[論文レビュー] Experimental observation of long-wavelength dispersive wave generation induced by self-defocusing nonlinearity in BBO crystal

Binbin Zhou, Morten Bache|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2015

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ひとこと要約

本研究では、位相不一致のある二次的相互作用によって誘発される自己拡散非線形性を介して、BBO結晶内での長波長分散波（DW）生成を実験的に示した。1.24–1.40 µmのポンプパルスを25-mmのBBO結晶に入射させることで、正常な群速度分散（GVD）領域で自己拡散ソリトンが形成され、異常GVD領域で1.9–2.2 µmの効率的なDW放射が発生した。これは、1オクターブを超えるスペクトル拡張と、約16 fsへの時間的圧縮によって確認された。

ABSTRACT

We experimentally observe long-wavelength dispersive waves generation in a BBO crystal. A soliton was formed in normal GVD regime of the crystal by a self-defocusing and negative nonlinearity through phase-mismatched quatradic interaction. Strong temporal pulse compression confirmed the formation of soliton during the pulse propagation inside the crystal. Significant dispersive wave radiation was measured in the anomalous GVD regime of the BBO crystal. With the pump wavelengths from 1.24 to 1.4 $μ$m, tunable dispersive waves are generated around 1.9 to 2.2 $μ$m. The observed dispersive wave generation is well understood by simulations.

研究の動機と目的

• 従来の自己収束Kerr非線形性ではなく、自己拡散非線形性を用いたバルクBBO結晶内での分散波生成を実験的に示すこと。
• 位相不一致のある二次的プロセスによる負の非線形性を活用することで、高エネルギーパルス伝送におけるフィラメント化制限を克服すること。
• 通常の自己収束ソリトンでは到達できない、BBOの異常GVD領域における効率的な長波長分散波放射を達成すること。
• 位相不一致の制御とポンプ強度の変更により、分散波発光の可変性を実証し、1.9から2.2 µmのミッド赤外領域をカバーすること。
• 数値的シミュレーションを用いて実験結果を検証し、正常GVDから異常GVD領域に移行する際のソリトン-DW共鳴エネルギー移動の役割を確認すること。

提案手法

• タイプI位相整合を用いて位相不一致のある二次的非線形性を発現させるために、θ=21°、φ=−90°にカットされた25-mmのBBO結晶を用いた。
• 1.24–1.40 µmの範囲で可変可能で、約50 fs、わずかに負の chirp を持つパルスを、1 kHzのOPAシステムから得て結晶にポンプした。
• 結晶の角度を回転させることで位相不一致（Δk）を制御し、有効な非線形性とソリトン-DW結合効率を調整した。
• 100 µmのBBO結晶を用いた2次高調波生成により、強度自己相関計測器を用いて時間的パルス圧縮を測定し、ソリトン形成を確認した。
• 870 nmから2500 nmの範囲で出力スペクトルをInGaAs CCDスペクトロメータでモニタリングし、ミッド赤外領域での分散波放射を検出した。
• 中性減光フィルターを用いてポンプ強度を15–55 GW/cm²の範囲に維持し、ソリトンおよびDWの特徴を示すパルス圧縮とスペクトル拡張を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正常GVD領域における自己拡散非線形性によって駆動される分散波生成が、バルクBBO結晶内で実験的に観測可能か？
• RQ2 正常GVD領域に形成された自己拡散ソリトンが、異常GVD領域における長波長分散波に共鳴エネルギー移動を引き起こすか？
• RQ3 結晶角度による位相不一致の調整（Δk）が、生成された分散波のスペクトル的位置と強度にどのように影響するか？
• RQ4 ポンプ強度が分散波ピークのシフトとスペクトル拡張ダイナミクスに果たす役割は何か？
• RQ5 ポンプスペクトルのブルーシフトが分散波のレッドシフトを制限し、その結果、波長延長の可変性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 自己拡散非線形性を用いたBBO結晶内での長波長分散波放射（1.9–2.2 µm）の初の実験的観測が達成された。ピークパワーはソリトン最大値より約10 dB低い。
• sech²deconvolutionを用いた時間的圧縮により、FWHMが52 fsから16 fsに短縮された。これは、正常GVD領域で高次自己拡散ソリトンが形成されたことを確認した。
• スペクトル帯域幅が1オクターブを超える拡張が観測され、出力スペクトルは870 nmから2500 nmにわたり、スーパーコンtinuum生成を示した。
• 結晶角度（Δk：10–18 mm⁻¹）とポンプ強度（15–55 GW/cm²）の調整により、分散波発光が1.9–2.2 µmの範囲で可変可能であった。
• 高強度下でポンプスペクトルに顕著なブルーシフトが観測され、これは分散波のレッドシフトを相殺し、より長い波長への延長を制限した。
• 数値的シミュレーションにより実験結果が確認され、ソリトンのスペクトル尾端から異常GVD領域の位相整合点で分散波へ共鳴エネルギー移動が発生していることが示された。