Abstract

Hollow-core photonic-crystal fibers are shown to substantially enhance four-wave mixing (FWM) of laser pulses in a gas filling the fiber core. Picosecond pulses of Nd:YAG fundamental radiation and its second harmonic are used to generate a signal at the frequency of the third harmonic by the FWM process 3ω=2ω+2ω-ω. The efficiency achieved for this process in a 9-cm-long, 13µm-hollow-core-diameter photonic-crystal fiber, designed to simultaneously transmit a two-color pump and the FWM signal, is shown to be 800 times higher than the maximum FWM efficiency attainable with the same laser pulses in the tight-focusing regime.

© 2003 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. R. F. Cregan, B. J. Mangan, J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, P. J. Roberts, and D. C. Allan, Science 285, 1537 (1999).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, and D. M. Atkin, Opt. Lett. 21, 1547 (1996).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. N. G. R. Broderick, T. M. Monro, P. J. Bennett, and D. J. Richardson, Opt. Lett. 24, 1395 (1999).
    [CrossRef]
  4. B. J. Eggleton, C. Kerbage, P. S. Westbrook, R. S. Windeler, and A. Hale, Opt. Express 9, 698 (2001).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. S. O. Konorov, A. B. Fedotov, O. A. Kolevatova, V. I. Beloglazov, N. B. Skibina, A. V. Shcherbakov, and A. M. Zheltikov, JETP Lett. 76, 341 (2002).
    [CrossRef]
  6. F. Benabid, J. C. Knight, and P. St. J. Russell, Opt. Express 10, 1195 (2002).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. A. N. Naumov and A. M. Zheltikov, Quantum Electron. 32, 129 (2002).
    [CrossRef]
  8. F. Benabid, J. C. Knight, G. Antonopoulos, and P. St. J. Russell, Science 298, 399 (2002).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. A. M. Zheltikov, J. Raman Spectrosc. 31, 653 (2000).
    [CrossRef]
  10. G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics (Academic, San Diego, Calif., 2001).
  11. R. B. Miles, G. Laufer, and G. C. Bjorklund, Appl. Phys. Lett. 30, 417 (1977).
    [CrossRef]
  12. G. I. Stegeman, R. Fortenberry, C. Karaguleff, R. Moshrefzadeh, W. M. Hetherington III, N. E. Van Wyck, and J. E. Sipe, Opt. Lett. 8, 295 (1983).
    [CrossRef] [PubMed]
  13. A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Appl. Phys. B 72, 575 (2001).
    [CrossRef]
  14. S. O. Konorov, D. A. Akimov, A. N. Naumov, A. B. Fedotov, R. B. Miles, J. W. Haus, and A. M. Zheltikov, J. Raman Spectrosc. 33, 955 (2002).
    [CrossRef]
  15. E. A. J. Marcatili and R. A. Schmeltzer, Bell Syst. Tech. J. 43, 1783 (1964).
    [CrossRef]
  16. A. M. Zheltikov, N. I. Koroteev, and A. B. Fedotov, Laser Phys. 4, 569 (1994).
  17. S. A. Akhmanov and N. I. Koroteev, Methods of Nonlinear Optics in Light Scattering Spectroscopy (Nauka, Moscow, 1981) in Russian.
  18. C. Iaconis and I. A. Walmsley, IEEE J. Quantum Electron. 35, 501 (1999).
    [CrossRef]
  19. A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, O. A. Kolevatova, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Laser Phys. 11, 515 (2001).

