[논문 리뷰] Supercontinuum generation and tunable ultrafast emission in the vacuum ultraviolet using noble-gas-filled hollow-core photonic crystal fiber

Alexey Ermolov, Ka Fai Mak외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 31.

Photonic Crystal and Fiber Optics참고 문헌 69인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 헬륨로 채워진 카고메 스타일의 허브 코어 광결정 섬유를 사용하여 113~1000 nm(11~1.2 eV)의 광역 슈퍼컨티누움을 생성함으로써, >1%의 효율과 >50 nJ 펄스 에너지를 갖는 113~200 nm 범위의 조절 가능한 진공 자외선(VUV) 방출을 가능하게 하였다. 이 메커니즘은 솔리톤 자기압축, 분산파 방출, 플라즈마 유도 솔리톤 자기주파수 블루쉬프팅을 포함하며, 500 어토세컨드 단일주기 펄스의 간섭계적 특성을 지원한다.

ABSTRACT

We report on the generation of a three-octave supercontinuum extending from the vacuum ultraviolet (VUV) to the near-infrared, spanning at least 113 to 1000 nm (i.e., 11 to 1.2 eV), in He-filled hollow-core kagome-style photonic crystal fiber. The same system also permits generation of narrower-band VUV radiation tunable from 113 to 200 nm with efficiencies exceeding 1% and VUV pulse energies in excess of 50 nJ. Modeling confirms that the mechanism involves soliton self-compression to sub-femtosecond pulse durations, dispersive-wave emission and the plasma-induced soliton self-frequency blue-shift. The bandwidth of the generated VUV light, which modeling shows to be coherent, is sufficient to support 500 as single-cycle pulses.

연구 동기 및 목표

• 희토류 가스로 채워진 허브 코어 광결정 섬유를 사용하여 진공 자외선(VUV)에서 가 бли까운 적외선까지의 초광역 슈퍼컨티뉴움을 생성하는 것.
• 응용 분야에서 간섭계적 단파장 빛이 필요한 데에 적합한 113–200 nm 범위에서 조절 가능한 고효율 VUV 방출을 달성하는 것.
• 서브피코초 펄스 압축과 단일주기 어토세컨드 펄스에 적합한 간섭계적 VUV 대역폭을 시현하는 것.
• 솔리톤 자기압축, 분산파 방출, 플라즈마 유도 블루쉬프팅과 같은 물리적 메커니즘—이들이 광역 스펙트럼 확장을 이끄는지를 규명하고 검증하는 것.

제안 방법

• 헬륨로 채워진 카고메 스타일의 허브 코어 광결정 섬유를 사용하여 VUV 및 가까운 적외선 영역에서 비선형 스펙트럼 확장을 가능하게 하는 것.
• 강력한 초단파 레이저 펄스를 사용하여 기체로 채워진 섬유 내에서 솔리톤 자기압축 및 분산파 방출과 같은 비선형 효과를 유도하는 것.
• 플라즈마 유도 솔리톤 자기주파수 블루쉬프팅을 활용하여 스펙트럼을 VUV 영역까지 연장하는 것.
• 솔리톤 전파, 군속도 분산, 자기위상 변조를 기술하는 방정식을 사용하여 비선형 역학을 모델링하고 관측된 스펙트럼 확장을 설명하는 것.
• 출력 스펙트럼과 펄스 지속시간을 측정하여 간섭계적 광역 VUV 빛의 생성과 피코초 이하의 펄스 지속시간을 확인하는 것.
• 펄스 에너지 및 기체 압력과 같은 입력 매개변수를 조절하여 113~200 nm 범위의 파장을 갖는 VUV 방출을 조절하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희토류 가스로 채워진 허브 코어 광결정 섬유에서 VUV에서 가까운 적외선까지의 슈퍼컨티뉴움 생성을 위해 달성 가능한 스펙트럼 대역폭과 중심 파장은 무엇인가?
• RQ2 이 섬유 기반 시스템을 사용하여 113–200 nm 범위에서 조절 가능한 VUV 방출을 얼마나 효율적으로 생성할 수 있는가?
• RQ3 솔리톤 자기압축, 분산파 방출, 플라즈마 유도 블루쉬프팅과 같은 비선형 광학 메커니즘이 스펙트럼 확장 과정에서 지배적인가?
• RQ4 생성된 VUV 빛의 간섭계적 성질은 어느 정도이며, 단일주기 어토세컨드 펄스를 지원할 수 있는가?
• RQ5 초고속 과학 분야의 잠재적 응용을 위해 VUV 영역에서 달성 가능한 최대 펄스 에너지와 스펙트럼 대역폭는 얼마인가?

주요 결과

• 헬륨로 채워진 카고메 스타일의 광결정 섬유에서 113 nm에서 1000 nm(11~1.2 eV)까지의 3옥타브 슈퍼컨티뉴움이 생성되었다.
• 113~200 nm 범위에서 VUV 방출이 조절 가능했으며, 변환 효율은 1%를 초과하고 펄스 에너지는 50 nJ 이상이었다.
• 모델링 결과, 스펙트럼 확장은 솔리톤 자기압축에 의한 피코초 이하의 지속시간, 분산파 방출, 플라즈마 유도 솔리톤 자기주파수 블루쉬프팅에 의해 주도됨을 확인하였다.
• 생성된 VUV 빛은 500-어토세컨드 단일주기 펄스를 지원할 수 있을 정도로 간섭계적 성질을 갖추고 있었다.
• 이 시스템은 컴act한 섬유 기반 플랫폼을 통해 광역 간섭계적 VUV 빛을 안정적이고 효율적으로 생성할 수 있는 길을 제시하였다.
• 실험 결과는 이론적 모델링과 일치하여, 비선형 역학이 스펙트럼을 VUV 영역으로 연장하는 데서의 역할을 검증하였다.