[論文レビュー] Revealing the behavior of soliton build-up in a mode-locked laser

X. M. Liu, Yudong Cui|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 58被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、環境的摂動からの安定化により、モードロックレーザーにおける完全なソリトン構築過程の初回のリアルタイム観測を実現した。タイムストレッチ分光法を用いて、単一ソリトンモードロックへの2つの異なる経路が特定された：1つはリラクゼーション振動とスペクトル干渉を伴い、もう1つは安定化に至る前の一時的な束縛状態段階を経る経路である。

ABSTRACT

Real-time spectroscopy based on an emerging time-stretch technique can map the spectral information of optical waves into the time domain, opening several fascinating explorations of nonlinear dynamics in mode-locked lasers. However, the self-starting process of mode-locked lasers is quite sensitive to the environmental perturbation, which causes the transient behavior of laser to deviate from the true build-up process of solitons. Here, we optimize the laser system to improve its stability that suppresses the Q-switched lasing induced by the environmental perturbation. We therefore demonstrate the first observation of the entire build-up process of solitons in a mode-locked laser, revealing two possible ways to generate the temporal solitons. One way includes the dynamics of raised relaxation oscillation, quasi mode-locking stage, spectral beating behavior, and finally the stable single-soliton mode-locking. The other way contains, however, an extra transient bound-state stage before the final single-pulse mode-locking operation.

研究の動機と目的

• 環境への感受性による歪みを是正し、真のソリトン構築ダイナミクスを明らかにすること。
• Qスイッチング発振と外部摂動による一時的ノイズを抑えるためにレーザー系を安定化すること。
• ソリトン形成の全過程のリアルタイムかつ高分解能な観測を可能にすること。
• 安定した単一ソリトンモードロックに至る明確なダイナミクス的経路の特定と特徴化すること。

提案手法

• リアルタイム監視を可能にするために、スペクトルダイナミクスを時間領域にマッピングするタイムストレッチ分光法の採用。
• Qスイッチング発振と外部ノイズを抑えるために、レーザー・カビン設計と環境的遮断の最適化。
• 構築段階における一時的スペクトルおよび時間的特徴を解像できる高帯域検出の実施。
• リラクゼーション振動、スペクトル干渉、束縛状態ダイナミクスを抽出・分析するための高度な信号処理の適用。
• 制御された条件下で繰り返し測定を実施し、システムの安定性を検証。
• 時間領域波形とスペクトル進化を相関づけることで、ソリトン形成の全過程を再構成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モードロックレーザーにおいて、安定した単一ソリトンモードロックに至る支配的なダイナミクス的経路は何か？
• RQ2 環境的摂動は、ソリトン構築過程における一時的挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ3 十分な時間的およびスペクトル的分解能を備えたリアルタイムで、ソリトン形成全過程を観測可能か？
• RQ4 リラクゼーション振動とスペクトル干渉は、モードロックへの移行にどのように寄与するか？
• RQ5 特定の条件下では、安定した単一パルス動作の前に束縛状態ソリトン段階が存在するか？

主な発見

• 環境的摂動からの安定化により、モードロックレーザーにおける完全なソリトン構築過程の初回リアルタイム観測が達成された。
• 単一ソリトンモードロックへの2つの明確な形成経路が同定された：1つはリラクゼーション振動とスペクトル干渉を経る経路、もう1つは一時的な束縛状態段階を経る経路。
• 束縛状態段階が、最終的な単一パルス動作に至る有効な中間状態であることが確認された。
• スペクトル干渉と準モードロックダイナミクスが、安定ソリトン形成の主要な先行状態として観測された。
• システム最適化によりQスイッチング発振が効果的に抑圧され、真のソリトン構築ダイナミクスへのクリアなアクセスが可能になった。
• タイムストレッチ分光法により、一時的段階におけるスペクトルおよび時間的進化の高分解能マッピングが実現された。