[論文レビュー] Attosecond timing jitter optical pulse trains from femtosecond mode-locked Yb-fiber lasers

Youjian Song, Chur Kim+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2011

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、80 MHzモードロックYbファイバーレーザーを自由走行モードで運用し、20アトセコンド未満の分解能を有するバランスド光クロス相関技術を用いて、175アトセコンド（rms）という記録的な低時間ジッタを達成した。超低ジッタは、ほぼゼロの内部分散下で達成されており、最適化されたモードロック条件下で相対的強度ノイズの同時抑制も達成されている。

ABSTRACT

We demonstrate ultra-low timing jitter optical pulse trains from free- running, 80 MHz repetition rate, mode-locked Yb-fiber lasers. Timing jitter of various mode-locking conditions at close-to-zero intra-cavity dispersion (-0.004 to +0.002 ps2 range at 1040 nm center wavelength) is characterized using a sub-20-attosecond-resolution balanced optical cross-correlation method. The measured lowest rms timing jitter is 175 attoseconds when integrated from 10 kHz to 40 MHz (Nyquist frequency) offset frequency range, which corresponds to the record-low timing jitter from free-running mode-locked fiber lasers so far. We also experimentally found the mode-locking conditions of fiber lasers where both ultra-low timing jitter and relative intensity noise can be achieved.

研究の動機と目的

• 外部安定化を施さない自由走行モードロックYbファイバーレーザーで、超低時間ジッタを達成すること。
• ほぼゼロの内部分散下で、さまざまなモードロック条件における時間ジッタを特徴付けること。
• 時間ジッタと相対的強度ノイズの両方が同時に低減する運用領域を同定すること。
• ファイバーベース光パルス列における時間安定性のベンチマークを確立すること。
• 20アトセコンド未満の分解能を有するバランスド光クロス相関法が、ジッタ測定において性能を検証すること。

提案手法

• 1040 nmにおける内部分散を-0.004から+0.002 ps²の範囲で制御した、自由走行で80 MHz繰り返しレートのモードロックYbファイバーレーザーを用いた。
• 20アトセコンド未満の時間分解能を有するバランスド光クロス相関技術を用いて、時間ジッタを測定した。
• 10 kHzから40 MHzのオフセット周波数範囲でジッタのパワー スペクトル密度を統合し、rms時間ジッタを計算した。
• モードロック条件を系統的に変化させ、時間ジッタと相対的強度ノイズのトレードオフを調査した。
• 複数の運用ポイントでの時間ジッタを測定し、最適な分散および増幅条件を同定した。
• ジッタ性能と強度ノイズを相関させ、同時に低ジッタと低強度フラクチュエーションが実現される領域を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ほぼゼロの内部分散下で、自由走行で80 MHzモードロックYbファイバーレーザーで達成可能な最小時間ジッタは何か？
• RQ2 同じレーザーシステム内で、さまざまなモードロック条件における時間ジッタはどのように変化するか？
• RQ3 自由走行ファイバーレーザーで、超低時間ジッタと低相対的強度ノイズを同時に達成できるか？
• RQ4 内部分散がYbファイバーレーザーにおける時間ジッタの最小化に果たす役割は何か？
• RQ5 20アトセコンド未満の分解能を有するクロス相関法は、光パルス列における超低ジッタをどの程度解像できるか？

主な発見

• 10 kHzから40 MHzのオフセット周波数範囲にわたる統合により、測定された時間ジッタは175アトセコンド（rms）という記録的な低値に達した。
• 最低ジッタは、-0.004から+0.002 ps²の範囲でほぼゼロの内部分散下で達成された。
• 時間ジッタと相対的強度ノイズの両方が同時に最小化される安定したモードロック領域が同定された。
• 20アトセコンド未満の分解能を有するバランスド光クロス相関法により、アトセコンドスケールでのジッタの正確な特徴付けが可能になった。
• 自由走行Ybファイバーレーザーが、従来はアクティブに安定化されたシステムでのみ達成可能とされていた時間ジッタ性能を達成できることを示した。
• 分散管理が、モードロックファイバーレーザーにおける超低時間ジッタの実現に不可欠であることを確認した。