Vzbujanje drugega harmonika v širokem spektru

Vzbujanje drugega harmonika v širokem spektru

Od odkritja nelinearnih optičnih učinkov drugega reda v šestdesetih letih prejšnjega stoletja je vzbudilo veliko zanimanje raziskovalcev, do zdaj pa je na podlagi drugega harmonika in frekvenčnih učinkov ustvarilo od skrajnega ultravijoličnega do daljnega infrardečega pasulaserji, močno spodbujal razvoj laserja,optičniobdelava informacij, mikroskopsko slikanje visoke ločljivosti in druga področja. Glede na nelinearnooptikain polarizacijske teorije je nelinearni optični učinek sodega reda tesno povezan s kristalno simetrijo, nelinearni koeficient pa ni enak nič samo v necentralnih inverzijskih simetričnih medijih. Kot najosnovnejši nelinearni učinek drugega reda drugi harmoniki močno ovirajo njihovo ustvarjanje in učinkovito uporabo v kvarčnem vlaknu zaradi amorfne oblike in simetrije inverzije središča. Trenutno lahko polarizacijske metode (optična polarizacija, toplotna polarizacija, polarizacija električnega polja) umetno uničijo simetrijo inverzije središča materiala optičnega vlakna in učinkovito izboljšajo nelinearnost drugega reda optičnega vlakna. Vendar pa ta metoda zahteva zapleteno in zahtevno tehnologijo priprave in lahko izpolni le pogoje kvazifaznega ujemanja pri diskretnih valovnih dolžinah. Resonančni obroč iz optičnih vlaken, ki temelji na načinu odmevne stene, omejuje vzbujanje širokega spektra drugega harmonika. Z zlomom simetrije površinske strukture vlakna se površinski drugi harmoniki v vlaknu posebne strukture do določene mere povečajo, vendar so še vedno odvisni od impulza femtosekundne črpalke z zelo visoko konično močjo. Zato sta ustvarjanje nelinearnih optičnih učinkov drugega reda v strukturah z vsemi vlakni in izboljšanje učinkovitosti pretvorbe, zlasti ustvarjanje drugega harmonika širokega spektra pri neprekinjenem optičnem črpanju z majhno močjo, osnovni problemi, ki jih je treba rešiti na področju nelinearne optike in naprav ter imajo pomemben znanstveni pomen in široko uporabno vrednost.

Raziskovalna skupina na Kitajskem je predlagala plastno shemo integracije kristalne faze galijevega selenida z mikro-nano vlakni. Z izkoriščanjem prednosti visoke nelinearnosti drugega reda in urejenosti kristalov galijevega selenida na dolge razdalje sta realizirana postopek vzbujanja druge harmonije širokega spektra in večfrekvenčne pretvorbe, kar zagotavlja novo rešitev za izboljšanje večparametričnih procesov v vlaken in pripravo širokopasovnega drugega harmonikaviri svetlobe. Učinkovito vzbujanje drugega harmonika in učinka vsote frekvence v shemi je v glavnem odvisno od naslednjih treh ključnih pogojev: dolge interakcijske razdalje svetlobe in snovi med galijevim selenidom inmikro-nano vlaken, so izpolnjeni visoka nelinearnost drugega reda in red dolgega dosega večplastnega kristala galijevega selenida ter pogoji faznega ujemanja osnovne frekvence in načina podvajanja frekvence.

V poskusu ima mikro-nano vlakno, pripravljeno s sistemom zoženega skeniranja plamena, enakomerno območje stožca v milimetrskem redu, ki zagotavlja dolgo nelinearno dolžino delovanja za svetlobo črpalke in drugi harmonski val. Nelinearna polarizabilnost drugega reda integriranega kristala galijevega selenida presega 170 pm/V, kar je veliko višje od intrinzične nelinearne polarizabilnosti optičnega vlakna. Poleg tega dolgoročno urejena struktura kristala galijevega selenida zagotavlja neprekinjeno fazno interferenco drugega harmonika, kar v celoti izkoristi prednost velike nelinearne dolžine delovanja v mikro-nano vlaknu. Še pomembneje je, da se fazno ujemanje med črpalnim optičnim osnovnim načinom (HE11) in drugim harmonskim načinom visokega reda (EH11, HE31) realizira s krmiljenjem premera stožca in nato reguliranjem disperzije valovoda med pripravo mikro-nano vlaken.

Zgornji pogoji postavljajo temelje za učinkovito in širokopasovno vzbujanje drugih harmonikov v mikro-nano vlaknih. Poskus je pokazal, da je mogoče doseči izhod drugega harmonika na nanovatni ravni s pikosekundno impulzno lasersko črpalko 1550 nm, druge harmonike pa je mogoče učinkovito vzbujati tudi z neprekinjeno lasersko črpalko iste valovne dolžine, mejna moč pa je kot nekaj sto mikrovatov (slika 1). Nadalje, ko se svetloba črpalke razširi na tri različne valovne dolžine neprekinjenega laserja (1270/1550/1590 nm), tri sekundne harmonike (2w1, 2w2, 2w3) in tri signale vsote frekvenc (w1+w2, w1+w3, w2+ w3) opazimo pri vsaki od šestih valovnih dolžin pretvorbe frekvence. Z zamenjavo svetlobe črpalke s svetlobnim virom ultra-sevalne svetleče diode (SLED) s pasovno širino 79,3 nm se ustvari drugi harmonik širokega spektra s pasovno širino 28,3 nm (slika 2). Poleg tega, če je mogoče uporabiti tehnologijo kemičnega naparjevanja za nadomestitev tehnologije suhega prenosa v tej študiji in če je mogoče na površini mikronano vlaken na dolge razdalje gojiti manj plasti kristalov galijevega selenida, se pričakuje učinkovitost pretvorbe druge harmonike še izboljšati.

FIG. 1 Sistem za ustvarjanje druge harmonike in ima za posledico strukturo iz vseh vlaken

Slika 2 Mešanje več valovnih dolžin in drugi harmoniki širokega spektra pri neprekinjenem optičnem črpanju