Esperimenti

Generazione di pettini di frequenze ottiche in mezzi con nonlinearità quadratica

Originariamente concepiti per la metrologia di frequenza, i pettini di modi ottico spettralmente equidistanti sono oggi abitualmente utilizzati in una vasta gamma di applicazioni. Ai laser mode-locked a impulsi ultra-corti, inizialmente utilizzati per la generazione dei pettini, si sono successivamente aggiunti i microrisonatori Kerr, realizzati con materiali che sfruttano la nonlinearità del terzo ordine χ⁽³⁾ (tipo Kerr), pompati in regime continuo.
Noi abbiamo dimostrato la generazione di pettini ottici di frequenza in un mezzo con linearità del secondo ordine χ⁽²⁾, posto in una cavità ottica risonante pompata in regime continuo. La cavità nonlineare, inizialmente concepita per la generazione della seconda armonica della frequenza di pompa, al di sopra di una certa soglia per la potenza di pompaggio dà luogo ad un oscillazione parametrica in cascata, Fig. 1 (a). A sua volta, l’insorgenza di modi parametrici secondari innesca una serie di processi in cascata, Figura 1 (b), che può portare alla formazione di pettini di frequenza.
Il sistema si basa su un cristallo di niobato di litio a inversione periodica di polarizzazione, collocato in una cavità ottica risonante e pompato da un laser Nd:YAG amplificato fino a 9 W. Quando ci si allontana dalla condizione di quasi-phase-matching per la generazione armonica, osserviamo la formazione di pettini di frequenza (χ⁽²⁾-combs) i cui modi sono equidistanziati di un multiplo del free spectral range (FSR) della cavità. Quando la potenza della pompa viene ulteriormente aumentata, si osserva la comparsa di pettini di frequenza secondari intorno a ciascun dente del pettine primario. La spaziatura dei modi secondari corrisponde a un FSR. Quando il cristallo si allontana significativamente dalla condizione di quasi-phase-matching per il processo armonico iniziale, un pettine χ⁽²⁾, equispaziato di un FSR, appare direttamente intorno al modo fondamentale, fino a coprire un intervallo di circa 10 nm (~ 5000 denti), Fig. 2 (a). I pettini osservati nell’intorno della frequenza di pompa hanno un corrispettivo nella regione armonica. L’estrema purezza spettrale delle nota di battimento intermodale, Fig. 2 (a) e 2 (b), è un chiaro indizio di un elevato grado di correlazione tra i denti del pettine.
Dal punto di vista teorico, abbiamo sviluppato un modello dinamico che mostra una forte analogia con modelli spettrali usati per la descrizione degli effetti del terzo ordine nei microrisonatori. Questa somiglianza rivela la possibilità di predire e osservare molti degli effetti che sono stati osservati in cavità con mezzo Kerr, come solitoni temporali, amplificazione iperparametrica, coerenza di fase intermodale e mode-locking, emissione pulsata. I pettini χ⁽²⁾ hanno diversi vantaggi rispetto ai pettini basati su materiali, sfruttando la maggiore efficienza intrinseca dei processi quadratici, combinata con la possibilità di adattare l’efficienza spettrale non lineare del materiale. La condizione di phase-matching svolge un ruolo simile alla dispersione nei risonatori Kerr, permettendo di passare da regimi ‘dispersivi’ normali ad anomali semplicemente variando la condizione di phase-matching. Pertanto, in linea di principio, i pettini χ⁽²⁾ possono operare in tutto l’intervallo di trasparenza del materiale nonlineare, senza il vincolo sulle caratteristiche dispersive che grava sui dispositivi χ⁽³⁾.

a) La generazione di seconda armonica con oscillazione parametrica in cascata dà luogo a componenti sub-armoniche multiple, (b), che a loro volta innescano processi nonlineari in cascata.

(a) Spettro ottico calibrato del pettine nella regione infrarossa attorno alla frequenza fondamentale di pompa. La potenza integrata è di 50 mW. (b)-(c) Battimenti intermodali per i pettini nella regione sub-armonica e armonica.