การกระตุ้นฮาร์โมนิคที่สองในสเปกตรัมกว้าง

การกระตุ้นฮาร์โมนิคที่สองในสเปกตรัมกว้าง

นับตั้งแต่มีการค้นพบเอฟเฟกต์ออปติกแบบไม่เชิงเส้นลำดับที่สองในช่วงทศวรรษ 1960 ได้กระตุ้นความสนใจของนักวิจัยอย่างกว้างขวาง จนถึงปัจจุบัน เอฟเฟกต์ฮาร์โมนิกที่สองและความถี่ก็ได้ผลิตขึ้นตั้งแต่แถบอัลตราไวโอเลตสุดขั้วไปจนถึงแถบอินฟราเรดไกลเลเซอร์ส่งเสริมการพัฒนาเลเซอร์อย่างมากออปติคอลการประมวลผลข้อมูล การถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูง และสาขาอื่นๆ ตามแบบไม่เชิงเส้นเลนส์และทฤษฎีโพลาไรเซชัน เอฟเฟกต์ออปติกแบบไม่เชิงเส้นลำดับคู่มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับสมมาตรของคริสตัล และค่าสัมประสิทธิ์แบบไม่เชิงเส้นไม่ใช่ศูนย์เฉพาะในสื่อสมมาตรอินเวอร์ชั่นที่ไม่อยู่ตรงกลางเท่านั้น เนื่องจากเป็นเอฟเฟกต์แบบไม่เชิงเส้นลำดับสองขั้นพื้นฐานที่สุด ฮาร์มอนิกลำดับที่สองจึงขัดขวางการสร้างและการใช้งานที่มีประสิทธิภาพในใยแก้วควอตซ์อย่างมาก เนื่องมาจากรูปแบบอะมอร์ฟัสและความสมมาตรของการอินเวอร์ชั่นของศูนย์กลาง ในปัจจุบัน วิธีการโพลาไรเซชัน (โพลาไรเซชันแบบออปติก โพลาไรเซชันความร้อน โพลาไรเซชันสนามไฟฟ้า) สามารถทำลายสมมาตรของการอินเวอร์ชั่นของศูนย์กลางวัสดุของใยแก้วได้อย่างเทียม และปรับปรุงความไม่เชิงเส้นลำดับสองของใยแก้วได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ต้องใช้เทคโนโลยีการเตรียมการที่ซับซ้อนและต้องการความแม่นยำสูง และสามารถตอบสนองเงื่อนไขการจับคู่แบบกึ่งเฟสได้เฉพาะที่ความยาวคลื่นที่ไม่ต่อเนื่องเท่านั้น วงแหวนเรโซแนนซ์ของใยแก้วที่ใช้โหมดผนังสะท้อนเสียงจำกัดการกระตุ้นสเปกตรัมกว้างของฮาร์มอนิกลำดับที่สอง การทำลายความสมมาตรของโครงสร้างพื้นผิวของไฟเบอร์ทำให้ฮาร์มอนิกที่สองของพื้นผิวในไฟเบอร์โครงสร้างพิเศษได้รับการปรับปรุงในระดับหนึ่ง แต่ยังคงขึ้นอยู่กับพัลส์ปั๊มเฟมโตวินาทีที่มีกำลังพีคสูงมาก ดังนั้น การสร้างเอฟเฟกต์ออปติกแบบไม่เชิงเส้นลำดับที่สองในโครงสร้างไฟเบอร์ทั้งหมดและการปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลง โดยเฉพาะการสร้างฮาร์มอนิกที่สองสเปกตรัมกว้างในการสูบออปติกต่อเนื่องกำลังต่ำ เป็นปัญหาพื้นฐานที่จำเป็นต้องแก้ไขในสาขาไฟเบอร์ออปติกและอุปกรณ์ที่ไม่เชิงเส้น และมีความสำคัญทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญและมีคุณค่าในการใช้งานอย่างกว้างขวาง

ทีมวิจัยในประเทศจีนได้เสนอแผนการรวมเฟสของผลึกแกเลียมเซเลไนด์แบบหลายชั้นกับไฟเบอร์ไมโคร-นาโน ด้วยการใช้ประโยชน์จากความไม่เชิงเส้นลำดับที่สองที่สูงและการเรียงลำดับระยะไกลของผลึกแกเลียมเซเลไนด์ จึงทำให้สามารถเกิดกระบวนการเร้าฮาร์มอนิกที่สองแบบสเปกตรัมกว้างและการแปลงความถี่หลายความถี่ได้ ซึ่งถือเป็นโซลูชันใหม่สำหรับการปรับปรุงกระบวนการแบบหลายพารามิเตอร์ในไฟเบอร์และการเตรียมฮาร์มอนิกที่สองแบบบรอดแบนด์แหล่งกำเนิดแสงการกระตุ้นที่มีประสิทธิภาพของผลรวมความถี่ฮาร์มอนิกที่สองในโครงร่างนั้นขึ้นอยู่กับเงื่อนไขสำคัญสามประการดังต่อไปนี้เป็นหลัก: ระยะห่างระหว่างปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารที่ยาวนานระหว่างแกเลียมเซเลไนด์และเส้นใยไมโคร-นาโนความไม่เป็นเชิงเส้นลำดับที่สองสูงและลำดับระยะไกลของผลึกแกเลียมเซเลไนด์แบบหลายชั้น และเงื่อนไขการจับคู่เฟสของความถี่พื้นฐานและโหมดการเพิ่มความถี่เป็นสองเท่านั้นเป็นที่พอใจ

