近日，浙江农林大学光机电工程学院（智能装备工程学院）非线性光学应用团队张慧聪老师，在Elsevier出版集团旗下的物理与数学交叉领域的国际高水平期刊《Chaos,Solitons & Fractals》（中科院一区TOP，JCR-Q1）发表了题为“Spiraling multi-component vortex soliton arrays in nonlocal nonlinear media”的研究论文。硕士研究生王志轩为该论文的共同第一作者，张慧聪老师为共同第一作者兼通讯作者，浙江农林大学光机电工程学院为唯一通讯单位。这也是张慧聪老师今年以来在该期刊上发表的第四篇研究论文。
光学涡旋凭借轨道角动量和螺旋相位结构，在大气传感、光学操控、光通信等领域展现广阔的应用前景。多孤子阵列能够承载更多的信息容量并呈现更丰富的相互作用特性。然而，目前关于孤子阵列的研究大多局限于标量（单分量），信息容量相对较小。如何将单分量阵列拓展到多分量阵列以提升信息传输容量，是非线性光学领域的一个重要挑战。针对这一问题，该论文以铅玻璃为强非局域非线性研究载体，开展多分量涡旋孤子螺旋阵列的构建、稳定性与动力学研究，利用非局域介质的长程相互作用模拟二维天体引力。
图1 非局域非线性介质中同向和反向螺旋的标量双轨道孤子阵列
该研究首先建立正六边形孤子阵列的引力类比解析模型，推导出临界横向波矢与旋转周期，通过数值仿真完成理论验证。对标量双轨道六边形孤子阵列开展对比研究发现：反向旋转阵列相比同向旋转阵列稳定性显著提升，物理根源来自反向旋转结构诱导出近乎各向同性的折射率势场，能够对孤子实现均匀约束。进一步拓展到三分量的十字形构型，观测到丰富的旋转动力学：不同分量可实现同心同步螺旋运动，而内外轨道呈现异步旋转行为；中间轨道孤子能够维持涡旋轮廓，内外轨道孤子则会演化成偶极子。
图2 三分量三轨道十字形涡旋孤子阵列
论文还探究几何对称特性对线型多分量涡旋孤子阵列稳定性的影响。结果表明，叠加折射率势场的几何对称性决定阵列演化行为：单分量、三分量阵列因势场各向异性，会出现轨道畸变、孤子演化为偶极子；而二分量、四分量均匀排布的高对称线型阵列，能够维持稳定圆形螺旋轨道，完整保留涡旋形貌。这类多分量、多轨道螺旋孤子阵列，可类比天体力学中多行星绕恒星运转的物理图景，为利用光学系统模拟天体引力现象提供新的实验思路，同时在大容量光通信、光信息编码领域具备应用潜力。
该研究得到国家自然科学基金（项目编号：12404350）的资助。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960077926014670?dgcid=author
（图文：张慧聪，审核：姚立健，终审：陈培金）
