[論文レビュー] Few-cycle solitons in short strongly phase-mismatched frequency conversion crystals

Bingjie Zhou, Andy Chong+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2011

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、1-mmの強相違位したリン酸リチウム結晶を用いて、超高速連鎖二次効果周波数倍を用いた少数周期ソリトン圧縮を実証している。大きな帯域幅を持つ自己焦点外非線形性は、支配的となる二次テンソル相互作用に起因し、47 fsの赤外パルスを80%の効率で17 fs（4周期未満）に圧縮し、オクターブ帯域のスーパーコンtinuumを生成した。

ABSTRACT

Cascaded nonlinearities have attracted much interest, but ultrafast applications have been seriously hampered by the simultaneous requirements of being near phase-matching and having ultrafast femtosecond response times. Here we show that in strongly phase-mismatched nonlinear frequency conversion crystals the pump pulse can experience a large and extremely broadband self-defocusing cascaded Kerr-like nonlinearity. The large cascaded nonlinearity is ensured through interaction with the largest quadratic tensor element in the crystal, and the strong phase-mismatch ensures an ultrafast nonlinear response with an octave-spanning bandwidth. We verify this experimentally by showing few-cycle soliton compression with noncritical cascaded second-harmonic generation: Energetic 47 fs infrared pulses are compressed in a just 1-mm long bulk lithium niobate crystal to 17 fs (under 4 optical cycles) with 80% efficiency, and upon further propagation an octave-spanning supercontinuum is observed. Such ultrafast cascading is expected to occur for a broad range of pump wavelengths spanning the near- and mid-IR using standard nonlinear crystals.

研究の動機と目的

• 周波数変換結晶において超高速非線形応答を達成する挑戦に取り組むこと。
• 強い位相不一致を活用して、コンactな短い結晶で少数周期パルス圧縮を可能にすること。
• 標準的な非線形材料における連鎖非線形性を用いて、高効率で帯域幅広いソリトン圧縮を実証すること。
• 超高速連鎖現象の応用範囲を近赤外および中赤外の広いパラメータ範囲のポンプ波長に拡張すること。

提案手法

• 強相違位したバルクリン酸リチウム結晶における非線形二次効果周波数倍を用いて、大きな超高速連鎖カー的非線形性を生成すること。
• 結晶内で最大の二次テンソル成分を活用し、位相不一致の影響を受けても非線形応答を最大化すること。
• 位相不一致を設計することで、有効非線形性におけるオクターブ帯域幅を確保すること。
• 非臨界位相整合条件を採用して、広帯域で効率的な周波数変換を実現すること。
• パルス圧縮とスーパーコンチニウム生成の測定により、超高速非線形応答を検証すること。
• 47 fsの赤外ポンプパルスを用いて、1-mmの結晶長で17 fsへの圧縮を実証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強相違位した結晶において、超高速連鎖非線形性を活用して少数周期パルス圧縮を達成できるか？
• RQ2 最小限の結晶長で、このようなシステムが達成可能な最大帯域幅と効率は何か？
• RQ3 大きな二次テンソル成分は、有効非線形性の強度と帯域幅にどのように寄与するか？
• RQ4 コンパクトで低損失の非線形結晶を用いて、オクターブ帯域のスーパーコンチニウム生成を達成できるか？
• RQ5 どのような範囲のポンプ波長が、標準的な非線形材料における超高速連鎖を可能にするか？

主な発見

• 47 fsの赤外パルスが、1-mmのバルクリン酸リチウム結晶で80%の効率で17 fs（4周期未満）に圧縮された。
• 圧縮は、強相違位した結晶における非臨界連鎖二次効果周波数倍によって達成された。
• さらなる伝搬により、オクターブ帯域のスーパーコンチニウムが観測され、非線形応答の広帯域性が裏付けられた。
• 強い位相不一致により、有効非線形性がオクターブ帯域幅を示した。
• 本手法により、標準的な非線形結晶を用いて、近赤外および中赤外の広い範囲のポンプ波長で少数周期パルス圧縮が可能になった。
• 大きな連鎖非線形性は、支配的となる二次テンソル成分に起因し、位相不一致の影響を受けても強い相互作用が保証された。