[論文レビュー] Ultrafast supercontinuum generation in bulk condensed media (Invited Review)

A. Dubietis, G. Tamošauskas+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2017

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 8

ひとこと要約

この招待レビューは、透明な固体における強力なレーザーパルスのフェムト秒フィラメント化を焦点に、バルク凝縮相媒体における超高速スーパーコヒーレント（SC）生成の最先端状況を要約している。中赤外光ポンプを用いて紫外線から中赤外線まで多オクターブにわたるSCを達成し、後処理圧縮により数サイクルパルスを生成した。また、超高速科学用途に向けた、頑健でアライメントに左右されないSC光源の可能性を強調している。

ABSTRACT

Nonlinear propagation of intense femtosecond laser pulses in bulk transparent media leads to a specific propagation regime, termed femtosecond filamentation, which in turn produces dramatic spectral broadening, or superbroadening, termed supercontinuum generation. Femtosecond supercontinuum generation in transparent solids represents a compact, efficient and alignment-insensitive technique for generation of coherent broadband radiation at various parts of the optical spectrum, which finds numerous applications in diverse fields of modern ultrafast science. During recent years, this research field has reached a high level of maturity, both in understanding of the underlying physics and in achievement of exciting practical results. In this paper we overview the state of the art of femtosecond supercontinuum generation in various transparent solid-state media, ranging from wide-bandgap dielectrics to semiconductor materials and in various parts of the optical spectrum, from the ultraviolet to the mid-infrared. A particular emphasis is given to the most recent experimental developments: multioctave supercontinuum generation with pumping in the mid-infrared spectral range, spectral control, power and energy scaling of broadband radiation and the development of simple, flexible and robust pulse compression techniques, which deliver few optical cycle pulses and which could be readily implemented in a variety of modern ultrafast laser systems.

研究の動機と目的

• 誘電体、半導体、広帯ギャップ材料を含む、バルク透明凝縮相媒体におけるフェムト秒スーパーコヒーレント生成の最近の進展をレビューすること。
• 特にフェムト秒フィラメント化と非線形媒質における自己位相変調を含む、スペクトル拡張の物理的メカニズムを分析すること。
• 中赤外光ポンプ、スペクトル制御、出力およびエネルギーのスケーリング、パルス圧縮技術などの実験的発展を検討すること。
• 広帯域SC放射の後処理圧縮により、少数光学サイクルパルスを生成する可能性を実証すること。
• バルク固体状態SC光源を、ファイバー基盤システムの代替として、コンact、効率的かつアライメントに左右されない選択肢として確立すること。

提案手法

• 強力なフェムト秒レーザーパルスをバルク透明媒質に焦点合わせることで自己焦点化とフィラメント化を誘発し、非線形スペクトル拡張を駆動する。
• 数値シミュレーションを用いて、例えば5 µmの中赤外ポンプ下でのNaClやKIのような材料におけるSCスペクトルを予測し、多オクターブスペクトルの可能性を示す。
• スペクトル位相の特徴付けと、0.5-mm BaF2プレートを用いた後処理圧縮技術を適用し、オクターブスペクトルを有するSCスペクトルを20-fs未満のパルスに圧縮する。
• ベッセル、エアリー、渦状、特異なビームなどの複雑なビームプロファイルを調査し、フィラメント化およびSC放射パターンに与える影響を示す。
• 水、メタノール、 sapphire、BaF2、CaF2 などの異なる媒体および入射ビームタイプの間で実験結果を比較し、スペクトル拡張効率を評価する。
• UVから中赤外線までをカバーするTi:sapphire、Cr:forsterite、OPCPAベースのレーザーからの実験データに依拠し、スペクトル的および時間的特徴付けによって結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中赤外光ポンプ下でのバルク凝縮相媒体における多オクターブスーパーコヒーレント生成を可能にする主要な物理的メカニズムは何か？
• RQ2 広帯ギャップ誘電体、半導体、 chalcogenide結晶などの非線形媒質の選択が、スペクトル拡張およびコherー二ョニティ特性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 フォトニクスクリスタルファイバーに依存せずに、バルクSC光源におけるスペクトル制御およびエネルギースケーリングはどの程度達成可能か？
• RQ4 ベッセル、エアリー、渦状ビームなどの複雑なビームプロファイルが、フィラメントダイナミクスおよびそれによるスーパーコヒーレント放射に与える影響は何か？
• RQ5 後処理圧縮技術が、バルク媒質内での広帯域SC放射から少数光学サイクルパルスを生成する可能性をどの程度持つか？

主な発見

• KI や NaCl における中赤外光ポンプ（例：5 µm）により、それぞれ0.66 µm から22 µm、および0.7 µm から7.6 µm にわたる多オクターブのスーパーコヒーレントスペクトルが生成された。
• 0.5-mm BaF2プレートを用いたオクターブスペクトルを有するSCスペクトルの後処理圧縮により、20-fsパルスが得られ、これは0.9光学サイクル未満に相当した。
• バルク固体内でのフェムト秒フィラメント化は、高い空間的および時間的コherー二ョニティを維持しており、優れたビーム焦点化性およびパルス圧縮性を実現している。
• ベッセルビームは、その非回折的でリング状のエネルギー分布のため、フィラメント化を開始し、顕著なスペクトル拡張を達成するには、ガウスビームに比べて10～100倍のエネルギーを要する。
• エアリーおよび渦状ビームを用いたSC生成では、高発散性の背景に似た白色光発光が生じるが、元のビームの空間的プロファイルは保持された。
• CO2の異なる集積状態（気体、液体、超臨界）におけるSC生成では、圧力依存の強いスペクトル形状を示し、発光スペクトルは0.4–2.2 µmにわたった。