Ukrainian Journal of Physical Optics 
Home page
 
 

Other articles 

in this issue
A method for controlling the bandwidth of high-energy, few-optical-cycle laser pulses tunable from the visible to the near-infrared

Walid Tawfik

Download this article

Abstract. In this work we report a new method for controlling the bandwidth of few-cycle optical pulses, using another femtosecond laser pulses chirped in a neon-filled hollow-core fibre. The observed bandwidth varies from 25 to 234 nm in the optical wavelength region 600–950 nm. The pulse energy has for the first time reached a sub-millijoule frontier at 1 kHz. The input pulses are positively chirped using a chirped-pulse amplifier to acquire the widths 32–56 fs at the entrance of the hollow fibre. Then the pulses are highly dispersed due to a self-phase modulation in a nonlinear medium (a neon gas) followed by a pair of chirped mirrors that compensate the dispersion. We have found that this scheme allows for direct tuning of the output-pulse bandwidth while varying the chirping of the input pulses under different neon-gas pressures. Our results can give an opportunity for controlling the interactions in strong electric fields on the ultrafast time scales and are crucial for regenerating attosecond X-ray pulses.

Keywords: ultrafast lasers, tunable femtosecond lasers, few-cycle lasers, self-phase modulation

PACS: 78.47.jj
UDC: 535.37
Ukr. J. Phys. Opt. 16 147-158
doi: 10.3116/16091833/16/4/147/2015
Received: 30.06.2015

