Nonlinearity shaping in specialty tellurite glass optical fibers

Niniejsza rozprawa zawiera omówienie wyników badań nad mikro- i nanostrukturalnymi światłowodami wykonanymi ze szkieł tellurowych. Włókna te zostały zaprojektowane w celu badania nieliniowej propagacji impulsów femtosekundowych. Wszystkie opisane światłowody specjalne zostały zaprojektowane, opracowane i scharakteryzowane pod kątem kształtowania ich nieliniowości w celu uzyskania szerokiego odstrojenia solitonu w zakresie podczerwonych fal krótkofalowych (short-wave infrared - SWIR), generowania i analizy superkontinuum o niskim poziomie szumów oraz przekształcania ultrakrótkich impulsów laserowych w dziedzinie czasu. Możliwości kształtowania warunków propagacji impulsów laserowych we włóknach światłowodowych były badane na trzy sposoby; poprzez modyfikację dyspersji chromatycznej włókna, poprzez pomiary nieliniowej dynamiki propagacji światła we włóknie oraz przez wybór i optymalizację materiałów włókna. Rozprawa jest skoncentrowana na długofalowym zakresie bliskiej podczerwieni (SWIR) i dlatego wybrana platforma materiałowa do realizacji wszystkich projektów światłowodów w pracy to miękkie szkła tellurowe. Charakteryzują się one wysoką transmisją w tym zakresie długości fali i silną odpowiedzią nieliniową, która umożliwia osiągnięcie nieliniowej dynamiki za pomocą komercyjnych standardowych laserów femtosekundowych. Pierwszym wynikiem badań zaprezentowanym w tej rozprawie jest szerokopasmowe (68,5 THz) odstrojenie solitonu które zostało osiągnięte przy użyciu włókna z zawieszonym rdzeniem. Włókno ze szkła tellurowego zostało zaprojektowane z kryterium osiągnięcia możliwie płaskiej anomalnej dyspersji chromatycznej, aby uzyskać przestrojenie częstotliwości solitonu z wykorzystaniem zjawiska rozpraszania Ramana. Ułatwiło to osiągnięcie szerokiego zakresu odstrojenia solitonu od centralnej długości fali lasera pompującego z zastosowaniem relatywnie krótkich odcinków światłowodu. Rozwiązanie takie jest ważne, ponieważ ułatwia zarządzanie bilansem dyspersji chromatycznej w praktycznych układach laserowych. Wyodrębniony soliton wykazał przestrajalność bazującą na zmianie mocy wejściowej poprzez zakres widmowy od 1560 nm (długość fali pompy) do 2400 nm przy pompowaniu impulsami laserowymi 90 fs z lasera femtosekundowego. Takie solitonowe źródło światła oparte na przesunięciu częstotliwości środkowej impulsu może być wykorzystane np. jako źródło sygnału w systemach wzmacniaczy dla długości fal SWIR których nie można łatwo osiągnąć za pomocą komercyjnych laserów ultraszybkich. Drugim wynikiem tej rozprawy jest demonstracja generacji superkontinuum o niskim poziomie szumu kwantowego poprzez zaprojektowanie światłowodu zachowującego polaryzację w celu bezsolitonowej propagacji impulsów femtosekundowych. Włókno zostało zaprojektowane z całkowicie normalną dyspersją chromatyczną poprzez zoptymalizowanie fotonicznej sieci heksagonalnej. Został również opracowany wariant włókna utrzymujący polaryzację (polarisation maitaining - PM) poprzez strukturalne wprowadzenie dwójłomności. Oba włókna umożliwiły generację szerokiego widma superkontinuum, które następnie badano pod kątem szumu impuls-do-impulsu przy użyciu techniki dyspersyjnej transformacji Fouriera (DFT) w czasie rzeczywistym. Pomiary szumu w czasie rzeczywistym wykazały, że superkontinuum generowane we włóknie PM ma mniej szumu impuls-do-impulsu w porównaniu superkontinuum wygenerowanego w wariancie światłowodu bez intecnjonalnej dwójłomności. W ten sposób z powodzeniem zademonstrowano możliwość wykorzystania włókna PM do generowania koherentnego superkontinuum o szerokości oktawy z niskim poziomem szumów. Trzecim wynikiem badań zaprezentowanym w tej rozprawie, jest zaprojektowanie włókna z nieliniową dynamiką propagacji światła prowadzącą do quasi-okresowego czasowego przekształcania wejściowych impulsów femtosekundowych. Zjawisko to zostało zaobserwowane w światłowodzie w szerokim zakresie mocy średniej impulsów wejściowych. Zademonstrowane przekształcenie czasowe osiągnięto w wielomodowym światłowodzie z gradientową zmianą współczynnika załamania (Graded index - GRIN) opartym na szkłach tellurowych. Włókno to badano pod kątem dynamiki czasoprzestrzenno-spektralnej impulsów femtosekundowych lasera wejściowego. Zarejestrowane wyniki pokazały, że zaobserwowana dynamika nie jest spowodowana efektami samooczyszczania modów, jak wcześniej opisywano dla długich impulsów laserowych (nanosekundowych). Dynamika ta może być raczej przypisana naprzemiennemu wpływowi ujemnej dyspersji prędkości grupowej i samomodulacji fazy z dodatnią dyspersją prędkości grupowej. Sprawia to, że włókno GRIN, w funkcji mocy wejściowej, działa jak klasyczny kompresor siatkowy impulsu. Opracowane włókno tellurowe GRIN pozwoliło również na generację impulsów o widmie superkontinuum i szerokości pełnej oktawy w różnych warunkach pompowania laserowego. Wytworzony ten sposób światłowód tellurowy pozwala na szeroką swobodę manipulacji spektralnej, przestrzennej i czasowej ultrakrótkich impulsów laserowych, co pokazuje duży potencjał dla zastosowań laserowych o dużej mocy, wymagających szerokopasmowych źródeł światła, stabilnej przestrzennie wiązki lub światłowodowych kompresorów siatkowych.

