TIM IME-LENS IN INDUCTION, SIM SIMILARITON- AND SO SOLITON- SH - - PowerPoint PPT Presentation

TIM IME-LENS IN INDUCTION, SIM SIMILARITON- AND SO SOLITON- SH SHAPING TY TYPE PROCESSES FOR FE FEMTOSECOND LA LASER PULSE MANIPULATION AND CHARACTERIZATION

Hrach Toneyan

Scientific advisor:

• Prof. L. Mouradian

Thes esis is to

• take

e a candidate deg egree in in physics and math thematics

Center for the Advancement of Natural Discoveries using Light Emission

Goals of the thesis

• Study of SC and STI with use of high-tech materials aimed at

development of commercial prototype

• Study of soliton-type processes for signal manipulation,

particularly, experimental implementation of spectral analogue of pulse self- compression

• Study of spectrons and similaritons for fs pulse

characterization, to develop techniques of fs pulse duration and phase

measurements Center for the Advancement of Natural Discoveries using Light Emission

2

Overview of the topic

Problems of ultrafast optics

• Ultrashort signal generation
• Signal manipulation
• Signal delivery
• Signal characterization

Center for the Advancement of Natural Discoveries using Light Emission

3

Սպեկտրալ սեղմում և սպեկտրաժամանակային արտապատկերում Անոմալ դիսպերսիայով սնամեջ լուսատարի կիրառմամբ, որին որպես ոչ գծային միջավայր հաջորդում է ստանդարտ նորմալ դիսպերսիայով միամոդ լուսատարը, իրագործվում է ամբողջովին լուսատարային ժամանակային ոսպնյակի ՓԻՄ սարքավորումը, ֆեմտովայրկյանային իմպուլսների սպեկտրալ սեղմման համար: Ֆեմտովայրկյանային իմպուլսների սպեկտրաժամանակային արտապատկերման համար նախատեսված սիմիլարիտոնային ժամանակային ոսպնյակի ԳՀԳ սխեմայում, պրիզմային կամ ցանցային դիսպերսիոն հապաղման գծի նույնպիսի փոխարինումը սնամեջ լուսատարով ևս ապահովում է նրա հաջող գործունեությունը: Ֆեմտովայրկյանային լազերային իմպուլսների սպեկտրալ ինքնասեղմում 800նմ կենտրոնական ալիքի երկարությամբ ֆեմտովայրկյանային լազերային իմպուլսների ինքնազդեցությունը սնամեջ լուսատարում, ուժեղ անոմալ դիսպերսիայի և թույլ Կեռի ոչգծայնության համակցված ազդեցության պայմաններում, բերում է սպեկտրալ ինքնասեղմմանը, սոլիտոնային ինքնասեղմման սպեկտրալ անալոգի տեսական կանխատեսման համապատասխան: Իմպուլսի տևողության չափման սիմիլարիտոնային մեթոդ Ֆեմտովայրկյանային լազերային իմպուլսների տևողությունը կարելի է որոշել անցկացնելով ճառագայթումը միամոդ լուսատարով, գեներացնելով նրանում ոչ գծային-դիսպերսիոն սիմիլարիտոն և չափելով նրա սպեկտրալ լայնությունն ու էներգիան: Սպեկտրոնի փուլային առանձնահատկությունները Սպեկտրոնային իմպուլսի ձևավորման պրոցեսում, դիսպերսիայի հեռու դաշտում, ինֆորմացիան (ազդանշանի մոդուլացումը) փոխանցվում է սպեկտրալ տիրույթից դեպի ժամանակային ոչ միայն ճառագայթման դաշտի ամպլիտուդի, այլև փուլի համար: Արդյունքում, ձևավորվում է իմպուլս, որը վերարտադրում է ինտենսիվության սպեկտրալ բաշխումը, իսկ փուլը` սկզբնական սպեկտրալ փուլը (ի հավելումն դիսպերսիայով մակածված պաբոլիկ փուլի):

Պաշտպանության դրույթները

Center for the Advancement of Natural Discoveries using Light Emission

4

Chapter I

LITERATURE REVIEW AND OVERVIEW OF THESIS

Center for the Advancement of Natural Discoveries using Light Emission

5

Chapter II

SPECTRAL COMPRESSION OF FEMTOSECOND LASER RADIATION

Center for the Advancement of Natural Discoveries using Light Emission

6

compressed spectrum

795 800 0.92 nm λ (nm) Intensity (a.u.) λ(nm) 785 800 11.3 nm Intensity (a.u.)

input spectrum

Classic technique of SC

OSA SMF Ti:Sapphire KLM laser DDL

~12x SC

7

All-fiber technique of SC

~8.4x SC input spectrum compressed spectrum

OSA SMF Ti:Sapphire KLM laser HCF 788 808 λ(nm) 10.9 nm Intensity (a.u.) 798 808 λ (nm) 1.3 nm Intensity (a.u.) 8

Similaritonic technique of SC

input spectrum compressed spectrum

DDL

BS M M M

Lens SFG spectrometer Ti:Sapphire KLM laser SMF Intensity (a.u.) 394 393.5 λ(nm) 0.12nm Intensity (a.u.) 394 λ(nm) 390 2.8nm

