การกระตุ้นฮาร์โมนิกที่สองในช่วงคลื่นความถี่กว้าง

การกระตุ้นฮาร์โมนิกที่สองในช่วงคลื่นความถี่กว้าง

นับตั้งแต่การค้นพบปรากฏการณ์ทางแสงแบบไม่เชิงเส้นอันดับสองในช่วงทศวรรษ 1960 เป็นต้นมา ได้ก่อให้เกิดความสนใจอย่างกว้างขวางจากนักวิจัย จนถึงปัจจุบันนี้ โดยอาศัยฮาร์มอนิกที่สองและผลกระทบจากความถี่ ได้มีการสร้างผลงานขึ้นมาตั้งแต่ช่วงอัลตราไวโอเลตสุดขั้วไปจนถึงอินฟราเรดไกลเลเซอร์ซึ่งส่งเสริมการพัฒนาเลเซอร์อย่างมากออปติคอลการประมวลผลข้อมูล การถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูง และสาขาอื่นๆ ตามหลักการไม่เชิงเส้นทัศนศาสตร์และทฤษฎีโพลาไรเซชัน ปรากฏการณ์ทางแสงแบบไม่เชิงเส้นอันดับคู่มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับสมมาตรของผลึก และสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นจะไม่เป็นศูนย์เฉพาะในตัวกลางที่ไม่สมมาตรแบบผกผันศูนย์กลางเท่านั้น ฮาร์มอนิกที่สองซึ่งเป็นปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้นอันดับสองขั้นพื้นฐานที่สุดนั้น ขัดขวางการสร้างและการใช้งานอย่างมีประสิทธิภาพในเส้นใยควอตซ์อย่างมาก เนื่องจากรูปทรงอสัณฐานและสมมาตรแบบผกผันศูนย์กลาง ในปัจจุบัน วิธีการโพลาไรเซชัน (โพลาไรเซชันทางแสง โพลาไรเซชันทางความร้อน โพลาไรเซชันทางสนามไฟฟ้า) สามารถทำลายสมมาตรแบบผกผันศูนย์กลางของวัสดุในเส้นใยนำแสงได้ และปรับปรุงปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้นอันดับสองของเส้นใยนำแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ต้องการเทคโนโลยีการเตรียมการที่ซับซ้อนและยากลำบาก และสามารถตอบสนองเงื่อนไขการจับคู่เฟสแบบกึ่งสมบูรณ์ที่ความยาวคลื่นเฉพาะเท่านั้น วงแหวนเรโซแนนซ์ของเส้นใยนำแสงที่ใช้โหมดผนังสะท้อนจำกัดการกระตุ้นสเปกตรัมกว้างของฮาร์มอนิกที่สอง โดยการทำลายสมมาตรของโครงสร้างพื้นผิวของเส้นใย ฮาร์มอนิกที่สองของพื้นผิวในเส้นใยโครงสร้างพิเศษจะเพิ่มขึ้นในระดับหนึ่ง แต่ยังคงขึ้นอยู่กับพัลส์ปั๊มเฟมโตวินาทีที่มีกำลังสูงสุดสูงมาก ดังนั้น การสร้างปรากฏการณ์ทางแสงแบบไม่เชิงเส้นอันดับสองในโครงสร้างใยแก้วนำแสงทั้งหมด และการปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการสร้างฮาร์โมนิกอันดับสองที่มีช่วงความถี่กว้างในการปั๊มแสงอย่างต่อเนื่องด้วยกำลังต่ำ จึงเป็นปัญหาพื้นฐานที่ต้องได้รับการแก้ไขในสาขาใยแก้วนำแสงแบบไม่เชิงเส้นและอุปกรณ์ต่างๆ ซึ่งมีความสำคัญทางวิทยาศาสตร์และมีคุณค่าในการประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวาง

ทีมวิจัยในประเทศจีนได้เสนอแผนการรวมเฟสของผลึกแกลเลียมเซเลไนด์แบบหลายชั้นร่วมกับเส้นใยขนาดไมโครและนาโน โดยใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติไม่เป็นเชิงเส้นอันดับสองสูงและการเรียงตัวในระยะยาวของผลึกแกลเลียมเซเลไนด์ ทำให้เกิดการกระตุ้นฮาร์มอนิกที่สองแบบสเปกตรัมกว้างและกระบวนการแปลงความถี่หลายความถี่ ซึ่งเป็นแนวทางใหม่สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการหลายพารามิเตอร์ในเส้นใยและการเตรียมฮาร์มอนิกที่สองแบบบรอดแบนด์แหล่งกำเนิดแสงการกระตุ้นที่มีประสิทธิภาพของฮาร์มอนิกที่สองและผลรวมความถี่ในแผนการนี้ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขสำคัญสามประการดังต่อไปนี้เป็นหลัก: ระยะห่างระหว่างแสงกับสสารที่ยาวระหว่างแกลเลียมเซเลไนด์และไมโครนาโนไฟเบอร์โดยที่ผลึกแกลเลียมเซเลไนด์แบบชั้นมีคุณสมบัติไม่เป็นเชิงเส้นอันดับสองสูงและมีระเบียบระยะยาว รวมถึงเงื่อนไขการจับคู่เฟสของความถี่พื้นฐานและโหมดการเพิ่มความถี่เป็นสองเท่าก็เป็นไปตามที่กำหนด

