[논문 리뷰] Revealing the behavior of soliton build-up in a mode-locked laser

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

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 58인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 환경적 요동으로부터의 안정화를 통해 모드-잠금 레이저에서 완전한 솔리톤 구축 과정을 실시간으로 관측한 최초의 사례를 보여준다. 시간 스트레칭 분광법을 사용하여 저자들은 단일 솔리톤 모드-잠금에 이르는 두 가지 별개의 경로를 규명했다: 하나는 진동 감쇠와 스펙트럼 비팅을 포함하고 있고, 다른 하나는 안정화되기 전 임시적인 유사결합 상태를 거친다.

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

• 실제 솔리톤 구축 역학을 왜곡시키는 모드-잠금 레이저의 환경 민감성 문제를 해결하기 위해.
• 외부 요동으로 인한 Q-스위칭 레이징과 일시적 노이즈를 억제하기 위해 레이저 시스템을 안정화하기 위해.
• 솔리톤 형성의 전체 시간적 변화를 실시간으로 고해상도로 관측할 수 있도록 하기 위해.
• 안정된 단일 솔리톤 모드-잠금에 이르는 별개의 역학적 경로를 규명하고 특성화하기 위해.

제안 방법

• 실시간 모니터링을 위해 스펙트럼 역학을 시간 도메인으로 매핑하기 위해 시간 스트레칭 분광법을 활용한다.
• Q-스위칭 레이징과 외부 노이즈를 억제하기 위해 레이저 캐비티 설계와 환경 차단을 최적화한다.
• 구축 단계 동안의 일시적 스펙트럼 및 시간적 특징을 해상도를 높여 분석하기 위해 고대역폭 검출을 사용한다.
• 진동 감쇠, 스펙트럼 비팅, 유사결합 상태 역학을 추출하고 분석하기 위해 고급 신호 처리 기법을 적용한다.
• 통제된 조건에서 반복 측정을 통해 시스템의 안정성을 검증한다.
• 시간 도메인 웨이브폼과 스펙트럼 변화를 연계하여 전체 솔리톤 형성 순서를 재구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모드-잠금 레이저에서 안정된 단일 솔리톤 모드-잠금에 이르는 주요 역학적 경로는 무엇인가?
• RQ2 환경적 요동은 솔리톤 구축 과정 중 일시적 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 충분한 시간적 및 스펙트럼 해상도로 전체 솔리톤 형성 과정을 실시간으로 관측할 수 있는가?
• RQ4 진동 감쇠와 스펙트럼 비팅은 모드-잠금으로의 전이에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 일부 조건에서는 안정된 단일 펄스 작동 이전에 유사결합 상태 솔리톤 단계가 존재하는가?

주요 결과

• 시스템 안정화를 통해 모드-잠금 레이저에서 완전한 솔리톤 구축 과정을 실시간으로 관측하는 데 성공했다.
• 단일 솔리톤 모드-잠금에 이르는 두 가지 별개의 형성 경로를 규명했다: 하나는 진동 감쇠와 스펙트럼 비팅을 거치고, 다른 하나는 일시적인 유사결합 상태 단계를 거친다.
• 유사결합 상태 단계가 안정된 단일 펄스 작동에 이르기 전에 가능한 중간 상태로 확인되었다.
• 스펙트럼 비팅과 준-모드-잠금 역학이 안정된 솔리톤 형성의 핵심 예비 현상으로 관측되었다.
• 시스템 최적화로 Q-스위칭 레이징이 성공적으로 억제되어 진정된 솔리톤 구축 역학에 깔끔하게 접근할 수 있었다.
• 시간 스트레칭 분광법을 통해 일시적 단계 동안의 스펙트럼 및 시간적 변화를 고해상도로 매핑할 수 있었다.