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Multioktave Superkontinuum-Erzeugung in resonanzverstärkten antiresonanten Hohlkernfasern

Wir demonstrieren eine neuartige Methode zur multioktaven Superkontinuum-Erzeugung in einer mit Kryptongas gefüllten antiresonanten Hohlkernfaser unter Ausnutzung ihrer einzigartigen Dispersionseigenschaften nahe der Strangresonanz-Wellenlänge. Eine antiresonante Hohlkernfaser wurde hergestellt und mit einem Ti:Sa-Laser nahe der Resonanzwellenlänge gepumpt. Dies führte zu einem mehr als drei Oktaven umspannenden Superkontinuum-Spektrum durch beschleunigte Solitonspaltung. [1]

Abbildung 1: Grundlagen der ultraschnellen Superkontinuum-Erzeugung in strukturresonanzgetunten gasgefüllten, antiresonanten Hohlkernfasern. (a) Konzeptionelles Schema des Versuchs. Der Einschub zeigt die in den Experimenten verwendete antiresonante Hohlkernfaser (die weiße Skala zeigt eine Länge von 20 μm). (b) Simulation der Frequenzabhängigkeit der Gruppengeschwindigkeitsdispersion der Fundamentalmode in der mit Krypton bei einem Druck von 6 bar gefüllten ARHCF (violette Kurve: Strangresonanz bei 1 μm; orange: entsprechende gasgefüllte Kapillardispersion, wenn die Strangresonanz vernachlässigt wird). Die Quadrate markieren die Wellenlängen, bei denen die Gruppengeschwindigkeitsdispersion Null ist. Der Einschub ist eine Nahaufnahme der GGD nahe der Strangresonanz. (c) Gemessene spektrale Verteilung des Verlusts der fundamentalen Kernmode der antiresonanten Hohlkernfaser aus a. Die vertikalen blauen gestrichelten Linien zeigen die spektralen Positionen der Resonanzen gemäß Gleichung (1) an, die vertikale rote gestrichelte Linie bezieht sich auf die zentrale Wellenlänge des Femtosekunden-Pumplasers.

Abbildung 2: Gemessene spektrale Verteilung des Ausgangslichts nach Verwendung einer mit Krypton gefüllten Hohlkernfaser bei verschiedenen Ausgangspulsenergien (in den Diagrammen angegeben). (a) Antiresonante Faser mit einem Druckgradienten (Niederdruckseite am Eingang, 6 bar Druck am Ausgang). (b)-(f) Homogen gefüllte Faser bei einem Druck von 6 bar. (g)-(p) Fernfeld-Aufnahmen (in Falschfarben) der Ausgangsmode bei verschiedenen Wellenlängen für eine Ausgangsenergie von 12,1 μJ (bei konstantem Druck) sind auf der rechten Seite der Abbildung dargestellt (Zahlen geben die Zentralwellenlängen (in nm) der Bandpassfilter an).

Abbildung 3: Simulation der nichtlinearen Pulsausbreitung in ARHCF- und Kagome-Fasern. (a) Spektrale Intensitätsverteilung an verschiedenen Stellen innerhalb des ARHCF (Kerndurchmesser von 50 μm) mit dem in Abbildung 1b gezeigten Dispersionsprofil. Die vertikale gestrichelte Linie zeigt die Strangresonanz an, die Tscherenkow-Strahlungsbänder sind mit CR gekennzeichnet. Die Farben beziehen sich auf die verschiedenen Intensitätswerte, die durch den oberen linken Farbbalken definiert sind (logarithmische Skala, normiert auf Eins). (b) Entsprechende Darstellung der zeitlichen Entwicklung (Farbbalken oben rechts, lineare Farbskala). Entsprechende spektrale und zeitliche Verteilungen für eine Kagome-HCF mit gleichem Kerndurchmesser wie die besprochene ARHCF sind in (c) und (d) dargestellt. Das OWB-Label steht für optische Wellenbrechung. Die senkrechte gestrichelte Linie in c zeigt die Null-Dispersionswellenlänge an. Bei allen Plots bezieht sich ω0 auf die Zentralfrequenz des Ausgangsimpulses (2πc0/ω0=800 nm).