2002 (5)

S. O. Konorov, A. B. Fedotov, O. A. Kolevatova, V. I. Beloglazov, N. B. Skibina, A. V. Shcherbakov, and A. M. Zheltikov, JETP Lett. 76, 341 (2002).
[CrossRef]

F. Benabid, J. C. Knight, and P. St. J. Russell, Opt. Express 10, 1195 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

A. N. Naumov and A. M. Zheltikov, Quantum Electron. 32, 129 (2002).
[CrossRef]

F. Benabid, J. C. Knight, G. Antonopoulos, and P. St. J. Russell, Science 298, 399 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

S. O. Konorov, D. A. Akimov, A. N. Naumov, A. B. Fedotov, R. B. Miles, J. W. Haus, and A. M. Zheltikov, J. Raman Spectrosc. 33, 955 (2002).
[CrossRef]

2001 (4)

G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics (Academic, San Diego, Calif., 2001).

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Appl. Phys. B 72, 575 (2001).
[CrossRef]

B. J. Eggleton, C. Kerbage, P. S. Westbrook, R. S. Windeler, and A. Hale, Opt. Express 9, 698 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, O. A. Kolevatova, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Laser Phys. 11, 515 (2001).

2000 (1)

A. M. Zheltikov, J. Raman Spectrosc. 31, 653 (2000).
[CrossRef]

1999 (3)

N. G. R. Broderick, T. M. Monro, P. J. Bennett, and D. J. Richardson, Opt. Lett. 24, 1395 (1999).
[CrossRef]

R. F. Cregan, B. J. Mangan, J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, P. J. Roberts, and D. C. Allan, Science 285, 1537 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

C. Iaconis and I. A. Walmsley, IEEE J. Quantum Electron. 35, 501 (1999).
[CrossRef]

1996 (1)

1994 (1)

A. M. Zheltikov, N. I. Koroteev, and A. B. Fedotov, Laser Phys. 4, 569 (1994).

1983 (1)

1981 (1)

S. A. Akhmanov and N. I. Koroteev, Methods of Nonlinear Optics in Light Scattering Spectroscopy (Nauka, Moscow, 1981) in Russian.

1977 (1)

R. B. Miles, G. Laufer, and G. C. Bjorklund, Appl. Phys. Lett. 30, 417 (1977).
[CrossRef]

1964 (1)

E. A. J. Marcatili and R. A. Schmeltzer, Bell Syst. Tech. J. 43, 1783 (1964).
[CrossRef]

Agrawal, G. P.

G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics (Academic, San Diego, Calif., 2001).

Akhmanov, S. A.

S. A. Akhmanov and N. I. Koroteev, Methods of Nonlinear Optics in Light Scattering Spectroscopy (Nauka, Moscow, 1981) in Russian.

Akimov, D. A.

S. O. Konorov, D. A. Akimov, A. N. Naumov, A. B. Fedotov, R. B. Miles, J. W. Haus, and A. M. Zheltikov, J. Raman Spectrosc. 33, 955 (2002).
[CrossRef]

Allan, D. C.

R. F. Cregan, B. J. Mangan, J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, P. J. Roberts, and D. C. Allan, Science 285, 1537 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Antonopoulos, G.

F. Benabid, J. C. Knight, G. Antonopoulos, and P. St. J. Russell, Science 298, 399 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Atkin, D. M.

Beloglazov, V. I.

S. O. Konorov, A. B. Fedotov, O. A. Kolevatova, V. I. Beloglazov, N. B. Skibina, A. V. Shcherbakov, and A. M. Zheltikov, JETP Lett. 76, 341 (2002).
[CrossRef]

Benabid, F.

F. Benabid, J. C. Knight, and P. St. J. Russell, Opt. Express 10, 1195 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

F. Benabid, J. C. Knight, G. Antonopoulos, and P. St. J. Russell, Science 298, 399 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Bennett, P. J.

Birks, T. A.

R. F. Cregan, B. J. Mangan, J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, P. J. Roberts, and D. C. Allan, Science 285, 1537 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, and D. M. Atkin, Opt. Lett. 21, 1547 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Bjorklund, G. C.

R. B. Miles, G. Laufer, and G. C. Bjorklund, Appl. Phys. Lett. 30, 417 (1977).
[CrossRef]

Broderick, N. G. R.

Cregan, R. F.

