[논문 리뷰] Observation of Spatio-temporal Instability of Femtosecond Pulses in Normal Dispersion Multimode Graded-Index Fiber

Uğur Teğin, Bülend Ortaç|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 25.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 15인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 펌프 파장 800 nm에서 91 THz의 주파수 이격을 보이며, 가우시안형 공간 빔 프로파일을 유지하는 정규 분산 급변형 다모드 섬유(GRIN MMF)에서 펌스초 펄스를 이용한 기하학적 매개변수 불안정성(GPI) 사이드밴드의 최초 실험적 관측을 보고한다. GPI 사이드밴드는 주기적으로 재집중되는 GRIN 섬유에서 준위상일치를 통해 생성되며, 실험과 수치 시뮬레이션(라만 및 충격 비선형성 항을 포함한 연관 모드 펄스 전파 모델)을 통해 확인되었다.

ABSTRACT

We study the spatio-temporal instability generated by a universal unstable attractor in normal dispersion graded-index multimode fiber (GRIN MMF) for femtosecond pulses. Our results present the generation of geometric parametric instability (GPI) sidebands with ultrashort input pulse for the first time. Observed GPI sidebands are 91 THz detuned from the pump wavelength, 800 nm. Detailed analysis carried out numerically by employing coupled-mode pulse propagation model including optical shock and Raman nonlinearity terms. A simplified theoretical model and numerically calculated spectra are well-aligned with experimental results. For input pulses of 200-fs duration, formation and evolution of GPI are shown in both spatial and temporal domains. The spatial intensity distribution of the total field and GPI sidebands are calculated. Numerically and experimentally obtained beam shapes of first GPI features a Gaussian-like beam profile. Our numerical results verify the unique feature of GPI and generated sidebands preserve their inherited spatial intensity profile from the input pulse for different propagation distances particularly for focused and spread the total field inside the GRIN MMF.

연구 동기 및 목표

• 정규 분산 GRIN MMF에서 초단파 레이저 펄스의 스펙트럼-시간 불안정성을 기하학적 매개변수 불안정성(GPI)에 대해 이전에 탐색되지 않은 영역에서 조사하기 위해.
• 피코초 또는 나노초 펄스에 국한된 이전 연구를 넘어서, 펌스초 펄스를 이용한 GPI 사이드밴드 생성의 실험적 증명을 위해.
• 초단파 펄스 조사 조건에서 GRIN MMF 내 GPI 역학을 이끄는 보편적 불안정한 애트랙터의 역할을 검증하기 위해.
• 특히 펌프에서의 주파수 이격 및 빔 프로파일 상속을 고려하여 GPI 사이드밴드의 스펙트럼 및 공간 진화를 특성화하기 위해.

제안 방법

• 정규 분산에서 펌스초 펄스 전파를 연구하기 위해 핵심 직경 50 µm, 파라볼릭 굴절률 프로파일을 가진 2.6 m 길이의 GRIN MMF를 사용하였다.
• 펄스 진화를 시뮬레이션하기 위해 라만 비선형성 및 광학 충격 항을 포함한 연관 모드 펄스 전파 모델을 사용하였다.
• 모드 결합 효과를 평가하기 위해 에너지 분포가 다른 세 개의 각운동량 0인 모드(p=0,1,2)를 사용하여 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• GPI 발생을 관찰하기 위해 변수 에너지(295–345 nJ)의 200-fs, 800 nm, 선형 편광 펄스를 사용하여 실험 측정을 수행하였다.
• 첫 번째 GPI 스토크스 사이드밴드의 근접장 빔 프로파일을 고립하고 측정하기 위해 장파장 필터(1000 nm 커프오프)를 적용하였다.
• 실험적 스펙트럼 및 빔 프로파일을 수치 계산 결과와 비교하여 GPI 메커니즘과 공간 진화를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정규 분산 조건에서 펌스초 펄스를 이용해 GRIN MMF에서 기하학적 매개변수 불안정성(GPI)을 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 초단파 펄스에서 생성된 GPI 사이드밴드는 이전의 더 긴 펄스 영역에서 관찰된 것과 마찬가지로 펌프의 공간 빔 프로파일을 상속하는가?
• RQ3 200-fs 펄스로 GRIN MMF를 자극했을 때 첫 번째 GPI 스토크스 및 반스토크스 사이드밴드의 주파수 이격은 얼마인가?
• RQ4 GPI 사이드밴드의 스펙트럼 및 공간 진화는 주입된 펄스 에너지와 모드 에너지 분포에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 라만 및 충격 항을 포함한 수치 시뮬레이션은 GRIN MMF에서 GPI의 실험적 관측을 어느 정도 재현하는가?

주요 결과

• 펌스초 펄스를 이용한 GRIN MMF에서 GPI 사이드밴드의 최초 실험적 관측이 이루어졌으며, 800 nm 펌프 파장에서 91 THz의 주파수 이격이 관측되었다.
• 주입 펄스 에너지 345 nJ에서 첫 번째 GPI 스토크스 및 반스토크스 사이드밴드는 각각 1055 nm 및 645 nm에 나타났으며, 스펙트럼 대역폭은 약 12 nm 및 약 5 nm였다.
• 주파수 영역에서 GPI 사이드밴드의 대역폭은 약 3.2 THz로 거의 동일하여 대칭적 스펙트럼 확장이 확인되었다.
• 첫 번째 GPI 스토크스 사이드밴드의 근접장 빔 프로파일은 가우시안형이며, 산란이 없었으며, 펌프의 공간 강도 프로파일과 일치하였다.
• 세 개의 모드와 라만 비선형성 항을 포함한 수치 시뮬레이션은 관측된 GPI 사이드밴드의 스펙트럼 위치와 대역폭을 성공적으로 재현하였다.
• 총 전자기장 및 GPI 사이드밴드의 공간 강도 분포는 전파 거리에 따라 진화하였으며, 초점이 맞춰진 경우와 산산이 퍼진 경우 모두 입력 펄스의 빔 형상을 유지하였다.