Parametric Control of Raman Scattering in Hollow-Core Photonic Crystal Fiber
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Abstract
When a laser pump beam of sufficient intensity is incident on a Raman-active medium such as hydrogen gas, a strong Stokes signal, red-shifted by the Raman transition frequency Ω, is generated. This is accompanied by the creation of a “coherence wave” of synchronized molecular oscillations with a wavevector determined by the optical dispersion. Within its lifetime, this coherence wave can be used to shift by Ω the frequency of an arbitrary third optical signal, provided phase-matching is satisfied. The work presented in this thesis investigates how the unique interplay of gas dispersion and modal fiber dispersion in kagomé-type hollow-core photonic crystal fiber (kagomé-PCF) can be tailored to achieve perfect phase-matching under various conditions, making the system suitable for different applications such as frequency or mode conversion. Compared to established techniques, where crossed-beam configurations have to be used, the use of kagomé-PCF enables a fully collinear propagation regime, which along with the tight modal confinement drastically reduce the required pump intensities while still achieving record high conversion efficiencies. We show that in standard kagomé-PCF, broadband phase-matched frequency shifting by Ω is possible in the whole spectral range from the ultraviolet to the near-infrared by operating only with the fundamental LP01 fiber mode. Optionally intermodal scattering can be utilized to simultaneously modify the transverse spatial pattern of the generated light field in a fully controllable way. Furthermore, a novel hybrid waveguide design extends the spectral range of operation even down to the THz-frequency range, making the system a suitable platform for a new type of THz-source. Beyond that, we demonstrate strong suppression of the Raman gain by phase-matching the coherence wave generated by the pump/Stokes fields to the corresponding pump/anti-Stokes transition, an effect which was already predicted in 1964, but so far only observed phenomenologically. The experimental results are complemented by theoretical discussion assisted by numerical analysis that apart from bringing in-depth understanding of the observed phenomena, might also help to design and optimize further schemes like Raman frequency combs, Raman lasers or Raman spectroscopy systems.
Abstract
Wenn ein ausreichend intensiver Pumplaserstrahl auf ein Raman-aktives Medium wie etwa Wasserstoff trifft, entsteht ein ausgeprägtes Stokes Signal, welches um die Raman Übergangsfrequenz Ω rotverschoben ist. Dieser Vorgang wird begleitet von der Anregung einer „kohärenten Welle“ (Englisch: coherence wave) von synchronen molekularen Schwingungen mit einem Wellenvektor der durch die optische Dispersion festgelegt ist. Innerhalb ihrer Lebenszeit, erlaubt die coherence wave die Frequenz eines beliebigen, dritten optischen Signals um Ω zu verschieben - unter der Vorraussetzung, dass eine korrekte Phasenanpassung gegeben ist. Diese Arbeit untersucht, wie das einzigartige Zusammenspiel von Gas- und Modendispersion in Kagomé-Hohlkernfasern genutzt werden kann, um unter verschiedenen Bedingungen perfekte Phasenanpassung zu erreichen. Dies ermöglicht die Nutzung dieses Systems für Anwendungen wie zur Frequenz- oder Modenkonversion. Verglichen mit etablierten Techniken (wie einer gekreuzten Strahlführung) erlauben Kagomé-Fasern vollständige kollineare Strahlführung und eine stark gebundene Mode. Dadurch reduziert sich enorm die benötigte Pumpstrahlintensität bei gleichzeitig unerreicht hoher Konversionseffizienz. Wir zeigen, dass in gewöhnlichen Kagomé-Fasern eine breitbandige, phasenangepasste Frequenzverschiebung um Ω im ganzen Spektralbereich vom Ultravioletten bis hin zum nahen Infraroten möglich ist. Dabei verwenden wir ausschließlich die fundamentale LP01 Mode. Alternativ können wir intermodale Streuung verwenden, um die transversale Struktur des erzeugten Lichtfelds in kontrollierter Weise zu verändern. Außerdem erweitert ein entwickeltes Konzept für einen neuartigen Hybridwellenleiter den nutzbaren Frequenzbereich bis in den THz-Frequenzbereich. Dieser Wellenleiter stellt daher eine Technologieplatform für neuartige THz-Quellen dar. Des Weiteren weisen wir eine ausgeprägte Unterdrückung der Raman-Vertärkung nach, indem die durch die Pumpe/Stokes Felder generierte coherence wave an den Pumpe/anti-Stokes Übergang phasenangepasst wird. Dieser Effekt wurde bereits 1964 vorhergesagt, aber bisher nur phänomenologisch nachgewiesen. Die experimentellen Ergebnisse werden durch eine theorethische Diskussion, sowie durch numerische Analysen komplementiert. Dies ermöglicht ein tiefgehendes Verständnis der beobachteten Phänomene und kann helfen weitere Anwendungen wie Raman-Frequenzkämme, Raman-Laser oder Raman-Spektroskopiesysteme zu entwickeln oder zu verbessern.