R. F. Cregan, B. J. Mangan, J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, P. J. Roberts, and D. C. Allan, Science 285, 1537 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Eggleton, B. J.

Fedotov, A. B.

S. O. Konorov, A. B. Fedotov, O. A. Kolevatova, V. I. Beloglazov, N. B. Skibina, A. V. Shcherbakov, and A. M. Zheltikov, JETP Lett. 76, 341 (2002).
[CrossRef]

S. O. Konorov, D. A. Akimov, A. N. Naumov, A. B. Fedotov, R. B. Miles, J. W. Haus, and A. M. Zheltikov, J. Raman Spectrosc. 33, 955 (2002).
[CrossRef]

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Appl. Phys. B 72, 575 (2001).
[CrossRef]

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, O. A. Kolevatova, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Laser Phys. 11, 515 (2001).

A. M. Zheltikov, N. I. Koroteev, and A. B. Fedotov, Laser Phys. 4, 569 (1994).

Fortenberry, R.

Giammanco, F.

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Appl. Phys. B 72, 575 (2001).
[CrossRef]

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, O. A. Kolevatova, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Laser Phys. 11, 515 (2001).

Hale, A.

Haus, J. W.

S. O. Konorov, D. A. Akimov, A. N. Naumov, A. B. Fedotov, R. B. Miles, J. W. Haus, and A. M. Zheltikov, J. Raman Spectrosc. 33, 955 (2002).
[CrossRef]

Hetherington III, W. M.

Iaconis, C.

C. Iaconis and I. A. Walmsley, IEEE J. Quantum Electron. 35, 501 (1999).
[CrossRef]

Karaguleff, C.

Kerbage, C.

Knight, J. C.

F. Benabid, J. C. Knight, G. Antonopoulos, and P. St. J. Russell, Science 298, 399 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

F. Benabid, J. C. Knight, and P. St. J. Russell, Opt. Express 10, 1195 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

R. F. Cregan, B. J. Mangan, J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, P. J. Roberts, and D. C. Allan, Science 285, 1537 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, and D. M. Atkin, Opt. Lett. 21, 1547 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Kolevatova, O. A.

S. O. Konorov, A. B. Fedotov, O. A. Kolevatova, V. I. Beloglazov, N. B. Skibina, A. V. Shcherbakov, and A. M. Zheltikov, JETP Lett. 76, 341 (2002).
[CrossRef]

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, O. A. Kolevatova, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Laser Phys. 11, 515 (2001).

Konorov, S. O.

S. O. Konorov, A. B. Fedotov, O. A. Kolevatova, V. I. Beloglazov, N. B. Skibina, A. V. Shcherbakov, and A. M. Zheltikov, JETP Lett. 76, 341 (2002).
[CrossRef]

S. O. Konorov, D. A. Akimov, A. N. Naumov, A. B. Fedotov, R. B. Miles, J. W. Haus, and A. M. Zheltikov, J. Raman Spectrosc. 33, 955 (2002).
[CrossRef]

Koroteev, N. I.

A. M. Zheltikov, N. I. Koroteev, and A. B. Fedotov, Laser Phys. 4, 569 (1994).

S. A. Akhmanov and N. I. Koroteev, Methods of Nonlinear Optics in Light Scattering Spectroscopy (Nauka, Moscow, 1981) in Russian.

Laufer, G.

R. B. Miles, G. Laufer, and G. C. Bjorklund, Appl. Phys. Lett. 30, 417 (1977).
[CrossRef]

Mangan, B. J.

R. F. Cregan, B. J. Mangan, J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, P. J. Roberts, and D. C. Allan, Science 285, 1537 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Marcatili, E. A. J.

E. A. J. Marcatili and R. A. Schmeltzer, Bell Syst. Tech. J. 43, 1783 (1964).
[CrossRef]

Marsili, P.

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Appl. Phys. B 72, 575 (2001).
[CrossRef]

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, O. A. Kolevatova, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Laser Phys. 11, 515 (2001).

