[論文レビュー] Real-time dynamics of the build-up of solitons in mode-locked lasers

X. M. Liu, Yudong Cui|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、環境的摂動に対する安定化により、モードロックレーザーにおける完全なソリトン構築過程の初回のリアルタイム観察を達成した。これにより、単一ソリトンモードロックへの2つの異なる経路が明確に可視化された。1つはリラクゼーション振動およびスペクトル干渉を経由するものであり、もう1つは最終安定化に至る前の一時的束縛状態段階を含むものである。

ABSTRACT

Real-time spectroscopy based on an emerging time-stretch technique can map the spectral information of optical waves into the time domain, opening several fascinating explorations of nonlinear dynamics in mode-locked lasers. However, the self-starting process of mode-locked lasers is quite sensitive to the environmental perturbation, which causes the transient behavior of laser to deviate from the true build-up process of solitons. Here, we optimize the laser system to improve its stability that suppresses the Q-switched lasing induced by the environmental perturbation. We therefore demonstrate the first observation of the entire build-up process of solitons in a mode-locked laser, revealing two possible ways to generate the temporal solitons. One way includes the dynamics of raised relaxation oscillation, quasi mode-locking stage, spectral beating behavior, and finally the stable single-soliton mode-locking. The other way contains, however, an extra transient bound-state stage before the final single-pulse mode-locking operation.

研究の動機と目的

• 一時的ソリトン形成ダイナミクスを歪める環境への感受性を克服すること。
• 外部の摂動によって引き起こされるQスイッチングレーザーを抑制するため、レーザー系を安定化すること。
• ソリトン形成の全時間的変化を捉えるために、時間ストレッチ技術を用いたリアルタイム分光法を可能にすること。
• 安定した単一ソリトンモードロックに至る明確に区別できるダイナミクス的経路を同定・特徴付けること。
• 非線形光学系におけるソリトン形成の前触れとなる一時的段階を明確に実験的に可視化すること。

提案手法

• 時間ストレッチ分光法を用いて、スペクトル情報を時間領域にマッピングすることで、超高速ダイナミクスのリアルタイム観察を実現した。
• レーザー共振器の構造設計および動作条件を最適化し、安定性を向上させるとともにQスイッチングレーザーを抑制した。
• 高帯域幅の検出および信号処理を用いて、リラクゼーション振動やスペクトル干渉などの一時的挙動を解像した。
• パルス波形およびスペクトルの時間的変化をモニタリングし、明確に区別できるダイナミクス的領域を特定した。
• 時間的およびスペクトル的変化パターンの分析を通じて、2つの異なる構築経路を区別した。
• 統計的および時間的解析を適用し、1つの形成経路において束縛状態段階の存在を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モードロックレーザーにおける時間的ソリトン形成に至る完全な一時的ダイナミクスは何か？
• RQ2 環境的摂動は、モードロックレーザーの自己起動プロセスにどのように影響を与えるか？
• RQ3 単一ソリトンモードロックに至る複数の明確に区別できるダイナミクス的経路が存在するか？
• RQ4 束縛状態段階は、ソリトン構築プロセスにおいてどのような役割を果たすか？
• RQ5 リアルタイム分光法は、非線形パルス形成においてこれまで見えにくかった一時的挙動を解明できるか？

主な発見

• 環境的摂動に対するシステム安定化により、モードロックレーザーにおけるソリトン構築全過程の初回リアルタイム観察が達成された。
• 単一ソリトンモードロックに至る2つの明確に区別できるダイナミクス的経路が同定された。1つはリラクゼーション振動およびスペクトル干渉を経由するものであり、もう1つは一時的束縛状態段階を含むものである。
• 束縛状態段階は、1つの経路において最終的な単一パルス動作に至る明確な中間段階として観測された。
• リラクゼーション振動およびスペクトル干渉のダイナミクスは明確に解像され、最終的な安定モードロック状態と関連づけられた。
• システム安定化によりQスイッチングレーザーが効果的に抑制され、真のソリトン形成ダイナミクスが正確に捉えられた。
• 時間ストレッチ分光法により、構築過程中のスペクトルおよび時間的変化の高時間分解能マッピングが可能になった。