ในการทดลอง เส้นใยไมโครนาโนที่เตรียมโดยระบบเทเปอร์สแกนเปลวไฟจะมีบริเวณกรวยที่สม่ำเสมอในระดับมิลลิเมตร ซึ่งให้ความยาวการกระทำที่ไม่เป็นเชิงเส้นยาวสำหรับแสงปั๊มและคลื่นฮาร์มอนิกที่สอง โพลาไรซ์แบบไม่เชิงเส้นลำดับที่สองของผลึกแกเลียมเซเลไนด์ที่รวมเข้าด้วยกันนั้นเกิน 170 pm/V ซึ่งสูงกว่าโพลาไรซ์แบบไม่เชิงเส้นโดยธรรมชาติของเส้นใยนำแสงมาก นอกจากนี้ โครงสร้างที่สั่งการระยะไกลของผลึกแกเลียมเซเลไนด์ยังช่วยให้เกิดการรบกวนเฟสอย่างต่อเนื่องของฮาร์มอนิกที่สอง ทำให้ได้ประโยชน์จากความยาวการกระทำที่ไม่เป็นเชิงเส้นขนาดใหญ่ในเส้นใยไมโครนาโน ที่สำคัญกว่านั้น การจับคู่เฟสระหว่างโหมดฐานออปติกการปั๊ม (HE11) และโหมดลำดับสูงฮาร์มอนิกที่สอง (EH11, HE31) เกิดขึ้นได้โดยการควบคุมเส้นผ่านศูนย์กลางของกรวยแล้วจึงควบคุมการกระจายของท่อนำคลื่นในระหว่างการเตรียมเส้นใยไมโครนาโน

เงื่อนไขดังกล่าวข้างต้นวางรากฐานสำหรับการกระตุ้นฮาร์มอนิกที่สองที่มีประสิทธิภาพและแบนด์วิดท์กว้างในไฟเบอร์ไมโครนาโน การทดลองแสดงให้เห็นว่าเอาต์พุตของฮาร์มอนิกที่สองที่ระดับนาโนวัตต์สามารถทำได้ภายใต้ปั๊มเลเซอร์พัลส์พิโควินาที 1550 นาโนเมตร และฮาร์มอนิกที่สองยังสามารถถูกกระตุ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพภายใต้ปั๊มเลเซอร์ต่อเนื่องที่มีความยาวคลื่นเดียวกัน และกำลังไฟฟ้าเกณฑ์ต่ำถึงหลายร้อยไมโครวัตต์ (รูปที่ 1) นอกจากนี้ เมื่อแสงปั๊มขยายไปยังความยาวคลื่นเลเซอร์ต่อเนื่องสามความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน (1270/1550/1590 นาโนเมตร) จะสังเกตเห็นฮาร์มอนิกที่สองสามฮาร์มอนิก (2w1, 2w2, 2w3) และสัญญาณความถี่รวมสามสัญญาณ (w1+w2, w1+w3, w2+w3) ที่ความยาวคลื่นการแปลงความถี่ทั้งหกความยาวคลื่น การเปลี่ยนหลอดไฟปั๊มด้วยแหล่งกำเนิดแสงไดโอดเปล่งแสงอัลตรา (SLED) ที่มีแบนด์วิดท์ 79.3 นาโนเมตร จะทำให้เกิดฮาร์มอนิกที่สองที่มีสเปกตรัมกว้างและมีแบนด์วิดท์ 28.3 นาโนเมตร (รูปที่ 2) นอกจากนี้ หากสามารถใช้เทคโนโลยีการสะสมไอเคมีเพื่อทดแทนเทคโนโลยีการถ่ายโอนแห้งในการศึกษานี้ และสามารถปลูกชั้นผลึกแกเลียมเซเลไนด์บนพื้นผิวของเส้นใยไมโครนาโนในระยะทางไกลได้น้อยลง คาดว่าประสิทธิภาพการแปลงฮาร์มอนิกที่สองจะได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติม

รูปที่ 1 ระบบการสร้างฮาร์มอนิกที่สองและผลลัพธ์ในโครงสร้างไฟเบอร์ทั้งหมด

รูปที่ 2 การผสมหลายความยาวคลื่นและฮาร์มอนิกที่สองสเปกตรัมกว้างภายใต้การสูบออปติคอลต่อเนื่อง