Возбуждение вторых гармоник в широком спектре
С момента открытия нелинейных оптических эффектов второго порядка в 1960-х годах, это вызвало широкий интерес исследователей, и до сих пор, основываясь на второй гармонике и частотных эффектах, было получено от крайнего ультрафиолетового до дальнего инфракрасного диапазоналазеры, значительно способствовал развитию лазера,оптическийОбработка информации, микроскопические изображения высокого разрешения и другие области. Согласно нелинейнымоптикаВ соответствии с теорией поляризации, нелинейный оптический эффект четного порядка тесно связан с симметрией кристалла, а нелинейный коэффициент не равен нулю только в средах с нецентральной инверсионной симметрией. Вторые гармоники, являясь основным нелинейным эффектом второго порядка, значительно затрудняют их генерацию и эффективное использование в кварцевых волокнах из-за аморфной формы и симметрии инверсии центра. В настоящее время методы поляризации (оптическая поляризация, тепловая поляризация, поляризация электрического поля) позволяют искусственно нарушить симметрию инверсии центра материала оптического волокна и эффективно улучшить нелинейность второго порядка. Однако этот метод требует сложной и ресурсоемкой технологии изготовления и может обеспечить условия квазифазового синхронизма только на дискретных длинах волн. Резонансное кольцо оптического волокна, основанное на режиме эхо-стенки, ограничивает широкий спектр возбуждения вторых гармоник. Нарушая симметрию поверхностной структуры волокна, поверхностные вторые гармоники в волокне со специальной структурой в некоторой степени усиливаются, но по-прежнему зависят от фемтосекундного импульса накачки с очень высокой пиковой мощностью. Таким образом, генерация нелинейных оптических эффектов второго порядка в полностью волоконных структурах и повышение эффективности преобразования, особенно генерация широкоспектральных вторых гармоник при маломощной непрерывной оптической накачке, являются основными проблемами, требующими решения в области нелинейной волоконной оптики и устройств, и имеют важное научное значение и широкую прикладную ценность.
Группа исследователей из Китая предложила схему фазовой интеграции слоистого кристалла селенида галлия с микро- и нановолокном. Благодаря высокой нелинейности второго порядка и дальнему упорядочению кристаллов селенида галлия реализуется широкополосное возбуждение второй гармоники и многочастотное преобразование, что представляет собой новое решение для улучшения многопараметрических процессов в волокне и получения широкополосных вторых гармоник.источники светаЭффективное возбуждение второй гармоники и эффекта суммарной частоты в схеме в основном зависит от следующих трёх ключевых условий: большого расстояния взаимодействия света с веществом между селенидом галлия имикро-нановолокно, высокая нелинейность второго порядка и дальний порядок слоистого кристалла селенида галлия, а также условия фазового согласования основной частоты и режима удвоения частоты выполнены.
В эксперименте микро-нановолокно, изготовленное с помощью системы пламенного сканирования сужения, имело однородную конусную область порядка миллиметра, что обеспечивает большую длину нелинейного действия для света накачки и волны второй гармоники. Нелинейная поляризуемость второго порядка интегрированного кристалла селенида галлия превышает 170 пм/В, что значительно выше собственной нелинейной поляризуемости оптического волокна. Более того, дальний порядок структуры кристалла селенида галлия обеспечивает непрерывную фазовую интерференцию вторых гармоник, в полной мере используя преимущество большой длины нелинейного действия в микро-нановолокне. Что еще более важно, фазовое согласование между оптической базовой модой накачки (HE11) и модой высшего порядка второй гармоники (EH11, HE31) достигается путем управления диаметром конуса и последующего регулирования дисперсии волновода в процессе изготовления микро-нановолокна.
Вышеуказанные условия закладывают основу для эффективного и широкополосного возбуждения второй гармоники в микро-нановолокне. Эксперимент показывает, что выход второй гармоники на уровне нановатт может быть достигнут при пикосекундной лазерной накачке с длиной волны 1550 нм, а вторая гармоника также может эффективно возбуждаться при непрерывной лазерной накачке с той же длиной волны, при этом пороговая мощность составляет всего несколько сотен микроватт (рисунок 1). Более того, при расширении света накачки до трёх различных длин волн непрерывного лазера (1270/1550/1590 нм) на каждой из шести длин волн преобразования частоты наблюдаются три вторые гармоники (2w1, 2w2, 2w3) и три сигнала суммарной частоты (w1+w2, w1+w3, w2+w3). Замена источника накачки ультраярким светодиодом (SLED) с длиной волны 79,3 нм позволяет генерировать вторую гармонику с широким спектром и шириной полосы 28,3 нм (рисунок 2). Кроме того, если в данном исследовании вместо технологии сухого переноса можно будет использовать технологию химического осаждения из паровой фазы, а также можно будет выращивать меньше слоёв кристаллов селенида галлия на поверхности микро- и нановолокна на больших расстояниях, ожидается дальнейшее повышение эффективности преобразования второй гармоники.
РИС. 1 Система генерации второй гармоники и результаты в полностью волоконной структуре
Рисунок 2. Многоволновое смешение и широкоспектральные вторые гармоники при непрерывной оптической накачке
Время публикации: 20 мая 2024 г.