[논문 리뷰] All-polarization-maintaining linear cavity fiber lasers mode-locked by nonlinear polarization evolution in stretched pulse regime

Xuanyi Liu, Feng Ye외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 25.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비가역적 위상 이동자를 사용하여 저잡음, 고반복주기 작동을 가능하게 하는, 스트레치드 펄스 영역에서 비선형 편광 진동(NPE)을 통한 모든 편광유지(PM) 섬유 레이저 두 종류를 제안한다. 두 번째 설계는 >30 nm 대역폭과 높은 피크 전력으로 79 fs 펄스를 생성하며, NPE 모드 락커를 사용한 PM 섬유 레이저에서 보고된 바 중 가장 짧은 펄스 지속시간을 나타낸다.

ABSTRACT

Nonlinear polarization evolution (NPE) is among the most advanced techniques for obtaining ultrashort pulses with excellent optical performance. However, it is challenging to design environmentally stable NPE fiber oscillators using only polarization-maintaining (PM) fibers. Here, we use the same PM fiber and non-reciprocal phase shifter to design two different devices, which are capable of acting as effective NPE saturable absorbers (SAs) in two all-PM linear cavity fiber lasers. These two laser setups differ in the position of the non-reciprocal phase shifter, the presence of which is crucial for the proposed fiber lasers to reduce their mode-locking thresholds and achieve high repetition rates above 100 MHz. The mode-locking principle and pulse evolution in the laser cavity are investigated theoretically. The first all-PM fiber oscillator emits sub-200 fs stretched pulses with low peak powers. The second oscillator, with a simpler architecture, directly delivers stretched pulses with high peak powers, the spectral bandwidth greater than 30 nm, and the pulse duration less than 90 fs. To the best of our knowledge, 79 fs achieved in this design is the shortest pulse duration provided by PM fiber lasers using NPE mode-lockers.

연구 동기 및 목표

• 비선형 편광 진동(NPE)을 이용한 수동 모드 락킹을 통해 환경적으로 안정된 모든 편광유지(PM) 섬유 레이저를 개발한다.
• 모든 PM 섬유 레이저 캐비티에서 저잡음 모드 락킹 임계값과 고반복주기 작동을 달성하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 오직 PM 구성 요소만을 사용하여 100 fs 이내의 펄스와 넓은 스펙트럼 대역폭을 갖는 고성능 스트레치드 펄스 작동을 시연한다.
• 비가역적 위상 이동자가 모든 PM 구성에서 효과적인 NPE 행동을 가능하게 하는 역할을 조사한다.

제안 방법

• 비가역적 위상 이동자를 다양한 위치에 배치하여 편광 의존 손실을 조절하는 두 종류의 모든 PM 선형 캐비티 섬유 레이저를 설계한다.
• 완전히 PM 섬유 캐비티 내에서 비선형 편광 진동(NPE)을 포화 흡수체 메커니즘으로 사용하여 수동 모드 락킹을 구현한다.
• 비가역적 위상 이동자를 이용해 편광 대칭을 깨고 비선형 효과를 강화하여 모드 락킹 임계값을 낮춘다.
• 캐비티의 분산 및 비선형성을 최적화하여 스트레치드 펄스 영역에서 작동하게 하여 넓은 스펙트럼 대역폭과 초단파 펄스를 가능하게 한다.
• 이론적 모델링과 실험적 검증을 통해 펄스 지속시간, 스펙트럼, 반복주기를 통해 펄스 동역학을 특성화한다.
• 캐비티 전반에 걸쳐 오직 PM 섬유 구성 요소를 사용하여 환경 안정성과 편광 유지 능력을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비가역적 위상 이동자는 모든 PM 섬유 레이저 캐비티에서 효과적인 NPE 기반 모드 락킹을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ2 비가역적 위상 이동자의 위치는 모든 PM 섬유 레이저에서 모드 락킹 임계값과 반복주기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 오직 NPE만을 포화 흡수체로 사용할 경우, 모든 PM 섬유 레이저가 100 fs 이내의 펄스를 생성하고 높은 피크 전력을 갖출 수 있는가?
• RQ4 NPE를 사용하는 모든 PM 스트레치드 펄스 섬유 레이저에서 캐비티의 복잡성과 성능 간의 상충 관계는 무엇인가?
• RQ5 NPE 모드 락킹을 사용한 PM 섬유 레이저에서 도달 가능한 가장 짧은 펄스 지속시간은 얼마인가?

주요 결과

• 첫 번째 모든 PM 섬유 오실레이터는 낮은 피크 전력으로 200 fs 이내의 스트레치드 펄스를 생성하며, 완전히 PM 구성에서 NPE를 사용한 안정된 모드 락킹을 입증한다.
• 두 번째 오실레이터는 더 단순한 아키텍처를 갖추고 있으며, 직접적으로 90 fs 이내의 펄스를 생성하고 스펙트럼 대역폭이 30 nm를 초과한다.
• 달성된 가장 짧은 펄스 지속시간은 79 fs이며, 저자들의 최선의 지식으로는 NPE 모드 락커를 사용한 PM 섬유 레이저에서 보고된 바 중 가장 짧은 지속시간이다.
• 비가역적 위상 이동자는 모드 락킹 임계값을 크게 낮추고 100 MHz 이상의 반복주기에서 안정된 작동을 가능하게 한다.
• 이론적 분석은 비가역적 위상 이동자가 편광 의존 비선형 손실을 강화하여 모든 PM 캐비티에서 효과적인 NPE 행동을 가능하게 한다고 확인한다.
• 두 설계 모두 캐비티 전반에 걸쳐 완전한 편광 유지 기능을 유지하여 환경 안정성과 내구성을 확보한다.