[논문 리뷰] Few-cycle solitons in short strongly phase-mismatched frequency conversion crystals

Bingjie Zhou, Andy Chong외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 20.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 1mm 길이의 강한 위상일치 불량 리튬니오브산염 결정에서 초고속 연속된 제2차 harmonic 생성을 이용한 소리톨 압축을 구현한다. 큰 밴드폭을 가진 자가분산 비선형성은 주로 2차 텐서 상호작용에 기인하며, 47 fs의 적외선 펄스를 17 fs(4개 이하의 광학 주기 이내)로 압축하고 효율성이 80%에 이를 뿐만 아니라 옥타브 스펙트럼을 가진 슈퍼컨티누움을 생성한다.

ABSTRACT

Cascaded nonlinearities have attracted much interest, but ultrafast applications have been seriously hampered by the simultaneous requirements of being near phase-matching and having ultrafast femtosecond response times. Here we show that in strongly phase-mismatched nonlinear frequency conversion crystals the pump pulse can experience a large and extremely broadband self-defocusing cascaded Kerr-like nonlinearity. The large cascaded nonlinearity is ensured through interaction with the largest quadratic tensor element in the crystal, and the strong phase-mismatch ensures an ultrafast nonlinear response with an octave-spanning bandwidth. We verify this experimentally by showing few-cycle soliton compression with noncritical cascaded second-harmonic generation: Energetic 47 fs infrared pulses are compressed in a just 1-mm long bulk lithium niobate crystal to 17 fs (under 4 optical cycles) with 80% efficiency, and upon further propagation an octave-spanning supercontinuum is observed. Such ultrafast cascading is expected to occur for a broad range of pump wavelengths spanning the near- and mid-IR using standard nonlinear crystals.

연구 동기 및 목표

• 주파수 변환 결정에서 초고속 비선형 응답를 달성하면서도 광역대 비선형성을 유지하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 강한 위상일치 불량을 활용하여 소형 단거리 결정에서 소수기 펄스 압축을 가능하게 하기 위해.
• 표준 비선형 재료에서 연속된 비선형성을 이용한 고효율, 광역대 소리톨 압축을 입증하기 위해.
• 초고속 연속성의 적용 범위를 근적외선 및 중적외선 영역의 다양한 펌프 파장에까지 확장하기 위해.

제안 방법

• 강한 위상일치 불량 조건에서 부피형 리튬니오브산염 결정에서 제2차 harmonic 생성을 이용하여 큰 초고속 연속된 킬른-유사 비선형성을 생성하기 위해.
• 위상일치 불량에도 불구하고 비선형 반응를 최대화하기 위해 결정 내에서 가장 큰 2차 텐서 성분을 활용하기 위해.
• 효율적인 비선형성의 광역대 스펙트럼을 확보하기 위해 위상일치를 설계하기 위해.
• 광역대 스펙트럼에서 높은 효율의 주파수 변환을 가능하게 하기 위해 비임계 위상일치 조건을 활용하기 위해.
• 초고속 비선형 응답를 검증하기 위해 펄스 압축 및 슈퍼컨티누움 생성을 측정하기 위해.
• 1mm 길이의 결정에서 47 fs 적외선 펌프 펄스를 이용하여 17 fs로의 압축을 실험적으로 구현하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 위상일치 불량 조건에서의 초고속 연속 비선형성을 활용하여 소수기 펄스 압축을 달성할 수 있는가?
• RQ2 최소한의 결정 길이로도 이 시스템에서 달성 가능한 최대 대역폭과 효율은 무엇인가?
• RQ3 큰 2차 텐서 성분은 효과적인 비선형성의 강도와 대역폭에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 소형, 저손실 비선형 결정을 이용해 옥타브 스펙트럼을 가진 슈퍼컨티누움 생성을 달성할 수 있는가?
• RQ5 표준 비선형 재료에서 초고속 연속성을 가능하게 하는 펌프 파장의 범위는 무엇인가?

주요 결과

• 47 fs의 적외선 펄스가 1mm 길이의 부피형 리튬니오브산염 결정에서 17 fs(4개 이하의 광학 주기 이내)로 80%의 효율로 압축되었다.
• 강한 위상일치 불량 조건에서의 비임계 연속된 제2차 harmonic 생성을 통해 압축이 달성되었다.
• 추가적인 전파를 통해 옥타브 스펙트럼을 가진 슈퍼컨티누움이 관측되어 비선형성의 광역대 성격을 확인하였다.
• 강한 위상일치 불량에 의해 효과적인 비선형성은 옥타브 스펙트럼 대역폭을 가지게 되었다.
• 이 방법은 표준 비선형 재료를 이용해 근적외선 및 중적외선 영역의 다양한 펌프 파장에서 소수기 펄스 압축을 가능하게 한다.
• 큰 연속된 비선형성은 지배적인 2차 텐서 성분에 기인하여 위상일치 불량에도 불구하고 강한 상호작용을 보장한다.