title: Single-cycle pulse generation at megahertz repetition rates in hollow-core fibres
title: Einzelzykluspulserzeugung bei Megahertz-Repetitionsraten in Hohlkernfasern
Creators: name: Schade, Daniel
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025
Subjects: subject: ultrafast
subject: nonlinear optics
subject: soliton
subject: PCF
subject: hollow-core
subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften::53 Physik::535 Licht und verwandte Strahlung

description: Recent advances in the development of ytterbium fibre lasers have paved the way to access nonlinear dynamics with µJ-level pulse energies at several tens-of-MHz repetition rates, significantly enhancing signal-to-noise ratios and reducing data acquisition times in strong-field experiments. However, the long output pulses (&gt; 100 fs) of these systems require nonlinear compression in order to obtain single-cycle durations. Broadband-guiding hollow-core photonic crystal fibres (HC-PCF) are an ideal platform to accomplish this challenging task: They provide low-loss broadband guidance largely free from spatio-temporal couplings. Furthermore, the weak anomalous waveguide dispersion can be counterbalanced by the normal dispersion of the filling gas, thus enabling precise control over the nonlinear dynamics. This work aims to push the frontiers of high-quality pulse compression in HC-PCFs towards ever shorter pulse durations and higher repetition rates. A unique peculiarity of nonlinearity in anomalous dispersion is soliton self-compression, which can provide single-cycle pulses without the need for additional dispersion compensation. Like gas-based nonlinear optics in general, soliton dynamics in gas-filled fibres are scale-invariant, where many different combinations of input parameters yield similar pulse propagation dynamics. However, the ideal parameter set is difficult to find, especially since the well-known scaling relations for compression factor, compression quality and compression length purely account for the soliton order. When compared to large sets of numerical simulations, deviations were observed for increasing soliton order. A rigorous mathematical analysis allowed attributing these deviations to the effects of higher-order dispersion, self-focusing, photoionisation and modulational instability. Moreover, a characteristic triangular-shaped region in the three-dimensional space of soliton order, zero-dispersion frequency and input pulse duration could be identified to yield optimal parameters for high-quality pulse compression. These rather abstract quantities were translated into the accessible setup design parameters - fibre core radius, pulse energy and gas pressure - to facilitate conceptualising an experimental setup. This approach was successfully validated by compressing 1030 nm, ~4 µJ pulses from 250 fs to ~5 fs duration at up to 9.6 MHz repetition rate. Outside of this identified optimal parameter region, e.g. for long input pulse durations, stable and clean self-compression in a single stage is hampered by above mentioned parasitic effects. This challenge was solved by introducing a precompression stage based on self-phase modulation spectral broadening in a large-core HC-PCF and subsequent dispersion compensation. From initially &gt; 320 fs the pulses from a ytterbium fibre laser were compressed to an intermediate duration of 25 fs, before their final single-cycle duration (3.8 fs) was achieved via soliton self-compression in a second HC-PCF stage - the first time ever demonstrated for this kind of laser system. Exceeding a total transmission of 66%, the setup achieved low-noise stable operation, providing almost identical ~5 µJ pulses - conveniently reproducible at different repetition rates up to 9.6 MHz. However, deviations from this linear repetition rate scaling are often observed at high intensities, when the gas in the fibre core is significantly photoionised. This is because the energy freed by recombination of the electrons with their parent ions leads to heat deposition, for example in the vicinity of the temporal focus during self-compression. When at high laser repetition rates the thermal energy cannot dissipate between two consecutive pulses, heat accumulation occurs over many successive laser shots. Even though indications for such a buildup have been reported before, a thorough experimental study has not been carried out. To disentangle these effects from propagation dynamics a simple model system is studied: The large hollow bore of a thick-walled glass capillary confines the gas, which is locally photoionised by focusing intense ~26 fs or 250 fs pulses - typical durations for soliton self-compression or SPM-based spectral broadening, respectively. A novel Mach-Zehnder interferometric setup was then used to track the buildup of the post-recombination refractive index drop due to an evolving gas density depression in the hollow bore. Different noble gas species were investigated at different gas pressures and varying repetition rates. The results illustrate that in the design of gas-based HC-PCF compression stages, attention must be paid not only to limiting ionisation but also to enabling a fast heat transfer.
