Superkontinuum

Rysunek 1. Typowe widmo supercontinuum. Niebieska linia pokazuje widmo źródła pompy wprowadzonego do światłowodu z kryształu fotonicznego, podczas gdy czerwona linia pokazuje wynikowe widmo supercontinuum wygenerowane po propagacji przez światłowód.

Obraz typowego superkontinuum. To superkontinuum zostało wygenerowane przez skupienie impulsów 800 nm, poniżej 100 fs w krysztale granatu itrowo-aluminiowego (YAG), generując ultraszerokopasmowe światło, które obejmuje zarówno widzialne, jak i NIR.

W optyce superkontinuum powstaje, gdy zbiór procesów nieliniowych oddziałuje razem na wiązkę pompującą w celu spowodowania znacznego poszerzenia widma pierwotnej wiązki pompującej, na przykład przy użyciu światłowodu o mikrostrukturze . Rezultatem jest gładkie kontinuum widmowe (typowy przykład przedstawiono na rysunku 1). Nie ma zgody co do tego, jak bardzo poszerzenie stanowi superkontinuum; jednak naukowcy opublikowali prace, w których twierdzą, że zaledwie 60 nm poszerzenia jest superkontinuum. Nie ma również zgody co do płaskości widmowej wymaganej do zdefiniowania szerokości pasma źródła, przy czym autorzy stosują zakres od 5 dB do 40 dB lub więcej. Ponadto sam termin superkontinuum zyskał powszechną akceptację dopiero w tym stuleciu, a wielu autorów używało alternatywnych zwrotów do opisania swoich kontinuów w latach 70., 80. i 90. XX wieku.

Typowy kolorowy wzór z femtosekundowej wiązki mocno skupionej w powietrzu; zauważ, że wiązka przechodzi z prawej strony, będąc niewidoczną, dopóki nie wytworzy się iskra z powodu silnego pola elektrycznego w jej ognisku

Propagacja ultrakrótkich impulsów laserowych w mikrostrukturalnym światłowodzie . Wejściowe światło lasera (dolna część obrazu, niewidoczne przed wejściem do światłowodu) jest bliskie podczerwieni i generuje długości fal pokrywające większość widma widzialnego .

Generowanie superkontinuum ze światłowodu z kryształu fotonicznego (widoczne jako świecąca nić po lewej) dla stopniowego zwiększania intensywności lasera pompującego. Po prawej stronie pokazano widmo superkontinuum po przejściu wiązki wyjściowej przez pryzmat. Im wyższa intensywność pompy, tym szersze superkontinuum. Laser pompujący to laser femtosekundowy o długości fali 800 nm.

W ciągu ostatniej dekady rozwój źródeł supercontinua stał się dziedziną badań. Wynika to w dużej mierze z nowych osiągnięć technologicznych, które umożliwiły bardziej kontrolowane i dostępne generowanie supercontinua. Te odnowione badania stworzyły wiele nowych źródeł światła, które znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach, w tym w optycznej tomografii koherencyjnej , metrologia częstotliwości, obrazowanie czasu życia fluorescencji, komunikacja optyczna, wykrywanie gazu i wiele innych. Zastosowanie tych źródeł stworzyło pętlę sprzężenia zwrotnego, w której naukowcy wykorzystujący supercontinua domagają się lepszych, możliwych do dostosowania continuów, aby pasowały do ich konkretnych zastosowań. To skłoniło badaczy do opracowania nowych metod tworzenia tych kontinuów oraz do opracowania teorii pozwalających zrozumieć ich powstawanie i pomóc w przyszłym rozwoju. W rezultacie od 2000 r. poczyniono szybki postęp w rozwoju tych źródeł. Podczas gdy generowanie superkontinuum było przez długi czas domeną światłowodów, w ostatnich latach zintegrowane falowody osiągnęły dojrzałość, umożliwiając wytwarzanie niezwykle szerokiego widma, otwierając drzwi do bardziej ekonomicznych , kompaktowe, solidne, skalowalne i produkowane masowo źródła supercontinuum.

