[논문 리뷰] Soliton explosion driven multi-octave supercontinuum generation by geometry-enforced dispersion design in antiresonant hollow-core fibers

Rudrakant Sollapur, Daniil Kartashov외 10명|Figshare|2017. 01. 13.

Photonic Crystal and Fiber Optics참고 문헌 29인용 수 43

한 줄 요약

이 논문은 기하학적 분산 설계를 통해 킬로제너레이션을 유도하는 구조적 공진을 활용하여 키토닌을 충전한 반사성 공공 섬유에서 200 nm에서 1.7 µm까지의 다중 옥타브 슈퍼컨티누움 생성을 구현한다. 이 방법은 핵심 크기에 의존하지 않는 강한 비단조적 분산 프로파일을 생성하여 솔리톤 폭발을 유도함으로써, 3개 이상의 옥타브에 걸쳐 23 µJ의 출력 에너지를 얻는 데에 효과적인 스펙트럼 확장을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Ultrafast supercontinuum generation in gas-filled waveguides is one enabling technology for many intriguing application ranging from attosecond metrology towards biophotonics, with the amount of spectral broadening crucially depending on the pulse dispersion of the propagating mode. Here we show that the structural resonances in gas-filled anti-resonant hollow core optical fiber provide an additional degree of freedom in dispersion engineering, allowing for the generation of more than three octaves of broadband light ranging deep UV wavelength towards the near infrared.Our observation relies on the introduction of a geometric-induced resonance in the spectral vicinity of the pump laser outperforming the gas dispersion, thus yielding a dispersion being independent of core size, which is highly relevant for scaling input powers.Using a Krypton filled fiber we observe spectral broadening from 200 nm towards 1.7 μm at an output energy of about 23 μJ within a single mode across the entire spectral bandwidth. Simulations show that the efficient frequency generation results from a new physical effect the soliton explosion originating from the strongly non-adiabatic mode dispersion profile.This effect alongside with the dispersion tuning capability of the fiber will enable compact ultrabroadband high energy sources spanning from the UV to the mid-infrared spectral range.

연구 동기 및 목표

• 기체 충전 섬유에서 전통적인 슈퍼컨티누움 소스의 스펙트럼 대역폭과 에너지 스케일링에 대한 제한을 극복하기 위해.
• 특히 핵심 크기에 의존하는 분산 제어 문제를 해결하기 위해, 특히 핵심 크기에 의존하는 분산 제어 문제를 해결하기 위해.
• 반사성 섬유에서의 구조적 공진을 활용한 새로운 분산 설계 전략을 개발하여 광역대, 고에너지 슈퍼컨티누움 생성을 가능하게 하기 위해.
• 비단조적 모드 분산에 의해 유도되는 솔리톤 폭발이라는 물리적 메커니즘을 규명하여 극한의 스펙트럼 확장을 가능하게 하기 위해.
• 심지어 깊은 자외선에서 중적외선까지 이르는 소형, 초광역대, 고에너지 소스를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 펌프 파장 근처에서 기하학적 유도 공진을 유도하기 위해 반사성 공공 섬유의 기하학적 구조를 설계하였다.
• 구조적 공진을 활용하여 핵심 크기에 영향을 받지 않는 분산 프로파일을 강제함으로써 확장 가능한 설계를 가능하게 하였다.
• 비선형 위상 이동을 제공하면서도 설계된 분산을 활용하여 스펙트럼 확장을 향상시키기 위해 키토닌 기체를 충전하였다.
• 강한 비단조적 모드 분산 프로파일을 생성하기 위해 섬유를 설계하여 솔리톤 폭발 효과를 유도하였다.
• 솔리톤 폭발이 기존 솔리톤 분열과는 다를 바 있는 극한의 스펙트럼 확장을 이끄는 데 기여하는지를 확인하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다.
• 23 µJ의 출력 에너지와 200 nm에서 1.7 µm까지의 광역대 방출을 보이는 단일 모드 섬유를 사용하여 메커니즘의 실험적 검증을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반사성 공공 섬유에서의 구조적 공진은 핵심 크기에 영향을 받지 않는 분산 설계에 활용될 수 있는가?
• RQ2 기하학적 강제 분산은 초단파 펄스 전파 및 스펙트럼 확장의 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고에너지 및 단일 모드 작동 조건에서 기체 충전 공공 섬유에서 다중 옥타브 슈퍼컨티누움 생성을 가능하게 하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 솔리톤 폭발은 설계된 섬유에서 극한의 스펙트럼 확장을 이끄는 데 얼마나 효과적으로 활용될 수 있는가?
• RQ5 이 접근법은 깊은 자외선에서 중적외선까지의 확장 가능한 고에너지 광역대 소스를 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 섬유 설계는 전체 대역폭에서 단일 모드 출력을 유지하면서 200 nm에서 1.7 µm까지의 스펙트럼 확장을 달성하여 3개 이상의 옥타브를 커버하였다.
• 시스템은 전체 스펙트럼에서 단일 모드로 23 µJ의 출력 에너지를 생성하여 실용적 응용에 적합한 고에너지 작동을 입증하였다.
• 기하학적 유도 공진 덕분에 핵심 크기에 영향을 받지 않는 분산 프로파일이 설계되어 확장 가능한 설계가 가능해졌다.
• 시뮬레이션 결과 솔리톤 폭발이 강한 비단조적 모드 분산에 의해 유도되는 주요 물리적 메커니즘이었음을 확인하였다.
• 솔리톤 폭발 메커니즘은 넓은 스펙트럼에 걸쳐 효율적인 주파수 생성을 가능하게 하여 기존 표준 섬유에서의 솔리톤 분열보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 이 방법은 깊은 자외선에서 중적외선까지 이르는 소형, 초광역대, 고에너지 소스를 가능하게 하며, 바이오토포닉스 및 애토세컨드 메트로로지 분야에 잠재적 응용 가능성을 제공한다.