[논문 리뷰] Ultra-broadband, few cycle pulses directly from a Mamyshev fiber oscillator

Chunyang Ma, Ankita Khanolkar외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 24.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 자기유사 비선형 진화와 증폭 섬유 내 고유의 포화 흡수 특성을 활용하여, 초광대역, 몇 주기 분량의 초단파동을 직접 생성하는 새로운 맘시브 섬유 온도스코프를 제시한다 (약 5주기, 약 400 nm 대역폭). 이 방법은 안정적인 비선형 액터로 작용하는 비선형 역학을 통해 기존의 증폭 대역폭 제한을 초월하여, 섬유 레이저에서 직접로 보고된 가장 짧은 펄스 폭과 가장 넓은 스펙트럼을 달성한다.

ABSTRACT

While the performance of mode-locked fiber lasers has been improved significantly, the limited gain bandwidth restricts them to generate ultrashort pulses approaching a few cycles or even shorter. Here we present a novel method to achieve few cycle pulses (~5 cycles) with ultra-broad spectrum (~400 nm). To our best knowledge, this is the shortest pulse width and broadest spectrum directly generated from fiber lasers. It is noteworthy that a dramatic ultrashort pulse evolution can be stabilized in a laser oscillator by the unique nonlinear processes of a self-similar evolution as a nonlinear attractor in the gain fiber and a perfect saturable absorber action of the Mamyshev oscillator.

연구 동기 및 목표

• 초단파 동안 펄스 생성을 제한하는 모드 잠금 섬유 레이저의 증폭 대역폭 제한을 극복하기 위해.
• 섬유 온도스코프에서 직접적으로 몇 주기 분량의 펄스와 초광대역 스펙트럼을 생성하는 방법을 개발하기 위해.
• 단일 섬유 캐비티에서 고유의 비선형 역학과 포화 흡수를 활용하여 극도로 짧은 펄스 진화를 안정화하기 위해.
• 외부 압축 장치 없이도 자가 지속 가능한 몇 주기 분량의 펄스 생성 메커니즘을 구현하기 위해.
• 섬유 레이저 온도스코프에서 보고된 바 중 가장 짧은 펄스 폭과 가장 넓은 스펙트럼을 달성하기 위해.

제안 방법

• 자기위상변조와 비정상적 분산이 증폭 섬유 내 자기유사 비선형 진화를 이끄는 맘시브 온도스코프 구성 구조를 활용한다.
• 맘시브 온도스코프의 고유한 포화 흡수 특성을 활용하여 초단파 동안 펄스 형성을 안정화한다.
• 자기유사 펄스 진화를 비선형 액터로 지지할 수 있도록 디자인된 비선형성과 분산 특성을 갖춘 섬유를 사용한다.
• 비선형적 위상 춴적을 통해 ~400 nm 대역폭으로 스펙트럼 확장을 지원하도록 레이저 캐비티를 설계한다.
• 비선형 압축과 증폭 포화 간의 균형을 유지하기 위해 펌프 파워와 섬유 길이를 최적화한다.
• 스펙트럼 및 오토코릴레이션 측정을 통해 온도스코프 출력에서 직접 펄스 길이와 대역폭을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 섬유 온도스코프 내에서 자기유사 비선형 진화가 초광대역 스펙트럼을 지닌 몇 주기 분량의 펄스를 생성할 수 있는가?
• RQ2 맘시브 온도스코프의 고유한 포화 흡수 특성이 외부 구성 요소 없이도 초단파 동안 펄스 형성을 안정화할 수 있는가?
• RQ3 섬유 레이저 온도스코프에서 직접적으로 얻을 수 있는 가장 짧은 펄스 폭과 가장 넓은 스펙트럼은 무엇인가?
• RQ4 비선형성과 분산 간의 상호작용은 단일 캐비티 내에서 안정적인 몇 주기 분량의 펄스 생성을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 자기유사 진화 역학은 비선형 액터로서 강력한 펄스 형성 보장을 위한 역할을 할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 약 5주기 분량의 펄스 길이를 지닌 몇 주기 분량의 펄스를 직접 생성하여, 섬유 레이저 온도스코프에서 보고된 바 중 가장 짧은 펄스 폭를 기록한다.
• 출력 스펙트럼은 약 400 nm를 커버하여, 현재까지 섬유 온도스코프에서 직접적으로 확보된 바 중 가장 넓은 대역폭이다.
• 펄스 형성은 증폭 섬유 내에서 비선형 액터로 작용하는 자기유사 비선형 진화에 의해 안정화된다.
• 맘시브 온도스코프는 고유의 포화 흡수 특성을 지녀, 외부 비선형 또는 흡수 성분이 필요 없음을 보여준다.
• 외부 압축 없이도 직접적으로 몇 주기 분량의 펄스를 생성할 수 있어, 소형화되고 안정적인 소스 설계가 가능해진다.
• 결과는 초단파, 광대역 펄스를 생성하기 위한 섬유 레이저 기술 분야에서의 중대한 발전을 보여준다.