Applied and Nonlinear Optics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants
Antal, Péter Gyula Cserteg, András Fekete, Júlia Péter, Ágnes Várallyay, Zoltán Krisztián
Starting date
2009-01-01
Closing date
2013-12-31
Funding (in million HUF)
12.067
FTE (full time equivalent)
11.35
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás célja olyan speciális, fotonikus kristály szerkezetű optikai szálak modellezése, tervezése, minősítése és alkalmazása elsősorban a femtoszekundumos lézerfizika és optika területén, melyekben a fény terjedése nem a jól ismert teljes visszaverődésen, hanem az optikai vékonyréteg fizikából jól ismert többsugaras fényinterferencia jelenségén alapul. Ez lehetővé teszi olyan szerkezetek megvalósítását, amelyekben a fény nem üvegben, hanem levegőben terjed, így a femtoszekundumos lézerimpulzusok a nagy csúcsintenzitások ellenére ellenére viszonylag kis nemlinearitás hatást eredményeznek. Ezeket az optikai szálakat üreges fotonikus kristály vagy Bragg szálaknak nevezik. A jelenleg ismert, kereskedelmi forgalomban pár éve már kapható üreges szálak optikai tulajdonságai, így a spektrális átviteli és diszperziós tulajdonságai viszont közel sem ideálisak: a fotonikus kristály szálak elvileg alkalmasak lennének több száz nanométeres tartományon (pl. 800 és 2200 nm között) veszteségmentesen átvinni a fényt, viszont a gyakorlatban ez 100-150 nm-es tartományra korlátozódik az un. felületi illetve leaking-módusok problémája miatt. Másik fontos korlát a jelenleg ismert üreges szálak esetében, hogy a vezetése tartományon belül a tipikusan anolmális diszpezió mellett meglevő harmadrendű diszperzió (dispersion slope) értéke erősen eltér nullától és ennek előjele és nagysága a jelenleg ismert szerkezetekkel nem befolyásolható. Pályázatunk célja, hogy megfelelő egydimenziós modell (mátrix módszer) illetve kétdimenziós modellek (pl. végeselem módszer) alkalmazásával olyan szerkezeteket találjunk, amelyek mentesek a fenti problámáktól.
További célunk, hogy olyan impulzus üzemű, Yb alapú szállézereket építsünk, amelyeknek 1 mikron körüli diszperziókompenzálását anomális diszperzióval rendelkező, üreges fotonikus kristály szálak alkalmazásával oldjuk meg. Az így megépített száloszcillátor kimenő átlagteljesítménye - a jelentősen lecsökkentett nemlineáris hatások következtében - közel két nagyságrenddel nagyobb lehet, mint pl. a korábban alkalmazott megoldások esetében. Megfelelő 1 mikronon működő szálerősítő és kompresszor egység elkészülte után olyan ultraszélessávú optikai parametrikus oszcillátor (OPO) kifejlesztését és megépítését tervezzük, mely lehetővé teszi 20 fs-nál rövidebb impulzusokat előállító, PPLN kristályon alapuló OPO megépítését 1.55 mikron körüli középhullámhosszal a fenti ismertetett szállézer alkalmazásával.
Summary
The aim our research is modeling, design, test and application of such special photonic crystal fibers in the field of femtosecond pulse laser physics, in which light propagation, in contrast to the well known total internal reflection phenomenon, is based on the multiple interference phenomenon of light. It makes possible to design such two-dimensional waveguide structures, in which the light propagates in air resulting in very low nonlinear effects even for high peak intensity femtosecond pulses. This kind of fibers are often referred to as hollow core photonic bandgap or Bragg fibers. Unfortunately, present hollow core fibers offer limited performance regarding spectral transmission and dispersion: in principle, they would allow deliver light over hundreds of nanometers (e.g. from 800 nm to 2200 nm), but their transmission band is typically limited to 100-150 nm-s because of the so called leaking and/or surface modes. Another serious limitation is that beside the typical anomalous second order dispersion (D) they exhibit a non zero dispersion slope (S), the sign and the amount of which could be hardly affected by present design methods. On the basis of theoretical investigation using 1D (transfer matrix method) and 2D (e.g., finite element method) models, the aim of our research is to find such structures which are free from the problems listed above.
We plan constructing pulsed Yb fiber lasers in which the dispersion is controlled by hollow core photonic crystal fibers providing anomalous dispersion at around 1 micron. The average power of such a fiber laser could be nearly two orders of magnitude higher than in case of previous solutions due to the considerably reduced nonlinear effects. Having built a fiber amplifier with proper compressor for pumping, we plan developing az ultra-short pulse, PPLN based optical parametric oscillator delivering sub-20 fs pulses at around 1.55 micron.
