[論文レビュー] Real-time measurements of dissipative solitons in a mode-locked fiber laser

Piotr Ryczkowski, Mikko Närhi+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 27被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、分散フォーリエ変換およびタイムレンズ技術を用いて、モードロックされたファイバーレーザー内における消費的ソリトンのリアルタイムで同時なスペクトルおよび時間的測定を提示する。この手法により、レーザー起動時の遷移的ダイナミクス—パルスの分裂や衝突—が捉えられ、ソリトンの振幅、位相、および複素固有値スペクトルの再構成が可能となり、非平衡系における超高速消費的ソリトンの進化について、前例のない洞察を提供する。

ABSTRACT

Dissipative solitons are remarkable localized states of a physical system that arise from the dynamical balance between nonlinearity, dispersion and environmental energy exchange. They are the most universal form of soliton that can exist in nature, and are seen in far-from-equilibrium systems in many fields including chemistry, biology, and physics. There has been particular interest in studying their properties in mode-locked lasers producing ultrashort light pulses, but experiments have been limited by the lack of convenient measurement techniques able to track the soliton evolution in real-time. Here, we use dispersive Fourier transform and time lens measurements to simultaneously measure real-time spectral and temporal evolution of dissipative solitons in a fiber laser as the turn-on dynamics pass through a transient unstable regime with complex break-up and collision dynamics before stabilizing to a regular mode-locked pulse train. Our measurements enable reconstruction of the soliton amplitude and phase and calculation of the corresponding complex-valued eigenvalue spectrum to provide further physical insight. These findings are significant in showing how real-time measurements can provide new perspectives into the ultrafast transient dynamics of complex systems.

研究の動機と目的

• 従来の測定技術では、モードロックファイバーレーザー内における消費的ソリトンのリアルタイム進化を解像できないという制限を克服すること。
• レーザー起動時の超高速遷移的ダイナミクス、特に複雑なパルス分裂および衝突プロセスを調査すること。
• 消費的ソリトンのリアルタイム同時スペクトル的および時間的特徴付けを可能にし、より深い物理的洞察を得ること。
• リアルタイム測定から得たデータを用いて、消費的ソリトンの振幅および位相を再構成し、その複素固有値スペクトルを計算すること。

提案手法

• 分散フォーリエ変換（DFT）を用いて、レーザー出力のリアルタイムスペクトル的進化を取得する。
• タイムレンズイメージングを用いて、リアルタイムの時間的強度および位相プロファイルを測定する。
• DFTとタイムレンズの組み合わせにより、スペクトル的および時間的ダイナミクスの同時取得が可能となる。
• 測定された強度および位相データを用いて、ソリトンの複素振幅および固有値スペクトルを再構成する。
• 不安定な遷移的状態から安定なモードロックパルス列への全過程が捉えられる。
• この手法により、消費的系における非平衡ダイナミクスの定量的分析が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モードロックファイバーレーザーの起動段階における消費的ソリトンは、どのように進化するか？
• RQ2 パルス分裂および衝突イベント中のリアルタイムスペクトル的および時間的ダイナミクスは何か？
• RQ3 リアルタイム測定から、消費的ソリトンの振幅および位相を再構成できるか？
• RQ4 遷移的および安定状態における消費的ソリトンの複素固有値スペクトルは何か？
• RQ5 リアルタイム測定は、消費的系における非平衡ダイナミクスの理解をどのように向上させるか？

主な発見

• 本手法は、レーザー運転における不安定な遷移的状態における消費的ソリトンのリアルタイムスペクトル的および時間的進化を成功裏に捉えた。
• パルス分裂および衝突ダイナミクスがリアルタイムで観測され、安定化までの間、複雑で繰り返しのない振るまいが明らかになった。
• 測定データからソリトンの振幅および位相が再構成され、完全な特徴付けが可能となった。
• ソリトンの複素固有値スペクトルが計算され、その安定性およびダイナミクスに関するより深い洞察が得られた。
• 結果から、リアルタイム測定により、従来の平均化手法では捉えきれない物理的メカニズムが明らかになった。
• 本研究は、消費的系における超高速非平衡ダイナミクスを探索するための新しい実験的フレームワークを確立した。