Miles, R. B.

S. O. Konorov, D. A. Akimov, A. N. Naumov, A. B. Fedotov, R. B. Miles, J. W. Haus, and A. M. Zheltikov, J. Raman Spectrosc. 33, 955 (2002).
[CrossRef]

R. B. Miles, G. Laufer, and G. C. Bjorklund, Appl. Phys. Lett. 30, 417 (1977).
[CrossRef]

Monro, T. M.

Moshrefzadeh, R.

Naumov, A. N.

S. O. Konorov, D. A. Akimov, A. N. Naumov, A. B. Fedotov, R. B. Miles, J. W. Haus, and A. M. Zheltikov, J. Raman Spectrosc. 33, 955 (2002).
[CrossRef]

A. N. Naumov and A. M. Zheltikov, Quantum Electron. 32, 129 (2002).
[CrossRef]

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Appl. Phys. B 72, 575 (2001).
[CrossRef]

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, O. A. Kolevatova, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Laser Phys. 11, 515 (2001).

Richardson, D. J.

Roberts, P. J.

R. F. Cregan, B. J. Mangan, J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, P. J. Roberts, and D. C. Allan, Science 285, 1537 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Ruffini, A.

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Appl. Phys. B 72, 575 (2001).
[CrossRef]

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, O. A. Kolevatova, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Laser Phys. 11, 515 (2001).

Russell, P. St. J.

F. Benabid, J. C. Knight, G. Antonopoulos, and P. St. J. Russell, Science 298, 399 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

F. Benabid, J. C. Knight, and P. St. J. Russell, Opt. Express 10, 1195 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

R. F. Cregan, B. J. Mangan, J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, P. J. Roberts, and D. C. Allan, Science 285, 1537 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, and D. M. Atkin, Opt. Lett. 21, 1547 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Schmeltzer, R. A.

E. A. J. Marcatili and R. A. Schmeltzer, Bell Syst. Tech. J. 43, 1783 (1964).
[CrossRef]

Shcherbakov, A. V.

S. O. Konorov, A. B. Fedotov, O. A. Kolevatova, V. I. Beloglazov, N. B. Skibina, A. V. Shcherbakov, and A. M. Zheltikov, JETP Lett. 76, 341 (2002).
[CrossRef]

Sidorov-Biryukov, D. A.

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Appl. Phys. B 72, 575 (2001).
[CrossRef]

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, O. A. Kolevatova, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Laser Phys. 11, 515 (2001).

Sipe, J. E.

Skibina, N. B.

S. O. Konorov, A. B. Fedotov, O. A. Kolevatova, V. I. Beloglazov, N. B. Skibina, A. V. Shcherbakov, and A. M. Zheltikov, JETP Lett. 76, 341 (2002).
[CrossRef]

Stegeman, G. I.

Van Wyck, N. E.

Walmsley, I. A.

C. Iaconis and I. A. Walmsley, IEEE J. Quantum Electron. 35, 501 (1999).
[CrossRef]

Westbrook, P. S.

Windeler, R. S.

Zheltikov, A. M.

S. O. Konorov, A. B. Fedotov, O. A. Kolevatova, V. I. Beloglazov, N. B. Skibina, A. V. Shcherbakov, and A. M. Zheltikov, JETP Lett. 76, 341 (2002).
[CrossRef]

A. N. Naumov and A. M. Zheltikov, Quantum Electron. 32, 129 (2002).
[CrossRef]

S. O. Konorov, D. A. Akimov, A. N. Naumov, A. B. Fedotov, R. B. Miles, J. W. Haus, and A. M. Zheltikov, J. Raman Spectrosc. 33, 955 (2002).
[CrossRef]

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Appl. Phys. B 72, 575 (2001).
[CrossRef]

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, O. A. Kolevatova, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Laser Phys. 11, 515 (2001).