Von Rudrakant Sollapur // Daniil Kartashov // Michael Zürch // Andreas Hoffmann // Teodora Grigorova // Gregor Sauer // Alexander Hartung // Anka Schwuchow // Jörg Bierlich // Jens Kobelke // Mario Chemnitz // Markus A Schmidt // Christian Spielmann

Antiresonante Hohlkernfasern (antiresonant hollow-core fibers, ARHCF) bieten eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Fasern mit fester Kern-Mantel-Struktur, was zu einem verlustarmen, breitbandigen Übertragungsspektrum führt. Die dünnen Stränge der ARHCFs fungieren als Fabry-Perot (FP) Kavität und die Reflexionen des FP leiten das Licht durch die Faser. Aufgrund der Geometrie des Faseraufbaus sind die Kernmoden höherer Ordnung phasenangepasst an die Mantelmoden und die fundamentale Kernmode ist nicht angepasst an die Mantelmoden, wodurch die Ausbreitung der fundamentalen Kernmode immer gewährleistet ist.Bei der ARHCF-Herstellung wurden sechs dünnwandige Kapillaren in einem Mantelrohr gruppiert und diese Anordnung zu Stab und Faser verzogen. Die Enden der Faser wurden in zwei voneinander unabhängigen Gaszellen platziert. Das Eingangsende der Faser wurde unter Vakuum gehalten und das Ausgangsende der Faser wurde mit 6 bar Kryptongas gefüllt. Dabei wurde der Druckgradient entlang der Faser aufrechterhalten. Diese Konfiguration erlaubte den Betrieb mit hoher Eingangsenergie, ohne die Fasergeometrie zu beschädigen. Abbildung 1a zeigt Versuchsaufbau und Faserquerschnitt. Die sich ausbreitende Fundamentalmode erfährt eine plötzliche Dispersionsvariation um einige Größenordnungen (siehe Abb. 1b) näher am Resonanzwellenlängenbereich, was einen zusätzlichen Freiheitsgrad im Dispersionsmanagement bietet und ein neues Regime der Solitondynamik eröffnet. Dieses Design ermöglicht eine genaue und zielgerichtete spektrale Position der Resonanzen, was eine Vergrößerung des Kerndurchmessers ohne drastische Änderungen der Dispersionslandschaft ermöglicht.Diese Arbeit präsentiert eine neue effiziente Erzeugung eines Ultrabreitband-Superkontinuums von mehr als drei Oktaven zwischen UV und Nahinfrarot (NIR). Oberhalb einer bestimmten Schwelle, bei der die spektrale Verbreiterung in den Resonanzbereich eintritt, wird der Beginn der Superverbreiterung beobachtet (siehe Abb. 2d und 2e). Abbildung 3 vergleicht die Simulationsergebnisse von ARHCF- und Kagome-Faser mit gleichem Querschnitt und Variation in der zeitlichen und spektralen Entwicklung der Pulsausbreitung. Es ist deutlich ersichtlich, dass kohärente nicht-adiabatische Solitondynamiken und die multiple Erzeugung von Tscherenkow-Strahlung (aufgrund starker struktureller Resonanz) Einfluss auf die multioktave Superkontinuum-Erzeugung haben. Diese effiziente spektrale Verbreiterung überwindet auch den verlustbehafteten Resonanzbereich (siehe Abb. 1c) und bietet eine kontinuierliche spektrale Leistung von ultraviolett (200 nm) bis nahes Infrarot (1700 nm).Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es uns gelungen ist, das Konzept der modalen Dispersionstechnik in gasgefüllten ARHCF über Strukturresonanzen einzuführen und damit einen neuen Freiheitsgrad für anspruchsvolle Dispersionslandschaften zu erhalten. Dieses neue Dispersionsdesign ermöglicht die Erzeugung multioktaver Superkontinua, die mit hoher spektraler Dichte von tiefen UV-Wellenlängen bis hin zu Wellenlängen im nahen Infrarot reichen. Diese Technik kann durch Verwendung von Großkern-ARHCF auf Millijoule-Niveau hochskaliert werden, da das Dispersionsprofil aufgrund der Strangresonanz unabhängig vom Kerndurchmesser ist. Simulationen liefern eine qualitative Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen und zeigen, dass die stark variierende Gruppengeschwindigkeitsdispersion in der Nähe der Strangresonanz eine wichtige Rolle spielt und die Dispersion des Gases übertrifft. Dies ebnet den Weg für den beschleunigten Spaltprozess solitonähnlicher Wellenformen und die weitere Emission mehrerer phasenangepasster resonanter Tscherenkow-Strahlungsbänder auf beiden Seiten der strukturellen Resonanz.Dieser einzigartige Mechanismus der spektralen Verbreiterung kann entweder tiefe ultraviolette oder mittlere Infrarotwellenlängen erreichen, was Anwendungen in hochrelevanten Bereichen wie der spektral aufgelösten Bildgebung, der Weitfeldspektroskopie und der Biophotonik ermöglicht.

Gefördert von: DFG, Freistaat Thüringen, Humboldt-Stiftung

Zugehörige Publikation

Sollapur et. al., 'Resonance-enhanced multi-octave supercontinuum generation in antiresonant hollow-core fibers', Light: Science & Applications, 6, e17124, 10.1038/lsa.2017.124

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