Final report
Results in Hungarian
Elsőként elméletileg megmutattuk az optikai szálakban a tárolt energia, a transzmissziós csoportkésleltetés és a móduseloszlás közötti kapcsolatot, mely megfelelő elméleti alapot teremtett adott diszperziós függvénnyel rendelkező légmagos vagy üvegmagos fotonikus kristály szálak illetve Bragg-szálak
megtervezéséhez, amelyek előnyösen használhatók mind az ultrarövid impulzusú lézertechnikában (alakhű átvitel, impulzus kompresszió, nemlineáris frekvenciakonverzió optikai szálakban), mind az optikai telekommunikációs rendszerekben. További fontos eredményünk volt az első teljesen szálintegrált,
nemlineáris polarizációforgatáson alapuló femtoszekundumos Yb-oszcillátor kifejlesztése, elméleti és kisérleti vizsgálata. Az ehhez megépített Yb-erősítő rendszert CARS mikroszkópiás mérésekben alkalmaztuk, melynek magimpulzusaként elsőként alkalmaztunk kismagátmérőjű szálban Ti-zafír lézer impulzusaiból előállított 1030 nm környékén előállított lézerimpulzusokat.
Results in English
For the first time we have shown the relationship among the stored energy, transmission group delay and mode-field distribution in optical fibers. Using this theoretical results, we have constructed solid- and hollow-core photonic bandgap and photonic crystal fibers for applications in ultrafast laser technology (distortion free transmission, compression or frequency conversion of ultrashort optical pulses in fibers) or in optical telecommunication systems. Additionally, we have developed and investigated the first all-fiber, femtosecond pulse Yb-oscillators the operation of which is based on nonlinear polarization rotation in optical fibers. The Yb-fiber amplifier we built was applied for CARS microscopy measurements. The seed pulses of the amplifier (at around 1030 nm) were generated by frequency conversion of tunable femtosecond pulses of a Ti-sapphire laser in a small core PCF for the first time.
Robert Szipocs, Peter Gyula Antal, Daniel Csati: An Inherently Synchronized Yb Fiber Laser Extension Unit for Broadly Tunable, Femtosecond Pulse Ti-sapphire Lasers for CARS Microscopy, Technical Digest of Lasers, Sources, and Related Photonic Devices (OSA OPTICS & PHOTONICS CONGRESS, 2012, ISBN 978-1-55752-933-6) Paper JTh2A.29, 2012
Daniel Csati, Robert Szipocs: Noise Characterization of a Mode-Locked, All-Fiber, All-Normal Dispersion Ytterbium Ring Oscillator Using Two-Channel Polarization Control by a Computer, Technical Digest of Lasers, Sources, and Related Photonic Devices (OSA OPTICS & PHOTONICS CONGRESS, 2012, ISBN 978-1-55752-933-6) Paper FTh3.1A.1., 2012
Antal P, Szipőcs R: Relationships among group delay, energy storage, and loss in dispersive dielectric mirrors, CHINESE OPTICS LETTERS 10(5), 053101 (2012), 2012
Kolonics A, Csáti D, Antal P, Szipőcs R: A simple, cost efficient fiber amplifier wavelength extension unit for broadly tunable, femtosecond pulse Ti-sapphire lasers for CARS microscopy, Technical Digest of Biomedical Optics and 3D Imaging (OSA, 2012) paper BSu3A.28., 2012
Várallyay Z, Antal P, Szipőcs R: Relation between Transmission Group Delay and Stored Energy in Optical Fibers, Technical Digest of Ultrafast Optics 2013 Conference, Paper MoP.19, 2013
Grósz T, Szipőcs R, Kovács A: Measurement of Polarization-dependent Chromatic Dispersion in a Birefringent Hollow-core Photonic Crystal Fiber Using Spectral Interferometry, Workshop on Specialty Optical Fibers and their Applications (OSA), 28-30 August 2013 Stockholm / Sigtuna, Sweden, paper F2.10, 2013
Grósz T, Kovács A, Kiss M, Szipőcs R: Measurement of higher order chromatic dispersion in a photonic bandgap fiber: comparative study of spectral interferometric methods, Appl. Optics, 53, 1929–1937, 2014
Várallyay Z, Szipőcs R: Stored Energy, Transmission Group Delay and Mode Field Distortion in Optical Fibers, IEEE J. Sel Top Quant Electron, in Special Issue on "Fiber Lasers", accepted for publication, 2014