A. M. Zheltikov, J. Raman Spectrosc. 31, 653 (2000).
[CrossRef]

A. M. Zheltikov, N. I. Koroteev, and A. B. Fedotov, Laser Phys. 4, 569 (1994).

Appl. Phys. B (1)

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Appl. Phys. B 72, 575 (2001).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (1)

R. B. Miles, G. Laufer, and G. C. Bjorklund, Appl. Phys. Lett. 30, 417 (1977).
[CrossRef]

Bell Syst. Tech. J. (1)

E. A. J. Marcatili and R. A. Schmeltzer, Bell Syst. Tech. J. 43, 1783 (1964).
[CrossRef]

IEEE J. Quantum Electron. (1)

C. Iaconis and I. A. Walmsley, IEEE J. Quantum Electron. 35, 501 (1999).
[CrossRef]

J. Raman Spectrosc. (2)

S. O. Konorov, D. A. Akimov, A. N. Naumov, A. B. Fedotov, R. B. Miles, J. W. Haus, and A. M. Zheltikov, J. Raman Spectrosc. 33, 955 (2002).
[CrossRef]

A. M. Zheltikov, J. Raman Spectrosc. 31, 653 (2000).
[CrossRef]

JETP Lett. (1)

S. O. Konorov, A. B. Fedotov, O. A. Kolevatova, V. I. Beloglazov, N. B. Skibina, A. V. Shcherbakov, and A. M. Zheltikov, JETP Lett. 76, 341 (2002).
[CrossRef]

Laser Phys. (2)

A. M. Zheltikov, N. I. Koroteev, and A. B. Fedotov, Laser Phys. 4, 569 (1994).

A. B. Fedotov, F. Giammanco, A. N. Naumov, P. Marsili, A. Ruffini, O. A. Kolevatova, D. A. Sidorov-Biryukov, and A. M. Zheltikov, Laser Phys. 11, 515 (2001).

Opt. Express (2)

Opt. Lett. (3)

Quantum Electron. (1)

A. N. Naumov and A. M. Zheltikov, Quantum Electron. 32, 129 (2002).
[CrossRef]

Science (2)

F. Benabid, J. C. Knight, G. Antonopoulos, and P. St. J. Russell, Science 298, 399 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

R. F. Cregan, B. J. Mangan, J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, P. J. Roberts, and D. C. Allan, Science 285, 1537 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Other (2)

G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics (Academic, San Diego, Calif., 2001).

S. A. Akhmanov and N. I. Koroteev, Methods of Nonlinear Optics in Light Scattering Spectroscopy (Nauka, Moscow, 1981) in Russian.

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Efficiency of waveguide FWM in (curve 1, circles) a standard hollow fiber with a solid cladding (ρ) and (curves 2 and 3) a hollow MS fiber (μ) with an attenuation coefficient of (curve 2, diamonds) α=0.1 cm-1 and (curve 3, plusses) α=0.01 cm-1 as functions of the inner radius of the fiber (a). Dotted line, 4, efficiency of FWM in the regime of tight focusing. The radiation wavelength is 0.5 µm.

Fig. 2
Fig. 2

Diagram of (top) the FWM process 3ω=2ω+2ω-ω and (bottom) the experimental transmission spectrum of a hollow-core PCF designed to simultaneously transmit the two-color pump (at 1.06 and 0.53 µm) and the FWM signal. The cross-section image of a hollow-core PCF is shown on the left. The period of the structure in the cladding is 5 µm, and the core diameter is 13 µm.

Fig. 3
Fig. 3

Experimental setup for the investigation of FWM in a hollow-core PCF. The inset shows the transverse intensity distribution of second-harmonic radiation in the fundamental air-guided mode of the hollow-core PCF. DKDP, crystal for second-harmonic generation; PMT, photomultiplier.

Tables (1)

Tables Icon

Table 1 Enhanced FWM (3ω=2ω+2ω-ω) of 30-ps Pulses in a Solid-Cladding Hollow Fibera and a Hollow-Core PCFb

Metrics