[論文レビュー] Soliton explosion driven multi-octave supercontinuum generation by geometry-enforced dispersion design in antiresonant hollow-core fibers

Rudrakant Sollapur, Daniil Kartashov+10 more|Figshare|Jan 13, 2017

Photonic Crystal and Fiber Optics参考文献 29被引用数 43

ひとこと要約

本研究では、幾何学的分散設計を活用して、キryptonガスで満たされたアンチレゾナント多重コア繊維において、200 nm から 1.7 µm にわたるマルチオクターブのスーパーコンtinウム生成を実証した。この手法は、構造的共鳴を介して、コアサイズに依存しない強非断熱的分散プロファイルを形成し、ソリトン爆発を誘発することで、3オクターブ以上にわたる広帯域スペクトル拡張を実現した。出力エネルギーは23 µJに達し、高い効率が実現された。

ABSTRACT

Ultrafast supercontinuum generation in gas-filled waveguides is one enabling technology for many intriguing application ranging from attosecond metrology towards biophotonics, with the amount of spectral broadening crucially depending on the pulse dispersion of the propagating mode. Here we show that the structural resonances in gas-filled anti-resonant hollow core optical fiber provide an additional degree of freedom in dispersion engineering, allowing for the generation of more than three octaves of broadband light ranging deep UV wavelength towards the near infrared.Our observation relies on the introduction of a geometric-induced resonance in the spectral vicinity of the pump laser outperforming the gas dispersion, thus yielding a dispersion being independent of core size, which is highly relevant for scaling input powers.Using a Krypton filled fiber we observe spectral broadening from 200 nm towards 1.7 μm at an output energy of about 23 μJ within a single mode across the entire spectral bandwidth. Simulations show that the efficient frequency generation results from a new physical effect the soliton explosion originating from the strongly non-adiabatic mode dispersion profile.This effect alongside with the dispersion tuning capability of the fiber will enable compact ultrabroadband high energy sources spanning from the UV to the mid-infrared spectral range.

研究の動機と目的

• ガスで満たされた繊維における従来のスーパーコンチニウム光源のスペクトル帯域幅とエネルギースケーリングの制限を克服すること。
• 特にコアサイズ依存性に起因する分散制御の課題に取り組むこと。
• アンチレゾナント繊維における構造的共鳴を活用した、新たな分散設計戦略を開発し、広帯域かつ高エネルギーのスーパーコンチニウム生成を可能にすること。
• 非断熱的モード分散によって駆動される物理的メカニズム（ソリトン爆発）を同定し、極端なスペクトル拡張を実現すること。
• 深紫外から中赤外域にわたるコンact、超広帯域、高エネルギー光源の実現を可能にすること。

提案手法

• ポンプ波長付近に幾何学的誘起共鳴を導入するようにアンチレゾナント多重コア繊維の幾何形状を設計した。
• 構造的共鳴を用いて、コアサイズに依存しない分散プロファイルを強制することで、スケーラブルな設計を実現した。
• キryptonガスを充填して非線形位相シフトを提供するとともに、設計された分散を活用してスペクトル拡張を強化した。
• 繊維を設計して、強く非断熱的なモード分散プロファイルを形成し、ソリトン爆発効果を誘発した。
• シミュレーションを実施し、ソリトン爆発が従来のソリトン分岐とは異なり、極端なスペクトル拡張を駆動していることを確認した。
• 23 µJの出力エネルギーと200 nm から 1.7 µm までの広帯域放射を達成した実験的妥当性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンチレゾナント多重コア繊維における構造的共鳴を用いて、コアサイズに依存しない分散を設計可能か？
• RQ2 幾何学的分散が、超短パルス伝搬およびスペクトル拡張のダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ3 高エネルギーかつシングルモード動作を実現するガスで満たされた多重コア繊維において、マルチオクターブスーパーコンチニウム生成を可能にする物理的メカニズムは何か？
• RQ4 ソリトン爆発は、設計された繊維において、極端なスペクトル拡張を駆動するための有効な駆動源としてどの程度活用可能か？
• RQ5 この手法により、深紫外から中赤外域にわたるスケーラブルで高エネルギーの広帯域光源を実現可能か？

主な発見

• 繊維設計により、200 nm から 1.7 µm にわたるスペクトル拡張が実現され、全帯域でシングルモード出力が達成された。
• 23 µJの出力エネルギーが得られ、実用的応用に適した高エネルギー動作が実証された。
• 幾何的誘起共鳴のおかげで、分散プロファイルがコアサイズに依存しなくなり、スケーラブルな設計が可能となった。
• シミュレーションにより、主な物理的メカニズムが強く非断熱的モード分散に起因するソリトン爆発であることが確認された。
• ソリトン爆発メカニズムにより、広帯域にわたる効率的な周波数生成が実現され、標準繊維における従来のソリトン分岐を上回る性能を発揮した。
• 本手法により、深紫外から中赤外域にわたるコンパクトで超広帯域かつ高エネルギーの光源が実現可能となり、バイオフォトンイクスおよびアトセカンドメトロロジー分野への応用が期待される。