Przegląd Historyczny

Lata 60. i 70. XX wieku

W 1964 roku Jones i Stoicheff opisali użycie continua generowanego przez maser do badania indukowanej absorpcji ramanowskiej w cieczach przy częstotliwościach optycznych. Stoicheff zauważył we wczesnej publikacji, że „kiedy emisja masera była w jednej ostrej linii widmowej, wszystkie linie emisyjne Ramana były ostre; ilekroć emisja masera zawierała dodatkowe składniki, wszystkie linie emisyjne Ramana, z wyjątkiem pierwszej linii Stokesa , były znacznie poszerzone, czasem do kilkuset cm ^-1 wykonanie pierwszych pomiarów spektroskopii absorpcyjnej Ramana.

W 1970 roku Alfano i Shapiro opisali pierwsze pomiary poszerzenia częstotliwości w kryształach i szkłach przy użyciu lasera z synchronizacją modów Nd: Glass o podwojonej częstotliwości . Impulsy wyjściowe miały około 4 ps i energię impulsu 5 mJ. Powstałe włókna wytworzyły pierwsze widma światła białego w zakresie od 400-700 nm, a autorzy wyjaśnili ich powstawanie poprzez samomodulację fazy i mieszanie czterofalowe . Same włókna nie miały rzeczywistego zastosowania jako źródło; niemniej jednak autorzy zasugerowali, że kryształy mogą okazać się przydatne jako ultraszybkie bramki świetlne. Alfano jest odkrywcą i wynalazcą superkontinuum w 1970 roku, publikując trzy przełomowe artykuły w tym samym numerze Phy Rev Letters (24, 592,584,1217(1970)) na temat ostatecznego źródła światła białego, zwanego obecnie superkontinuum.

Badanie oparów atomowych, oparów organicznych i cieczy za pomocą spektroskopii absorpcyjnej Ramana w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku doprowadziło do rozwoju źródeł ciągłych. We wczesnych latach siedemdziesiątych XX wieku kontinua utworzone przez lampy błyskowe o czasie trwania nanosekund i wyzwalane laserowo iskry przebicia w gazach, wraz z wzbudzonymi laserowo fluorescencją ciągłymi ze scyntylatora barwniki, były używane do badania stanów wzbudzonych. Wszystkie te źródła miały problemy; potrzebne było źródło, które wytwarzałoby szerokie continua przy wysokich poziomach mocy z rozsądną wydajnością. W 1976 roku Lin i Stolen opisali nowe nanosekundowe źródło, które wytwarzało continua o szerokości pasma 110-180 nm ze środkiem 530 nm przy mocy wyjściowej około kW. System wykorzystywał laser barwnikowy o mocy 10-20 kW wytwarzający impulsy 10 ns o szerokości pasma 15-20 nm do pompowania włókna krzemionkowego o długości 19,5 m i średnicy rdzenia 7 μm. Mogli jedynie zarządzać wydajnością sprzęgania w zakresie 5-10%.

Do 1978 roku Lin i Nguyen zgłosili kilka kontinuów, w szczególności jeden rozciągający się od 0,7-1,6 μm przy użyciu długości 315 m. GeO ${\ displaystyle \ textstyle _ {2}}$ domieszkowane włókno krzemionkowe z rdzeniem 33 μm. Konfiguracja optyczna była podobna do poprzedniej pracy Lin ze Stolen, z tym wyjątkiem, że w tym przypadku źródłem pompy był laser Nd: YAG o mocy 150 kW, 20 ns, z przełączaniem Q. Rzeczywiście, mieli do dyspozycji tak dużą moc, że dwie trzecie zostało osłabione, aby zapobiec uszkodzeniu światłowodu. 50 kW podłączone do światłowodu pojawiło się jako kontinuum 12 kW. Linie Stokesa były wyraźnie widoczne do 1,3 μm, w którym to momencie kontinuum zaczęło się wygładzać, z wyjątkiem dużej utraty spowodowanej absorpcją wody przy 1,38 μm. Gdy zwiększyli moc startową powyżej 50 kW, zauważyli, że kontinuum rozciąga się w dół do zielonej części widma widzialnego. Jednak wyższe poziomy mocy szybko uszkodziły ich włókno. W tym samym artykule pompowali również włókno jednomodowe o średnicy rdzenia 6 μm i "kilku 100 m długości". Wygenerował podobne kontinuum rozciągające się od 0,9 μm do 1,7 μm przy zmniejszonych mocach startowych i wyjściowych. Nie zdając sobie z tego sprawy, one również wygenerowały solitony optyczne po raz pierwszy.

