[論文レビュー] Observation of Spatio-temporal Instability of Femtosecond Pulses in Normal Dispersion Multimode Graded-Index Fiber

Uğur Teğin, Bülend Ortaç|arXiv (Cornell University)|May 25, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 15被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、フェムト秒パルスを用いて、通常分散特性を示す勾配屈折率多モード光ファイバ（GRIN MMF）において、幾何的パラメトリック不安定性（GPI）サイドバンプの初回実験的観測を報告する。GPIサイドバンプは、周期的に自己焦点化するGRINファイバ内での準位相一致を介して生成され、800 nmポンプから91 THzの周波数シフトを示し、実験と数値シミュレーションの両方でガウス型の空間ビームプロファイルを維持している。このシミュレーションには、ラーマン非線形項およびショック非線形項を含む結合モードパルス伝搬モデルが用いられた。

ABSTRACT

We study the spatio-temporal instability generated by a universal unstable attractor in normal dispersion graded-index multimode fiber (GRIN MMF) for femtosecond pulses. Our results present the generation of geometric parametric instability (GPI) sidebands with ultrashort input pulse for the first time. Observed GPI sidebands are 91 THz detuned from the pump wavelength, 800 nm. Detailed analysis carried out numerically by employing coupled-mode pulse propagation model including optical shock and Raman nonlinearity terms. A simplified theoretical model and numerically calculated spectra are well-aligned with experimental results. For input pulses of 200-fs duration, formation and evolution of GPI are shown in both spatial and temporal domains. The spatial intensity distribution of the total field and GPI sidebands are calculated. Numerically and experimentally obtained beam shapes of first GPI features a Gaussian-like beam profile. Our numerical results verify the unique feature of GPI and generated sidebands preserve their inherited spatial intensity profile from the input pulse for different propagation distances particularly for focused and spread the total field inside the GRIN MMF.

研究の動機と目的

• 正常分散特性を示すGRIN MMF内における超短パルスのスパティオテンポラル不安定性を、幾何的パラメトリック不安定性（GPI）の観点から調査すること。
• フェムト秒パルスを用いたGPIサイドバンプ生成の実験的実証を行い、従来のピコ秒またはナノ秒パルスに限局した研究を拡張すること。
• 超短パルス励起下におけるGRIN MMF内でのGPIダイナミクスを駆動する普遍的な不安定アトラクタの役割を検証すること。
• 特にポンプからの周波数デチューニングおよびビームプロファイルの継承に注目して、GPIサイドバンプのスペクトル的および空間的進化を特徴づけること。

提案手法

• 正規分散領域でフェムト秒パルス伝搬を研究するため、コア径50 µm、放物線的屈折率プロファイルを有する2.6 mのGRIN MMFを用いた。
• パルス伝搬をシミュレートするために、ラーマン非線形項および光的ショック項を含む結合モードパルス伝搬モデルを採用した。
• モード結合効果を評価するため、角運動量ゼロの3つのモード（p=0,1,2）を用い、エネルギー分布を変化させて数値的シミュレーションを実施した。
• GPI発現を観測するため、変動エネルギー（295–345 nJ）の200-fs、800 nm、線形偏光パルスを用いて実験的測定を実施した。
• 最初のGPIストークスサイドバンプの近場ビームプロファイルを分離・測定するために、1000 nmカットオフのローパassフィルタを適用した。
• 実験的スペクトルおよびビームプロファイルを数値計算結果と比較し、GPIメカニズムおよび空間的進化の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムト秒パルスを用いた正常分散領域におけるGRIN MMF内での幾何的パラメトリック不安定性（GPI）を、実験的に観測できるか？
• RQ2 超短パルスから生成されたGPIサイドバンプは、長パルス領域と同様にポンプの空間ビームプロファイルを継承するか？
• RQ3 200-fsパルスを用いてGRIN MMFを励起した場合、最初のGPIストークスおよびアンチストークスサイドバンプの周波数デチューニングはどの程度か？
• RQ4 GPIサイドバンプのスペクトル的および空間的進化は、入射パルスエネルギーおよびモードエネルギー分布にどのように依存するか？
• RQ5 ラーマン項およびショック項を含む数値的シミュレーションは、GRIN MMF内でのGPIの実験的観測をどの程度再現できるか？

主な発見

• フェムト秒パルスを用いたGRIN MMF内でのGPIサイドバンプの初回実験的観測が達成され、800 nmポンプ波長から91 THzの周波数デチューニングを示した。
• 入射パルスエネルギー345 nJの条件下で、最初のGPIストークスおよびアンチストークスサイドバンプはそれぞれ1055 nmおよび645 nmに現れ、スペクトル幅は約12 nmおよび約5 nmであった。
• 周波数領域では、GPIサイドバンプのバンド幅がそれぞれ約3.2 THzとほぼ等しく、対称的スペクトル拡張が確認された。
• 最初のGPIストークスサイドバンプの近場ビームプロファイルはガウス型であり、スペックルを含まず、ポンプの空間強度プロファイルと一致した。
• 3モードとラーマン非線形項を含む数値的シミュレーションにより、観測されたGPIサイドバンプのスペクトル位置およびバンド幅が良好に再現された。
• 全場およびGPIサイドバンプの空間強度分布は伝搬距離に伴い進化を示し、焦点化および拡散構成の両方において、入射パルスのビーム形状を保持した。