Eine Doppelbrechung

15. Dezember 2022

von Ultrafast Science

In den letzten Jahrzehnten haben Forscher konventionelle Solitonen, gestreckte Pulse, selbstähnliche Pulse und dissipative Solitonen demonstriert, indem sie die Dispersion und Nichtlinearität von Faserlasern manipuliert haben. Allerdings wurden in modengekoppelten Faserlasern weniger neue Arten robuster Impulse entdeckt, da in den 2000er Jahren über dissipative Solitonen berichtet wurde. Andererseits wurden chirpfreie Solitonen in der Vergangenheit nur mit Faserlasern mit anomaler Dispersion erreicht, und die Einzelpulsenergie ist auf relativ enge Grenzen beschränkt.

Kürzlich schlug ein gemeinsames Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dong Mao und Jianlin Zhao von der Northwestern Polytechnical University zusammen mit Prof. Zhipei Sun von der Aalto-Universität eine neuartige Klasse chirpfreier Impulse in Erbium-dotierten Faserlasern mit Nettonormaldispersion vor . Der mit der Doppelbrechung verbundene Phasenanpassungseffekt dominiert die Bildung des Chirp-freien Solitons und wird daher als doppelbrechungsgesteuertes Soliton bezeichnet.

Eine steuerbare harmonische Modenkopplung von der 5. bis zur 85. Ordnung kann bei der gleichen Pumpstufe von ~10 mW erreicht werden, wobei die Solitonenenergie über das Zehnfache hinaus vollständig abstimmbar ist, was auf ein neues doppelbrechungsbezogenes Energiegesetz hinweist, das sich grundsätzlich vom Energiesatz von unterscheidet konventionelle Solitonen.

Bei einem Faserlaser mit normaler Dispersion, der einen Abschnitt einer polarisationserhaltenden Faser enthält, kommt es zu einer Modenkopplung zwischen zwei orthogonal polarisierten Komponenten, wenn sich der Impuls von der Einmodenfaser zur polarisationserhaltenden Faser ausbreitet. Der Laserbetrieb hängt hauptsächlich vom Polarisationszustand des Impulses in der Singlemode-Faser ab.

Wenn θ (d. h. der Winkel zwischen der y-polarisierten Komponente und der schnellen Achse des PMF) ~0 oder ~π/2 beträgt, emittiert der Laser dissipative Solitonen, während doppelbrechungsgesteuerte Solitonen realisiert werden können, wenn θ zwischen ~π/10 variiert und ~2π/5. Im Vergleich zu dissipativen Solitonen besitzen die doppelbrechungsgesteuerten Solitonen eine kürzere Pulsdauer, Bandbreite und Pulsenergie sowie eine Selbststartschwelle und sind in der Lage, sich selbst in harmonische Modenkopplungszustände höherer Ordnung zusammenzusetzen.

Mithilfe der Single-Shot-Spektroskopie und eines elektrisch abstimmbaren Polarisationsreglers kann der Übergang zwischen dissipativem Soliton und doppelbrechungsgesteuertem Soliton in Echtzeit visualisiert werden. Bei beiden Übergangsprozessen zeigen sie eine Degeneration von Solitonen, eine Relaxationsoszillation und eine Regeneration von Solitonen. Diese Ergebnisse bestätigen weiter, dass doppelbrechungsgesteuertes Soliton im Bereich normaler Dispersion realisiert wird.

Numerische Simulationen, die auf gekoppelten Ginzburg-Landau-Gleichungen basieren, reproduzieren die experimentellen Beobachtungen gut und bestätigen, dass neben der chromatischen Dispersion, der Nichtlinearität und den sättigbaren Absorptionseffekten die Doppelbrechung genutzt werden kann, um die Energie und das Ausbreitungsverhalten von Impulsen zu steuern, was neue Forschungsergebnisse eröffnen könnte Richtungen in den Bereichen optische Solitonen und ultraschnelle Faserlaser.

Diese Arbeit ebnet den Weg zur direkten Erzeugung chirpfreier Solitonen in Hohlräumen mit normaler Dispersion ohne externe Kompression. Ein solcher flexibler Faserlaser ist in der Lage, abstimmbare harmonische modengekoppelte Solitonen hoher Ordnung mit einer relativ geringen Pumpleistung zu erzeugen, was eine vielversprechende Möglichkeit zur Realisierung von Impulsquellen mit hoher Wiederholrate bietet, die mit geringem Stromverbrauch für optische Kommunikation und Erfassung arbeiten.

Der Artikel wurde in der Zeitschrift Ultrafast Science veröffentlicht.

Mehr Informationen: Dong Mao et al., Doppelbrechungsgesteuerter Faserlaser mit normaler Dispersion, der energieabstimmbare chirpfreie Solitonen liefert, Ultrafast Science (2022). DOI: 10.34133/2022/9760631

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