lata 80

W 1980 roku Fujii i in. powtórzył konfigurację Lin z 1978 r. z Nd: YAG z blokadą modów. Zgłoszono, że szczytowa moc impulsów była większa niż 100 kW i osiągnęły one lepszą niż 70% wydajność sprzęgania w jednomodowym włóknie domieszkowanym Ge o rdzeniu 10 μm. Co niezwykłe, nie podawali czasu trwania pulsu. Ich widmo obejmowało całe okno widmowe w krzemionce od 300 nm do 2100 nm. Autorzy zajęli się widoczną stroną widma i zidentyfikowali główny mechanizm generacji jako czterofalowe mieszanie pompy i generowanego przez Ramana Stokesa. Jednak istniały pewne tryby wyższego rzędu, które przypisywano generowaniu sumy częstotliwości między pompą a liniami Stokesa. Warunek dopasowania fazy został spełniony przez sprzężenie światła poddanego konwersji w górę i quasi-continuum modów płaszcza.

Dalszy postęp został zgłoszony przez Washio i in. w 1980 r., kiedy pompowali 150 m światłowodu jednomodowego za pomocą lasera Nd: YAG z przełączaniem Q 1,34 μm. Było to dokładnie w ramach anomalnego reżimu dyspersji dla ich włókna. Rezultatem było continua, które rozciągało się od 1,15 do 1,6 μm i nie wykazywało żadnych dyskretnych linii Stokesa.

Do tego momentu nikt tak naprawdę nie przedstawił odpowiedniego wyjaśnienia, dlaczego kontinuum wygładziło się między liniami Stokesa przy dłuższych długościach fal we włóknach. W większości przypadków tłumaczy się to mechanizmami solitonowymi; jednak solitony nie były zgłaszane we włóknach aż do 1985 roku. Zdano sobie sprawę, że samomodulacja fazy nie może wyjaśnić obserwowanych szerokich kontinuów, ale w większości przypadków niewiele więcej oferowano jako wyjaśnienie.

W 1982 Smirnow i in. podali wyniki podobne do uzyskanych przez Lin w 1978 r. Używając wielomodowych włókien fosfokrzemianowych pompowanych przy 0,53 i 1,06 μm, zobaczyli normalne składowe Stokesa i widmo rozciągające się od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni. Obliczyli, że poszerzenie widma spowodowane samomodulacją fazy powinno wynosić 910 cm ^-1 , ale ich kontinuum było większe niż 3000 cm ^-1 . Doszli do wniosku, że „kontinuum optycznego nie można wyjaśnić samą modulacją własnej fazy”. Kontynuowali, wskazując na trudności z dopasowaniem faz na długich odcinkach światłowodu w celu utrzymania mieszania czterech fal i zgłosili niezwykły mechanizm uszkodzenia (z perspektywy czasu można by to prawdopodobnie uznać za bardzo krótki bezpiecznik światłowodowy). Zauważyli znacznie wcześniejszą sugestię Loya i Shena, że gdyby impulsy nanosekundowe składały się z subnanosekundowych skoków w nanosekundowej otoczce, wyjaśniałoby to szerokie kontinuum.

