Abstract

We investigate coupling mechanisms between the amplitude and the carrier-envelope offset phase in mode-locked lasers. We find that nonlinear beam steering in combination with the intracavity prism compressor is the predominant mechanism that causes amplitude-to-phase conversion in our laser. A second mechanism, induced by self-steepening, is also identified. These mechanisms are important for stabilizing the carrier-envelope offset phase and also explain the extremely low pulse-to-pulse energy fluctuations observed in some lasers with carrier-envelope lock. The coupling mechanisms described have important implications for applications of few-cycle optical pulses.

© 2002 Optical Society of America

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Cited By

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Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Experimental setup (laser with intracavity prisms): AOM, acousto-optic modulator; Ref, modulation frequency of the pump light; XTAL, Ti:sapphire crystal; PSD, position-sensitive detector; OC, output coupler; MSF, microstructure fiber for continuum generation; SHG, 10-mm lithium triborate crystal for noncritically phase-matched second-harmonic generation of 1100 nm; G, grating used for spectral filtering; APD, avalanche photodiode; f/U, frequency-to-voltage conversion; RF-SA, radio-frequency spectrum analyzer; Lock In, lock-in amplifier.

Fig. 2
Fig. 2

a, Phase noise spectra of the measured CEO signal. Shown are three spectra, those of an unstabilized laser with intracavity prisms and of a prismless laser with and without active phase stabilization. b, Coupling between CEO frequency change (in hertz) and intracavity intensity modulation (in watts per square meter) for a range of modulation frequencies in the prismless laser. Note that the modulation amplitude was kept at a perturbational level of 0.2% and does not fully suppress laser noise at several discrete frequencies.

Fig. 3
Fig. 3

Suggested beam pointing variations induced by nonlinear refraction in the gain crystal (XTAL). Nonlinear beam steering induces differential material insertion at intracavity prisms P1 and P2, which leads to changes in the group-phase offset. M1 is an intracavity folding mirror, M2 is an end mirror or output coupler, and PSD is the position-sensitive detector. Experimentally detected beam movements are small compared with the numerical aperture of the beams. The pump acts as a geometric filter and constantly forces the laser mode to maximum overlap with the pumped volume inside the laser crystal.

Equations (2)

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ΔφGPO=2πλ0Lngz-nzdz=ω2c0Ldnzdωdz
fCEO=ΔφCEO2πTR=ΔφCEO2πfrep.

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