[論文レビュー] All-polarization-maintaining linear cavity fiber lasers mode-locked by nonlinear polarization evolution in stretched pulse regime

Xuanyi Liu, Feng Ye+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、非再帰的位相シフタを用いて低しきい値・高繰り返し周波数動作を実現する、ストレッチドパルス領域における非線形偏光エボリューション（NPE）を用いた全偏光維持（PM）ファイバーレーザーを2つ提案する。2番目の構成では、30 nmを超える帯域幅と高いピークパワーを達成する79 fsのパルスを生成し、NPEモードロック素子を用いたPMファイバーレーザーにおいて報告された最短パルス幅を記録した。

ABSTRACT

Nonlinear polarization evolution (NPE) is among the most advanced techniques for obtaining ultrashort pulses with excellent optical performance. However, it is challenging to design environmentally stable NPE fiber oscillators using only polarization-maintaining (PM) fibers. Here, we use the same PM fiber and non-reciprocal phase shifter to design two different devices, which are capable of acting as effective NPE saturable absorbers (SAs) in two all-PM linear cavity fiber lasers. These two laser setups differ in the position of the non-reciprocal phase shifter, the presence of which is crucial for the proposed fiber lasers to reduce their mode-locking thresholds and achieve high repetition rates above 100 MHz. The mode-locking principle and pulse evolution in the laser cavity are investigated theoretically. The first all-PM fiber oscillator emits sub-200 fs stretched pulses with low peak powers. The second oscillator, with a simpler architecture, directly delivers stretched pulses with high peak powers, the spectral bandwidth greater than 30 nm, and the pulse duration less than 90 fs. To the best of our knowledge, 79 fs achieved in this design is the shortest pulse duration provided by PM fiber lasers using NPE mode-lockers.

研究の動機と目的

• 非線形偏光エボリューション（NPE）を用いた被動モードロックを実現する、環境に安定した全偏光維持（PM）ファイバーレーザーの開発。
• 全PMファイバーレーザー共振器において、低モードロックしきい値と高繰り返し周波数を達成する課題の克服。
• PMコンponentsのみを用いて、100 fs未満のパルスと広帯域スペクトルを達成する高機能なストレッチドパルス動作の実証。
• 非再帰的位相シフタが全PM構成における有効なNPE動作を可能にする役割の調査。

提案手法

• 偏光依存損失を調整するために、非再帰的位相シフタを異なる位置に配置した2つの全PM線形共振器ファイバーレーザーを設計。
• 完全にPMファイバーキャビティ内に非線形偏光エボリューション（NPE）を用いて、スイッチング吸収体機構を実装し、被動モードロックを実現。
• 偏光対称性を破り、非線形効果を強化することで、モードロックしきい値を低減するため、非再帰的位相シフタを採用。
• ストレッチドパルス領域での動作を可能にするために、キャビティの分散と非線形性を最適化し、広帯域スペクトルと超短パルスを実現。
• 理論的モデリングと実験的検証を通じて、パルス幅、スペクトル、繰り返し周波数のパルスダイナミクスを評価。
• 環境安定性と偏光維持を確保するため、PMファイバーキャリブレーションを完全に使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非再帰的位相シフタをどのように用いることで、全PMファイバーレーザー共振器における有効なNPEベースのモードロックを実現できるか？
• RQ2 非再帰的位相シフタの配置が、全PMファイバーレーザーにおけるモードロックしきい値と繰り返し周波数に与える影響は何か？
• RQ3 NPEを唯一のスイッチング吸収体として用いることで、全PMファイバーレーザーが100 fs未満のパルスと高いピークパワーを達成できるか？
• RQ4 NPEを用いた全PMストレッチドパルスファイバーレーザーにおいて、キャビティの複雑さと性能のトレードオフは何か？
• RQ5 PMファイバーレーザーでNPEモードロックを用いて達成可能な最短パルス幅は何か？

主な発見

• 最初の全PMファイバーオシレータは、低ピークパワーの200 fs未満のストレッチドパルスを生成し、完全にPM構成でのNPEによる安定したモードロックを実証した。
• 構造がより単純な2番目のオシレータは、直接90 fs未満のパルスと30 nmを超えるスペクトル帯域幅を達成した。
• 達成された最短パルス幅は79 fsであり、著者らの知る限り、NPEモードロック素子を用いたPMファイバーレーザーにおける最短記録である。
• 非再帰的位相シフタはモードロックしきい値を顕著に低減し、100 MHzを超える繰り返し周波数での安定動作を可能にした。
• 理論的分析により、非再帰的位相シフタが偏光依存非線形損失を強化し、全PMキャビティ内での有効なNPE動作を促進することが確認された。
• 両設計ともキャビティ全体で完全な偏光維持が維持されており、環境安定性と耐障害性を確保した。