[论文解读] Few-cycle solitons in short strongly phase-mismatched frequency conversion crystals

Bingjie Zhou, Andy Chong+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2011

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 4

一句话总结

该论文展示了在1毫米长、强相位失配的钽酸锂晶体中，通过超快级联二次谐波产生实现少周期孤子压缩。由主导的二次张量相互作用产生的大带宽自聚焦非线性效应，使47 fs的红外脉冲被压缩至17 fs（少于四个光周期），效率达80%，并生成八度带宽的超连续谱。

ABSTRACT

Cascaded nonlinearities have attracted much interest, but ultrafast applications have been seriously hampered by the simultaneous requirements of being near phase-matching and having ultrafast femtosecond response times. Here we show that in strongly phase-mismatched nonlinear frequency conversion crystals the pump pulse can experience a large and extremely broadband self-defocusing cascaded Kerr-like nonlinearity. The large cascaded nonlinearity is ensured through interaction with the largest quadratic tensor element in the crystal, and the strong phase-mismatch ensures an ultrafast nonlinear response with an octave-spanning bandwidth. We verify this experimentally by showing few-cycle soliton compression with noncritical cascaded second-harmonic generation: Energetic 47 fs infrared pulses are compressed in a just 1-mm long bulk lithium niobate crystal to 17 fs (under 4 optical cycles) with 80% efficiency, and upon further propagation an octave-spanning supercontinuum is observed. Such ultrafast cascading is expected to occur for a broad range of pump wavelengths spanning the near- and mid-IR using standard nonlinear crystals.

研究动机与目标

• 为了解决在频率转换晶体中实现超快非线性响应的同时保持宽带非线性的挑战。
• 通过利用强相位失配，在紧凑短晶体中实现少周期脉冲压缩。
• 通过在标准非线性材料中利用级联非线性效应，展示高效、宽带的孤子压缩。
• 将超快级联的应用范围扩展至广泛的近红外和中红外泵浦波长。

提出的方法

• 利用块状钽酸锂晶体中的强相位失配二次谐波产生，生成大带宽、超快级联克尔样非线性效应。
• 利用晶体中最大的二次张量分量，即使在相位失配条件下也能最大化非线性响应。
• 通过工程化相位失配，确保有效非线性的带宽覆盖八度。
• 采用非临界相位匹配条件，实现在大带宽范围内的高效频率转换。
• 通过测量脉冲压缩和超连续谱生成，验证超快非线性响应。
• 使用47 fs红外泵浦脉冲，在1 mm晶体长度内实现压缩至17 fs。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可利用强相位失配晶体中的超快级联非线性效应实现少周期脉冲压缩？
• RQ2 在最小晶体长度下，此类系统可实现的最大带宽和效率是多少？
• RQ3 大尺寸二次张量分量如何影响有效非线性的强度和带宽？
• RQ4 是否可使用紧凑、低损耗的非线性晶体实现八度带宽的超连续谱生成？
• RQ5 在标准非线性材料中，支持超快级联的泵浦波长范围是什么？

主要发现

• 在1 mm长的块状钽酸锂晶体中，47 fs红外脉冲被压缩至17 fs（少于四个光周期），效率达80%。
• 压缩通过强相位失配晶体中的非临界级联二次谐波产生实现。
• 进一步传播后观察到八度带宽的超连续谱，证实了非线性响应的宽带特性。
• 由于强相位失配，有效非线性表现出八度带宽。
• 该方法可利用标准非线性晶体，在广泛的近红外和中红外泵浦波长范围内实现少周期脉冲压缩。
• 大尺寸级联非线性源于主导的二次张量分量，即使在相位失配条件下也能确保强相互作用。