การกระตุ้นฮาร์โมนิกที่สองในสเปกตรัมกว้าง

การกระตุ้นฮาร์โมนิกที่สองในสเปกตรัมกว้าง

นับตั้งแต่การค้นพบเอฟเฟกต์ออปติกแบบไม่เชิงเส้นลำดับที่สองในช่วงทศวรรษ 1960 ได้กระตุ้นความสนใจของนักวิจัยอย่างกว้างขวาง จนถึงปัจจุบัน เอฟเฟกต์ฮาร์มอนิกและความถี่ที่สองได้ผลิตขึ้นจากแถบอัลตราไวโอเลตสุดขั้วไปจนถึงแถบอินฟราเรดไกลเลเซอร์, ส่งเสริมการพัฒนาเลเซอร์อย่างมากออปติคอลการประมวลผลข้อมูล การถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูง และสาขาอื่นๆ ตามมาตรฐานแบบไม่เชิงเส้นเลนส์และทฤษฎีโพลาไรเซชัน พบว่าปรากฏการณ์แสงไม่เชิงเส้นลำดับคู่มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับสมมาตรของผลึก และค่าสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นจะไม่ได้เป็นศูนย์เฉพาะในสื่อสมมาตรแบบผกผันที่ไม่ใช่ศูนย์กลางเท่านั้น ในฐานะปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้นลำดับสองขั้นพื้นฐานที่สุด ฮาร์มอนิกลำดับที่สองเป็นอุปสรรคอย่างมากในการสร้างและการใช้งานอย่างมีประสิทธิภาพในเส้นใยควอตซ์ เนื่องจากรูปแบบอสัณฐานและความสมมาตรของการผกผันศูนย์กลาง ปัจจุบัน วิธีการโพลาไรเซชัน (โพลาไรเซชันแสง โพลาไรเซชันความร้อน และโพลาไรเซชันสนามไฟฟ้า) สามารถทำลายสมมาตรของการผกผันศูนย์กลางวัสดุของเส้นใยนำแสงได้อย่างไม่เป็นธรรมชาติ และปรับปรุงความไม่เชิงเส้นลำดับสองของเส้นใยนำแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ต้องใช้เทคโนโลยีการเตรียมที่ซับซ้อนและต้องใช้ความพยายามสูง และสามารถตอบสนองเงื่อนไขการจับคู่แบบกึ่งเฟสที่ความยาวคลื่นไม่ต่อเนื่องเท่านั้น วงแหวนเรโซแนนซ์ของเส้นใยนำแสงที่ใช้โหมดกำแพงสะท้อนเสียงจะจำกัดการกระตุ้นสเปกตรัมกว้างของฮาร์มอนิกลำดับที่สอง การทำลายความสมมาตรของโครงสร้างพื้นผิวของเส้นใย ทำให้ฮาร์มอนิกส์ที่สองบนพื้นผิวของเส้นใยโครงสร้างพิเศษมีประสิทธิผลเพิ่มขึ้นในระดับหนึ่ง แต่ยังคงขึ้นอยู่กับพัลส์ปั๊มเฟมโตวินาทีที่มีกำลังพีคสูงมาก ดังนั้น การสร้างเอฟเฟกต์แสงแบบไม่เชิงเส้นอันดับสองในโครงสร้างเส้นใยทั้งหมด และการเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงสัญญาณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการสร้างฮาร์มอนิกส์ที่สองแบบสเปกตรัมกว้างในการสูบแสงแบบต่อเนื่องกำลังต่ำ จึงเป็นปัญหาพื้นฐานที่จำเป็นต้องได้รับการแก้ไขในสาขาใยแก้วนำแสงและอุปกรณ์ที่ไม่เชิงเส้น และมีความสำคัญทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญและมีคุณค่าต่อการนำไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวาง

ทีมวิจัยในประเทศจีนได้เสนอแผนการรวมเฟสของผลึกแกลเลียมเซเลไนด์แบบหลายชั้นกับเส้นใยแก้วไมโคร-นาโน ด้วยการใช้ประโยชน์จากความไม่เชิงเส้นลำดับที่สองที่สูงและการเรียงลำดับระยะไกลของผลึกแกลเลียมเซเลไนด์ กระบวนการกระตุ้นฮาร์มอนิกที่สองแบบสเปกตรัมกว้างและการแปลงความถี่หลายความถี่จึงเกิดขึ้น ซึ่งเป็นโซลูชันใหม่สำหรับการปรับปรุงกระบวนการแบบหลายพารามิเตอร์ในเส้นใยแก้ว และการเตรียมฮาร์มอนิกที่สองแบบบรอดแบนด์แหล่งกำเนิดแสงการกระตุ้นที่มีประสิทธิภาพของผลความถี่ฮาร์มอนิกและผลรวมที่สองในโครงร่างนั้นขึ้นอยู่กับเงื่อนไขหลักสามประการดังต่อไปนี้เป็นหลัก: ระยะห่างระหว่างปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารที่ยาวระหว่างแกเลียมซีลีไนด์และเส้นใยไมโคร-นาโนความไม่เป็นเชิงเส้นลำดับที่สองสูงและลำดับระยะไกลของผลึกแกเลียมซีลีไนด์แบบหลายชั้น และเงื่อนไขการจับคู่เฟสของความถี่พื้นฐานและโหมดการเพิ่มความถี่เป็นสองเท่าได้รับการพอใจ

