Novel coherent supercontinuum light sources based on all-normal dispersion fibers
Date
2011-12
Authors
Heidt, Alexander Matthias
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The concept of broadband coherent supercontinuum (SC) generation in all-normal dispersion
(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 demonstrated
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 additional
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 excellent
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 densities
in the usually hard to reach wavelength region below 300 nm can be generated using
these freestanding photonic nanowires. Although technological difficulties currently prevent
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.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die konsep van breëband koherente superkontinuum (SK) in alles-normaal dispersiewe (ANDi) vesels in die naby-infrarooi, sigbare en ultraviolet (UV) spektrale gebiede word voorgestel en in detail ondersoek. In numeriese studies word eksplisiete ontwerpskriteria vasgestel vir ANDi fotoniese kristal vesel (FKV) ontwerpe wat dit moontlik maak om plat en gladde ultra-breë spektrale profiele te genereer sonder noemenswaardige fynstruktuur en met uitstekende stabiliteit en koherensie eienskappe. Die sleutel voordeel van SK genering in ANDi vesels is die behoud van ’n enkele ultrakort puls in tyd met ’n gladde en saamdrukbare fase distribusie. In die numeriese ondersoek van die SK generering is die dinamika van fase selfmodulering geïdentifiseer as die dominante nie-lineêre effek wat verantwoordelik is vir die nie-lineêre spektrale verbreding. Daar word voorts aangetoon dat die koherensie eienskappe, spektrale bandwydte en saamdrukbaarheid in tyd onafhanklik is van die inset pulsduur vir konstante drywing. Die numeriese voorspellings stem uitstekend ooreen met die eksperimentele resultate wat verkry is met twee ANDi FKVÕs wat optimeer is vir die naby-infrarooi en sigbare spektrale gebied. In hierdie eksperimente is die breedste SK spektrum gegenereer wat tot hede in die normaal dispersiewe regime met ’n optiese vesel behaal is. Die besondere eienskappe van die genereerde SK pulse is eksperimenteel bevestig en die toepasbaarheid vir tyd opgelosde studie van molekulêre dinamika is gedemonstreer. In ’n addisionele nie-lineêre puls kompressie eksperiment is SK pulse verkry in ’n kort stuk ANDi FKV wat in tyd saamgedruk kon word tot sub-twee siklus tydsduur deur liniêre tjirp kompensering. Numeriese simulasies toon aan dat selfs korter pulse met uitstekende kwaliteit behaalbaar is met volledige fase kompensasie. Die konsep is verder uitgebrei na die UV spektrale gebied deur ’n koniese vesel te beskou met sub-mikron diameter. Daar is aangetoon dat koherente SK spektra met noemenswaardige spektrale drywing in die golflengte gebied onder 300 nm, wat gewoonlik as moeilik toeganklik beskou word, bereik kan word deur hierdie vrystaande fotoniese nano-vesels aan te wend. Alhoewel tegnologiese probleme die vervaardiging van voldoende nano-vesels verhinder, kon die konsep eksperimenteel bewys word deur koherente sigbare oktaafspannende SK te genereer in koniese gesuspendeerde kern vesels met ’n ANDi profiel aan te wend. Die werk wat in die tesis vervat is, maak dus belangrike bydraes tot die beskikbaarheid en toepasbaarheid van vesel gebaseerde breëband koherente SK bronne met verskeie hoë impak toepassings in fundamentele wetenskap en moderne tegnologie.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die konsep van breëband koherente superkontinuum (SK) in alles-normaal dispersiewe (ANDi) vesels in die naby-infrarooi, sigbare en ultraviolet (UV) spektrale gebiede word voorgestel en in detail ondersoek. In numeriese studies word eksplisiete ontwerpskriteria vasgestel vir ANDi fotoniese kristal vesel (FKV) ontwerpe wat dit moontlik maak om plat en gladde ultra-breë spektrale profiele te genereer sonder noemenswaardige fynstruktuur en met uitstekende stabiliteit en koherensie eienskappe. Die sleutel voordeel van SK genering in ANDi vesels is die behoud van ’n enkele ultrakort puls in tyd met ’n gladde en saamdrukbare fase distribusie. In die numeriese ondersoek van die SK generering is die dinamika van fase selfmodulering geïdentifiseer as die dominante nie-lineêre effek wat verantwoordelik is vir die nie-lineêre spektrale verbreding. Daar word voorts aangetoon dat die koherensie eienskappe, spektrale bandwydte en saamdrukbaarheid in tyd onafhanklik is van die inset pulsduur vir konstante drywing. Die numeriese voorspellings stem uitstekend ooreen met die eksperimentele resultate wat verkry is met twee ANDi FKVÕs wat optimeer is vir die naby-infrarooi en sigbare spektrale gebied. In hierdie eksperimente is die breedste SK spektrum gegenereer wat tot hede in die normaal dispersiewe regime met ’n optiese vesel behaal is. Die besondere eienskappe van die genereerde SK pulse is eksperimenteel bevestig en die toepasbaarheid vir tyd opgelosde studie van molekulêre dinamika is gedemonstreer. In ’n addisionele nie-lineêre puls kompressie eksperiment is SK pulse verkry in ’n kort stuk ANDi FKV wat in tyd saamgedruk kon word tot sub-twee siklus tydsduur deur liniêre tjirp kompensering. Numeriese simulasies toon aan dat selfs korter pulse met uitstekende kwaliteit behaalbaar is met volledige fase kompensasie. Die konsep is verder uitgebrei na die UV spektrale gebied deur ’n koniese vesel te beskou met sub-mikron diameter. Daar is aangetoon dat koherente SK spektra met noemenswaardige spektrale drywing in die golflengte gebied onder 300 nm, wat gewoonlik as moeilik toeganklik beskou word, bereik kan word deur hierdie vrystaande fotoniese nano-vesels aan te wend. Alhoewel tegnologiese probleme die vervaardiging van voldoende nano-vesels verhinder, kon die konsep eksperimenteel bewys word deur koherente sigbare oktaafspannende SK te genereer in koniese gesuspendeerde kern vesels met ’n ANDi profiel aan te wend. Die werk wat in die tesis vervat is, maak dus belangrike bydraes tot die beskikbaarheid en toepasbaarheid van vesel gebaseerde breëband koherente SK bronne met verskeie hoë impak toepassings in fundamentele wetenskap en moderne tegnologie.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2011.
Keywords
Coherent supercontinuum generation, All-normal dispersion fibers, Photonic crystal fiber, Dissertations -- Physics, Theses -- Physics, Optical fibers