[論文レビュー] Supercontinuum generation and tunable ultrafast emission in the vacuum ultraviolet using noble-gas-filled hollow-core photonic crystal fiber

Alexey Ermolov, Ka Fai Mak+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2015

Photonic Crystal and Fiber Optics参考文献 69被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ヘリウムで満たされたカゴーメ型中空コアフォトニクスクリスタルファイバを用いて、113〜1000 nm（11〜1.2 eV）にわたるブロードバンドスーパーコンティンウムを生成することに成功した。これにより、113〜200 nmの範囲でチューナブルな真空紫外（VUV）放射が得られ、効率は1%以上、パルスエネルギーは50 nJ以上を達成した。このメカニズムには、ソリトン自己圧縮、分散波放出、およびプラズマ誘発自己周波数ブルーシフトが関与しており、500アトセカンドの単周期コherentパルスを生成可能である。

ABSTRACT

We report on the generation of a three-octave supercontinuum extending from the vacuum ultraviolet (VUV) to the near-infrared, spanning at least 113 to 1000 nm (i.e., 11 to 1.2 eV), in He-filled hollow-core kagome-style photonic crystal fiber. The same system also permits generation of narrower-band VUV radiation tunable from 113 to 200 nm with efficiencies exceeding 1% and VUV pulse energies in excess of 50 nJ. Modeling confirms that the mechanism involves soliton self-compression to sub-femtosecond pulse durations, dispersive-wave emission and the plasma-induced soliton self-frequency blue-shift. The bandwidth of the generated VUV light, which modeling shows to be coherent, is sufficient to support 500 as single-cycle pulses.

研究の動機と目的

• 希ガスで満たされた中空コアフォトニクスクリスタルファイバを用いて、真空紫外（VUV）から近赤外にわたる超広帯域スーパーコンティンウムを生成すること。
• 113〜200 nmの範囲でチューナブルで高効率なVUV放射を実現し、短波長のコherent光を必要とする応用に貢献すること。
• フェムト秒未満のパルス圧縮と、単周期アトセカンドパルスに十分なVUV帯域幅を実証すること。
• スペクトル広帯域化を引き起こす物理的メカニズム（ソリトン自己圧縮、分散波放出、プラズマ誘発ブルーシフト）を同定・検証すること。

提案手法

• カゴーメ型中空コアフォトニクスクリスタルファイバをヘリウムで満たし、VUVおよび近赤外領域での非線形スペクトル広帯域化を可能にする。
• 強力な超短パルスを用いて、ガスで満たされたファイバ内でソリトン自己圧縮や分散波放出などの非線形効果を励起する。
• プラズマ誘発ソリトン自己周波数ブルーシフトを用いて、スペクトルをVUV領域まで拡張する。
• ソリトン伝搬、群速度分散、自己位相変調を記述する方程式を用いて非線形ダイナミクスをモデル化し、観測されたスペクトル広帯域化を説明する。
• 出力スペクトルとパルス幅を測定することで、コherentで広帯域のVUV光が、フェムト秒未満のパルス持続時間で生成されることを確認する。
• パルスエネルギーとガス圧を調整することで、113〜200 nmの波長範囲でVUV放射をチューニング可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 希ガスで満たされた中空コアフォトニクスクリスタルファイバにおいて、VUVから近赤外にわたるスーパーコンティンウム生成を実現する際、達成可能なスペクトル帯域幅と中心波長は何か？
• RQ2 本ファイバーベースのシステムを用いて、113〜200 nmの範囲でチューナブルなVUV放射をどの程度の効率で生成できるか？
• RQ3 ソリトン自己圧縮、分散波放出、プラズマ誘発ブルーシフトなどの非線形光学的メカニズムの中で、スペクトル広帯域化プロセスを支配するのはどれか？
• RQ4 生成されたVUV光はどの程度コherentであるか？また、単周期アトセカンドパルスを支持できるか？
• RQ5 超高速科学の応用を想定した場合、VUV領域で達成可能な最大のパルスエネルギーとスペクトル帯域幅は何か？

主な発見

• ヘリウムで満たされたカゴーメ型フォトニクスクリスタルファイバ内で、113 nm から 1000 nm（11〜1.2 eV）にわたる3オクターブのスーパーコンティンウムが生成された。
• 113〜200 nmの範囲でチューナブルなVUV放射が達成され、変換効率は1%を超え、パルスエネルギーは50 nJ以上であった。
• モデル化により、スペクトル広帯域化が、フェムト秒未満の持続時間へのソリトン自己圧縮、分散波放出、およびプラズマ誘発ソリトン自己周波数ブルーシフトによって駆動されていることが確認された。
• 生成されたVUV光は、500アトセカンドの単周期パルスを支持するのに十分なコherencyを示した。
• 小型のファイバーベースプラットフォームから広帯域でコherentなVUV光を安定的かつ効率的に得る道筋が示された。
• 実験結果は理論的モデルと整合しており、非線形ダイナミクスがVUV領域へのスペクトル拡張に果たす役割が裏付けられた。