包絡波近似を超えた非線形光学現象

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11450022
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 山下 幹雄 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (10240631)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大谷 守正 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助手 (90001320) ; 森田 隆二 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (30222350)
• Keywords: モノサイクル光パルス / 自己位相変調 / 誘起位相変調 / 超広帯域コヒーレント光波 / 位相補償 / 空間位相変調器 / 包絡波近似フリー / フーリエ直接法

Research Abstract

光パルス幅がキャリア中心周波数の逆数近くなってくると、従来まで光科学の領域で広範囲に用いられている包絡波近似の妥当性があやしくなってくる。しかしながら、この包絡波近似が破られるときの定量的基準、物理量間の関係式は、これまでに明らかにされていない。さらに、どのような具体的に現象が異なってくるか実験的に明示された例はない。そこで、本研究の目的は、数サイクル以下の極限光パルスを発生させ、その位相シフト干渉を含む線形伝播、自己位相変調非線形伝播、誘起位相変調非線形伝播現象に的を絞り、上記を実験・理論の両面から明確にすることである。本年度は、具体的に以下のことを行った。
・1.アルゴンガス充填ファイバー中に、チタニウムサファイアレーザー増幅器からのフェムト秒光パルス(基本波;中心波長780nm)およびその光第2高調波パルスを伝播させた。この際、基本波、第2高調波パルス間の遅延時間を最適化し、自己位相変調、誘起位相変調効果を効率的に生じさせ、700THzの超広帯域コヒーレント光波発生に成功した。この光波は、位相補償ができれば、モノサイクル光パルスに対応する。
・2.同じくアルゴンガス充填ファイバー中にチタニウムサファイアレーザー増幅器からのフェムト秒パルス(基本波;中心波長780nm)を伝播させ、自己位相変調効果による220THzの広帯域化を行ったのち、プリズム対による前置位相補償ならびに空間位相変調器による位相補償により、4.9fs(2サイクル)光パルスの発生に成功した。これは、空間位相変調器を用いた位相補償結果として最短のものである。
・3.包絡波近似を用いず、Maxwell方程式を直接解く方法として、新たに「Fourier直接法」の開発、ならびにこの方法を用いたモノサイクル光パルス非線形伝播の計算機実験を行った。この「Fourier直接法」は、Maxwell方程式を直接解く従来法である時間領域差分法に比べ、屈折率分散をより正確に取り込むことができるという特徴を持つ。また、モノサイクル光パルス非線形伝播計算機実験では、伝播に伴い、パルスが分散効果により非対称に広がることを初めて見いだした。

Research Products

• [Publications] N. Karasawa, S. Nakamura, et al.: "Comparison between theory and experiment of nonlinear propagation for 4.5-cycle optical pulses in a fused-silica fiber"Nonlinear Opt.. (in press). (2000)
• [Publications] Y. Yamaoka, R. Morita, et al.: "Numerical analysis of femtosecond time-resolved degenerate four-wave mixing signal including group-velocity dispersion effect"Jpn. J. Appl. Phys.. (in press). (2000)
• [Publications] N. Karasawa, R. Morita, et al.: "Generation of intense ultrabroadband optical pulses by induced phase modulation in an argon-filled single-mode hollow waveguide"Opt. Lett.. 25. 183-185 (2000)
• [Publications] L. Xu, N. Karasawa, et al.: "Experimental generation of an ultra-broad spectrum based on induced-phase modulation in a single-mode glass fiber"Opt. Commun.. 162. 256-260 (1999)
• [Publications] N. Karasawa, R. Morita, et al.: "Theory of ultrabroadband optical pulse generation by induced phase modulation in a gas-filled hollow waveguide"J. Opt. Soc. Am. B. 16. 662-668 (1999)
• [Publications] M. Yamashita, S. Kikuma, et al.: "Nonresonant femtosecond second hyperpolalizabilities of intramolecular charge-transfer molecules with great excited- and ground-state dipole-moment differences"Appl. Phys. Lett.. 75. 28-30 (1999)
• [Publications] R. Morita, H. Yanagisawa, et al.: "Femtosecond Optical Nonlinearity through a two-photon process in carotenoid solutions"Nonlinear Opt.. 22. 409-412 (1999)
• [Publications] H. Murakami, R. Morita, et al.: "Concentration dependence study of the third-order nonlinearity in 4-(N,N-diethylamino)-β-nitrostyrene (DEANST) doped polymer films by use of electroabsorption spectroscopy"Nonlinear Opt.. 22. 385-388 (1999)
• [Publications] Y. Yamaoka, R. Morita, et al.: "Group-velocity dispersion effect on the femtosecond time-dependent, degenerative four-wave mixing signal near the absorption edge of 4-(N,N-diethylamino)-β-nitrostyrene (DEANST) solutions"Nonlinear Opt.. 22. 381-384 (1999)
• [Publications] H. Murakami, R. Morita, et al.: "Third-order nonlinear optical susceptibility measurement in 1-methyl-1'- octadecyl-2,2'-cyanine perchlorate Langmuir-Blodgett films by means of electroabsorption spectroscopy"Mol. Cryst. & Liq. Cryst.. 327. 31-35 (1999)
• [Publications] 山下幹雄: "「量子工学ハンドブック」フェムト秒域の光波技術"朝倉書店. 973 (1999)