Ta idea bardzo krótkich impulsów skutkująca szerokim kontinuum była badana rok później, kiedy Fork i in. zgłoszono przy użyciu impulsów 80 fs z kolidującego lasera z synchronizacją modów. Długość fali lasera wynosiła 627 nm i użyli go do pompowania strumienia glikolu etylenowego. Skolimowali powstałe kontinuum i zmierzyli czas trwania impulsu przy różnych długościach fal, zauważając, że czerwona część kontinuum znajdowała się z przodu impulsu, a niebieska z tyłu. Zgłosili bardzo małe ćwierkanie w poprzek kontinuum. Te i inne obserwacje doprowadziły ich do stwierdzenia, że modulacja własnej fazy była z pewnym marginesem dominującym efektem. Zauważyli jednak również, że ich obliczenia wykazały, że kontinuum pozostało znacznie większe niż pozwalałaby na to samomodulacja fazy, co sugeruje, że muszą również występować czterofalowe procesy mieszania. Stwierdzili, że znacznie łatwiej było stworzyć niezawodne, powtarzalne kontinuum przy użyciu źródła femtosekundowego. W następnych latach źródło to było dalej rozwijane i wykorzystywane do badania innych cieczy.

W tym samym roku Nakazawa i Tokuda poinformowali o wykorzystaniu dwóch przejść w Nd: YAG przy 1,32 i 1,34 μm do jednoczesnego pompowania światłowodu wielomodowego na tych długościach fal. Widmo kontinuum przypisali kombinacji wymuszonego mieszania czterech fal i superpozycji sekwencyjnego stymulowanego rozpraszania ramanowskiego . Główną zaletą tego było to, że byli w stanie wygenerować ciągłość przy stosunkowo niskich mocach pomp rzędu kilku kW w porównaniu z wcześniejszymi pracami.

Od początku do końca lat 80-tych Alfano, Ho, Corkum, Manassah i inni przeprowadzili szeroką gamę eksperymentów, choć bardzo niewiele z nich dotyczyło włókien. Większość prac koncentrowała się na wykorzystaniu szybszych źródeł (10 ps i mniej) do pompowania różnych kryształów, cieczy, gazów i półprzewodników w celu wygenerowania continuów głównie w obszarze widzialnym. Do wyjaśnienia procesów zwykle stosowano modulację fazy własnej, chociaż od połowy lat 80. oferowano inne wyjaśnienia, w tym modulację międzyfazową generowania drugiej harmonicznej i modulację fazy indukowanej. Rzeczywiście, podjęto wysiłki, aby wyjaśnić, dlaczego modulacja własnej fazy może równie dobrze skutkować znacznie szerszymi continuami, głównie poprzez modyfikacje teorii poprzez uwzględnienie między innymi takich czynników, jak wolno zmieniająca się obwiednia amplitudy .

W 1987 Gomes i in. opisali kaskadowe stymulowane rozpraszanie ramanowskie w jednomodowym światłowodzie na bazie fosfokrzemianów . Pompowali włókno za pomocą Q-switched i mod-locked Nd:YAG, które wytwarzało impulsy 130 ps z mocą szczytową 700 kW. Wprowadzili do światłowodu moc do 56 kW, dzięki czemu osiągnęli znacznie szersze i bardziej płaskie kontinuum niż w przypadku włókna krzemionkowego. Rok później Gouveia-Neto i in. z tej samej grupy opublikowali artykuł opisujący powstawanie i propagację fal solitonowych w wyniku niestabilności modulacji. Użyli lasera Nd:YAG 1,32 μm, który wytwarzał impulsy o mocy 100 ps i mocy szczytowej 200 W, aby przepompować 500 m światłowodu jednomodowego o średnicy rdzenia 7 μm. Długość fali zerowej dyspersji światłowodu wynosiła 1,30 μm, co umieszcza pompę tuż wewnątrz anomalnego reżimu dyspersji. Zauważyli pojawiające się impulsy o czasie trwania krótszym niż 500 fs (solitonów), a wraz ze wzrostem mocy pompy powstało kontinuum rozciągające się od 1,3 do 1,5 μm.

lata 90

Grossa i in. w 1992 roku opublikował artykuł modelujący powstawanie supercontinua (w regionie dyspersji prędkości grupy anomalnej) podczas generowania przez femtosekundowe impulsy w światłowodzie. Był to z pewnością najbardziej kompletny model do tej pory, z podstawowymi solitonami i przesunięciem własnej częstotliwości solitonu pojawiającymi się jako rozwiązania równań.

