Nonlinear Fiber Optics in Gases and Dilute Plasmas

Nichtlineare Faseroptik in Gasen und verdünnten Plasmen

  • Hollow-core photonic crystal fibers have made possible sustained and tailorable nonlinear gas-light interactions over extended distances. This thesis contains experimental and numerical studies of near-infrared femtosecond pulses propagating in argon-filled kagomé photonic crystal fiber. This particular fiber system possesses a number of favorable properties such as pressure-tunable group velocity dispersion. More fundamentally, the low interaction between light and the glass structure, and the inertness of the filling gas enable damage-free experiments in hitherto inaccessible regimes that involve short wavelengths and/or high intensities. The adjustment of the gas pressure was used to balaHollow-core photonic crystal fibers have made possible sustained and tailorable nonlinear gas-light interactions over extended distances. This thesis contains experimental and numerical studies of near-infrared femtosecond pulses propagating in argon-filled kagomé photonic crystal fiber. This particular fiber system possesses a number of favorable properties such as pressure-tunable group velocity dispersion. More fundamentally, the low interaction between light and the glass structure, and the inertness of the filling gas enable damage-free experiments in hitherto inaccessible regimes that involve short wavelengths and/or high intensities. The adjustment of the gas pressure was used to balance the gas and waveguide contributions of the refractive index and thereby achieve phase-matched third-harmonic generation into a higher order fiber mode. Owing to the signal sensitivity to the precise phase relationship, this technique was used to corroborate a proposed analytical model for the dispersion of the kagomé fiber. By adjusting the pressure such that the resulting group velocity dispersion is anomalous at the pump, but normal for shorter wavelengths, light was generated through soliton-driven resonant radiation. Efficiencies of up to 8% and, by virtue of the dispersion tuning concept, wavelength tunability from 200 nm to 320 nm were demonstrated. By lowering the gas pressure to achieve broadband all-anomalous group velocity dispersion, soliton self-compression allowed for generating few-cycle pulses with peak intensities exceeding 1014 W/cm2 – sufficiently strong to ionize the gas. The generated time-varying free electron density imposed a phase modulation onto the pulse which led to a soliton self-frequency blue-shift, redolent of, but contrary in sign, to the Raman-induced red-shift.show moreshow less
  • Photonische Kristallfasern mit Hohlkern ermöglichen beständige und manipulierbare nichtlineare Wechselwirkungen von Licht und Gasen über ausgedehnte Distanzen. Diese Arbeit beinhaltet experimentelle und numerische Untersuchungen der Propagation von nahinfraroten Femtosekundenpulsen in mit Argon gefüllten kagomé photonischen Kristallfasern. Dieses Fasersystem ermöglicht eine durch Druck einstellbare Gruppengeschwindigkeitsdispersion. Von grundlegenderer Bedeutung sind die geringe Wechselwirkung des Lichts mit der Faserstruktur und die Inertheit des Gases, die zerstörungsfreie Experimente in bislang unzugänglichen Bereichen kurzer Wellenlängen und/oder hohen Intensitäten erlauben. Durch eine DPhotonische Kristallfasern mit Hohlkern ermöglichen beständige und manipulierbare nichtlineare Wechselwirkungen von Licht und Gasen über ausgedehnte Distanzen. Diese Arbeit beinhaltet experimentelle und numerische Untersuchungen der Propagation von nahinfraroten Femtosekundenpulsen in mit Argon gefüllten kagomé photonischen Kristallfasern. Dieses Fasersystem ermöglicht eine durch Druck einstellbare Gruppengeschwindigkeitsdispersion. Von grundlegenderer Bedeutung sind die geringe Wechselwirkung des Lichts mit der Faserstruktur und die Inertheit des Gases, die zerstörungsfreie Experimente in bislang unzugänglichen Bereichen kurzer Wellenlängen und/oder hohen Intensitäten erlauben. Durch eine Druckanpassung ließen sich die Einflüsse des Gases und des Wellenleiters auf den Brechungsindex so ausbalancieren, dass eine phasenangepasste Erzeugung der dritten Harmonischen in einen Mode höherer Ordnung erzeugt werden konnte. Aufgrund der Signalempfindlichkeit gegenüber der Phasenbeziehung konnte mit dieser Methode ein vorgeschlagenes Modell der Dispersion in kagomé-Fasern bestätigt werden. UV-Strahlung durch von Solitonen angeregte Resonante Strahlung wurde erzeugt bei Drücken, die zu einem Gruppengeschwindigkeitsdispersionsprofil führten, das anomal bei der Pumpwellenllänge und gleichzeitig normal für kürzere Wellenlängen war. Effizienzen von bis zu 8% und eine, durch die Einstellbarkeit der Dispersion ermöglichte, Wellenllängenabstimmbarkeit von 200 nm bis 300 nm wurden demonstriert. Durch eine Senkung des Gasdrucks zur Bewerkstelligung von breitbandig anomaler Gruppengeschwindigkeitsdispersion ließen sich durch Solitonenkompression Pulse weniger Zyklen generieren. Die hierbei erreichte Spitzenintensität von mehr als 1014 W/cm2 war hoch genug, um das Gas zu ionisieren. Die erzeugte, zeitlich variierende Dichte freier Elektronen bewirkte eine Phasenmodulation, die zu einer Solitonenblauverschiebung führte, die ähnlich der Raman-Rotverschiebung ist, dieser aber spektral entgegenwirkt.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Philipp Hölzer
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-34445
Advisor:Philip Russell
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/07/30
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2012/07/16
Release Date:2012/07/30
Tag:Frequenzkonversion; Hohlkernfaser; Photonische Kristallfaser; Pulskompression; Ultrakurze Pulse
Photonic crystal fiber; frequency conversion; hollow-core fiber; pulse compression; ultrashort pulses
SWD-Keyword:Dünnes Plasma; Edelgas; Edelgasatom; Faseroptik; Glasfaser; Lasererzeugtes Plasma; Nichtlineare Optik; Optisches Soliton; Plasma
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik

$Rev: 13581 $