تحریک هارمونیک‌های دوم در طیف وسیع
از زمان کشف اثرات اپتیکی غیرخطی مرتبه دوم در دهه 1960، این پدیده توجه گسترده‌ای از محققان را به خود جلب کرده است، به طوری که تاکنون، بر اساس هارمونیک دوم و اثرات فرکانسی، از طیف فرابنفش شدید تا باند فروسرخ دور، ...لیزرها، توسعه لیزر را تا حد زیادی ارتقا داد،نوریپردازش اطلاعات، تصویربرداری میکروسکوپی با وضوح بالا و سایر زمینه‌ها. طبق نظریه غیرخطیاپتیکو نظریه قطبش، اثر نوری غیرخطی مرتبه زوج ارتباط نزدیکی با تقارن کریستالی دارد و ضریب غیرخطی فقط در محیط‌های متقارن با وارونگی غیرمرکزی صفر نیست. هارمونیک‌های دوم به عنوان اساسی‌ترین اثر غیرخطی مرتبه دوم، به دلیل شکل آمورف و تقارن وارونگی مرکز، به شدت مانع تولید و استفاده مؤثر آنها در فیبر کوارتز می‌شوند. در حال حاضر، روش‌های قطبش (قطبش نوری، قطبش حرارتی، قطبش میدان الکتریکی) می‌توانند به طور مصنوعی تقارن وارونگی مرکز ماده فیبر نوری را از بین ببرند و به طور مؤثر غیرخطی بودن مرتبه دوم فیبر نوری را بهبود بخشند. با این حال، این روش نیاز به فناوری آماده‌سازی پیچیده و طاقت‌فرسا دارد و فقط می‌تواند شرایط تطبیق شبه‌فاز را در طول موج‌های گسسته برآورده کند. حلقه تشدید فیبر نوری مبتنی بر حالت دیوار پژواک، تحریک طیف گسترده هارمونیک‌های دوم را محدود می‌کند. با شکستن تقارن ساختار سطحی فیبر، هارمونیک‌های دوم سطحی در فیبر با ساختار ویژه تا حدی افزایش می‌یابند، اما همچنان به پالس پمپ فمتوثانیه‌ای با توان پیک بسیار بالا وابسته هستند. بنابراین، تولید اثرات نوری غیرخطی مرتبه دوم در ساختارهای تمام فیبری و بهبود راندمان تبدیل، به ویژه تولید هارمونیک‌های دوم با طیف وسیع در پمپاژ نوری پیوسته و کم‌مصرف، از مسائل اساسی هستند که باید در زمینه اپتیک و دستگاه‌های فیبر غیرخطی حل شوند و از اهمیت علمی مهم و ارزش کاربردی گسترده‌ای برخوردارند.
یک تیم تحقیقاتی در چین، طرح ادغام فاز کریستال گالیوم سلنید لایه‌ای با میکرو-نانوفیبر را پیشنهاد داده است. با بهره‌گیری از غیرخطی بودن مرتبه دوم بالا و نظم دوربرد کریستال‌های گالیوم سلنید، یک فرآیند تحریک هارمونیک دوم با طیف وسیع و تبدیل چند فرکانسی محقق می‌شود که راه‌حل جدیدی برای بهبود فرآیندهای چند پارامتری در فیبر و تهیه هارمونیک دوم پهن باند ارائه می‌دهد.منابع نورتحریک کارآمد هارمونیک دوم و اثر فرکانس مجموع در این طرح عمدتاً به سه شرط کلیدی زیر بستگی دارد: فاصله طولانی برهمکنش نور-ماده بین سلنید گالیوم ومیکرو-نانو فیبر، غیرخطی بودن مرتبه دوم بالا و مرتبه بلندبرد بلور گالیوم سلنید لایه‌ای، و شرایط تطبیق فاز فرکانس اساسی و حالت دو برابر شدن فرکانس برآورده می‌شوند.
در این آزمایش، میکرو-نانوفیبر تهیه شده توسط سیستم باریک شونده شعله‌ای، دارای یک ناحیه مخروطی یکنواخت در حد میلی‌متر است که طول عمل غیرخطی طولانی را برای نور پمپ و موج هارمونیک دوم فراهم می‌کند. قطبش‌پذیری غیرخطی مرتبه دوم کریستال سلنید گالیم یکپارچه از 170 پیکوم بر ولت فراتر می‌رود که بسیار بالاتر از قطبش‌پذیری غیرخطی ذاتی فیبر نوری است. علاوه بر این، ساختار منظم برد بلند کریستال سلنید گالیم، تداخل فاز پیوسته هارمونیک‌های دوم را تضمین می‌کند و به مزیت طول عمل غیرخطی بزرگ در میکرو-نانوفیبر، میدان عمل کاملی می‌دهد. مهمتر از آن، تطبیق فاز بین مد پایه نوری پمپاژ (HE11) و مد مرتبه بالای هارمونیک دوم (EH11، HE31) با کنترل قطر مخروط و سپس تنظیم پراکندگی موجبر در طول تهیه میکرو-نانوفیبر محقق می‌شود.
شرایط فوق، پایه و اساس تحریک کارآمد و پهن باند هارمونیک‌های دوم در میکرو-نانوفیبر را بنا می‌نهد. این آزمایش نشان می‌دهد که خروجی هارمونیک‌های دوم در سطح نانووات را می‌توان تحت پمپ لیزر پالسی پیکوثانیه‌ای ۱۵۵۰ نانومتر به دست آورد و هارمونیک‌های دوم نیز می‌توانند تحت پمپ لیزر پیوسته با همان طول موج به طور کارآمد تحریک شوند و توان آستانه به کمی چند صد میکرووات است (شکل ۱). علاوه بر این، هنگامی که نور پمپ به سه طول موج مختلف لیزر پیوسته (۱۲۷۰/۱۵۵۰/۱۵۹۰ نانومتر) گسترش می‌یابد، سه هارمونیک دوم (۲w۱، ۲w۲، ۲w۳) و سه سیگنال فرکانس مجموع (w۱+w۲، w۱+w۳، w۲+w۳) در هر یک از شش طول موج تبدیل فرکانس مشاهده می‌شوند. با جایگزینی نور پمپ با یک منبع نور دیود ساطع کننده نور فوق تابشی (SLED) با پهنای باند 79.3 نانومتر، یک هارمونیک دوم با طیف گسترده با پهنای باند 28.3 نانومتر تولید می‌شود (شکل 2). علاوه بر این، اگر بتوان از فناوری رسوب بخار شیمیایی برای جایگزینی فناوری انتقال خشک در این مطالعه استفاده کرد و لایه‌های کمتری از کریستال‌های سلنید گالیوم را بتوان در فواصل طولانی روی سطح میکرو-نانو فیبر رشد داد، انتظار می‌رود راندمان تبدیل هارمونیک دوم بیشتر بهبود یابد.
شکل ۱. سیستم تولید هارمونیک دوم و نتایج آن در ساختار تمام فیبری
شکل 2 اختلاط چند طول موجی و هارمونیک‌های دوم طیف گسترده تحت پمپاژ نوری پیوسته
زمان ارسال: ۲۰ مه ۲۰۲۴