Możliwość zastosowania supercontinua do wykorzystania w systemach multipleksowanych z podziałem długości fali (WDM) do komunikacji optycznej była intensywnie badana w latach 90. W 1993 Morioka i in. opisali schemat multipleksowania kanałów o 100 długościach fali, który jednocześnie wytwarzał sto impulsów 10 ps w obszarze widmowym 1,224-1,394 μm z odstępem widmowym 1,9 nm. Stworzyli superkontinuum za pomocą pompy Nd: YLF wyśrodkowanej na 1,314 μm, która została zablokowana w trybie, aby wytworzyć impulsy 7,6 ps. Następnie przefiltrowali powstałe kontinuum za pomocą światłowodu dwójłomnego, aby wygenerować kanały.

Morioka i Mori kontynuowali rozwój technologii telekomunikacyjnych wykorzystujących generację supercontinuum od lat 90. do dnia dzisiejszego. Ich badania obejmowały: użycie supercontinua do pomiaru dyspersji prędkości grupowej w światłowodach; demonstracja systemu WDM opartego na przepustowości 1 Tbit/s; a ostatnio 1000-kanałowy system zwielokrotnienia z gęstym podziałem długości fali (DWDM) zdolny do przepustowości 2,8 Tbit / s przy użyciu superkontinuum o ułamkowej szerokości większej niż 60 nm.

Pierwszą demonstrację superkontinuum opartego na włóknach pompowanego przez laser światłowodowy opisali Chernikov i in. w 1997 r. Wykorzystali rozproszone rozpraszanie wsteczne , aby uzyskać pasywne przełączanie Q w jednomodowych światłowodach domieszkowanych iterbem i erbem . Pasywne przełączanie Q wytwarzało impulsy o mocy szczytowej 10 kW i czasie trwania 2 ns. Powstałe kontinuum rozciągało się od 1 μm do krawędzi okienka krzemionkowego przy 2, 3 μm. Pierwsze trzy linie Stokesa były widoczne, a kontinuum rozciągnęło się do około 0,7 μm, ale przy znacznie zmniejszonych poziomach mocy.

Postęp od 2000 roku

Postępy poczynione w latach 80. oznaczały, że stało się jasne, że aby uzyskać najszersze continua we włóknie, najskuteczniejsze jest pompowanie w trybie anomalnej dyspersji. Jednak trudno było to wykorzystać w przypadku laserów o dużej mocy 1 μm, ponieważ niezwykle trudno było osiągnąć długość fali o zerowej dyspersji znacznie mniejszej niż 1,3 μm w konwencjonalnym włóknie krzemionkowym. Rozwiązanie pojawiło się wraz z wynalezieniem światłowodów fotonicznych (PCF) w 1996 roku przez Knighta i in. Właściwości PCF są szczegółowo omówione w innym miejscu, ale mają dwie właściwości, które czynią PCF doskonałym medium do generowania superkontinuum, a mianowicie: wysoka nieliniowość i konfigurowalna długość fali zerowej dyspersji. Jednym z pierwszych był Ranka i in. w 2000 roku, który użył 75 cm PCF z zerową dyspersją przy 767 nm i średnicy rdzenia 1,7 μm. Pompowali włókno impulsami 100 fs, 800 pJ przy 790 nm, aby wytworzyć płaskie kontinuum w zakresie od 400 do 1450 nm.

