[论文解读] High Pressure Gases in Hollow Core Photonic Crystal Fiber:A New Nonlinear Medium

Mohiudeen Azhar, G. K. L. Wong+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2012

Photonic Crystal and Fiber Optics参考文献 12被引用 3

一句话总结

该论文提出在kagome结构空芯光子晶体纤维中使用高压稀有气体（如氩气）作为高度可调谐、低损耗的非线性介质。通过将气体压力从1至150 bar，有效克尔非线性增加超过100倍，达到块体熔融石英的15%，同时群速度色散可广泛调节且无拉曼散射，从而实现对非线性效应（如孤子-色散波相互作用）的清晰、可控研究，使用固定频率激光器。

ABSTRACT

The effective Kerr nonlinearity of hollow-core kagome-style photonic crystal fiber (PCF) filled with argon gas increases over 100 times when the pressure is increased from 1 to 150 bar, reaching 15 % of that of bulk silica glass, while the zero dispersion wavelength shifts from 300 to 900 nm. The group velocity dispersion of the system is uniquely pressure-tunable over a wide range while avoiding Raman scattering : absent in noble gases and having an extremely high optical damage threshold. As a result, detailed and well controlled studies of nonlinear effects can be performed, in both normal and anomalous dispersion regimes, using only a fixed-frequency pump laser. For example, the absence of Raman scattering permits clean observation, at high powers, of the interaction between a modulational instability side-band and a soliton created dispersive wave. Excellent agreement is obtained between numerical simulations and experimental results. The system has great potential for the realisation of reconfigurable supercontinuum sources, wavelength convertors and short-pulse laser systems.

研究动机与目标

• 开发一种可重构、低损耗的非线性介质，用于全光信号处理。
• 克服固芯光纤在高功率非线性实验中受限于拉曼散射和固定色散的问题。
• 在正常与反常色散区之间实现精确、压力可调的群速度色散控制。
• 实现对复杂非线性效应（如孤子-色散波相互作用）的清晰观测，避免拉曼散射带来的背景噪声。
• 展示一种适用于超连续谱生成、波长转换和超快脉冲系统的平台。

提出的方法

• 在kagome结构空芯光子晶体纤维中填充稀有气体（如氩气），压力范围为1至150 bar。
• 使用固定波长的泵浦激光器测量有效克尔非线性随气体压力的变化。
• 监测零色散波长从1 bar时的300 nm变化至150 bar时的900 nm。
• 基于非线性薛定谔方程进行数值模拟，以模拟脉冲传播与非线性动力学。
• 利用固定频率激光器在正常与反常色散区均激发非线性效应。
• 利用稀有气体的高光学损伤阈值及无拉曼散射特性，实现高功率实验。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在空芯光子晶体纤维中通过气体压力主动调节群速度色散，实现宽范围调控？
• RQ2 增加气体压力如何影响空芯光子晶体纤维中的有效克尔非线性？
• RQ3 在稀有气体填充的光纤中，能否在无拉曼背景干扰的情况下清晰观测到如调制不稳定性和孤子形成等非线性效应？
• RQ4 在高压条件下，该系统的非线性程度在多大程度上接近块体熔融石英玻璃的非线性？
• RQ5 该平台能否实现使用单频激光源的可重构超连续谱生成与波长转换？

主要发现

• 当压力从1 bar增至150 bar时，氩气填充的kagome光子晶体纤维的有效克尔非线性增加超过100倍。
• 在150 bar压力下，有效非线性达到块体熔融石英玻璃的15%，可实现强非线性相互作用。
• 零色散波长从1 bar时的300 nm移动至150 bar时的900 nm，实现对正常与反常色散区的广泛调节。
• 稀有气体中无拉曼散射，使得在高功率下可清晰观测到孤子-色散波耦合等非线性相互作用。
• 实验结果与基于非线性薛定谔方程的数值模拟结果高度一致。
• 该系统在可重构超连续谱源、波长转换器及超短脉冲激光系统方面展现出巨大潜力。