[論文レビュー] Review of measurements of Kerr nonlinearities in lithium niobate: the role of the delayed Raman response

Morten Bache, Roland Schiek|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2012

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 38被引用数 12

ひとこと要約

本稿はリチウムニオブ酸塩（LN）における Kerr 非線形性の測定をレビューし、タイプ0位相一致条件下での電子的および遅延 Raman 項目の分離を試みる。四波混合（FWM）および Z-スキャンのデータを用いて、合計非線形係数 $ n^{I}_{2, m tot} = 83.3 \times 10^{-20}~{}\rm m^2/W $ と Raman 分数 $ f_R = 0.58 $ を提案する。これは通常の値よりも顕著に高く、超高速非線形光学会のモデル化において Raman 項目が極めて重要であることを示唆している。

ABSTRACT

We review measurements in the literature regarding Kerr nonlinearity of lithium niobate. Of particular interest is to separate the value of the electronic Kerr nonlinearity and the strength of the delayed Raman nonlinearity. The spectral shape of the Raman response in LN is discussed and we restrict ourselves to the case where the pump is polarized along the optical axis. This configuration is important for so-called type 0 noncritical interaction, which is used in QPM devices and in recent supercontinuum generation and few-cycle soliton compression experiments.

研究の動機と目的

• リチウムニオブ酸塩における報告された Kerr 非線形性の値に見られる矛盾を解消し、特に電子的および Raman 項目の分離を図ること。
• タイプ0位相一致構成における遅延 Raman 応答のスペクトル形状と強度を特定すること。
• 超高速パルス伝搬のモデル化に役立つ信頼性の高い実験的根拠に基づくパrameterを提供すること、特にスーパーコンtinウム生成や少数周期ソリトン圧縮の分野において。
• 数値的シミュレーションの正確さに不可欠な Raman 分数 $ f_R $ の矛盾する文献値を統合すること。

提案手法

• 1.064 µm パンプを用いた四波混合（FWM）実験と可変信号を用いて、$ \chi^{(3)} $ 項目の電子的、二次的カスケード、Raman、赤外成分に分離する。
• 既知の二次的カスケード非線形性の式と表にまとめられた Raman データを用いて、電子的 Kerr 非線形性 $ \chi_E^{(3)} $ を抽出する。
• 正規化された Raman 応答関数 $ R(t) = (1 - f_R)\delta(t) + f_R h_R(t) $ を適用し、$ h_R(t) $ は測定された Raman スペクトルのフーリエ変換から導出する。
• 複数の研究における Z-スキャン測定と Raman ゲインデータを比較し、波長スケーリングと不確実性解析を用いて $ f_R $ を推定する。
• 周波数依存の線強度を持つ4本の Raman ラインモデルを用いて実験データにフィットさせ、パラメータセットの妥当性を検証する。
• 単一の Z-スキャン測定と複数の Raman データセットを組み合わせることで、異なるスケーリング仮定下での電子的非線形性を制約するクロスバリデーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイプ0位相一致条件下における X 切断 Z 方向伝搬のリチウムニオブ酸塩における真の電子的 Kerr 非線形性の大きさは何か？
• RQ2 遅延 Raman 項目は LN における全非線形感受率にどの程度寄与しているのか？そのスペクトル形状は？
• RQ3 なぜ文献に掲載された LN の Raman 分数は広範囲にわたってばらつきが大きく、どの値が実験データと最も整合的か？
• RQ4 Raman 応答の統一的モデルが、LN における FWM および Z-スキャン測定の両方を正確に再現できるか？
• RQ5 Raman 分数 $ f_R $ は波長や結晶組成（例：MgOドーピング）に依存するか？

主な発見

• 本研究では、1.064 µm での FWM 測定に基づき、合計非線形係数 $ n^{I}_{2, m tot} = 83.3 \times 10^{-20}~{}\rm m^2/W $、電子的寄与は $ 34.6 \times 10^{-20}~{}\rm m^2/W $ であると特定した。
• Raman 分数 $ f_R $ は 0.58 に決定され、全 Kerr 非線形性のおよそ 60% が遅延 Raman 応答に起因していることを示している。
• Chunaev らの 1.047 µm における Raman ゲインデータを用いた推定では $ f_R = 0.96 \pm 0.18 $ が得られたが、これは物理的に不自然に高く、測定不確実性に起因すると考えられる。
• Z-スキャンと Raman データの比較により、532 nm でのより妥当な推定値 $ f_R = 0.37 \pm 0.08 $ が得られたが、これは二光子吸収効果による電子項の増幅により低減されている。
• 1.3 µm における 5% MgOドーピング LN を用いたスーパーコンチニウム生成実験データとの整合性から、$ f_R = 0.50 $ が妥当であると検証された。
• 本研究は、従来のファイバー光学会で想定される 0.1–0.2 の範囲よりも、LN における Raman 分数が顕著に高いことを結論づけ、超高速非線形光学会のシミュレーションに更新されたモデルが必要であると示唆している。