Buzení druhých harmonických v širokém spektru
Od objevu nelineárních optických jevů druhého řádu v 60. letech 20. století vzbudily tyto jevy široký zájem výzkumníků. Dosud, na základě druhých harmonických a frekvenčních jevů, byly vytvořeny jevy od extrémního ultrafialového až po daleké infračervené pásmo.lasery, výrazně podpořil vývoj laseru,optickýzpracování informací, mikroskopické zobrazování s vysokým rozlišením a další oblasti. Podle nelineárníchoptikaPodle teorie polarizace je nelineární optický jev sudého řádu úzce spjat s krystalovou symetrií a nelineární koeficient není nulový pouze v symetrických médiích s necentrální inverzí. Druhé harmonické, jakožto nejzákladnější nelineární jev druhého řádu, značně brání jejich generování a efektivnímu využití v křemenných vláknech kvůli amorfní formě a symetrii středové inverze. V současné době mohou polarizační metody (optická polarizace, tepelná polarizace, polarizace elektrického pole) uměle narušit symetrii středové inverze materiálu optického vlákna a účinně zlepšit nelinearitu druhého řádu optického vlákna. Tato metoda však vyžaduje složitou a náročnou technologii přípravy a může splňovat podmínky kvazifázového přizpůsobení pouze na diskrétních vlnových délkách. Rezonanční prstenec optického vlákna založený na módu ozvěnové stěny omezuje širokospektrální buzení druhých harmonických. Narušením symetrie povrchové struktury vlákna se povrchové druhé harmonické ve vlákně se speciální strukturou do určité míry zesílí, ale stále závisí na femtosekundovém čerpacím impulsu s velmi vysokým špičkovým výkonem. Generování nelineárních optických efektů druhého řádu v čistě vláknových strukturách a zlepšení účinnosti převodu, zejména generování širokospektrálních druhých harmonických v nízkoenergetickém, kontinuálním optickém čerpání, jsou proto základními problémy, které je třeba řešit v oblasti nelineární vláknové optiky a zařízení, a mají důležitý vědecký význam a širokou aplikační hodnotu.
Výzkumný tým v Číně navrhl schéma fázové integrace vrstevnatých krystalů selenidu galia s mikro-nano vláknem. Využitím vysoké nelinearity druhého řádu a uspořádání krystalů selenidu galia na velké vzdálenosti je realizován proces buzení druhé harmonické se širokým spektrem a multifrekvenční konverze, což poskytuje nové řešení pro vylepšení multiparametrických procesů ve vláknech a přípravu širokopásmového signálu druhé harmonické.světelné zdrojeEfektivní buzení druhé harmonické a součtového frekvenčního efektu v tomto schématu závisí hlavně na následujících třech klíčových podmínkách: dlouhé interakční vzdálenosti světla a hmoty mezi selenidem galia amikro-nano vlákno, vysoká nelinearita druhého řádu a řád dlouhého dosahu vrstevnatého krystalu selenidu galia a podmínky fázového přizpůsobení základní frekvence a módu zdvojnásobení frekvence jsou splněny.
V experimentu mělo mikro-nano vlákno připravené systémem skenování plamenem jednotnou kuželovou oblast řádově v milimetrech, což zajišťuje dlouhou nelineární akční délku pro budicí světlo a druhou harmonickou vlnu. Nelineární polarizovatelnost druhého řádu integrovaného krystalu selenidu galia přesahuje 170 pm/V, což je mnohem více než vnitřní nelineární polarizovatelnost optického vlákna. Navíc dlouhodobě uspořádaná struktura krystalu selenidu galia zajišťuje kontinuální fázovou interferenci druhých harmonických, což plně využívá výhodu velké nelineární akční délky v mikro-nano vlákně. A co je důležitější, fázové sladění mezi základním módem budicí optické vlny (HE11) a módem vyššího řádu druhé harmonické vlny (EH11, HE31) je realizováno řízením průměru kužele a následnou regulací disperze vlnovodu během přípravy mikro-nano vlákna.
Výše uvedené podmínky pokládají základ pro efektivní a širokopásmovou excitaci druhých harmonických v mikro-nano vlákně. Experiment ukazuje, že výstupu druhých harmonických na úrovni nanowattů lze dosáhnout při pikosekundovém pulzním laserovém buzení o vlnové délce 1550 nm a druhé harmonické lze také efektivně excitovat při kontinuálním laserovém buzení o stejné vlnové délce a prahový výkon je až několik stovek mikrowattů (obrázek 1). Dále, když je budicí světlo rozšířeno na tři různé vlnové délky kontinuálního laseru (1270/1550/1590 nm), jsou na každé ze šesti vlnových délek frekvenční konverze pozorovány tři druhé harmonické (2w1, 2w2, 2w3) a tři součtové frekvenční signály (w1+w2, w1+w3, w2+w3). Nahrazením budicího světla světelným zdrojem s ultra-zářivou světelnou diodou (SLED) s šířkou pásma 79,3 nm je generována širokospektrální druhá harmonická s šířkou pásma 28,3 nm (obrázek 2). Kromě toho, pokud lze v této studii použít technologii chemické depozice z plynné fáze k nahrazení technologie suchého přenosu a na povrchu mikro-nano vláken na dlouhé vzdálenosti lze pěstovat méně vrstev krystalů selenidu galia, očekává se, že účinnost konverze druhé harmonické se dále zlepší.
Obr. 1 Systém generování druhé harmonické a výsledky v celovláknové struktuře
Obrázek 2 Míchání více vlnových délek a širokospektrální druhé harmonické za kontinuálního optického čerpání
Čas zveřejnění: 20. května 2024