Po tej pracy następowali inni, pompując krótkie odcinki PCF z zerową dyspersją wokół 800 nm za pomocą femtosekundowych laserów Ti: szafir o dużej mocy. Lehtonena i in. badali wpływ polaryzacji na tworzenie kontinuów w dwójłomnym PCF, a także zmianę długości fali pompy (728-810 nm) i czasu trwania impulsu (70-300 fs). Odkryli, że najlepsze kontinua powstały tuż wewnątrz obszaru anomalii z impulsami 300 fs. Krótsze impulsy spowodowały wyraźne rozdzielenie solitonów, które były widoczne na wyjściu spektralnym. Herrmanna i in. dostarczył przekonującego wyjaśnienia rozwoju supercontinua femtosekundowego, w szczególności redukcji solitonów z wyższych rzędów do podstawowego i wytwarzania fal dyspersyjnych podczas tego procesu. Od tego czasu opracowano i zademonstrowano w pełni zintegrowane światłowodowo źródła femtosekundowe.

Inne obszary rozwoju od 2000 roku obejmowały: źródła supercontinua, które działają w trybach pikosekundowym, nanosekundowym i CW; rozwój włókien w celu włączenia nowych materiałów, technik produkcji i zwężeń; nowatorskie metody generowania szerszych kontinuów; nowe równania propagacji do opisu superkontinuum w nanoprzewodach fotonicznych oraz opracowanie modeli numerycznych w celu wyjaśnienia i pomocy w zrozumieniu generacji superkontinuum. Niestety, dogłębne omówienie tych osiągnięć wykracza poza ten artykuł, ale czytelnika odsyła się do doskonałego artykułu przeglądowego autorstwa Dudleya i in.

Generowanie supercontinuum w zintegrowanych platformach fotonicznych

Podczas gdy światłowody były siłą napędową generowania supercontinuum od samego początku, zintegrowane źródła supercontinuum oparte na falowodach stały się aktywnym obszarem badań w XXI wieku. Te platformy w skali chipowej obiecują zminiaturyzowanie źródeł supercontinuum w urządzenia, które są kompaktowe, solidne, skalowalne, produkowane masowo i bardziej ekonomiczne. Takie platformy umożliwiają również dyspersji poprzez zmianę geometrii przekroju poprzecznego falowodu. Materiały na bazie krzemu , takie jak krzemionka , azotek krzemu , krystaliczny i amorficzny krzem wykazały generowanie supercontinuum obejmujące widzialne, bliskiej podczerwieni i średniej podczerwieni obszary widma elektromagnetycznego. Od 2015 r. Najszersze superkontinuum generowane na chipie rozciąga się od 470 nm w zakresie widzialnym do 2130 nm w zakresie długości fal w podczerwieni.

Opis dynamiki powstawania continuum w światłowodzie

W tej sekcji krótko omówimy dynamikę dwóch głównych reżimów, w których supercontinua są generowane we włóknie. Jak wspomniano wcześniej, superkontinuum powstaje w wyniku interakcji wielu nieliniowych procesów, powodując rozległe poszerzenie widma. Wiele z tych procesów, takich jak: samoczynna modulacja fazy, mieszanie czterofalowe i dynamika oparta na solitonie, było dobrze rozumianych indywidualnie od jakiegoś czasu. Przełomy ostatnich lat obejmowały zrozumienie i modelowanie, w jaki sposób wszystkie te procesy współdziałają ze sobą w celu wygenerowania supercontinua oraz w jaki sposób parametry mogą być modyfikowane w celu wzmocnienia i kontrolowania formowania kontinuum. Dwa główne reżimy to reżim rozszczepienia solitonu i reżim niestabilności modulacji. Procesy fizyczne można uznać za dość podobne, a opisy naprawdę pozwalają nam rozróżnić procesy, które napędzają tworzenie kontinuum dla różnych warunków pompowania. Trzeci reżim, pompowanie w normie obszar dyspersji jest również objęty. Jest to całkowicie realny sposób na wygenerowanie superkontinuum. Jednak nie jest możliwe wygenerowanie takich samych przepustowości tą metodą.

