Възбуждане на втори хармоници в широк спектър

Възбуждане на втори хармоници в широк спектър

След откриването на нелинейни оптични ефекти от втори ред през 60-те години на миналия век, предизвика широк интерес на изследователите, досега въз основа на втория хармоник и честотните ефекти, произведени от екстремната ултравиолетова до далечната инфрачервена лента налазери, значително насърчи развитието на лазера,оптиченобработка на информация, микроскопични изображения с висока разделителна способност и други области. Според нелинейниоптикаи поляризационна теория, нелинейният оптичен ефект от четен ред е тясно свързан с кристалната симетрия и нелинейният коефициент не е нула само в нецентрална инверсионна симетрична среда. Като най-основен нелинеен ефект от втори ред, вторите хармоници значително възпрепятстват тяхното генериране и ефективно използване в кварцово влакно поради аморфната форма и симетрията на централната инверсия. Понастоящем поляризационните методи (оптична поляризация, термична поляризация, поляризация на електрическо поле) могат изкуствено да разрушат симетрията на инверсията на материалния център на оптичното влакно и ефективно да подобрят нелинейността от втори ред на оптичното влакно. Този метод обаче изисква сложна и взискателна технология за подготовка и може да отговори само на условията за квазифазово съвпадение при дискретни дължини на вълните. Резонансният пръстен от оптични влакна, базиран на режима на ехо стена, ограничава широкоспектърното възбуждане на втори хармоници. Чрез нарушаване на симетрията на повърхностната структура на влакното, повърхностните втори хармоници във влакното със специална структура се подобряват до известна степен, но все още зависят от импулса на фемтосекундната помпа с много висока пикова мощност. Следователно, генерирането на нелинейни оптични ефекти от втори ред в структури с всички влакна и подобряването на ефективността на преобразуване, особено генерирането на широкоспектърни втори хармоници при непрекъснато оптично изпомпване с ниска мощност, са основните проблеми, които трябва да бъдат решени в областта на нелинейните оптични влакна и устройства и имат важно научно значение и широко приложение.

Изследователски екип в Китай предложи схема за интегриране на слоеста кристална фаза на галиев селенид с микро-нано влакна. Като се възползват от високата нелинейност от втори ред и подреждането на далечни разстояния на кристалите на галиев селенид, се реализира широкоспектърно възбуждане на втора хармоника и многочестотен процес на преобразуване, осигурявайки ново решение за подобряване на многопараметричните процеси в влакна и подготовката на широколентов втори хармоникизточници на светлина. Ефективното възбуждане на втория хармоник и сумарния честотен ефект в схемата зависи главно от следните три ключови условия: дългото разстояние на взаимодействие светлина-материя между галиев селенид имикро-нано влакна, високата нелинейност от втори ред и редът на дълги разстояния на слоестия кристал на галиев селенид и условията за фазово съвпадение на основната честота и режима на удвояване на честотата са удовлетворени.

В експеримента микро-нано влакното, получено от стесняващата система за сканиране на пламъка, има равномерна конусна област от порядъка на милиметър, която осигурява дълга дължина на нелинейно действие за светлината на помпата и втората хармонична вълна. Нелинейната поляризуемост от втори ред на интегрирания кристал на галиев селенид надвишава 170 pm/V, което е много по-високо от присъщата нелинейна поляризуемост на оптичното влакно. Освен това подредената структура на далечни разстояния на кристала на галиев селенид осигурява непрекъсната фазова интерференция на вторите хармоници, давайки пълна игра на предимството на голямата нелинейна дължина на действие в микро-нано влакното. По-важното е, че фазовото съвпадение между изпомпващия оптичен базов режим (HE11) и втория хармоничен режим от висок ред (EH11, HE31) се реализира чрез контролиране на диаметъра на конуса и след това регулиране на дисперсията на вълновода по време на подготовката на микро-нано влакна.

Горните условия полагат основата за ефективното и широколентово възбуждане на втори хармоници в микро-нано влакна. Експериментът показва, че изходът на втори хармоници на ниво нановат може да бъде постигнат при 1550 nm пикосекундна импулсна лазерна помпа, а вторите хармоници също могат да бъдат възбудени ефективно при непрекъсната лазерна помпа със същата дължина на вълната, а праговата мощност е като ниски като няколкостотин микровата (Фигура 1). Освен това, когато светлината на помпата се разшири до три различни дължини на вълните на непрекъснат лазер (1270/1550/1590 nm), три втори хармоника (2w1, 2w2, 2w3) и три сумарни честотни сигнала (w1+w2, w1+w3, w2+ w3) се наблюдават при всяка от шестте дължини на вълната на преобразуване на честотата. Чрез замяна на светлината на помпата с източник на светлина с ултра-лъчист диод (SLED) с честотна лента от 79,3 nm, се генерира широкоспектърен втори хармоник с честотна лента от 28,3 nm (Фигура 2). В допълнение, ако технологията за химическо отлагане на пари може да се използва за заместване на технологията за сух трансфер в това изследване и по-малко слоеве кристали от галиев селенид могат да бъдат отгледани на повърхността на микро-нано влакна на дълги разстояния, се очаква ефективността на преобразуване на втората хармоника да бъдат допълнително подобрени.

Фиг. 1 Система за генериране на втори хармоник и води до структура от всички влакна

Фигура 2 Смесване на много дължини на вълните и широкоспектърни втори хармоници при непрекъснато оптично изпомпване