Kích thích sóng hài bậc hai trong phổ rộng

Kích thích sóng hài bậc hai trong phổ rộng

Kể từ khi phát hiện ra các 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 các hiệu ứng tần số, đã tạo ra các dải quang phổ từ vùng cực tím đến vùng hồng ngoại xa.tia laserđã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của laser.quang họcXử lý thông tin, chụp ảnh hiển vi độ phân giải cao và các lĩnh vực khác. Theo phương pháp phi tuyến tínhquang họcTheo lý thuyết phân cực, hiệu ứng quang phi tuyến bậc chẵn có liên quan chặt chẽ đến đối xứng tinh thể, và hệ số phi tuyến chỉ khác không trong môi trường không đối xứng nghịch đảo tâm. Là hiệu ứng phi tuyến bậc hai cơ bản nhất, sóng hài bậc hai gây cản trở đáng kể đến việc tạo ra và sử dụng hiệu quả trong sợi thạch anh do dạng vô định hình và tính đối xứng nghịch đảo tâm. Hiện nay, các phương pháp phân cực (phân cực quang học, phân cực nhiệt, phân cực điện trường) có thể phá hủy nhân tạo tính đối xứng nghịch đảo tâm vật liệu của sợi quang và cải thiện hiệu quả tính phi tuyến bậc hai của sợi quang. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi công nghệ chuẩn bị phức tạp và khắt khe, 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 dội âm giới hạn sự kích thích phổ rộng của sóng hài bậc hai. Bằng cách phá vỡ tính đối xứng của cấu trúc bề mặt sợi, sóng hài bậc hai bề mặt trong sợi có cấu trúc đặc biệt được tăng cường đến một mức độ nhất định, nhưng vẫn phụ thuộc vào xung bơm femtô giây với công suất đỉnh rất cao. Do đó, việc tạo ra các hiệu ứng quang phi tuyến bậc hai trong cấu trúc toàn sợi và việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi, đặc biệt là việc tạo ra sóng hài bậc hai phổ rộng trong quá trình bơm quang liên tục công suất thấp, là những vấn đề cơ bản cần được giải quyết trong lĩnh vực quang học sợi phi tuyến và các thiết bị liên quan, và có ý nghĩa khoa học quan trọng cũng như giá trị ứng dụng rộng rãi.

Một nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc đã đề xuất một phương án tích hợp pha tinh thể gali selenua nhiều lớp với sợi vi mô-nano. Bằng cách tận dụng tính phi tuyến bậc hai cao và trật tự tầm xa của tinh thể gali selenua, họ đã hiện thực hóa quá trình kích thích sóng hài bậc hai phổ rộng và chuyển đổi đa tần số, cung cấp một giải pháp mới cho việc tăng cường các quá trình đa tham số trong sợi quang và chuẩn bị sóng hài bậc hai băng thông rộng.nguồn sángViệc kích thích hiệu quả 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 selenua vàsợi vi mô-nano, tính phi tuyến bậc hai cao và trật tự tầm xa của tinh thể gali selenua nhiều lớp, cũng như các điều kiện khớp pha của tần số cơ bản và chế độ nhân đôi tần số được thỏa mãn.

Trong thí nghiệm, sợi vi-nano được chế tạo bằng hệ thống tạo hình nón quét ngọn lửa có vùng hình nón đồng nhất với kích thước cỡ milimét, cung cấp chiều dài tác động phi tuyến lớn cho ánh sáng bơm và sóng hài bậc hai. Độ phân cực phi tuyến bậc hai của tinh thể gali selenua tích hợp vượt quá 170 pm/V, cao hơn nhiều so với độ phân cực phi tuyến nội tại của sợi quang. Hơn nữa, cấu trúc có trật tự tầm xa của tinh thể gali selenua đảm bảo sự giao thoa pha liên tục của sóng hài bậc hai, phát huy tối đa lợi thế của chiều dài tác động phi tuyến lớn trong sợi vi-nano. Quan trọng hơn, sự khớp pha giữa chế độ cơ sở quang học bơm (HE11) và chế độ bậc cao của sóng hài bậc hai (EH11, HE31) được thực hiện bằng cách kiểm soát đường kính hình nón và sau đó điều chỉnh sự tán xạ của ống dẫn sóng trong quá trình chế tạo sợi vi-nano.

Các điều kiện nêu trên tạo nền tảng cho việc kích thích sóng hài bậc hai hiệu quả và băng thông rộng trong sợi vi mô-nano. Thí nghiệm cho thấy rằng có thể đạt được tín hiệu sóng hài bậc hai ở mức nanowatt dưới tác động của laser xung picosecond 1550 nm, và sóng hài bậc hai cũng có thể được kích thích hiệu quả dưới tác động của laser liên tục cùng bước sóng, với 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 trong sáu bước sóng chuyển đổi tần số. Bằng cách thay thế ánh sáng bơm bằng nguồn sáng điốt phát quang siêu bức xạ (SLED) có băng thông 79,3 nm, một sóng hài bậc hai phổ rộng với 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 chuyển khô trong nghiên cứu này, và có thể nuôi cấy được ít lớp tinh thể gali selenua hơn trên bề mặt sợi vi mô-nano trên khoảng cách dài, thì hiệu suất chuyển đổi sóng hài bậc hai dự kiến ​​sẽ được cải thiện hơn nữa.

Hình 1. Hệ thống tạo sóng hài bậc hai và kết quả trong cấu trúc toàn sợi.

Hình 2. Sự trộn nhiều bước sóng và sóng hài bậc hai phổ rộng dưới sự bơm quang liên tục.