Reżim rozszczepienia solitona

W reżimie rozszczepienia solitonu krótki, femtosekundowy impuls o dużej mocy jest wprowadzany do PCF lub innego wysoce nieliniowego włókna. Impuls femtosekundowy można uznać za soliton wysokiego rzędu, w związku z czym szybko się rozszerza, a następnie rozszczepia na podstawowe solitony. Podczas procesu rozszczepienia nadmiar energii jest wydzielany jako fale dyspersyjne po stronie krótkiej długości fali. Ogólnie rzecz biorąc, te fale dyspersyjne nie będą ulegać dalszemu przesuwaniu, a zatem wydłużenie przed pompą zależy od tego, jak szeroko soliton rozszerza się podczas oddychania. Podstawowe solitony przechodzą następnie wewnątrzimpulsowe rozpraszanie ramanowskie i przesuwają się na dłuższe długości fal (znane również jako przesunięcie częstotliwości własnej solitonu), generując stronę kontinuum o długich falach. Kontinuum ramanowskie solitonu może oddziaływać z promieniowaniem dyspersyjnym poprzez mieszanie czterofalowe i modulację międzyfazową. W pewnych okolicznościach możliwe jest sprzężenie tych fal dyspersyjnych z solitonami poprzez efekt pułapkowania solitonów. Efekt ten oznacza, że gdy częstotliwość własna solitonu przesuwa się na dłuższe długości fal, sprzężona fala dyspersyjna jest przesuwana na krótsze długości fal, zgodnie z warunkami dopasowania prędkości grupowej. Ogólnie rzecz biorąc, ten mechanizm pułapkowania solitonów pozwala kontinuum rozciągać się na krótsze długości fal, niż jest to możliwe za pomocą jakiegokolwiek innego mechanizmu.

Pierwsze superkontinuum wygenerowane w PCF działało w tym reżimie, a wiele kolejnych eksperymentów również wykorzystywało układy femtosekundowe o ultrakrótkich impulsach jako źródło pompy. Jedną z głównych zalet tego reżimu jest to, że kontinuum często wykazuje wysoki stopień spójności czasowej, ponadto możliwe jest generowanie szerokich supercontinuów na bardzo krótkich odcinkach PCF. Wady obejmują niemożność skalowania do bardzo wysokich średnich mocy w kontinuum, chociaż czynnikiem ograniczającym są tutaj dostępne źródła pomp; i zazwyczaj widmo nie jest gładkie ze względu na zlokalizowany charakter składowych widmowych, które je generują.

To, czy ten reżim jest dominujący, można ustalić na podstawie parametrów impulsu i włókna. Możemy zdefiniować długość rozszczepienia solitonu, aby oszacować długość, przy której osiągana jest najwyższa kompresja solitonu, tak że: ${\ displaystyle L _ {\ operatorname {fiss}}}$

{\ Displaystyle L _ {\ operatorname {fiss}} = {\ Frac {L_ {D}} {N}} = {\ sqrt {\ Frac {\ tau _ {0} ^ {2}} {|\ beta _{2}|\gamma P_{0}}}}}

gdzie $jest$ charakterystyczną długością dyspersji $,$ solitonów $,$ pod warunkiem, że jest niż długość włókna i inne charakterystyczne skale długości, takie jak ${\ Displaystyle L _ {\ operatorname {MI}}}$ , rozszczepienie będzie dominować.

