[論文レビュー] Spatiotemporal light beam compression from complex nonlinear mode mixing

Katarzyna Krupa, Alessandro Tonello+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、非線形モード混合を用いて、マルチモード光ファイバ内でのサブナノ秒レーザーパルスの同時空間的・時間的圧縮を実証した。パルスエンベロープ全体におけるパワー依存性の非線形相互作用を活用することで、空間的ビーム自己クリーニングと併せて最大4倍の時間的短縮を達成し、非線形光ファイバ光学でこれまで観察されていなかった、結合された空間時間的ダイナミクスを明らかにした。

ABSTRACT

We experimentally demonstrate simultaneous spatial and temporal compression in the propagation of light pulses in multimode nonlinear optical fibers. We reveal that the spatial beam self-cleaning recently discovered in graded-index multimode fibers is accompained by significant temporal reshaping and up to four-fold shortening of the injected sub-nanosecond laser pulses. Since the nonlinear mixing among the modes strongly depends on the instantaneous power, we explore the entire range of the nonlinear dynamics with a single optical pulse, where the optical power is continuously varied across the pulse profile.

研究の動機と目的

• マルチモード非線形ファイバ内における空間的ビーム自己クリーニングと時間的パルス再形状の相乗的相互作用を調査すること。
• パルスのプロファイルに応じて変化するピークパワーが引き起こす非線形ダイナミクスの全範囲を調査すること。
• 制御された非線形モード混合を通じて、空間的および時間的両領域における同時圧縮を実証すること。
• 勾配インデックスプロファイルを有するマルチモードファイバ内では、時間的圧縮が空間的自己クリーニングプロセスと本質的に関連していることを明らかにすること。

提案手法

• 入射ピークパワーを変化させた条件下での勾配インデックスマルチモードファイバ内におけるパルス伝搬の実験的観察。
• 非線形領域全体を走査可能な、連続的に変化する強度プロファイルを有する1つのサブナノ秒レーザーパルスの使用。
• 時間分解像像法およびスペクトル診断を用いた空間的ビーム進化と時間的パルス再形状の分析。
• 即時の光パワーに依存するモード混合ダイナミクスの同定により、空間的および時間的パルス特性の両方の制御を可能にした。
• ビームプロファイルとパルス幅の同時測定を通じて、空間的ビーム自己クリーニングと時間的パルス短縮の相関関係を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形モード混合は、マルチモードファイバ内での空間的および時間的パルス進化にどのように影響を与えるか？
• RQ2 空間的ビーム自己クリーニングと併せて、どの程度まで時間的圧縮を達成できるか？
• RQ3 パルス内の即時のパワー分布が、空間時間的圧縮の度合いにどのように影響を与えるか？
• RQ4 勾配インデックスプロファイルが、結合された空間的および時間的ダイナミクスを可能にする役割は何か？
• RQ5 1つのパルスが、空間的および時間的両領域における同時圧縮を引き起こす全範囲の非線形ダイナミクスを示せるか？

主な発見

• マルチモードファイバ内では、空間的ビーム自己クリーニングと併せて最大4倍の時間的短縮が観測された。
• 時間的短縮は、即時のパルスパワーに依存する非線形モード混合に直接関連している。
• 空間的ビーム自己クリーニングと時間的パルス再形状は、伝搬中に同時に発生しており、結合された空間時間的非線形プロセスであることが示された。
• 連続的に変化する強度プロファイルを有する1つのパルスを用いることで、非線形ダイナミクスの全範囲が走査可能であった。
• 非線形モード混合は、空間的モードフィルタリングと時間的パルス圧縮を両方誘発し、超短パルス生成のための新たなメカニズムを示唆している。