TIME-LENS INDUCTION, SIMILARITON- AND SOLITON- SHAPING

TIME-LENS INDUCTION, SIMILARITON- AND SOLITON- SHAPING TYPE

PROCESSES FOR FEMTOSECOND LASER PULSE

MANIPULATION AND CHARACTERIZATION

Hrach Toneyan

Scientific advisor:

Prof. L. Mouradian

Thesis to take a candidate degree in physics and mathematics

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



2

Overview of the topic

Problems of ultrafast optics

• Ultrashort signal generation

• Signal manipulation

• Signal delivery

• Signal characterization



3

Սպեկտրալ սեղմում և սպեկտրաժամանակայինարտապատկերումԱնոմալ դիսպերսիայով սնամեջ լուսատարի կիրառմամբ, որին որպես ոչ գծային միջավայր հաջորդում էստանդարտ նորմալ դիսպերսիայով միամոդ լուսատարը, իրագործվում է ամբողջովին լուսատարայինժամանակային ոսպնյակի ՓԻՄ սարքավորումը, ֆեմտովայրկյանային իմպուլսների սպեկտրալսեղմման համար: Ֆեմտովայրկյանային իմպուլսների սպեկտրաժամանակային արտապատկերմանհամար նախատեսված սիմիլարիտոնային ժամանակային ոսպնյակի ԳՀԳ սխեմայում, պրիզմային կամցանցային դիսպերսիոն հապաղման գծի նույնպիսի փոխարինումը սնամեջ լուսատարով ևս ապահովումէ նրա հաջող գործունեությունը:

Ֆեմտովայրկյանային լազերային իմպուլսների սպեկտրալ ինքնասեղմում800նմ կենտրոնական ալիքի երկարությամբ ֆեմտովայրկյանային լազերային իմպուլսներիինքնազդեցությունը սնամեջ լուսատարում, ուժեղ անոմալ դիսպերսիայի և թույլ Կեռի ոչգծայնությանհամակցված ազդեցության պայմաններում, բերում է սպեկտրալ ինքնասեղմմանը, սոլիտոնայինինքնասեղմման սպեկտրալ անալոգի տեսական կանխատեսման համապատասխան:

Իմպուլսիտևողության չափման սիմիլարիտոնային մեթոդՖեմտովայրկյանային լազերային իմպուլսների տևողությունը կարելի է որոշել անցկացնելովճառագայթումը միամոդ լուսատարով, գեներացնելով նրանում ոչ գծային-դիսպերսիոն սիմիլարիտոն ևչափելով նրա սպեկտրալ լայնությունն ու էներգիան:

ՍպեկտրոնիփուլայինառանձնահատկություններըՍպեկտրոնային իմպուլսի ձևավորման պրոցեսում, դիսպերսիայի հեռու դաշտում, ինֆորմացիան(ազդանշանի մոդուլացումը) փոխանցվում է սպեկտրալ տիրույթից դեպի ժամանակային ոչ միայնճառագայթման դաշտի ամպլիտուդի, այլև փուլի համար: Արդյունքում, ձևավորվում է իմպուլս, որըվերարտադրում է ինտենսիվության սպեկտրալ բաշխումը, իսկ փուլը` սկզբնական սպեկտրալ փուլը (իհավելումն դիսպերսիայով մակածվածպաբոլիկ փուլի):

Պաշտպանության դրույթները



4

Chapter I

LITERATURE REVIEW AND OVERVIEW OF THESIS



5

Chapter II

SPECTRAL COMPRESSION

OF FEMTOSECOND LASER RADIATION



6

compressed spectrum795 800

0.92 nm

λ (nm)

Inte

nsity (

a.u

.)

λ(nm)785 800

11.3 nm

Inte

nsity (

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

SMFTi:Sapphire

KLM

laser

HCF

788 808 λ(nm)

10.9 nm

Inte

nsity (

a.u

.)

798 808 λ (nm)

1.3 nm

Inte

nsity (

a.u

.)

8

Similaritonic technique of SC


DDL

BS

M

M

M

Lens

SFG spectrometer

Ti:Sapphire

KLM

laser

SMF

Inte

nsity (

a.u

.)

394393.5 λ(nm)

0.12nm

Inte

nsity (

a.u

.)

394 λ(nm)390

2.8nm

~23x SC

9

Prototype of STI device

commercial prototype of STI device

30 cm

λ[nm]400397.5

λ[nm]400397.5

two-peak pulse STI

10

All-fiber similaritonic technique of SC

~11x SC


BS

M

M

M

Lens

SFG spectrometer

Ti:Sapphire

KLM

laser

SMF

HCF

Inte

nsity (

a.u

.)

400397.5 λ(nm)

0.2nm

Inte

nsity (

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



12



Chapter III

SPECTRAL SELF-COMPRESSION

OF FEMTOSECOND RADIATION

13

GVD: zA ,~ ]2/)/(exp[ 2

DLzi 0,~A

SPM:

)]/(exp[)/exp()( 2

0 NLNL LzitLiztA 12

20 ]|)0,0(|[ AnNLL

12

02 )( DL

>NLL DL self-spectral compression

<DL soliton effect compressionNLL

Analytical discussion of Self-SC

]|0,|exp[)0,(),( 2

02 ztAintAztA

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 40015

Self-SC of a supercontinuum in an SMF

self-SC

spectrometer

SMF

neutral

density

filter

Amplitude

Systems laser

+ amplifier

polarizati

on BS

YAG

crystal

longpass

filter

pulse generation

16

part of supercontinuum

spectrum

1280 1550wavelength [nm]

0.5

pow

er a

.u.

1280 1550wavelength [nm]

0.5

pow

er a

.u.

self-compressed

spectrum

~4.1x self-SC

I/I0

0.5

0

0-1 t/Δt

f/LD

0

50

I/I0

0.5

0

ω/Δω00-1

f/LD

0

50

0

1.5

I/I0

ω/Δω00-6 -3 3t/Δt0-100

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



18

MEASUREMENT OF FEMTOSECOND PULSE

DURATION AND PHASE USING

SIMILARITONS AND SPECTRONS

Chapter IV



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

12si

mil

arit

on

ban

dw

idth

[n

m]

sim

ilar

ito

n d

ura

tio

n [

ns]

-1000 1000

AC

-1000 1000

AC

-7 7

po

wer

[a.

u.]

-7 7

po

wer

[a.

u.]

[ns]

spectrometer /

oscilloscope

pulseshaping

SMF

AC

laser

BS

20

Shaping of spectron from three-peak pulses

-4 0 4

0

1

inte

nsi

ty

time

-2 0 2

0

1

frequency

inte

nsi

ty

-200 0 200

0

0.05

time

inte

nsi

ty

pulse spectrum spectron

-2 0 2

-2

2

Spec

tral

phas

e

frequency-200 0 200

-2

2

Phas

e

time-4 0 4

0

1

Inte

nsi

ty

time

pulse initial sp. phase spectron phase*

21

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

-5 0 50

1

Time

Inte

nsi

ty

-200 0 200

0

1

-3 0 3

0

1

Frequency

Inten

sity

Time

Inte

nsi

ty

-200 0 200-25

10-3 0 3

-25

10

Phas

e

Time

Sp. p

hase

Frequency

-200 0 200

-0.08

0.02-3 0 3

-6

2

Frequency

Tim

e

Fre

quen

cy

Time

pulse spectron

spectron phase

spectron chirpspectral 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



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



24

Publications related to the thesis1. 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).



25

THANK YOU

Documents

TIME-LENS INDUCTION, SIMILARITON- AND SOLITON- SHAPING