Reżim niestabilności modulacji

Niestabilność modulacji (MI) prowadzi do rozpadu fali ciągłej (CW) lub quasi-ciągłych pól falowych, które stają się ciągiem solitonów podstawowych. Należy podkreślić, że solitony generowane w tym reżimie są fundamentalne, ponieważ kilka artykułów na temat formowania superkontinuum CW i quasi-CW akredytowało generowanie krótkich fal do rozszczepienia solitonu i generowania fal dyspersyjnych, jak opisano powyżej. W podobny sposób do reżimu rozszczepienia solitonów, strona kontinuum o długich falach jest generowana przez solitony przechodzące wewnątrzimpulsowe rozpraszanie ramanowskie i przesunięcie własnej częstotliwości do dłuższych długości fal. Ponieważ proces MI jest napędzany szumem, tworzony jest rozkład solitonów o różnych energiach, co skutkuje różnymi szybkościami przesuwania własnej częstotliwości. Wynik netto jest taki, że kontinua solitonowo-ramanowskie napędzane przez MI wydają się być widmowo znacznie gładsze niż te generowane w reżimie rozszczepienia. Generowanie krótkich fal jest napędzane przez mieszanie czterofalowe, zwłaszcza w przypadku wyższych mocy szczytowych w reżimie quasi-CW. W reżimie czystego CW generowanie krótkich fal zostało osiągnięte dopiero niedawno przy długościach fal krótszych niż te ze źródła pompy 1 μm. W tym przypadku wykazano, że pułapkowanie solitonów odgrywa rolę w generowaniu krótkich fal w reżimie napędzanym MI.

Kontinuum wystąpi w reżimie MI tylko wtedy, gdy parametry włókna i pola są takie, że MI tworzy się i dominuje nad innymi procesami, takimi jak rozszczepienie. W podobny sposób jak w przypadku rozszczepienia, konstruktywne jest opracowanie charakterystycznej skali długości dla MI: ${\ Displaystyle L _ {\ operatorname {MI}}}$ :

{\ Displaystyle L _ {\ operatorname {MI}} = {\ Frac {n_ {\ operatorname {dB}}} {20 \ gamma P_ {0} \lg 10}}\sim {\frac {4}{\gamma P_{0}}}}

gdzie ${\ Displaystyle n _ {\ operatorname {dB}}}$ to poziom szumu tła poniżej szczytowego poziomu mocy. Równanie jest zasadniczo miarą długości wymaganej do wzmocnienia MI do wzmocnienia szumu kwantowego tła w solitony. Zwykle przyjmuje się, że ten dźwięk wystrzału jest o ~ 200 dB niższy. Więc pod warunkiem $, że$ w przypadku quasi-CW wyrazić jako:

{\ Displaystyle 4 ^ {2} \ ll {\ Frac {\ gamma P_ {0} \ tau _ {0} ^ {2}} {| \ beta _ {2} |}} = N ^ {2 }}

Środkowym wyrazem równania jest po prostu równanie solitonowe. Aby MI dominował, potrzebujemy, aby lewa strona była znacznie mniejsza niż prawa, co oznacza, że kolejność solitonów musi być znacznie większa niż 4. W praktyce granica ta została ustalona jako w przybliżeniu N = 16 { $= 16}$ . Widzimy zatem, że to głównie ultrakrótkie impulsy prowadzą do mechanizmu rozszczepienia solitonu.

Pompowanie w trybie normalnej dyspersji

Dwa reżimy opisane powyżej zakładają, że pompa znajduje się w obszarze anomalnej dyspersji. Możliwe jest stworzenie supercontinua w normalnym regionie iw rzeczywistości wiele wczesnych wyników omówionych w przeglądzie historycznym zostało wpompowanych w normalny reżim dyspersji. Jeśli impulsy wejściowe są wystarczająco krótkie, wówczas samomodulacja fazy może prowadzić do znacznego poszerzenia, które jest czasowo spójne. Jeśli jednak impulsy nie są ultrakrótkie, wtedy dominuje stymulowane rozpraszanie ramanowskie i zazwyczaj pojawia się seria kaskadowych dyskretnych linii Stokesa, aż do osiągnięcia długości fali zerowej dyspersji. W tym momencie może powstać solitonowe kontinuum ramanowskie. Ponieważ pompowanie anomalii jest znacznie bardziej wydajne w przypadku generowania kontinuum, większość nowoczesnych źródeł unika pompowania w normalnym trybie dyspersji.

Linki zewnętrzne