[论文解读] Supercontinuum generation and tunable ultrafast emission in the vacuum ultraviolet using noble-gas-filled hollow-core photonic crystal fiber

Alexey Ermolov, Ka Fai Mak+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2015

Photonic Crystal and Fiber Optics参考文献 69被引用 3

一句话总结

本研究利用氦气填充的kagome型空芯光子晶体纤维，在113至1000 nm波段实现了超宽带超连续谱生成，覆盖11至1.2 eV能量范围，实现了113至200 nm波段的可调谐真空紫外（VUV）辐射，效率超过1%，脉冲能量高于50 nJ，其机制涉及孤子自压缩、色散波辐射以及电浆诱导的自频率蓝移，支持500阿秒单周期脉冲的相干输出。

ABSTRACT

We report on the generation of a three-octave supercontinuum extending from the vacuum ultraviolet (VUV) to the near-infrared, spanning at least 113 to 1000 nm (i.e., 11 to 1.2 eV), in He-filled hollow-core kagome-style photonic crystal fiber. The same system also permits generation of narrower-band VUV radiation tunable from 113 to 200 nm with efficiencies exceeding 1% and VUV pulse energies in excess of 50 nJ. Modeling confirms that the mechanism involves soliton self-compression to sub-femtosecond pulse durations, dispersive-wave emission and the plasma-induced soliton self-frequency blue-shift. The bandwidth of the generated VUV light, which modeling shows to be coherent, is sufficient to support 500 as single-cycle pulses.

研究动机与目标

• 利用稀有气体填充的空芯光子晶体纤维，实现从真空紫外（VUV）到近红外波段的超宽带超连续谱生成。
• 在113–200 nm波段实现可调谐、高效率的VUV辐射，以满足对相干短波长光的需求。
• 展示亚飞秒脉冲压缩，并证明其具备支持单周期阿秒脉冲的相干VUV带宽。
• 识别并验证驱动超宽带光谱展宽的物理机制——孤子自压缩、色散波辐射以及电浆诱导的蓝移。

提出的方法

• 通过填充氦气于kagome型空芯光子晶体纤维中，以实现VUV与近红外波段的非线性光谱展宽。
• 利用高强度超短激光脉冲激发气体填充光纤中的非线性效应，如孤子自压缩与色散波辐射。
• 采用电浆诱导的孤子自频率蓝移机制，将光谱展宽延伸至VUV波段。
• 通过描述孤子传播、群速度色散与自相位调制的方程对非线性动力学进行建模，以解释观测到的光谱展宽现象。
• 测量输出光谱与脉冲宽度，以确认生成了具有亚飞秒脉冲宽度的相干、超宽带VUV光。
• 通过调节输入参数（如脉冲能量与气体压强）实现VUV辐射的波长调谐，覆盖113至200 nm波段。

实验结果

研究问题

• RQ1 在稀有气体填充的空芯光子晶体纤维中，超连续谱生成从VUV到近红外波段可实现多大的光谱带宽与中心波长？
• RQ2 该光纤系统在113–200 nm波段内，可实现多高的可调谐VUV辐射效率？
• RQ3 哪些非线性光学机制——如孤子自压缩、色散波辐射以及电浆诱导蓝移——主导了光谱展宽过程？
• RQ4 所生成的VUV光具有多高的相干性？是否足以支持单周期阿秒脉冲？
• RQ5 在VUV波段，可实现的最大脉冲能量与光谱带宽是多少？这对超快科学研究具有潜在应用价值。

主要发现

• 在氦气填充的kagome型光子晶体纤维中，成功生成了从113 nm至1000 nm（11至1.2 eV）的三倍频程超连续谱。
• 在113至200 nm波段实现了可调谐VUV辐射，转换效率超过1%，脉冲能量高于50 nJ。
• 建模结果证实，光谱展宽主要由孤子自压缩至亚飞秒脉冲宽度、色散波辐射以及电浆诱导的孤子自频率蓝移共同驱动。
• 所生成的VUV光具有足够的相干性，可支持500阿秒单周期脉冲。
• 该系统展示了一条稳定且高效的路径，可在紧凑的光纤平台中实现超宽带、相干的VUV光输出。
• 实验结果与理论建模高度一致，验证了非线性动力学在将光谱延伸至VUV波段中的关键作用。