Neue Aspekte bei der Ausbreitung von Licht in Photonischen Kristallfasern

The study of nonlinear pulse propagation in photonic-crystal fibers (PCFs) produced new opportunities in fiber-optical research. The light is strongly confined to a small area of glass, enhancing the interaction of the light with the silica molecules. This caused a widespread distribution of the PCFs. Still, the demand for fiber-based light sources with tailored light properties grows steadily. This gives the motivation for thesis: The study of light traversing PCFs with engineered and unconventional dispersion landscapes. We used the high designability of solid-core PCFs to tailor unusual linear and nonlinear properties. It is demonstrated that light is strongly affected by axially-varying fiber designs. For example, the blue edge of the supercontinuum can be extended considerably and reaches far into the UV. This effect is maximized when the pump light lies in the normal dispersion region of the input facet. When the solitons near the long-wavelength zero-dispersion wavelength, the changing dispersion landscape imposes a pronounced blue-shift on the solitons. This counteracts the Raman-induced red-shift, and we observed soliton blue-shifts as much as 400 nm. Even non-varying PCFs can be used to achieve efficient supercontinuum generation, novel pulse shaping mechanisms or nonlinear wavelength conversion. For example, PCFs with a submicron core maximize the nonlinear coefficient and short pieces of these devices can be used to control the spectrum of laser pulses. Broad spectra are formed at low threshold powers. We discuss various pulse propagation regimes that arise for different pump powers and wavelengths. For certain input conditions, inter-soliton collisions occur, which can additionally enhance the energy conversion. The large nonlinear interaction of the light with the core material can also be used to shape the temporal characteristics of the optical field. We present the synthesis of a train of sub-50 fs pulses, having repetition rates in the THz region. The temporal spacing between these pulses can be tuned by varying the fiber and laser properties. The influence of the microstructured cladding on the overall dispersion can be balanced to create three zero-dispersion points close to each other, while still being endlessly single-mode. This scenario results in unexpected behavior — both for quasi-CW light and ultrashort pulses. It is shown numerically that fibers of this type offer highly unconventional phase-matching landscapes for four-wave mixing and resonant radiation, for example featuring anti-crossings between the phase-matching curves. The existence of a third zero-dispersion point introduces a great flexibility in the positioning of these waves, and lead to strong modifications of the spectro-temporal characteristics.Die nichtlineare Ausbreitung von Licht in photonischen Kristallfasern (englisch: photonic-crystal fibers, PCFs) ermöglichte das Auftreten neuartiger Anwendungen. Die Ausdehnung des Lichts ist auf die Kernregion beschränkt, und führt zu einer starken Wechselwirkung des elektrischen Feldes mit den Quarzglas-Molekülen. Als Folge treten nichtlineare Effekte merklich in Erscheinung, und ebneten die weitverbreitete Nutzung von PCFs. Der Bedarf an faserbasierten Lichtquellen steigt rasant an, ebenso wie die Anforderungen an die spektralen und zeitlichen Eigenschaften des Lichts. Dies führt zu der Aufgabenstellung dieser Arbeit: Die Beeinflussung der Lichteigenschaften in PCFs mit neuartigen Dispersionslandschaften. Wir nutzen die große Einstellbarkeit der Fasereigenschaften und realisieren ungewöhnliche lineare und nichtlineare Charakteristiken. Es wird gezeigt, dass Licht in einer axial-variierenden Faser stark beeinflusst wird. Zum Beispiel kann die kurzwellige Kante eines Superkontinuums tief in das UV verschoben werden. Die sich ändernde Dispersionslandschaft bewirkt zudem einen unerwarteten Effekt auf Solitonen: die sich ändernde langwellige Nulldispersion führt zu einer starken Blauverschiebung. Dies wirkt der Raman-Rotverschiebung entgegen, und wir haben Blauverschiebungen um mehr als 400 nm gefunden. Auch nicht-variierende Fasern können für eine effektive Weisslichterzeugung, Pulsformung und Wellenlängenkonversion benutzt werden. Zum Beispiel führt ein Faserkerns im der Größe der Lichtwellenlänge zu einer Maximierung der nichtlinearen Antwort auf den Puls. Damit genügen kurze Faserstücke zur Erzeugung von Superkontinua, bei sehr geringen Pumpleistungen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass für verschiedene Pumpleistungen und -wellenlängen unterschiedliche Propagationsbereiche entstehen. Zusätzlich können Kollisionen zwischen Solitonen auftreten, die für einen zusätzlichen Energieübertrag in andere Wellenlängenbereiche sorgen. Die starke Wechselwirkung von Licht mit dem Kern kann auch zur zeitlichen Pulsformung genutzt werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass dies einen Zug von ultrakurzen Pulsen zur Folge hat. Der zeitliche Abstand zwischen den Pulsen entspricht einigen Terahertz. Die Eigenschaften des Pulszuges kann mit den Pump- und Fasereigenschaften eingestellt werden. Wird der Einfluss des mikrostrukturierten Mantels auf die Gesamtdispersion optimal ausbalanciert, kann es zum Auftreten von drei Nullstellen in der Dispersionskurve kommen. Diese Eigenschaft zeigt ein ungewöhnliches Verhalten — sowohl für quasi-CW Licht als auch für ultrakurze Pulse. Wir zeigen numerisch, dass Fasern dieser Art ein höchst unkonventionelles Verhalten in der Phasenanpassungskurve für Vier-Wellen Mischung und resonanter Strahlung aufweisen. Zum Beispiel findet man in beiden Fällen die Existenz von Bandabstossungseffekten. Die Präsenz von drei Nulldispersionen erlaubt eine beispiellose Freiheit in der Positionierung von neuerzeugten Seitenbändern