[논문 리뷰] Stabilization of Spatiotemporal Dissipative Solitons in Multimode Fiber Lasers by External Phase Modulation

В. Л. Калашников, S. Wabnitz|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 24.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 78인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 다중모드 섬유 레이저에서 3차원 시공간 소산성 솔리톤(빛 화살)을 안정화하기 위해 횡방향 원형 포물선 굴절률 프로파일과 이차 시간 위상 조절을 조합한 방법을 제안한다. 일반화된 소산성 고프-피타에브스키 방정식을 통해 시스템을 모델링한 결과, 외부 위상 조절을 통해 강한 계단형 소산이 없어도 안정적인 빛 화살 형성이 가능하다는 것을 입증하였으며, 이는 다중모드 시스템에서 에너지 가변성 있는 일관된 펄스 생성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

In this work, we introduce a method for stabilizing spatiotemporal solitons. These solitons correspond to light bullets in multimode optical fiber lasers, energy-scalable waveguide oscillators and amplifiers, localized coherent patterns in Bose-Einstein condensates, etc. We show that a three-dimensional confinement potential, formed by a spatial transverse (radial) parabolic graded refractive index and dissipation profile, combined with quadratic temporal phase modulation, may permit the generation of stable spatiotemporal dissipative solitons. This corresponds to combining phase mode-locking with the distributed Kerr-lens mode-locking. Our study of the soliton characteristics and stability is based on analytical and numerical solutions of the generalized dissipative Gross-Pitaevskii equation. This approach could lead to higher energy (or condensate mass) harvesting in coherent spatio-temporal beam structures formed in multimode fiber lasers, waveguide oscillators, and weakly-dissipative Bose-Einstein condensates.

연구 동기 및 목표

• 다중차원 시공간 솔리톤의 본질적 불안정성이 다중모드 섬유 레이저의 실용적 응용을 제한하는 문제를 해결하기 위해.
• 횡방향 구속과 비선형성 존재 하에서 외부 시간 위상 조절이 소산성 솔리톤을 어떻게 안정화할 수 있는지 탐구하기 위해.
• 강한 계단형 소산에 의존하지 않고도 안정적인 빛 화살을 생성할 수 있음을 입증하여 더 높은 에너지 수확을 가능하게 하기 위해.
• 위상 모드 락킹과 분산 킬러 렌즈 모드 락킹(DKLM)을 통합하여 동시에 횡방향 및 종방향 모드 락킹을 실현하기 위해.
• 다중모드 파동도 오실레이터와 보즈-아인슈타인 응축체에서 안정적이고 에너지가 가변적인 시공간 솔리톤 작동을 위한 이론적 프레임워크 제공하기 위해.

제안 방법

• 3차원 포물선 구속 포텐셜을 갖는 일반화된 소산성 고프-피타에브스키 방정식을 사용하여 시스템을 모델링하기 위해.
• 횡방향 포물선 굴절률 프로파일(GRIN)과 이차 시간 위상 조절 항(νχ²)을 통합하여 팬케이크 형태의 3차원 포텐셜을 생성하기 위해.
• 축축한 증폭과 스펙트럼 소산을 모델링하기 위해 중심축에 대한 복소수 이득 항(Λ)을 도입하여 레이저 캐비티 동역학을 표현하기 위해.
• 변분 접근법과 수치적 해법을 적용하여 다양한 매개변수 하에서 솔리톤의 안정성과 동역학을 분석하기 위해.
• 공동 이동 프레임에서 케르 비선형성, 이완성 군속도 분산, 소산 효과 간의 상호작용을 시뮬레이션하기 위해.
• 공간-시간 이중성을 활용하여 시간 위상 조절을 효과적인 시간 의존 렌즈 포텐셜로 간주하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 이차 위상 조절이 다중모드 섬유 레이저에서 3차원 시공간 소산성 솔리톤을 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 시간 위상 조절이 횡방향 계단형 굴절률과 소산과 어떻게 상호작용하여 솔리톤 안정성에 영향을 미치는가?
• RQ3 강한 계단형 소산이 없이 얼마나 안정적인 빛 화살을 생성할 수 있는가, 위상 조절에 의존할 수 있는가?
• RQ4 3차원 구속 포텐셜(팬케이크 형태)이 동시에 횡방향 및 종방향 모드 락킹을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 비선형성, 분산, 이득/소산 간의 균형이 소산성 솔리톤의 형성과 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 외부 이차 위상 조절을 통해 강한 계단형 소산이 없더라도 3차원 시공간 소산성 솔리톤(빛 화살)의 안정적 형성이 가능하다.
• 횡방향 GRIN과 시간 위상 조절의 조합은 솔리톤을 공간적 및 시간적 차원 모두에서 안정화하는 3차원 팬케이크 형태의 구속 포텐셜을 생성한다.
• 일부 조건에서는 위상 조절이 빛 화살 형성을 억제할 수 있으며, 이는 조절 깊이에 대한 비단조화적 의존성을 시사한다.
• 비선형성, 분산, 및 설계된 3차원 포텐셜 간의 균형을 통해 안정적인 솔리톤 작동이 달성되며, 이는 에너지 가변성을 가능하게 한다.
• 위상 모드 락킹과 분산 킬러 렌즈 모드 락킹을 융합함으로써 '시공간 모드 락킹'의 형태를 효과적으로 실현한다.
• 일반화된 소산성 고프-피타에브스키 방정식의 수치적 및 해석적 해법은 제안된 구성의 안정성과 강건성을 확인한다.