~23x SC

9

Prototype of STI device

commercial prototype of STI device

30 cm

λ[nm] 400 397.5 λ[nm] 400 397.5

two-peak pulse STI

10

All-fiber similaritonic technique of SC

~11x SC input spectrum compressed spectrum

BS M M M

Lens SFG

spectrometer

Ti:Sapphire KLM laser SMF HCF

Intensity (a.u.) 400 397.5 λ(nm) 0.2nm Intensity (a.u.) 800 λ(nm) 780 10.1nm 11

Summary of chapter II

• 12x, 8.4x and 23.3x SC is obtained by classic, all-fiber and

similaritonic techniques respectively

• Studies of STI resulted in the commercial prototype

demonstration

• STI and similaritonic technique of SC is demonstrated in all-fiber

setup

Center for the Advancement of Natural Discoveries using Light Emission

12

Center for the Advancement of Natural Discoveries using Light Emission

Chapter III

SPECTRAL SELF-COMPRESSION OF FEMTOSECOND RADIATION

13

GVD:

 

z A , ~ 

] 2 / ) / ( exp[

2 D

L z i 

 

, ~  A SPM:

)] / ( exp[ ) / exp( ) (

2 NL NL

L z it L iz t A  

1 2 2

] | ) , ( | [



A n 

NL

L 

1 2 2

) (



 

D

L 

>

NL

L

D

L

self-spectral compression

<

D

L

soliton effect compression

NL

L

Analytical discussion of Self-SC

 

  ] | , | exp[ ) , ( ) , (

2 2

z t A in t A z t A 

14

Self-SC in HCF

dependence of spectral width and AC duration from coupled power

OSA + AC HCF Ti:Sapphire KLM laser NDF Δλ (nm) 1375 1300 ΤAC (fs) 7 8.5

P(mW)

50 400 15

Self-SC of a supercontinuum in an SMF

self-SC

spectrometer SMF neutral density filter

Amplitude Systems laser + amplifier

polarizati

• n BS

YAG crystal longpass filter

pulse generation

16

part of supercontinuum spectrum

1280 1550 wavelength [nm] 0.5 power a.u. 1280 1550 wavelength [nm] 0.5 power a.u.

self-compressed spectrum

~4.1x self-SC

I/I0 0.5

• 1

t/Δt f/LD 50 I/I0 0.5 ω/Δω0

• 1

f/LD 50

1.5 I/I0 ω/Δω0

• 6
• 3

3 t/Δt

• 10

0.5 I/I0 5

• 5

Self-SC of a randomly modulated pulse

17

Summary of chapter III

• Demonstration of the self-SC in an HCF with 30% spectral

narrowing

• 4.1x self-SC of part of supercontinuum radiation in an SMF
• Demonstration of self-SC of randomly modulated pulses

done by numerical modelling

Center for the Advancement of Natural Discoveries using Light Emission

18

MEASUREMENT OF FEMTOSECOND PULSE DURATION AND PHASE USING SIMILARITONS AND SPECTRONS

Chapter IV

Center for the Advancement of Natural Discoveries using Light Emission

19

Duration measurement similaritonic technique for Gaussian pulses

dependence of spectral width of similariton from input pulse AC duration

0.8 2 60 180 7.2 12

similariton bandwidth [nm] similariton duration [ns]

• 1000

1000 AC

• 1000

1000 AC

• 7

7 power [a.u.]

• 7

7 power [a.u.] [ns]

spectrometer /

• scilloscope

pulse shaping SMF AC laser BS 20

Shaping of spectron from three-peak pulses

• 4

4 1 intensity time

• 2

2 1 frequency intensity

• 200

200 0.05 time intensity

pulse spectrum spectron

• 2

2

• 2

2 Spectral phase frequency

• 200

200

• 2

2 Phase time

• 4

4 1 Intensity time

pulse initial sp. phase spectron phase*

21

Phase of spectron shaped from two-peak pulse with initial SPM

• 5

5 1 Time Intensity

• 200

200 1

• 3

3 1 Frequency Intensity Time Intensity

• 200

200

• 25

10

• 3

3

• 25

10 Phase Time

• Sp. phase

Frequency

• 200

200

• 0.08

0.02

• 3

3

• 6

2 Frequency Time Frequency Time

pulse spectron spectron phase spectron chirp spectral phase spectral chirp spectrum

22

• Femtosecond laser pulse duration measurement technique

is demonstrated for Gaussian, two-peak and compressed pulses numerically and experimentally

• The transfer of phase information from spectral to

temporal domain in the process of spectron pulse shaping is demonstrated numerically

Summary of chapter IV

Center for the Advancement of Natural Discoveries using Light Emission

23

Conclusion

• 12x, 8.4x and 23.3x SC is obtained by classic, all-fiber and similaritonic

techniques respectively

• Studies of STI resulted in the commercial prototype demonstration
• STI and similaritonic technique of SC is demonstrated in all-fiber setup
• Self-SC in an HCF with 30% spectral narrowing is demonstrated
• 4.1x self-SC of part of supercontinuum radiation in an SMF is

demonstrated

• Self-SC of randomly modulated pulses is demonstrated numerically
• Femtosecond laser pulse duration measurement technique is

demonstrated for Gaussian, two-peak and compressed pulses numerically and experimentally

• The transfer of phase information from spectral to temporal domain in

the process of spectron pulse shaping is demonstrated numerically

Center for the Advancement of Natural Discoveries using Light Emission

24

Publications related to the thesis

1.

