Budenie druhých harmonických v širokom spektre

Budenie druhých harmonických v širokom spektre

Od objavenia nelineárnych optických efektov druhého rádu v 60. rokoch 20. storočia vzbudili široký záujem výskumníkov a doteraz, na základe efektov druhej harmonickej a frekvencie, sa dosiahli efekty od extrémneho ultrafialového až po ďaleké infračervené pásmo.lasery, výrazne podporil vývoj laseru,optickýspracovanie informácií, mikroskopické zobrazovanie s vysokým rozlíšením a ďalšie oblasti. Podľa nelineárnychoptikaPodľa teórie polarizácie je nelineárny optický efekt párneho rádu úzko spojený s kryštálovou symetriou a nelineárny koeficient nie je nulový iba v symetrických médiách s necentrálnou inverziou. Ako najzákladnejší nelineárny efekt druhého rádu, druhé harmonické výrazne bránia ich generovaniu a efektívnemu využitiu v kremenných vláknach kvôli amorfnej forme a symetrii stredovej inverzie. V súčasnosti môžu polarizačné metódy (optická polarizácia, tepelná polarizácia, polarizácia elektrického poľa) umelo narušiť symetriu stredovej inverzie materiálu optického vlákna a účinne zlepšiť nelinearitu druhého rádu optického vlákna. Táto metóda si však vyžaduje zložitú a náročnú technológiu prípravy a dokáže splniť podmienky kvázifázového prispôsobenia iba pri diskrétnych vlnových dĺžkach. Rezonančný kruh optického vlákna založený na móde ozveny obmedzuje excitáciu druhých harmonických v širokom spektre. Narušením symetrie povrchovej štruktúry vlákna sa povrchové druhé harmonické vo vlákne so špeciálnou štruktúrou do určitej miery zosilnia, ale stále závisia od femtosekundového čerpacieho impulzu s veľmi vysokým špičkovým výkonom. Preto sú generovanie nelineárnych optických efektov druhého rádu v celovláknových štruktúrach a zlepšenie účinnosti konverzie, najmä generovanie širokospektrálnych druhých harmonických pri nízkoenergetickom, kontinuálnom optickom čerpaní, základnými problémami, ktoré je potrebné vyriešiť v oblasti nelineárnej vláknovej optiky a zariadení, a majú dôležitý vedecký význam a širokú aplikačnú hodnotu.

Výskumný tím v Číne navrhol schému fázovej integrácie vrstevnatých kryštálov selenidu gália s mikro-nano vláknom. Využitím vysokej nelinearity druhého rádu a usporiadania kryštálov selenidu gália na veľké vzdialenosti sa realizuje proces excitácie druhej harmonickej so širokým spektrom a multifrekvenčnej konverzie, čo poskytuje nové riešenie pre zlepšenie multiparametrických procesov vo vláknach a prípravu širokopásmového signálu druhej harmonickej.svetelné zdrojeÚčinné budenie druhej harmonickej a súčtového frekvenčného efektu v schéme závisí hlavne od nasledujúcich troch kľúčových podmienok: dlhá interakčná vzdialenosť svetla a hmoty medzi selenidom gália amikro-nano vlákno, vysoká nelinearita druhého rádu a rád dlhého dosahu vrstevnatého kryštálu selenidu gália a podmienky fázového prispôsobenia základnej frekvencie a režimu zdvojnásobenia frekvencie sú splnené.

V experimente malo mikro-nano vlákno pripravené systémom skenovania plameňom s rovnomernou kužeľovou oblasťou rádovo v milimetroch, čo poskytuje dlhú nelineárnu akčnú dĺžku pre čerpacie svetlo a druhú harmonickú vlnu. Nelineárna polarizovateľnosť druhého rádu integrovaného kryštálu selenidu gália presahuje 170 pm/V, čo je oveľa viac ako vnútorná nelineárna polarizovateľnosť optického vlákna. Okrem toho, usporiadaná štruktúra kryštálu selenidu gália s dlhým dosahom zabezpečuje kontinuálnu fázovú interferenciu druhých harmonických, čím plne využíva výhodu veľkej nelineárnej akčnej dĺžky v mikro-nano vlákne. A čo je dôležitejšie, fázové prispôsobenie medzi základným optickým módom čerpacieho svetla (HE11) a módom vyššieho rádu druhej harmonickej (EH11, HE31) sa dosahuje riadením priemeru kužeľa a následnou reguláciou disperzie vlnovodu počas prípravy mikro-nano vlákna.

Vyššie uvedené podmienky tvoria základ pre efektívnu a širokopásmovú excitáciu druhých harmonických v mikro-nano vlákne. Experiment ukazuje, že výstup druhých harmonických na úrovni nanowatt je možné dosiahnuť pri pikosekundovom pulznom laserovom čerpaní s vlnovou dĺžkou 1550 nm a druhé harmonické je možné efektívne excitovať aj pri kontinuálnom laserovom čerpaní s rovnakou vlnovou dĺžkou a prahový výkon je len niekoľko stoviek mikrowattov (obrázok 1). Ďalej, keď sa svetlo čerpadla rozšíri na tri rôzne vlnové dĺžky kontinuálneho lasera (1270/1550/1590 nm), pri každej zo šiestich vlnových dĺžok frekvenčnej konverzie sa pozorujú tri druhé harmonické (2w1, 2w2, 2w3) a tri signály súčtovej frekvencie (w1+w2, w1+w3, w2+w3). Nahradením svetla čerpadla svetelným zdrojom s ultražiarivou diódou (SLED) so šírkou pásma 79,3 nm sa generuje širokospektrálna druhá harmonická so šírkou pásma 28,3 nm (obrázok 2). Okrem toho, ak sa v tejto štúdii môže použiť technológia chemického nanášania z pár na nahradenie technológie suchého prenosu a na povrchu mikro-nano vlákien sa môže na dlhé vzdialenosti pestovať menej vrstiev kryštálov selenidu gália, očakáva sa, že účinnosť konverzie druhej harmonickej sa ďalej zlepší.

OBR. 1 Systém generovania druhej harmonickej a výsledky v štruktúre z celých vlákien

Obrázok 2 Miešanie viacerých vlnových dĺžok a širokospektrálne druhé harmonické pri kontinuálnom optickom čerpaní