2020年3月，光学领域著名国际期刊《Light: Science & Applications》在线发表了武汉光电国家研究中心陆培祥教授带领的“强场超快光学”创新研究群体和张新亮教授团队的最新研究成果，该论文题为“Real-time observation of frequency Bloch oscillations with fibre loop modulation”。研究团队利用调制光纤环路和色散傅里叶变换（dispersive Fourier transformation, DFT）光谱技术在实验上实时观测到了光学频率晶格中的布洛赫振荡现象。王兵教授、张驰教授和陆培祥教授为论文通讯作者，华中科技大学博士研究生陈浩、杨宁宁和博士后秦承志为并列第一作者。

布洛赫振荡（Bloch oscillations, BOs）是晶体内的电子在外加恒定电场作用下表现出的周期振荡现象，由于晶体缺陷和弛豫时间过短，电子布洛赫振荡在相关理论提出60年后才在人工超晶格结构中得以实现。近年来，光学结构提供了观测布洛赫振荡的重要平台，通过改变波导阵列横向折射率分布也可在实空间中实现光学布洛赫振荡。类似的现象还可以推广到时间或频率等合成维度中，在脉冲整形和频率调控等领域有重要应用。例如，动态调制可以使环型共振器中的谐振频率相互耦合，构造出光学频率晶格，或利用非线性交叉相位调制代替动态调制在光纤中构建频率晶格。在频率晶格中加入提供恒定力的等效光子规范势（包括矢势或标势），即可在频率维度中实现布洛赫振荡。然而，布洛赫振荡过程中频率变化速度快，难以利用传统光谱仪进行实时测量，导致对光学布洛赫振荡观测只能通过改变入射条件而间接获得，从而缺失了振荡过程中的细节，难以确定是否伴有朗道隧穿或定向输运等效应的发生。

图1实验光路图示意图

王兵等人将光纤环路和相位调制相结合，在实验上实时观测到了频率布洛赫振荡。相位调制对入射脉冲加以调制，使等间隔的频率模式相互耦合，形成周期频率晶格。在环路循环时间与调制信号周期之间引入时间失谐量，导致加载在脉冲上的调制信号相位随循环圈数变化，此时，失谐量相当于频率维度下的等效电场力，引起脉冲频率的周期性变化，该变化即为频率布洛赫振荡。随后，DFT快速光谱技术对频谱每圈的演化进行实时记录，从而观测到了完整的频率布洛赫振荡。

研究团队选取具有不同脉宽的脉冲耦合进环路。当脉冲宽度较窄时，脉冲频谱可认为具有特定的布洛赫动量，此时在等效电场力作用下，脉冲的中心频率将随循环圈数的增加以余弦轨迹运动，如图2所示。不断改变时间失谐量的大小，并记录相应的布洛赫振荡轨迹，从而验证了振荡周期和幅度与时间失谐量间的反比关系。

图2窄脉冲入射下频谱布洛赫振荡实验结果和数值模拟图

当入射为宽脉冲时，脉冲频谱演化如图3所示。脉冲频谱可以认为是布里渊区中许多布洛赫模式的叠加。等效电场力引起所有模式发生相同周期的布洛赫振荡，导致脉冲频谱以呼吸状振荡图样进行演化。每经过一个振荡周期，所有模式均会回到初始状态，从而在频率维度上实现“自成像”。

图3宽脉冲频谱演化图

该研究在光纤环路和相位调制的基础上，实现了周期和振幅可调的光学频率布洛赫振荡，为合成维度光子拓扑调控提供了新的平台，在光信息处理、频率转换等领域具有潜在的应用价值。该工作得到了国家自然科学基金面上项目（No. 11974124, 11947209，11674117）和国家自然科学基金创新群体项目（12021004）等项目的资助。