This dissertation presents specialized cases of microstructured and nanostructured optical fibers made of tellurite glass for the advancement of nonlinear optical femtosecond pulse propagation field. Under the scope of this dissertation, specialty optical fibers were designed, developed, and characterized for shaping their nonlinearity to obtaining a wide soliton detuning in the short wave infrared wavelength range, low noise supercontinuum generation and analysis, and temporal pulse reshaping. The shaping of pulse propagation in optical fibers has been carried out in three ways; by dispersion engineering of fiber, by nonlinear propagation dynamics within the fiber, and by choosing and optimizing the material. Since this dissertation is focused mainly on short-wave (SWIR) wavelengths, tellurite soft-glass was chosen for fiber fabrication due to its high transmission in this wavelength range and high nonlinear response which enables attaining nonlinear dynamics with commercial standard femtosecond laser pumps. The first research outcome of this dissertation is that a wide soliton detuning of 68.5 THz was attained using a suspended core fiber structure. The fiber was dispersion engineered for a flat anomalous dispersion in tellurite soft-glass to obtain Raman scattering-assisted self-frequency which facilitated the broad range of detuning in soliton from the pump center wavelength over short fiber lengths. This reduces the dependence on dispersion management for an end-to-end fiberized ultrafast system. The prominent soliton showed an input power-based tunability through the spectral range of 1560 nm (pump wavelength) upto 2400 nm when pumped with a 90 fs laser pulses from a robust mode-locked fiber laser. Such a soliton self-frequency shift-based light source, has the potential of being used as a source itself and also as a seed in amplifier systems for SWIR wavelengths that cannot be easily attained by commercial lasers. The second research outcome of this dissertation demonstrates a low noise supercontinuum generation by designing an optical fiber for non-solitonic femtosecond pulse propagation with polarization maintaining properties. The fiber was shaped for all-normal chromatic dispersion with optimized hexagonal lattice parameters. A polarization maintaining (PM) variant of the fiber was also developed by structurally introducing birefringence in the fiber. Both the fibers successfully showed broad supercontinuum generation, which were then studied for their noise properties using real-time shot-to-shot dispersive Fourier transformation technique. The real-time noise measurements showed that the supercontinuum generated in PM fiber has less shot-to-shot noise as compared to the non-PM variant fiber. Thus the feasibility of PM fiber for low-noise octave-spanning coherent supercontinuum generation was successfully demonstrated. As for the third research outcome of this dissertation, new dynamics leading to quasi-periodic temporal reshaping of a femtosecond pumped pulse were observed for a range of average power of the incident input pulses. The demonstrated temporal reshaping was attained in a tellurite glass-based graded-index multimode fiber, which was explored for spatiotemporal-spectral dynamics of pump femtosecond pulses. This study shows that the new observed dynamics, do not occur due to mode self-cleaning effects as earlier reported for long pump pulses. These dynamics are rather attributed to the alternating influence of negative group velocity dispersion and self-phase modulation with positive group velocity dispersion which makes the GRIN fiber act like a classic grating pair compressor as a function of input power. The tellurite graded-index fiber developed also showed an octave-spanning supercontinuum under different pumping conditions. Thus the fabricated tellurite GRIN fiber shows a high degree of manipulation capabilities in terms of spectral, spatial as well as temporal propagation, making it a great potential for high power applications which require broadband light sources or spatially stable beam or all-fiber pulse compressors, under appropriate pumping conditions.