[论文解读] 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 2

一句话总结

本研究通过非线性模式混合，在多模光纤中实现了亚纳秒激光脉冲的同时空间与时间压缩。通过利用脉冲包络中功率依赖的非线性相互作用，作者实现了最高四倍的时间压缩，同时伴随空间光束自清洁现象，揭示了非线性光纤光学中此前未被观察到的耦合时空动力学特性。

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.

研究动机与目标

• 研究多模非线性光纤中空间光束自清洁与时间脉冲整形之间的相互作用。
• 探索单个光学脉冲在脉冲强度分布上峰值功率变化时所引发的全部非线性动力学行为。
• 通过受控的非线性模式混合，实现空间与时间域的同步压缩。
• 揭示在梯度折射率多模光纤中，时间压缩与空间自清洁过程存在内在关联。

提出的方法

• 在不同输入峰值功率条件下，实验观测梯度折射率多模光纤中脉冲的传播行为。
• 使用单个亚纳秒激光脉冲，其强度分布连续可调，以探测整个非线性区域。
• 通过时间分辨成像与光谱诊断分析空间光束演化与时间脉冲整形。
• 识别出依赖于瞬时光强的模式混合动力学，从而实现对空间与时间脉冲特性的调控。
• 通过同时测量光束轮廓与脉冲宽度，建立空间光束自清洁与时间脉冲缩短之间的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 非线性模式混合如何影响多模光纤中脉冲的空间与时间演化？
• RQ2 在实现空间光束自清洁的同时，时间压缩能达到何种程度？
• RQ3 脉冲上瞬时功率分布如何影响时空压缩的程度？
• RQ4 梯度折射率结构在实现空间与时间耦合动力学中起到何种作用？
• RQ5 单个脉冲是否能展现出全范围的非线性动力学，从而实现两个域的同步压缩？

主要发现

• 在多模光纤中观察到显著的时间压缩，最短可达四倍，同时伴随空间光束自清洁现象。
• 时间压缩与模式间的非线性混合直接相关，其程度取决于脉冲的瞬时功率。
• 空间光束自清洁与时间脉冲整形在传播过程中同步发生，表明存在耦合的时空非线性过程。
• 通过使用具有连续可变强度分布的单个脉冲，完整探索了全部非线性动力学行为。
• 非线性模式混合同时诱导空间模式滤波与时间脉冲压缩，提示了一种新型超短脉冲生成机制。