ในการทดลอง เส้นใยไมโครนาโนที่เตรียมโดยระบบการลดขนาดด้วยการสแกนเปลวไฟมีบริเวณรูปกรวยที่สม่ำเสมอในระดับมิลลิเมตร ซึ่งให้ความยาวการทำงานแบบไม่เชิงเส้นที่ยาวสำหรับแสงปั๊มและคลื่นฮาร์มอนิกที่สอง ค่าโพลาไรซ์แบบไม่เชิงเส้นอันดับสองของผลึกแกลเลียมซีลีไนด์แบบรวมมีค่าเกิน 170 pm/V ซึ่งสูงกว่าค่าโพลาไรซ์แบบไม่เชิงเส้นโดยธรรมชาติของเส้นใยนำแสงมาก ยิ่งไปกว่านั้น โครงสร้างที่มีระเบียบในระยะยาวของผลึกแกลเลียมซีลีไนด์ช่วยให้เกิดการรบกวนเฟสอย่างต่อเนื่องของฮาร์มอนิกที่สอง ทำให้ใช้ประโยชน์จากข้อดีของความยาวการทำงานแบบไม่เชิงเส้นขนาดใหญ่ในเส้นใยไมโครนาโนได้อย่างเต็มที่ ที่สำคัญกว่านั้น การจับคู่เฟสระหว่างโหมดฐานแสงปั๊ม (HE11) และโหมดลำดับสูงของฮาร์มอนิกที่สอง (EH11, HE31) เกิดขึ้นได้โดยการควบคุมเส้นผ่านศูนย์กลางของกรวยแล้วควบคุมการกระจายตัวของคลื่นนำแสงในระหว่างการเตรียมเส้นใยไมโครนาโน

เงื่อนไขข้างต้นเป็นพื้นฐานสำหรับการกระตุ้นฮาร์มอนิกที่สองอย่างมีประสิทธิภาพและครอบคลุมย่านความถี่กว้างในเส้นใยไมโครนาโน การทดลองแสดงให้เห็นว่าสามารถสร้างฮาร์มอนิกที่สองได้ในระดับนาโนวัตต์ภายใต้การกระตุ้นด้วยเลเซอร์พัลส์พิโควินาที 1550 นาโนเมตร และยังสามารถกระตุ้นฮาร์มอนิกที่สองได้อย่างมีประสิทธิภาพภายใต้การกระตุ้นด้วยเลเซอร์ต่อเนื่องที่มีความยาวคลื่นเดียวกัน โดยกำลังไฟฟ้าเริ่มต้นต่ำเพียงไม่กี่ร้อยไมโครวัตต์ (รูปที่ 1) นอกจากนี้ เมื่อขยายแสงกระตุ้นไปยังความยาวคลื่นเลเซอร์ต่อเนื่องที่แตกต่างกันสามความยาวคลื่น (1270/1550/1590 นาโนเมตร) จะสังเกตเห็นฮาร์มอนิกที่สองสามตัว (2w1, 2w2, 2w3) และสัญญาณความถี่รวมสามตัว (w1+w2, w1+w3, w2+w3) ที่ความยาวคลื่นการแปลงความถี่ทั้งหกความยาวคลื่น โดยการแทนที่แสงปั๊มด้วยแหล่งกำเนิดแสงไดโอดเปล่งแสงอัลตร้าเรเดียนต์ (SLED) ที่มีแบนด์วิดท์ 79.3 นาโนเมตร จะทำให้เกิดฮาร์มอนิกที่สองแบบสเปกตรัมกว้างที่มีแบนด์วิดท์ 28.3 นาโนเมตร (รูปที่ 2) นอกจากนี้ หากสามารถใช้เทคโนโลยีการตกตะกอนไอสารเคมีมาแทนที่เทคโนโลยีการถ่ายโอนแบบแห้งในงานวิจัยนี้ และสามารถปลูกผลึกแกลเลียมเซเลไนด์บนพื้นผิวของเส้นใยไมโครนาโนในระยะทางไกลได้จำนวนชั้นน้อยลง ประสิทธิภาพการแปลงฮาร์มอนิกที่สองก็คาดว่าจะดีขึ้นไปอีก

รูปที่ 1 ระบบสร้างฮาร์มอนิกที่สองและผลลัพธ์ในโครงสร้างไฟเบอร์ทั้งหมด

รูปที่ 2 การผสมความยาวคลื่นหลายช่วงและฮาร์โมนิกที่สองช่วงคลื่นกว้างภายใต้การปั๊มแสงอย่างต่อเนื่อง