基于新型激光場結構的光場調(diào)控是當前光學與光子學領域的重要研究方向。光場調(diào)控主要分為線性調(diào)控（如調(diào)控色散和衍射、角動量、自旋軌道耦合）和非線性調(diào)控（調(diào)控介質(zhì)的非線性特性，如非線性光子晶體）兩種手段。在量子多體物理和凝聚態(tài)物理領域，如物質(zhì)的第五態(tài)玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（前四種物質(zhì)為固體、液體、氣體和等離子體）也存在類似的調(diào)控方法，謂之量子調(diào)控——其中實驗科學家最廣為采用的兩種方法是光晶格（線性調(diào)控）和費希巴赫共振（非線性調(diào)控）。
玻色-愛因斯坦凝聚（更廣泛地說，冷原子）是一種天然的非線性物質(zhì)，因為其內(nèi)部原子-原子之間的相互碰撞會產(chǎn)生非線性效應；為此，玻色-愛因斯坦凝聚中涌現(xiàn)出諸多非線性現(xiàn)象，比如物質(zhì)波的四波混頻、亮孤子和暗孤子、渦旋與渦旋晶格、動態(tài)不穩(wěn)定性等等。除了在基礎科學研究的重要作用，玻色-愛因斯坦凝聚在實際應用中還具有廣闊的前景，比如用作冷原子干涉儀、原子激光器、具有前所未有精度的冷原子鐘和精密測量技術，以及更令人興奮的量子信息處理領域。
近期，中國科學院西安光機所瞬態(tài)光學與光子技術國家重點實驗室曾健華副研究員阿秒科學技術研究團隊在前沿光子學的線性和非線性調(diào)控理論研究方面取得系列重要進展，研究成果發(fā)表在《Advanced Photonics》、《Optics Letters》、《Journal of the Optical Society of America B》等光學期刊上。
2019年8月27日，題目為《囚禁于光晶格帯隙中的玻色-愛因斯坦凝聚暗局域模》（Gap-type dark localized modes in a Bose–Einstein condensate with optical lattices）的理論研究工作發(fā)表在光學期刊《Advanced Photonics》（https://doi.org/10.1117/1.AP.1.4.046004）。將冷原子束縛于光晶格中為研究各種有趣的物理特性和豐富的非線性動力學現(xiàn)象提供了一個干凈的、易于實現(xiàn)和精確控制的實驗平臺，這與固體物理中的晶體相比具有顯著的優(yōu)勢。光晶格作為易實現(xiàn)和易操作的多功能手段，存在類似于半導體材料中的能帶結構，在探索玻色-愛因斯坦凝聚特性和操控其動力學方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，一個標志性成果就是在實驗中用光晶格實現(xiàn)亮的物質(zhì)波帶隙孤子。然而，暗的帶隙孤子仍未在實驗中觀測到，其在高維度的物理特性仍然懸而未決。發(fā)表在《Advanced Photonics》的工作通過嚴格的理論和數(shù)值模擬方法，研究了囚禁于一維和二維光晶格帶隙中的冷原子暗局域模的產(chǎn)生和穩(wěn)定特性，發(fā)現(xiàn)了兩類穩(wěn)定的暗局域模，即暗的帶隙孤子和帶隙孤子簇；同時，研究了在二維結構中這兩類暗局域模所對應的渦旋態(tài)。研究工作為在冷原子和光學（使用光子晶體和光學晶格）前沿實驗中觀測暗的局域帶隙波結構開辟了新的途徑。鑒于該工作的創(chuàng)新性和重要性，論文發(fā)表當天就被SPIE（國際光學工程學會）主頁選為“Highlighted stories”（亮點故事，網(wǎng)址： https://spie.org/news?SSO=1）并加以宣傳介紹（網(wǎng)址：https://spie.org/news/stabilizing-2-d-dark-gap-solitons-and-vortices-using-bright-defects-in-optical-lattices）。
圖1. 二維空間中的帯隙型暗孤子與暗孤子簇的三維結構圖（上行）、俯視圖（中行）及其波形（下行）：位于第一（a）和第二（b）帶隙中的暗孤子；（c）暗孤子簇。[ Advanced Photonics 1, 046004 (2019)]
該團隊在非線性孤子理論方面也取得系列重要結果，如題目為《純克爾非線性模型/介質(zhì)中的平頂孤子》（Purely Kerr nonlinear model admitting flat-top solitons）的理論研究工作發(fā)表在《Optics Letters》（https://doi.org/10.1364/OL.44.001206）。文章首次借助純非線性調(diào)控方法預測了一類新型的孤子結構，并通過解析和數(shù)值計算兩種方法研究了平頂孤子和非線性激發(fā)模(多級偶極子和渦旋)結構的存在條件和穩(wěn)定性情況。
圖2. 純非線性調(diào)控下的一維平頂孤子?；＃?/span>a）；偶極（b）和三極（c）激發(fā)模。紅線為非線性勢阱形狀。[ Optics Letters 44, 001206(2019)]
圖3. 分數(shù)衍射調(diào)控和非線性晶格調(diào)控下的一維孤子結構。（a）基模與高斯光（虛線）的波形對比；在不同非線性強度（b）、傳播常數(shù)（c）和衍射階數(shù)（d）下的激光波形變化情況。[ Optics Letters 44, 002661 (2019)]
2019年5月17日，題目為《具有空間周期性調(diào)制非線性（非線性晶格）的分數(shù)薛定諤方程中的一維孤子》（One-dimensional solitons in fractional Schr？dinger equation with a spatially periodical modulated nonlinearity: nonlinear lattice）的理論研究工作再度發(fā)表在《Optics Letters》（https://doi.org/10.1364/OL.44.002661）。文章首次結合非線性調(diào)控方法和線性衍射調(diào)控方法，通過嚴格的理論分析和數(shù)值實驗，研究了多種一維孤子結構（基態(tài)模和激發(fā)模）的產(chǎn)生條件和在各種調(diào)制物理參數(shù)情況下的穩(wěn)定特性。此外，題目為“具有空間調(diào)制排斥非線性作用的超冷原子中的類高斯和平頂孤子”（Gaussian-like and flat-top solitons of atoms with spatially modulated repulsive interactions）的理論研究工作于2019年7月29日發(fā)表在《Journal of the Optical Society of America B》（https://doi.org/10.1364/JOSAB.36.002278）。
圖4. 在空間調(diào)制排斥非線性超冷原子中的平頂渦旋波結構的動力學演化。在角動量守恒條件下，渦度為2（第一行）和3（第二行）的渦旋波結構分別演化成2個和3個旋轉(zhuǎn)的單渦旋。[ J. Opt. Soc. Am. B 36, 002278 (2019)]
以上工作是西安光機所曾健華副研究員（中國科學院青促會會員）及其研究生團隊完成。曾健華老師系中山大學和以色列魏茨曼科學研究所聯(lián)合培養(yǎng)光學博士，曾在以色列特拉維夫大學和清華大學物理系從事博士后研究工作；2013年8月起加入西安光機所瞬態(tài)光學與光子技術國家重點實驗室任副研究員，2015年被評為博士生導師。
以上研究工作也得到國家自然科學基金和中國科學院青年創(chuàng)新促進會的支持。