Анотація. У цій роботі представлено новий метод керування шириною смуги пропускання оптичних імпульсів тривалістю у кілька періодів із використанням додаткових частотно модульованих фемтосекундних лазерних імпульсів, які поширюються крізь волокно з серцевиною, заповненою неоном. Показано, що ширина смуги пропускання змінюється від 25 до 234 нм для оптичного діапазону 600–950 нм, а енергія імпульсу сягає суб-міліджоулевої межі при 1 кГц. На вході волокна імпульси модулювали за частотою у прямому напрямку від 32 до 56 фс. Після цього імпульси ставали суттєво диспергованими самомодуляцією в нелінійному середовищі (газі неону), а після нього слідувала пара модульованих дзеркал, які компенсували дисперсію. Виявлено, що ця схема дає змогу прямо перестроювати ширину смуги пропускання вихідного імпульсу шляхом зміни модуляції вхідних імпульсів при різних тисках газу. Одержані результати вказують на можливість контролю взаємодій у сильних електричних полях за умови надшвидких процесів і мають вирішальне значення для відновлення аттосекундних рентгенівських імпульсів. 
REFERENCES
  1. Demtröder W, Laser spectroscopy: basic concepts and instrumentation (Berlin Heidelberg, New York: Springer Science & Business Media, 2013).
  2. Radziemski L J, Solarz R W and Paisner J A. Laser spectroscopy and its applications (N. Y.: M. Dekker, 1987).
  3. Schiff H I, Mackay G I and Bechara J, 1994. The use of tunable diode laser absorption spectroscopy for atmospheric measurements. Res. Chem. Intermediates. 20.3–5: 525–556.
  4. Jens B, Amann M-C and Blumenthal D J. Tunable laser diodes and related optical sources. (N Y: Wiley-Interscience, 2005).
  5. Zewail A H, 2000. Femtochemistry: atomic-scale dynamics of the chemical bond. J. Phys. Chem. A. 104: 5660–5694. doi:10.1021/jp001460h
  6. Damrauer N H, Cerullo G, Yeh A, Boussie T R, Shank C V and McCusker J K, 1997. Femtosecond dynamics of excited-state evolution in [Ru(bpy)3]2+. Science. 275: 54–57. doi:10.1126/science.275.5296.54
  7. Elsaesser T, Mukamel S, Murnane M and Scherer N F. Ultrafast phenomena. XII. In: Proc. 12th Internl. Conf. (N. Y.: Springer, 2000).
  8. W. Joosen, H. J. Bakker, L. D. Noordam, H. G. Muller, and H. B. van Linden van den Heuvell, 1991. Parametric generation in barium borate of intense femtosecond pulses near 800 nm. J. Opt. Soc. Amer. B. 8: 2087–2093. doi:10.1364/JOSAB.8.002087
  9. Di Trapani P, Andreoni A, Foggi P, Solcia C, Danielius R and Piskarskas A, 1995. Efficient conversion of femtosecond blue pulses by traveling-wave parametric generation in non-collinear phase matching. Opt. Commun. 119: 327–332. doi:10.1016/0030-4018(95)00349-D
  10. Wilhelm T, Piel J and Riedle E, 1997. Sub-20-fs pulses tunable across the visible from a blue-pumped single-pass noncollinear parametric converter. Opt. Lett. 22: 1494–1496. doi:10.1364/OL.22.001494
  11. Jing-yuan Zhang, Shreenath A P, Kimmel M, Zeek E, Trebino R and Link S, 2003. Measurement of the intensity and phase of attojoule femtosecond light pulses using optical parametric amplification cross-correlation frequency-resolved optical gating. Opt. Expr. 11: 601–609. doi:10.1364/OE.11.000601
  12. Zhang Jing-Yuan, Chao-Kuei Lee, Huang J and Ci-Ling Pan, 2004. Sub femto-joule sensitive single-shot OPA-XFROG and its application in study of white-light supercontinuum generation. Opt. Expr. 12: 574–581. doi:10.1364/OPEX.12.000574
  13. Martinez O E, Gordon J P and Fork R L, 1984. Negative group-velocity dispersion using refraction. J. Opt. Soc. Amer. A. 1: 1003–1006. doi:10.1364/JOSAA.1.001003
  14. Fork R L, Martinez O E and Gordon J P, 1984. Negative dispersion using pairs of prisms. Opt. Lett. 9: 150–152. doi:10.1364/OL.9.000150
  15. Tomlinson W J, Stolen R H and Shank C V, 1984. Compression of optical pulses chirped by self-phase modulation in fibers. J. Opt. Soc. Amer. B. 1: 139–149. doi:10.1364/JOSAB.1.000139
  16. Alfano R R, Li Q, Jimbo T, Manassah J and Ho P, 1986. Induced spectral broadening of a weak picosecond pulse in glass produced by an intense ps pulse. Opt. Lett. 11: 626–628. doi:10.1364/OL.11.000626
  17. Kamiya T and Tsuchiya M, 2006. Progress in ultrafast photonics. AAPPS Bulletin. 16: 23.
  18. Eggleton B J, Lenz G and Litchinitser N M, 2000. Optical pulse compression schemes that use nonlinear Bragg gratings. Fiber Integr. Opt. 19: 383–421. doi:10.1080/014680300300001725
  19. Agrawal G P. Applications of nonlinear fiber optics (N. Y.: Academic Press, 2001).
  20. Krauss G, Lohss S, Hanke T, Sell A, Eggert S, Huber R and Leitenstorfer A, 2010. Synthesis of a single cycle of light with compact erbium-doped fibre technology. Nature Photon. 4: 33–36. doi:10.1038/nphoton.2009.258
  21. Schenkel B, Biegert J, Keller U, Vozzi C, Nisoli M, Sansone G, Stagira S, De Silvestri S and Svelto O, 2003. Generation of 3.8-fs pulses from adaptive compression of a cascaded hollow fiber supercontinuum. Opt. Lett. 28: 1987–1989. doi:10.1364/OL.28.001987
  22. Nisoli M, Sansone G, Stagira S, De Silvestri S, Svelto O and Vozzi C, 2002. Ultra-broadband continuum generation by hollow-fiber cascading. Appl. Phys. B. 75: 601–604. doi:10.1007/s00340-002-1042-1
  23. Manzoni C, Polli D, Cirmi G, Brida D, De Silvestri S and Cerullo G, 2007. Tunable few-optical-cycle visible pulses with passive carrier-envelope phase stabilization from anoptical parametric amplifier. Appl. Phys. Lett. 90: 171111. doi:10.1063/1.2732834
  24. Cirmi G, Manzoni C, Brida D, De Silvestri S and Cerullo G, 2008. Carrier-envelope phase stable, few-optical-cycle pulses tunable from visible to near IR. J. Opt. Soc. Amer. B. 25: B62–B69. doi:10.1364/JOSAB.25.000B62
  25. Brida D, Manzoni C, Huber R, Leitenstorfer A and Cerullo G, 2011. Generation of few-optical-cycle pulses tunable from the near to the far IR by optical parametric amplifiers. In: Gen. Assembly and Sci. Symp., 2011 XXXth URSI (1–4). IEEE. doi:10.1109/ursigass.2011.6050585
  26. Giulio C, Manzoni C and Brida D. Tunable few-optical-cycle pulses by group-velocity-matched OPAs. In: CLEO. Science and Innovations. pp. SF2M-1. Opt. Soc. Amer. 2015.
  27. Brida D, Manzoni C, Cirmi G, Marangoni M, Bonora S, Villoresi P, De Silvestri S and Cerullo G, 2010. Few-optical-cycle pulses tunable from the visible to the mid-infrared by optical parametric amplifiers, J. Opt. 12: 013001. doi:10.1088/2040-8978/12/1/013001
  28. Ito S, Ishikawa H, Miura T, Takasago K, Endo A and Torizuka K, 2003. Seven-terawatt Ti:sapphire laser system operating at 50 Hz with high beam quality for laser Compton femtosecond X-ray generation. Appl. Phys. B 76: 497–503. doi:10.1007/s00340-003-1144-4
  29. Seres J, Muller A, Seres E, O'Keeffe K, Lenner M, Herzog R F, Kaplan D, Spielmann Ch and Krausz F, 2003. Sub-10-fs terawatt-scale Ti:sapphire laser system. Opt. Lett. 28: 1832–1834.
  30. Young-Shin Park and Hailin Wang, 2009. Resolved-sideband and cryogenic cooling of an optomechanical resonator. Nature Phys. 5: 489–493. doi:10.1038/nphys1303
  31. Wilson-Rae I, Nooshi N, Zwerger W and Kippenberg T J, 2007. Theory of ground state cooling of a mechanical oscillator using dynamical back action. Phys. Rev. Lett. 99: 093901. doi:10.1103/PhysRevLett.99.093901
  32. Marquardt F, Chen J P, Clerk A A and Girvin S M, 2007. Quantum theory of cavity-assisted sideband cooling of mechanical motion. Phys. Rev. Lett. 99: 093902. doi:10.1103/PhysRevLett.99.093902
  33. Treacy E B, 1969. Optical pulse compression with diffraction gratings. IEEE J. Quantum Electron. QE-5: 454. doi:10.1109/JQE.1969.1076303
  34. Diels J C and Rudolph W. Ultrashort laser pulse phenomena. (N. Y.: Academic, 2006).
(c) Ukrainian Journal of Physical Optics