Novel coherent supercontinuum light sources based on all-normal dispersion fibers [Elektronische Ressource] / Alexander Heidt. Gutachter: Hartmut Bartelt ; Erich Rohwer ; John Dudley

Ingo H. De Boer

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• Physik

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• Publié par: friedrich-schiller-universitat_jena
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 110
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 41 Mo

Extrait

Novel coherent supercontinuum light
sources based on all-normal dispersion
fibers
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.)
vorgelegt dem Rat der Physikalisch-Astronomischen Fakultät
der Friedrich-Schiller-Universität Jena
von Dipl. Phys. Alexander Heidt
geboren am 22. Juli 1981 in Offenbach / Main.
Gutachter
1. Prof. Dr. Hartmut Bartelt, Universität Jena
2. Prof. Dr. Erich Rohwer, University of Stellenbosch
3. Prof. Dr. John Dudley, Université Besançon
4. Prof. Dr. Jonathan Knight, University of Bath
Tag der Disputation: 05.07.2011Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen eines bi-nationalen Cotutelle Abkommens
zwischen der Friedrich Schiller Universität Jena und der University of Stellenbosch
(Südafrika) erstellt.
This thesis was prepared in the framework of a bi-national Cotutelle agreement between
the Friedrich Schiller Universität Jena and the University of Stellenbosch (South
Africa).Abstract
The concept of broadband coherent supercontinuum (SC) generation in all-normal dis-
persion (ANDi) fibers in the near-infrared, visible and ultraviolet (UV) spectral regions
is introduced and investigated in detail. In numerical studies, explicit design criteria are
established for ANDi photonic crystal fiber (PCF) designs that allow the generation of
flat and smooth ultrabroad spectral profiles without significant fine structure and with
excellent stability and coherence properties. The key benefit of SC generation in ANDi
fibers is the conservation of a single ultrashort pulse in the time domain with smooth and
recompressible phase distribution. In the numerical investigation of the SC generation
dynamics self-phase modulation and optical wave breaking are identified as the dominant
nonlinear effects responsible for the nonlinear spectral broadening. It is further demon-
strated that coherence properties, spectral bandwidth and temporal compressibility are
independent of input pulse duration for constant peak power. The numerical predictions
are in excellent agreement with experimental results obtained in two realizations of ANDi
PCF optimized for the near-infrared and visible spectral region. In these experiments,
the broadest SC spectrum generated in the normal dispersion regime of an optical fiber
to date is achieved. The exceptional temporal properties of the generated SC pulses are
verified experimentally and their applicability for the time-resolved study of molecular
dynamics in ultrafast transient absorption spectroscopy is demonstrated. In an addi-
tional nonlinear pulse compression experiment, the SC pulses obtained in a short piece of
ANDi PCF could be temporally recompressed to sub-two cycle durations by linear chirp
compensation. Numerical simulations show that even shorter pulse durations with excel-
lent quality can be achieved by full phase compensation. The concept is further extended
into the UV spectral regime by considering tapered optical fibers with submicron waist
diameter. It is shown that coherent SC spectra with considerable spectral power densi-
ties in the usually hard to reach wavelength region below 300 nm can be generated using
these freestanding photonic nanowires. Although technological difficulties currently pre-
vent the fabrication of adequate nanofibers, the concept could be experimentally verified
by coherent visible octave-spanning SC generation in tapered suspended core fibers with
ANDi profile. The work contained in this thesis therefore makes important contributions
to the availability and applicability of fiber-based broadband coherent SC sources with
numerous high-impact applications in fundamental science and modern technology.
1Deutsche Zusammenfassung
Die extreme spektrale Verbreiterung von ultrakurzen Lichtpulsen während der Propaga-
tion durch ein nichtlineares Medium ist bekannt als Superkontinuumserzeugung (SKE).
DieErzeugungvonKontinuamitmehrerenhundertNanometernspektralerBandbreitein
Kristallen oder Glasfasern ist zwar ein lange bekannter Effekt, doch wurde das Feld mit
der Erfindung der sogenannten photonischen Kristallfaser (PCF) revolutioniert. Diese
speziellen mikrostrukturierten optischen Glasfasern erlauben es, die Dispersions- und
