[论文解读] 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 43

一句话总结

该论文通过利用几何强制色散工程，在氪气填充的抗共振空芯光纤中实现了从200 nm到1.7 µm的多倍频程超连续谱生成。该方法利用结构共振，创建了与尺寸无关的强非绝热色散剖面，从而触发孤子爆炸，实现了超过三个倍频程的高效光谱展宽，输出能量达23 µJ。

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.

研究动机与目标

• 克服传统填充气体光纤中超连续谱源在光谱带宽和能量扩展方面的局限性。
• 解决空芯光纤中色散控制的挑战，特别是依赖于纤芯尺寸而限制可扩展性的问题。
• 提出一种新的色散工程策略，利用抗共振光纤中的结构共振，实现超宽带、高能量的超连续谱生成。
• 揭示一种由非绝热模色散驱动的物理机制——孤子爆炸，实现极端光谱展宽。
• 实现从深紫外到中红外的紧凑、超宽带、高能量光源。

提出的方法

• 通过设计抗共振空芯光纤的几何结构，在泵浦波长附近引入几何诱导共振。
• 利用结构共振，强制实现与纤芯尺寸无关的色散剖面，从而实现可扩展的设计。
• 采用氪气填充以提供非线性相移，同时利用工程化色散实现增强的光谱展宽。
• 设计光纤以形成强非绝热模色散剖面，从而触发孤子爆炸效应。
• 通过仿真验证孤子爆炸在驱动超越传统孤子分裂的极端光谱展宽中的作用。
• 通过实验验证该机制：使用单模光纤获得23 µJ的输出能量，并实现从200 nm到1.7 µm的超宽带发射。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用抗共振空芯光纤中的结构共振，实现与纤芯尺寸无关的色散工程？
• RQ2 几何强制色散如何影响超短脉冲传播动力学与光谱展宽特性？
• RQ3 何种物理机制可实现填充气体空芯光纤中高能量、单模运行的多倍频程超连续谱生成？
• RQ4 在工程化光纤中，孤子爆炸在驱动极端光谱展宽方面可被利用到何种程度？
• RQ5 该方法能否实现从深紫外到中红外的可扩展、高能量、超宽带光源？

主要发现

• 光纤设计实现了从200 nm到1.7 µm的光谱展宽，覆盖超过三个倍频程，且在整个带宽内保持单模输出。
• 系统在单模状态下输出能量达23 µJ，证明了其适用于实际应用的高能量性能。
• 由于几何诱导共振，色散剖面与纤芯尺寸无关，实现了可扩展设计。
• 仿真结果证实，主导物理机制为由强非绝热模色散驱动的孤子爆炸。
• 孤子爆炸机制实现了在整个宽光谱范围内的高效频率生成，性能优于标准光纤中的传统孤子分裂。
• 该方法可实现紧凑、超宽带、高能量的光源，覆盖从深紫外到中红外波段，具有生物光子学和阿秒计量学的潜在应用价值。