Возбуждение вторых гармоник в широком спектре
С момента открытия нелинейных оптических эффектов второго порядка в 1960-х годах, они вызвали широкий интерес исследователей, и до сих пор, основываясь на второй гармонике и частотных эффектах, были получены от крайнего ультрафиолетового до дальнего инфракрасного диапазоналазеры, значительно способствовал развитию лазера,оптическийобработка информации, микроскопические изображения высокого разрешения и другие области. Согласно нелинейномуоптикаи теория поляризации, нелинейный оптический эффект четного порядка тесно связан с симметрией кристалла, и нелинейный коэффициент не равен нулю только в нецентрально инверсионно-симметричных средах. Как самый базовый нелинейный эффект второго порядка, вторые гармоники значительно затрудняют их генерацию и эффективное использование в кварцевом волокне из-за аморфной формы и симметрии инверсии центра. В настоящее время методы поляризации (оптическая поляризация, тепловая поляризация, поляризация электрического поля) могут искусственно разрушить симметрию инверсии материального центра оптического волокна и эффективно улучшить нелинейность второго порядка оптического волокна. Однако этот метод требует сложной и требовательной технологии подготовки и может соответствовать условиям квазифазового согласования только на дискретных длинах волн. Резонансное кольцо оптического волокна, основанное на режиме эхо-стены, ограничивает широкоспектральное возбуждение вторых гармоник. Нарушая симметрию поверхностной структуры волокна, поверхностные вторые гармоники в волокне специальной структуры усиливаются в определенной степени, но все еще 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 приборов, и имеют важное научное значение и широкую прикладную ценность.
Исследовательская группа в Китае предложила схему интеграции фаз кристаллов селенида галлия с микро-нановолокном. Используя преимущества высокой нелинейности второго порядка и дальнего порядка кристаллов селенида галлия, реализуется широкоспектральный процесс возбуждения второй гармоники и многочастотного преобразования, что обеспечивает новое решение для улучшения многопараметрических процессов в волокне и подготовки широкополосных вторых гармоникисточники света. Эффективное возбуждение эффекта второй гармоники и суммарной частоты в схеме в основном зависит от следующих трех ключевых условий: большое расстояние взаимодействия света с веществом между селенидом галлия имикро-нано волокно, 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, подготовленное системой сужения пламени, имеет однородную область конуса 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 намного выше собственной нелинейной поляризуемости оптического волокна. Более того, дальнеупорядоченная структура 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 второго гармонического высокого порядка (EH11, HE31) реализуется путем управления диаметром конуса и последующего регулирования дисперсии волновода во время подготовки микро-нановолокна.
Вышеуказанные условия закладывают основу для эффективного и широкополосного возбуждения вторых гармоник в микро-нановолокне. Эксперимент показывает, что выход вторых гармоник на уровне нановатт может быть достигнут при пикосекундной импульсной лазерной накачке 1550 нм, и вторые гармоники также могут быть эффективно возбуждены при непрерывной лазерной накачке той же длины волны, а пороговая мощность составляет всего несколько сотен микроватт (рисунок 1). Кроме того, когда свет накачки расширяется до трех различных длин волн непрерывного лазера (1270/1550/1590 нм), три вторые гармоники (2w1, 2w2, 2w3) и три сигнала суммарной частоты (w1+w2, w1+w3, w2+w3) наблюдаются на каждой из шести длин волн преобразования частоты. Заменив свет накачки на источник света на основе сверхяркого светодиода (SLED) с шириной полосы пропускания 79,3 нм, генерируется вторая гармоника широкого спектра с шириной полосы пропускания 28,3 нм (рисунок 2). Кроме того, если в этом исследовании можно будет использовать технологию химического осаждения из паровой фазы вместо технологии сухого переноса, а на поверхности микро-нановолокна на больших расстояниях можно будет выращивать меньше слоев кристаллов селенида галлия, эффективность преобразования второй гармоники, как ожидается, будет еще больше улучшена.
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.