学混沌中Poincaré recurrence time的分布，空腔中常规模式和混沌模式之间相互隧穿时的临界条件等等新问题，提供了实验可能性，对光学混沌研究领域的拓展有着重大意义。

图3.(A-B) 间隔1毫秒的连续两束光子运动时空轨迹。两束光子有相图初始入射条件。(C)两束光子对应相图随时间的演化。(D)两束光子相图，无时间信息。

研究人员进一步设计了Kerr gate，来调控光学混沌。如图4，在四分之一Bunimovich空腔中放置了由BGO晶体和一个 polarizing beam splitter (PBS)组成的Kerr gate。CUP拍摄中，400nm波长激光光子被引入空腔中运动，同时另外一束800nm激光被用来即时控制Kerr gate。图4显示，通过Kerr gate的精准调控，在380皮秒和470皮秒处，实验实现了分别将光子从标准模式转变为混沌模式和将光子从混沌模式转变为标准模式的过程。该实验首次实现了对光子在空腔中的运动过程进行单次实时地成像过程中，同时对光学混沌进行精准调控。

图4. 在Kerr gate精准调控下，通过CUP实现了对光学混沌单次实时成像以及调控。(A-C)成像和调控全过程。(D)对应的相图。

这项工作对于光学混沌新研究领域的拓展、新实际应用的开发，都有着积极的推动作用。这项工作不仅对光学混沌的研究，同时也对所有的具有不可重复特性的科学现象的研究，提供了新的实验方法和研究思路。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/3/eabc8448

作者主页：

加州理工大学Lihong V. Wang教授团队

https:// http://coilab.caltech.edu/

南加州大学Han Wang教授团队

https://hanw.usc.edu/返回搜狐，查看更多