description: Neueste Fortschritte in der Entwicklung von Ytterbium-Faserlasern haben den Weg für nichtlineare Dynamiken mit µJ-Pulsen bei Repetitionsraten von mehreren zehn MHz geebnet und damit in Starkfeld-Experimenten deutlich die Signal-Rausch-Verhältnisse verbessert und die Datenakquisitionszeit verringert. Jedoch machen die langen Ausgangspulse (&gt; 100 fs) dieser Systeme nichtlineare Kompression erforderlich um Einzelzyklus-Pulsdauern zu erreichen. Breitbandig-leitende, mikrostrukturierte Hohlkernfasern [engl.: broadband-guiding hollow-core photonic crystal fibres (HC-PCF)] sind die ideale Plattform für diese anspruchsvolle Aufgabe: Sie bieten eine verlustarme, breitbandige Leitung, die größtenteils frei von räumlich-zeitlicher Kopplung ist. Zudem kann die schwach anormale Wellenleiterdispersion durch die normale Dispersion der Gasfüllung kompensiert werden, wodurch eine präzise Kontrolle über die nichtlinearen Dynamiken ermöglicht wird. Das Ziel dieser Arbeit ist es die Grenzen bei hochqualitativer Pulskompression in HC-PCFs weiter in Richtung kürzerer Pulse und höherer Repetitionsraten zu verschieben. Eine einzigartige Besonderheit von Nichtlinearität in anormaler Dispersion ist die Selbstkompression von Solitonen, durch welche ohne die Notwendigkeit von zusätzlicher Dispersionskompensation Einzelzyklus-Pulse erzeugt werden können. Genauso wie gasbasierte nichtlineare Optik im Allgemeinen sind Solitonendynamiken in gasgefüllten Hohlkernfasern skalierungsinvariant, wodurch ähnliche Propagationsdynamiken für eine Vielzahl an Kombinationen aus Eingangsparametern erreicht werden können. Jedoch ist ein idealer Parametersatz schwer zu ermitteln, insbesondere da die wohlbekannten Skalierungsrelationen von Kompressionsfaktor, Kompressionsqualität und Kompressionslänge nur den Einfluss der Solitonenordnung mit einbeziehen. Der Vergleich dieser Relationen mit einer Vielzahl an numerischen Simulationen offenbarte Abweichungen bei höheren Solitonenordnungen. Durch rigorose mathematische Analyse konnten diese den Einflüssen von Dispersion höherer Ordnung, Selbstfokussierung, Photoionisation und Modulationsinstabilität zugeschrieben werden. Weiterhin konnte ein charakteristisch dreiecksförmiger Bereich im dreidimensionalen Parameterraum der Solitonenordnung, Nulldispersionsfrequenz und Eingangspulsdauer identifiziert werden, der die optimalen Parameter für hochkarätige Pulskompression enthält. Diese eher abstrakten Größen wurden in zugängliche Parameter des experimentellen Aufbaus - Kernradius, Pulsenergie und Gasdruck - überführt um dessen Konzeptualisierung zu ermöglichen. Diese Herangehensweise wurde experimentell validiert, indem 1030 nm, ~4 µJ Pulse von 250 fs auf ~5 fs Dauer bei bis zu 9,6 MHz Repetitionsrate komprimiert wurden. Außerhalb dieses optimalen Bereichs, z.B. für lange Eingangspulse, wird eine stabile und einwandfreie Selbstkompression in einer einzigen Stufe durch die oben beschriebenen parasitären Effekte verhindert. Um diese Herausforderung zu bewältigen wurde eine Präkompressionstufe eingeführt, die auf spektraler Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation in einer Faser mit großem Kern und anschließender Dispersionskompensation aufbaut. Die Pulse eines Ytterbium-Faserlasers mit ursprünglich &gt;320 fs Dauer wurden auf eine intermediäre Dauer von 25 fs komprimiert, bevor die finale Einzelzyklusdauer (3,8 fs) durch Solitonen-Selbstkompression in einer zweiten HC-PCF-Stufe erreicht wurde - zum allerersten Mal gezeigt mit dieser Art Lasersystem. Mit einer Gesamttransmission von über 66% ermöglichte der Aufbau einen rauscharmen und zuverlässigen Betrieb, wobei nahezu identische ~5 µJ Pulse erzeugt wurden - einfach reproduzierbar bei Repetitionsraten bis 9,6 MHz. Abweichungen von dieser linearen Skalierbarkeit der Repetitionsrate werden jedoch oft beobachtet, sobald das Gas im Faserkern erheblich ionisiert wird. Der Grund dafür ist, dass durch die freiwerdende Energie während der Rekombination von Elektronen mit den ionisierten Mutterionen Wärme abgegeben wird, was zum Beispiel in der Nähe des zeitlichen Fokus bei Selbstkompression der Fall ist. Wenn daher bei hohen Laserrepetitionsraten die thermische Energie nicht zwischen zwei aufeinanderfolgen Pulsen dissipieren kann, kommt es zu einer Wärmeakkumulation über viele sukzessive Pulse hinweg. Obwohl Hinweise hierfür bereits berichtet worden sind, kam es noch zu keiner gründlichen experimentellen Untersuchung. Um diese Effekte von Propagationsdynamiken zu entkoppeln wurde ein einfaches Modellsystem erforscht: Eingeschlossenes Gas im großen Hohlkern einer dickwandigen Glaskapillare, das lokal durch intensive ~26 fs oder 250 fs Pulse ionisiert wird, was typischen Pulsdauern für entweder Solitonenselbstkompression oder die spektrale Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation entspricht. Ein neuartiges Mach-Zender-Interferometer wurde daraufhin verwendet um den Aufbau des post-rekombinativen Brechungsindexeinbruchs als Folge eines sich entwickelnden Gasdichteeinbruchs im hohlen Kern zu untersuchen. Mehrere Edelgase wurden bei unterschiedlichen Gasdrücken und verschiedenen Repetitionsraten erforscht. Die Ergebnisse legen nahe, dass beim Entwurf von gasbasierten HC-PCF-Kompressionsstufen nicht nur eine Begrenzung der Ionisation, sondern auch ein schnelle Wärmeabfuhr beachtet werden muss.