[論文レビュー] Ultra-broadband, few cycle pulses directly from a Mamyshev fiber oscillator

Chunyang Ma, Ankita Khanolkar+2 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、自己類似非線形発展と増幅ファイバー内の内在的飽和吸収を活用することで、超広帯域で数サイクルのパルス（約5サイクル、約400 nm帯域幅）を直接生成する新規なマミシフファイバー発光器を提案する。この手法により、非線形ダイナミクスが安定なアトラクターとして機能することで、従来の増幅帯域幅制限を克服し、ファイバー・レーザーから直接得られる最短パルス幅と最広帯域スペクトルを達成した。

ABSTRACT

While the performance of mode-locked fiber lasers has been improved significantly, the limited gain bandwidth restricts them to generate ultrashort pulses approaching a few cycles or even shorter. Here we present a novel method to achieve few cycle pulses (~5 cycles) with ultra-broad spectrum (~400 nm). To our best knowledge, this is the shortest pulse width and broadest spectrum directly generated from fiber lasers. It is noteworthy that a dramatic ultrashort pulse evolution can be stabilized in a laser oscillator by the unique nonlinear processes of a self-similar evolution as a nonlinear attractor in the gain fiber and a perfect saturable absorber action of the Mamyshev oscillator.

研究の動機と目的

• 超短パルス生成を制限するモードロックファイバー・レーザーにおける増幅帯域幅制限を克服すること。
• ファイバー発光器から直接に数サイクルパルスを、超広帯域スペクトル幅で生成する方法を開発すること。
• 単一のファイバー・カーブ内での内在的非線形ダイナミクスと飽和吸収を用いて、劇的な超短パルス発展を安定化すること。
• 外部圧縮を必要としない、自己持続的メカニズムによる数サイクルパルス生成を実証すること。
• ファイバー・レーザー発光器から直接得られる、最短パルス幅と最広帯域スペクトルを達成すること。

提案手法

• 自己位相変調と異常分散が増幅ファイバー内で自己類似非線形発展を駆動するマミシフ発光器構成を用いる。
• マミシフ発光器の内在的飽和吸収特性を活用して、超短パルス形成を安定化する。
• 自己類似パルス発展を非線形的アトラクターとして支持するように、分散と非線形性を調整した非線形ファイバーを採用する。
• 非線形的位相蓄積を通じて、~400 nm帯域幅へのスペクトル拡張をカーブに実装する。
• 非線形圧縮と増幅飽和のバランスを取るために、ポンプ出力とファイバー長を最適化する。
• スペクトル測定と自己相関測定を用いて、発光器出力から直接にパルス幅と帯域幅を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファイバー発光器内での自己類似非線形発展が、超広帯域スペクトル幅を有する数サイクルパルスを生成できるか？
• RQ2 マミシフ発光器の内在的飽和吸収が、外部部品を必要とせずに超短パルス形成を安定化できるか？
• RQ3 ファイバー・レーザー発光器から直接得られる最短パルス幅と最広帯域スペクトルは何か？
• RQ4 非線形性と分散の相互作用が、単一カーブ内での安定した数サイクルパルス生成をどのように可能にするか？
• RQ5 自己類似発展ダイナミクスが、強固なパルス形成を保証する非線形的アトラクターとして機能できるか？

主な発見

• 本システムは、約5サイクルのパルス持続時間を持つ数サイクルパルスを直接生成し、ファイバー・レーザー発光器から報告された最短パルス幅を達成した。
• 出力スペクトルは約400 nmをカバーし、これまでにファイバー発光器から直接得られた中で最も広帯域スペクトルを達成した。
• パルス形成は、増幅ファイバー内での自己類似非線形発展が非線形的アトラクターとして機能することで安定化された。
• マミシフ発光器は内在的飽和吸収を提供し、外部の非線形的または吸収的要素の必要性を排除した。
• 外部圧縮を必要としない直接的数サイクルパルス生成が実現され、コンactかつ安定したソース設計が可能になった。
• 本結果は、超短・広帯域パルスを生成するファイバー・レーザー技術分野における顕著な前進を示している。