Sự kích thích của sóng hài bậc hai trong một phổ rộng
Kể từ khi phát hiện ra hiệu ứng quang học phi tuyến bậc hai vào những năm 1960, đã thu hút sự quan tâm rộng rãi của các nhà nghiên cứu, cho đến nay, dựa trên sóng hài bậc hai và hiệu ứng tần số, đã tạo ra từ dải cực tím đến dải hồng ngoại xa.tia laser, thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của tia laser,quang họcxử lý thông tin, hình ảnh hiển vi độ phân giải cao và các lĩnh vực khác. Theo phi tuyến tínhquang họcvà lý thuyết phân cực, hiệu ứng quang học phi tuyến tính bậc chẵn có liên quan chặt chẽ đến tính đối xứng của tinh thể, và hệ số phi tuyến tính không bằng không chỉ trong môi trường đối xứng đảo ngược không trung tâm. Là hiệu ứng phi tuyến tính bậc hai cơ bản nhất, sóng hài bậc hai cản trở rất nhiều đến việc tạo ra và sử dụng hiệu quả của chúng trong sợi thạch anh do dạng vô định hình và tính đối xứng của đảo ngược tâm. Hiện nay, các phương pháp phân cực (phân cực quang học, phân cực nhiệt, phân cực trường điện) có thể phá hủy nhân tạo tính đối xứng của đảo ngược tâm vật liệu của sợi quang và cải thiện hiệu quả tính phi tuyến tính bậc hai của sợi quang. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi công nghệ chuẩn bị phức tạp và đòi hỏi cao, và chỉ có thể đáp ứng các điều kiện khớp pha gần đúng ở các bước sóng rời rạc. Vòng cộng hưởng sợi quang dựa trên chế độ tường phản xạ hạn chế sự kích thích phổ rộng của sóng hài bậc hai. Bằng cách phá vỡ tính đối xứng của cấu trúc bề mặt của sợi, sóng hài bậc hai bề mặt trong sợi có cấu trúc đặc biệt được tăng cường ở một mức độ nhất định, nhưng vẫn phụ thuộc vào xung bơm femto giây với công suất đỉnh rất cao. Do đó, việc tạo ra các hiệu ứng quang phi tuyến bậc hai trong các cấu trúc toàn sợi và cải thiện hiệu suất chuyển đổi, đặc biệt là việc tạo ra sóng hài bậc hai phổ rộng trong bơm quang liên tục công suất thấp là những vấn đề cơ bản cần được giải quyết trong lĩnh vực quang học và thiết bị sợi phi tuyến, có ý nghĩa khoa học quan trọng và giá trị ứng dụng rộng rãi.
Một nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc đã đề xuất một sơ đồ tích hợp pha tinh thể gali selenua dạng lớp với sợi micro-nano. Bằng cách tận dụng tính phi tuyến bậc hai cao và trật tự tầm xa của tinh thể gali selenua, một quá trình kích thích sóng hài bậc hai phổ rộng và chuyển đổi đa tần số được thực hiện, cung cấp một giải pháp mới để tăng cường các quá trình đa tham số trong sợi và chuẩn bị sóng hài bậc hai băng thông rộngnguồn sáng. Sự kích thích hiệu quả của sóng hài bậc hai và hiệu ứng tần số tổng trong sơ đồ chủ yếu phụ thuộc vào ba điều kiện chính sau: khoảng cách tương tác ánh sáng-vật chất dài giữa gali selenide vàsợi micro-nano, tính phi tuyến bậc hai cao và trật tự tầm xa của tinh thể gali selenide phân lớp, và các điều kiện khớp pha của tần số cơ bản và chế độ nhân đôi tần số được thỏa mãn.
Trong thí nghiệm, sợi nano siêu nhỏ được chế tạo bằng hệ thống thuôn nhọn quét ngọn lửa có vùng hình nón đồng nhất theo thứ tự milimét, cung cấp chiều dài tác động phi tuyến tính dài cho ánh sáng bơm và sóng hài bậc hai. Độ phân cực phi tuyến tính bậc hai của tinh thể gali selenide tích hợp vượt quá 170 pm/V, cao hơn nhiều so với độ phân cực phi tuyến tính nội tại của sợi quang. Hơn nữa, cấu trúc có trật tự tầm xa của tinh thể gali selenide đảm bảo sự giao thoa pha liên tục của sóng hài bậc hai, phát huy hết lợi thế của chiều dài tác động phi tuyến tính lớn trong sợi nano siêu nhỏ. Quan trọng hơn, sự khớp pha giữa chế độ cơ sở quang học bơm (HE11) và chế độ bậc cao sóng hài bậc hai (EH11, HE31) được thực hiện bằng cách kiểm soát đường kính hình nón và sau đó điều chỉnh độ phân tán của ống dẫn sóng trong quá trình chế tạo sợi nano siêu nhỏ.
Các điều kiện trên đặt nền tảng cho sự kích thích hiệu quả và băng thông rộng của sóng hài bậc hai trong sợi micro-nano. Thí nghiệm cho thấy đầu ra của sóng hài bậc hai ở mức nanowatt có thể đạt được dưới bơm laser xung pico giây 1550 nm và sóng hài bậc hai cũng có thể được kích thích hiệu quả dưới bơm laser liên tục có cùng bước sóng và công suất ngưỡng thấp tới vài trăm microwatt (Hình 1). Hơn nữa, khi ánh sáng bơm được mở rộng đến ba bước sóng khác nhau của laser liên tục (1270/1550/1590 nm), ba sóng hài bậc hai (2w1, 2w2, 2w3) và ba tín hiệu tần số tổng (w1+w2, w1+w3, w2+w3) được quan sát thấy ở mỗi sáu bước sóng chuyển đổi tần số. Bằng cách thay thế ánh sáng bơm bằng nguồn sáng diode phát sáng cực mạnh (SLED) có băng thông 79,3 nm, sóng hài bậc hai phổ rộng có băng thông 28,3 nm được tạo ra (Hình 2). Ngoài ra, nếu công nghệ lắng đọng hơi hóa học có thể được sử dụng để thay thế công nghệ truyền khô trong nghiên cứu này và ít lớp tinh thể gali selenua hơn có thể được phát triển trên bề mặt sợi micro-nano ở khoảng cách xa thì hiệu suất chuyển đổi sóng hài bậc hai dự kiến sẽ được cải thiện hơn nữa.
HÌNH 1 Hệ thống tạo sóng hài thứ hai và kết quả trong cấu trúc toàn sợi
Hình 2 Trộn nhiều bước sóng và sóng hài bậc hai phổ rộng dưới sự bơm quang liên tục
Thời gian đăng: 20-05-2024