[논문 리뷰] Real-time dynamics of the build-up of solitons in mode-locked lasers

X. M. Liu, Yudong Cui|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 04.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 환경적 요동으로부터 시스템을 안정화시켜 모드-잠금 레이저에서 완전한 솔리톤 구축 과정을 실시간으로 관측하는 데 성공했으며, 이는 단일 솔리톤 모드-잠금에 이르는 두 가지 명확한 경로를 시각화할 수 있게 하였다: 하나는 진동 감쇠와 스펙트럼 피치를 통해, 다른 하나는 최종 안정화 전 잠깐 동안의 유사결합 상태를 거치는 방식이다.

ABSTRACT

Real-time spectroscopy based on an emerging time-stretch technique can map the spectral information of optical waves into the time domain, opening several fascinating explorations of nonlinear dynamics in mode-locked lasers. However, the self-starting process of mode-locked lasers is quite sensitive to the environmental perturbation, which causes the transient behavior of laser to deviate from the true build-up process of solitons. Here, we optimize the laser system to improve its stability that suppresses the Q-switched lasing induced by the environmental perturbation. We therefore demonstrate the first observation of the entire build-up process of solitons in a mode-locked laser, revealing two possible ways to generate the temporal solitons. One way includes the dynamics of raised relaxation oscillation, quasi mode-locking stage, spectral beating behavior, and finally the stable single-soliton mode-locking. The other way contains, however, an extra transient bound-state stage before the final single-pulse mode-locking operation.

연구 동기 및 목표

• 일시적인 솔리톤 형성 역학이 왜곡되는 환경에 민감한 모드-잠금 레이저 문제를 해결하기 위해.
• 외부 요동으로 인한 Q-스위칭 레이징을 억제하기 위해 레이저 시스템을 안정화하기 위해.
• 솔리톤 형성의 전체 시간적 변화를 캡처하기 위해 실시간 스펙트럼 분석 기술을 적용하기 위해.
• 안정된 단일 솔리톤 모드-잠금에 이르는 고유한 역학적 경로를 식별하고 특성화하기 위해.
• 비선형 광학 시스템에서 솔리톤 형성 이전의 일시적 단계를 명확히 실험적으로 관찰하기 위해.

제안 방법

• 초고속 역학을 실시간으로 관측하기 위해 스펙트럼 정보를 시간 도메인으로 매핑하기 위해 시간 스트레칭 스펙트럼 분석을 사용하였다.
• 안정성을 향상시키고 Q-스위칭 레이징을 억제하기 위해 레이저 캐비티 설계와 작동 조건을 최적화하였다.
• 진동 감쇠와 스펙트럼 피치와 같은 일시적 행동을 해상도를 높여 해석하기 위해 고대역폭 검출 및 신호 처리를 사용하였다.
• 펄스 형상과 스펙트럼의 시간적 변화를 모니터링하여 고유한 역학적 영역를 식별하였다.
• 시간적 및 스펙트럼적 변화 패tern을 분석하여 두 가지 고유한 구축 경로를 구분하였다.
• 통계적 및 시간 분석을 적용하여 한 경로에서의 유사결합 상태 단계 존재를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모드-잠금 레이저에서 시간 솔리톤 형성에 이르는 완전한 일시적 역학은 무엇인가?
• RQ2 환경적 요동은 모드-잠금 레이저의 자가 시작 과정에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 단일 솔리톤 모드-잠금에 이르는 다수의 고유한 역학적 경로가 존재하는가?
• RQ4 유사결합 상태 단계는 솔리톤 구축 과정에서 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 실시간 스펙트럼 분석은 이전에 가려졌던 비선형 펄스 형성의 일시적 행동을 해소할 수 있는가?

주요 결과

• 강화된 시스템 안정성 덕분에 모드-잠금 레이저에서 전체 솔리톤 구축 과정의 첫 실시간 관측이 이루어졌다.
• 두 가지 고유한 역학적 경로가 단일 솔리톤 모드-잠금에 이르는 것으로 확인되었으며, 하나는 진동 감쇠와 스펙트럼 피치를 포함하고, 다른 하나는 일시적인 유사결합 상태 단계를 포함한다.
• 유사결합 상태 단계는 한 경로에서 최종 단일 펄스 작동 전에 명백한 중간 단계로 관측되었다.
• 진동 감쇠와 스펙트럼 피치 역학은 명확히 해소되었으며, 최종 안정된 모드-잠금 상태와 연결되었다.
• 시스템 안정화로 Q-스위칭 레이징이 성공적으로 억제되어 진정된 솔리톤 형성 역학을 정확히 캡처할 수 있었다.
• 시간 스트레칭 스펙트럼 분석을 통해 구축 과정 동안 스펙트럼 및 시간적 변화의 고시간 해상도 매핑이 가능해졌다.