[论文解读] Observation of Spatio-temporal Instability of Femtosecond Pulses in Normal Dispersion Multimode Graded-Index Fiber

Uğur Teğin, Bülend Ortaç|arXiv (Cornell University)|May 25, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 15被引用 9

一句话总结

本研究首次通过飞秒脉冲在正常色散梯度折射率多模光纤（GRIN MMF）中实验观测到几何参数不稳定性的侧带（GPI）。这些GPI侧带通过周期性聚焦GRIN光纤中的准相位匹配机制产生，相对于800 nm泵浦光具有91 THz的频率偏移，并保持类似高斯的空间光束轮廓，该结果经实验与采用拉曼非线性和冲击非线性项的耦合模脉冲传播模型的数值模拟共同验证。

ABSTRACT

We study the spatio-temporal instability generated by a universal unstable attractor in normal dispersion graded-index multimode fiber (GRIN MMF) for femtosecond pulses. Our results present the generation of geometric parametric instability (GPI) sidebands with ultrashort input pulse for the first time. Observed GPI sidebands are 91 THz detuned from the pump wavelength, 800 nm. Detailed analysis carried out numerically by employing coupled-mode pulse propagation model including optical shock and Raman nonlinearity terms. A simplified theoretical model and numerically calculated spectra are well-aligned with experimental results. For input pulses of 200-fs duration, formation and evolution of GPI are shown in both spatial and temporal domains. The spatial intensity distribution of the total field and GPI sidebands are calculated. Numerically and experimentally obtained beam shapes of first GPI features a Gaussian-like beam profile. Our numerical results verify the unique feature of GPI and generated sidebands preserve their inherited spatial intensity profile from the input pulse for different propagation distances particularly for focused and spread the total field inside the GRIN MMF.

研究动机与目标

• 研究在正常色散GRIN MMF中超短脉冲的时空不稳定性，该领域此前尚未在几何参数不稳定性（GPI）背景下被探索。
• 通过飞秒脉冲实验演示GPI侧带的生成，扩展了以往仅限于皮秒或纳秒脉冲的研究范围。
• 验证普遍不稳定吸引子在超短脉冲激发下驱动GRIN MMF中GPI动力学的作用。
• 表征GPI侧带的光谱与空间演化特性，特别是其频率失谐以及对泵浦光束轮廓的继承特性。

提出的方法

• 采用长度为2.6 m、芯径50 µm、折射率呈抛物线分布的GRIN MMF，研究在正常色散条件下飞秒脉冲的传播特性。
• 使用包含拉曼非线性和光学冲击项的耦合模脉冲传播模型，模拟脉冲演化过程。
• 通过采用三个角动量为零的模式（p=0,1,2）并改变能量分布，评估模式耦合效应。
• 利用可变能量（295–345 nJ）的200-fs、800 nm、线性偏振脉冲进行实验测量，以观测GPI的起始。
• 应用长通滤波器（截止波长1000 nm）分离并测量首个GPI斯托克斯侧带的近场光束轮廓。
• 将实验测得的光谱与光束轮廓与数值计算结果进行对比，以验证GPI机制及其空间演化特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在正常色散条件下，通过飞秒脉冲在GRIN MMF中实验观测到几何参数不稳定性（GPI）？
• RQ2 由超短脉冲激发产生的GPI侧带是否如长脉冲条件下一样继承泵浦光的 spatial beam profile？
• RQ3 当使用200-fs脉冲激发时，GRIN MMF中首个GPI斯托克斯与反斯托克斯侧带的频率失谐是多少？
• RQ4 GPI侧带的光谱与空间演化特性如何依赖于注入脉冲能量及模式能量分布？
• RQ5 包含拉曼与冲击项的数值模拟在多大程度上能再现GRIN MMF中GPI的实验观测结果？

主要发现

• 首次通过飞秒脉冲在GRIN MMF中实现了GPI侧带的实验观测，其相对于800 nm泵浦波长的频率偏移为91 THz。
• 在注入脉冲能量为345 nJ时，首个GPI斯托克斯与反斯托克斯侧带分别出现在1055 nm与645 nm处，光谱带宽分别为约12 nm与约5 nm。
• 在频率域中，GPI侧带的带宽均约为3.2 THz，证实了对称的光谱展宽。
• 首个GPI斯托克斯侧带的近场光束轮廓呈类似高斯且无斑点的形态，与泵浦光的空间强度分布一致。
• 包含三个模式及拉曼非线性项的数值模拟成功再现了观测到的GPI侧带的光谱位置与带宽。
• 总场与GPI侧带的空间强度分布随传播距离演化，无论在聚焦还是展扩配置下，均保持了输入脉冲的光束形状。