• H. Toneyan, A. Zeytunyan, R. Zadoyan, and L. Mouradian “Classic, all-fiber, and similaritonic techniques of spectral compression”, Journal of Physics:

Conference Series 672 012016 (2016). 2.

• H. Toneyan, “Experimental Techniques of Spectral Compression of Femtosecond Radiation”, Armenian Journal of Physics, 10 (3), pp. 108-111 (2017).

3.

• H. Toneyan, M. Sukiasyan, A. Zeytunyan, V. Tsakanov and L. Mouradian, “Designing the femtosecond optical oscilloscope”, Journal of Physics:

Conference Series 673 012016 (2016). 4. V.M. Tsakanov, et al. "AREAL Test Facility for Advanced Accelerator and Radiation Source Concepts", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 829, pp. 284-290 (2016). 5. A.N. Kolyadin, G.K. Alagashev, A.D. Pryamikov, L. Mouradian, A. Zeytunyan, H. Toneyan, A.F. Kosolapov, I.A. Bufetov, “Negative curvature hollow-core fibers: dispersion properties and femtosecond pulse delivery”, Physics Procedia, vol.73, pp.59 – 66 (2015). 6.

• H. Toneyan, K. Manoukyan, M. Sukiasyan, A. Kutuzyan, L. Mouradian, “Spectral Characteristics of Nonlinear-Dispersive Similariton Generated in

Single-Mode Fiber without Gain”, Armenian Journal of Physics, 10 (4). pp. 192-198 (2017). 7. Н. Карапетян, Г. Тонеян , А. Кутузян , М. Сукиасян , В. Аветисян, Д. Гулканян, К. Апресян , Л. Мурадян, “Численное Исследование Процесса Формирования Спектрона: Фазовые Особенности”, Известия НАН Армении, Физика, т.53, No2, с.173–180 (2018). 8. H.Toneyan, A. Zeytunyan, L. Mouradian, V. Tsakanov, F. Louradour, A. Barthelemy, R. Zadoyan, “8x, 12x, and 23x Spectral Compression by All-Fiber, Classic, and Similaritonic Techniques” Frontiers in Optics (FiO) 2014, FW4D.5 (October 19-23, 2014, Tucson, Arizona, USA). 9. H.Toneyan, M. Sukiasyan, A. Zeytunyan, V. Tsakanov and L. Mouradian, “Designing the Femtosecond Optical Oscilloscope”, 3rd International Symposium on Optics and its Applications, p.108 (oral presentation, 1-5 October, 2015, Yerevan, Armenia). 10.

• L. Mouradian, A. Grigoryan, A. Kutuzyan, G. Yesayan, M. Sukiasyan, H. Toneyan, A. Zeytunyan, A. Barthelemy, “Spectral H.Toneyan, M.Sukiasyan,

V.Avetisyan, A.Kutuzyan, A.Yeremyan, and Analogue of the Soliton Effect Compression: Spectral Self-Compression” Frontiers in Optics (FiO) 2015, FW3F.3 (October 18-22, 2015, San Jose, CA, USA). 11. L.Mouradian, "Solitonic Self-Spectral Compression of Noisy Supercontinuum Radiation"- Frontiers in Optics 2016, OSA Technical Digest , Rochester, New York, United States, 17–21 October , JW4A.44 ( 2016). 12. K.Manoukyan, H.Toneyan, A.Zeytunyan, and L.Mouradian, "Simple Similaritonic Alternative to the Autocorrelation Technique for Determination of Femtosecond Laser Pulse Duration"- 25th Annual International Laser Physics Workshop (LPHYS’16), Yerevan, Armenia July 11-15, P.S8.4 (2016). 13. N.Karapetyan, H.Toneyan, A.Kutuzyan, and L.Mouradian- "Spectron’s phase peculiarities: numerical study"- 5th International Simp. Optics & its appl.ications, 25-28 July,2016 Yerevan-Ashtarak, Armenia July 11-15, p. 113 (2016). 14. K.Manukyan, M.Sukiasyan, H.Toneyan, A.Zeytunyan, and L.Mouradian, "Simple Diagnostics of Femtosecond Pulses by the Use of Nanosecond Oscilloscope"- Frontiers in Optics 2017, OSA Technical Digest, Washington D.C, United States, 17–21 September, JTu3A.62 (2017). 15.

• N. Karapetyan, H. Toneyan, A. Kutuzyan, L. Mouradian, “Numerical analysis of spectron phase peculiarities”, IONS Balvanyos 2017, pp. 116-117,

Balvanyos, Romania (2017).

Center for the Advancement of Natural Discoveries using Light Emission

25

THANK YOU