nichtlinearen Eigenschaften durch eine geeignete Wahl der Mikrostruktur zu verändern.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung optimierter Fasern für breitbandig
kohärente und spektral gleichförmige Superkontinuumserzeugung für Ultrakurzpulsan-
wendungen, wie zum Beispiel zeitaufgelöste Spektroskopie, Pulskompression, optische
Frequenzmesstechnik oder Telekommunikation. Der übliche Ansatz, bei dem die Faser in
Wellenlängenbereichen mit anomaler Dispersion gepumpt wird, produziert zwar sehr bre-
iteSpektren,jedochistdieDynamikdurchdenZerfalldesEingangspulsesinmehrereSoli-
tonen geprägt und reagiert zudem sehr empfindlich auf Quantenrauschen des Pumplasers.
Dadurch weisen die Kontinua üblicherweise sehr starke Puls-zu-Puls Fluktuationen in
Phase und Intensität, niedrige zeitliche Kohärenz sowie komplexe spektrale und zeitliche
Profile auf. Durch diese Eigenschaften sind die Kontinua nur sehr bedingt für Ultra-
kurzpulsanwendungen geeignet. Die Herausforderung dieser Arbeit ist es deshalb, den
ungewollten Zerfall des Eingangspulses und die Rauschsensitivität zu vermeiden und den-
noch ein ausreichend breites Spektrum zu erzeugen.
In der vorliegenden Dissertation wird durch ausgedehnte numerische Studien
gezeigt, dass diese Anforderungen erfüllt werden können, indem die speziellen Design-
möglichkeiten von PCF genutzt werden um Fasern mit normaler Dispersion bei allen
Wellenlängenzuerzeugen. Siewerdenauchals"all-normaldispersionPCF"(ANDiPCF)
bezeichnet. Die Studien zeigen, dass Femtosekundenpulse in Fasern mit flachen ANDi
Profilen und minimaler Dispersion bei der Pumpwellenlänge sehr glatte und kohärente
Spektren ohne signifikante Feinstruktur erzeugen können, die mehr als eine Oktave breit
sind und gleichzeitig einen rekomprimierbaren zeitlichen Puls mit stabiler Phase erhalten.
Die guten Kohärenzeigenschaften, spektrale Bandbreite und Rekomprimierbarkeit dieser
Kontinua sind für konstante Spitzenleistungen unabhängig von der Dauer des Pump-
pulses. Dies ist ein grosser Vorteil gegenüber der konventionellen Superkontinuumserzeu-
gung, bei der strikte Kriterien bezüglich der Dauer des Eingangspulses gelten, um gute
zeitliche Kohärenz zu gewährleisten.
Die numerischen Voraussagen werden in experimentellen Umsetzungen von ANDi PCF
überprüft und durch kohärente Superkontinuumserzeugung im sichtbaren und infraroten
3Spektralbereich bestätigt. Dabei wird mit einem über mehr als 900 nm oder 1.5 Oktaven
ausgedehnten Spektrum das breiteste Kontinuum demonstriert, das bisher im normalen
Dispersionsbereich einer Faser erzeugt werden konnte.
Die Erhaltung eines einzigen ultrakurzen Pulses in der Zeitdomäne wird demonstriert,
indem das erzeugte Kontinuum als Probepuls in zeitaufgelöster transienter Absorptions-
spektroskopieeingesetztwird. DiesesExperimentdemonstriertzugleich,dassdieinANDi
PCFerzeugtenSuperkontinuahervorragendfürdieUntersuchungzeitaufgelöstermoleku-
larer Dynamik geeignet sind.
Die exzellente Phasenstabilität der erzeugten Superkontinuumspulse wird weiterhin in
einem nichtlinearen Pulskompressionsexperiment benutzt, in dem das in einem kurzen
Stück ANDi PCF erzeugte Kontinuum durch lineare Chirpkompensation zu ultrakurzen
Pulsen mit 5.0 fs Dauer und sehr guter Qualität komprimiert wird. Mit Hilfe von nu-
merischen Simulationen wird ausserdem gezeigt, dass mit voller Phasenkompensation
noch kürzere Pulse erzeugt werden können. Im Gegensatz zur Kompression von kon-
ventionellen Superkontinua ist die erreichbare Pulsdauer und Qualität nicht beschränkt
durch die Kohärenzeigenschaften des Kontinuums und das Konzept ist übertragbar zu
längeren Eingangspulsen und Faserlängen.
Das Konzept der breitbandigen kohärenten Superkontinuumserzeugung wird ebenfalls
zu ultravioletten (UV) Wellenlängen übertragen, indem die zusätzliche Designflexibilität
von getaperten Fasern ausgenutzt wird. Freistehende Nanofasern mit Durchmessern von
weniger als einem Mikrometer besitzen Dispersionsprofile, die den vorher untersuchten
PCF sehr ähnlich sind, jedoch für sehr kurze Pumpwellenlängen um 400 nm optimiert
sind. Durch numerische Berechnungen wird gezeigt, das diese Nanofasern Superkontinua
mit hoher spektraler Leistungsdichte im bisher nur sehr schwer erreichbaren Bereich von
unterhalb300nmWellenlängeermöglichen. ObwohltechnologischeSchwierigkeiteninder
HerstellunggeeigneterNanofaserndieexperimentelleVerifikationdieserErgebnissebisher
verhindern, konnte das Prinzip durch kohärente, mehr als eine Oktave breite Superkon-
tinuumserzeugung im sichtbaren Spektralbereich in einer mikrostrukturierten Faser mit
"suspended core" Design experimentell bestätigt werden.
Obwohl kohärente Superkontinuumserzeugung im normalen Dispersionsbereich op-
tischer Fasern bereits früher demonstriert wurde, wird dieses Konzept durch die vor-
liegende Arbeit zu neuen Dimensionen gebracht und auf