Synchronized ultrashort pulse generation via self-phase modulation using a photonic crystal fiber for electro-optic sampling in the mid infrared

Abstract

Electro-optical sampling (EOS) is ideally suited to directly measure electric field THz waveforms. Translation of EOS into the mid-IR (7 μm) requires optically synchronized ultrashort pulses with duration of half a cycle (12 fs), or less, of the pulse to be sampled. We demonstrate a solution which is based on engineered self-phase modulation (SPM) and dispersion compensation in a solid core photonic crystal fiber (PCF) driven by a Er:fiber laser. For this purpose the supercontinuum (SC) generation process was studied in PCF using a nonlinear wave propagation code, gUPPElab. Experimentally, two PCF with different dispersion curves were investigated to produce SC pumped by pulses from the fiber laser with 70 fs duration and 2.5 nJ energy. A spectrum spanning over 700 nm centred at 1.5 μm was achieved using 22 cm long all-normal dispersion PCF with 35% of efficiency and pulses were compressed in a prism compressor down to measured pulse duration of 30 fs. Based on this confirmation of the concept, a new PCF with a zero dispersion point around 1.5 μm was used which generated SC over 600 nm with 64% of coupling efficiency. Due to dispersion engineering of the PCF, the emerging pulses were self-compressed and revealed a pulse duration of 13 fs.

La técnica de muestreo electro-óptico es capaz de medir directamente el campo eléctrico en la región espectral de THz. La utilización de esta técnica en el mid-IR (7 μm) requiere pulsos ultra cortos sincronizados ópticamente y con una duración similar a medio ciclo (12 fs), o menos, del pulso a medir. Nosotros demostramos la solución basado en el efecto "self phase modulation" (SPM) en una fibra de cristal fotónico (FCF) con núcleo sólido con dispersión auto-compensada bombeada por un laser de fibra de Erbio. Para este propósito, el efecto de "supercontinuum" (SC) fue estudiado en diferentes FCF haciendo uso de un simulador de propagación de ondas no-lineales, gUPPElab. Experimentalmente, dos FCF con diferentes curvas de dispersión fueron investigadas para producir SC bombeados por pulsos del laser de fibra con una duración de 70 fs y 2.5 nJ de energía. Un espectro que se extendía unos 700 nm centrado en 1.5 μm fue obtenido utilizando un FCF con una dispersión en el régimen normal con una longitud de 22 cm y una eficiencia del 35%. Una duración de los pulsos de 30 fs fue medida después de comprimirlos utilizando un compresor de prismas. Una vez confirmada la utilidad de esta técnica, otra FCF con dispersión cero alrededor de 1.5 μm fue utilizada, con la cual producimos un SC de 600 nm con 64% de eficiencia. Debido a la ingeniería de la FCF, los pulsos resultantes estaban auto-comprimidos y mostraron una duración temporal de 13 fs.

La tècnica de mostreig electro-òptic és capaç de mesurar directament el camp elèctric a la regió espectral de THz. La utilització d'aquesta tècnica en el mid-IR (7 micres) requereix polsos ultra curts sincronitzats òpticament i amb una durada similar a mig cicle (12 fs), o menys, del pols a mesurar. Nosaltres demostrem la solució basat en l'efecte "self phase modulation" (SPM) en una fibra de vidre fotònic (FCF) amb nucli sòlid amb dispersió auto-compensada bombejada per un làser de fibra de Erbi. Per a aquest propòsit, l'efecte de "supercontinuum" (SC) va ser estudiat en diferents FCF fent ús d'un simulador de propagació d'ones no-lineals, gUPPElab. Experimentalment, dos FCF amb diferents corbes de dispersió van ser investigades per produir SC bombats per polsos del làser de fibra amb una durada de 70 fs i 2.5 nJ d'energia. Un espectre que s'estenia uns 700 nm centrat en 1.5 micres va ser obtingut mitjançant un FCF amb una dispersió en el règim normal amb una longitud de 22 cm i una eficiència del 35%. Una durada dels polsos de 30 fs va ser mesurada després de comprimir utilitzant un compressor de prismes. Un cop confirmada la utilitat d'aquesta tècnica, una altra FCF amb dispersió zero al voltant de 1.5 micres va ser utilitzada, amb la qual produïm un SC de 600 nm amb el 64% d'eficiència. A causa de l'enginyeria de la FCF, els polsos resultants estaven auto-comprimits i van mostrar una durada temporal de 13 fs.