ในการทดลอง เส้นใยไมโครนาโนที่เตรียมโดยระบบเทเปอร์สแกนเปลวไฟมีบริเวณกรวยที่สม่ำเสมอในระดับมิลลิเมตร ซึ่งให้ความยาวคลื่นแบบไม่เชิงเส้นที่ยาวสำหรับแสงปั๊มและคลื่นฮาร์มอนิกที่สอง ความสามารถในการโพลาไรซ์แบบไม่เชิงเส้นอันดับสองของผลึกแกลเลียมเซเลไนด์ที่ผสานรวมมีค่ามากกว่า 170 pm/V ซึ่งสูงกว่าความสามารถในการโพลาไรซ์แบบไม่เชิงเส้นที่แท้จริงของเส้นใยนำแสงมาก นอกจากนี้ โครงสร้างการเรียงลำดับระยะไกลของผลึกแกลเลียมเซเลไนด์ยังช่วยให้มั่นใจได้ว่าฮาร์มอนิกที่สองจะแทรกสอดกันอย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดประโยชน์อย่างเต็มที่จากความยาวคลื่นแบบไม่เชิงเส้นขนาดใหญ่ในเส้นใยนำแสงไมโครนาโน ที่สำคัญกว่านั้น การจับคู่เฟสระหว่างโหมดฐานแสงแบบปั๊ม (HE11) และโหมดลำดับสูงฮาร์มอนิกที่สอง (EH11, HE31) เกิดขึ้นได้จากการควบคุมเส้นผ่านศูนย์กลางของกรวยและการควบคุมการกระจายตัวของท่อนำคลื่นในระหว่างการเตรียมเส้นใยนำแสงไมโครนาโน

เงื่อนไขข้างต้นวางรากฐานสำหรับการกระตุ้นฮาร์มอนิกที่สองที่มีประสิทธิภาพและแบนด์วิดท์กว้างในเส้นใยไมโคร-นาโน การทดลองแสดงให้เห็นว่าเอาต์พุตของฮาร์มอนิกที่สองที่ระดับนาโนวัตต์สามารถทำได้ภายใต้ปั๊มเลเซอร์พัลส์พิโคเซคันด์ความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตร และฮาร์มอนิกที่สองยังสามารถถูกกระตุ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพภายใต้ปั๊มเลเซอร์ต่อเนื่องที่มีความยาวคลื่นเดียวกัน และกำลังไฟฟ้าเกณฑ์ต่ำถึงหลายร้อยไมโครวัตต์ (รูปที่ 1) นอกจากนี้ เมื่อแสงปั๊มขยายไปยังความยาวคลื่นเลเซอร์ต่อเนื่องสามช่วง (1270/1550/1590 นาโนเมตร) จะพบฮาร์มอนิกที่สองสามช่วง (2w1, 2w2, 2w3) และสัญญาณความถี่รวมสามสัญญาณ (w1+w2, w1+w3, w2+w3) ที่ความยาวคลื่นการแปลงความถี่ทั้งหกช่วง การเปลี่ยนหลอดไฟปั๊มเป็นแหล่งกำเนิดแสงไดโอดเปล่งแสงอัลตรา (SLED) ที่มีแบนด์วิดท์ 79.3 นาโนเมตร จะทำให้เกิดฮาร์มอนิกที่สองสเปกตรัมกว้างที่มีแบนด์วิดท์ 28.3 นาโนเมตร (รูปที่ 2) นอกจากนี้ หากสามารถใช้เทคโนโลยีการสะสมไอเคมีทดแทนเทคโนโลยีการถ่ายโอนแบบแห้งในการศึกษานี้ และสามารถปลูกผลึกแกลเลียมซีเลไนด์บนพื้นผิวของเส้นใยไมโคร-นาโนในระยะทางไกลได้น้อยลง คาดว่าประสิทธิภาพการแปลงฮาร์มอนิกที่สองจะดีขึ้นอีก

รูปที่ 1 ระบบสร้างฮาร์มอนิกที่สองและผลลัพธ์ในโครงสร้างไฟเบอร์ทั้งหมด

รูปที่ 2 การผสมหลายความยาวคลื่นและฮาร์มอนิกที่สองสเปกตรัมกว้างภายใต้การสูบออปติคัลต่อเนื่อง