إثارة التوافقيات الثانية في طيف واسع

إثارة التوافقيات الثانية في طيف واسع

منذ اكتشاف التأثيرات البصرية غير الخطية من الدرجة الثانية في ستينيات القرن العشرين، أثارت اهتمامًا واسعًا من الباحثين، حتى الآن، بناءً على التأثيرات التوافقية الثانية والترددية، تم إنتاجها من نطاق الأشعة فوق البنفسجية القصوى إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة.الليزر، عزز بشكل كبير تطوير الليزر،بصريمعالجة المعلومات، والتصوير المجهري عالي الدقة، ومجالات أخرى. وفقًا للتحليل غير الخطيبصرياتفي نظرية الاستقطاب، يرتبط التأثير البصري غير الخطي الزوجي ارتباطًا وثيقًا بتناظر البلورة، ولا يكون معامل اللاخطية صفرًا إلا في الأوساط المتماثلة ذات الانعكاس غير المركزي. وباعتبارها أبسط تأثير لاخطي من الدرجة الثانية، فإن التوافقيات الثانية تعيق بشكل كبير توليدها واستخدامها الفعال في ألياف الكوارتز بسبب شكلها غير المتبلور وتماثل انعكاس المركز. حاليًا، يمكن لطرق الاستقطاب (الاستقطاب البصري، الاستقطاب الحراري، استقطاب المجال الكهربائي) أن تُدمر اصطناعيًا تماثل انعكاس مركز المادة في الألياف الضوئية، وتُحسّن بشكل فعال لاخطيتها من الدرجة الثانية. ومع ذلك، تتطلب هذه الطريقة تقنية تحضير معقدة ومتطلبة، ولا يمكنها تلبية شروط مطابقة شبه الطور إلا عند أطوال موجية منفصلة. تحد حلقة رنين الألياف الضوئية القائمة على وضع جدار الصدى من إثارة الطيف الواسع للتوافقيات الثانية. ومن خلال كسر تماثل البنية السطحية للألياف، يتم تحسين التوافقيات الثانية السطحية في الألياف ذات البنية الخاصة إلى حد ما، ولكنها لا تزال تعتمد على نبضة مضخة الفيمتوثانية ذات قدرة الذروة العالية جدًا. لذلك، فإن توليد تأثيرات بصرية غير خطية من الدرجة الثانية في هياكل الألياف الكاملة وتحسين كفاءة التحويل، وخاصة توليد التوافقيات الثانية واسعة الطيف في الضخ البصري المستمر منخفض الطاقة، هي المشاكل الأساسية التي تحتاج إلى حل في مجال الألياف البصرية غير الخطية والأجهزة، ولها أهمية علمية كبيرة وقيمة تطبيق واسعة.

اقترح فريق بحثي صيني مخططًا لدمج طور بلورة سيلينيد الغاليوم الطبقي باستخدام ألياف نانوية دقيقة. بالاستفادة من اللاخطية العالية من الدرجة الثانية والترتيب طويل المدى لبلورات سيلينيد الغاليوم، تُحقق عملية إثارة توافقية ثانية واسعة النطاق وتحويل متعدد الترددات، مما يوفر حلاً جديدًا لتحسين العمليات متعددة المعايير في الألياف وإعداد توافقيات ثانية عريضة النطاق.مصادر الضوءيعتمد الإثارة الفعالة للتردد التوافقي الثاني وتأثير التردد المجموعي في المخطط بشكل أساسي على الشروط الثلاثة الرئيسية التالية: المسافة الطويلة بين تفاعل الضوء والمادة بين سيلينيد الغاليوم وألياف نانوية دقيقة، تم استيفاء اللاخطية العالية من الدرجة الثانية والترتيب طويل المدى لبلورة سيلينيد الغاليوم الطبقية، وشروط مطابقة الطور للتردد الأساسي ووضع مضاعفة التردد.

في التجربة، تميّزت الألياف النانوية الدقيقة المُحضّرة بنظام التدرّج المدبب بمسح اللهب بمنطقة مخروطية منتظمة بحدود المليمتر، مما يوفر طول فعل غير خطي طويل لضوء المضخة والموجة التوافقية الثانية. تتجاوز قابلية الاستقطاب غير الخطي من الدرجة الثانية لبلورة سيلينيد الغاليوم المدمجة 170 بيكومتر/فولت، وهي أعلى بكثير من قابلية الاستقطاب غير الخطي الجوهرية للألياف الضوئية. علاوة على ذلك، يضمن الهيكل المنظم طويل المدى لبلورة سيلينيد الغاليوم تداخل الطور المستمر للتوافقيات الثانية، مما يُتيح الاستفادة الكاملة من طول الفعل غير الخطي الكبير في الألياف النانوية الدقيقة. والأهم من ذلك، يتحقق توافق الطور بين وضع القاعدة الضوئية للضخ (HE11) ووضع الترتيب العالي للتوافقية الثانية (EH11، HE31) من خلال التحكم في قطر المخروط ثم تنظيم تشتت الدليل الموجي أثناء تحضير الألياف النانوية الدقيقة.

تُرسي الشروط المذكورة أعلاه الأساس لإثارة فعالة وواسعة النطاق للتوافقيات الثانية في الألياف النانوية الدقيقة. تُظهر التجربة أنه يمكن تحقيق خرج التوافقيات الثانية بمستوى النانو وات باستخدام مضخة ليزر نبضي بيكو ثانية بطول موجة 1550 نانومتر، ويمكن أيضًا إثارة التوافقيات الثانية بكفاءة باستخدام مضخة ليزر مستمرة بنفس الطول الموجي، وتكون قدرة العتبة منخفضة تصل إلى عدة مئات من الميكرو وات (الشكل 1). علاوة على ذلك، عند تمديد ضوء المضخة إلى ثلاثة أطوال موجية مختلفة من الليزر المستمر (1270/1550/1590 نانومتر)، تُلاحظ ثلاث توافقيات ثانية (2w1، 2w2، 2w3) وثلاث إشارات تردد إجمالي (w1+w2، w1+w3، w2+w3) عند كل من أطوال موجات تحويل التردد الستة. باستبدال ضوء المضخة بمصدر ضوء ثنائي باعث للضوء فائق الإشعاع (SLED) بعرض نطاق 79.3 نانومتر، يُولَّد توافق ثانٍ واسع الطيف بعرض نطاق 28.3 نانومتر (الشكل 2). بالإضافة إلى ذلك، إذا أمكن استخدام تقنية الترسيب الكيميائي للبخار لاستبدال تقنية النقل الجاف في هذه الدراسة، وتمكنّا من إنتاج طبقات أقل من بلورات سيلينيد الغاليوم على سطح الألياف النانوية الدقيقة لمسافات طويلة، فمن المتوقع أن تتحسن كفاءة تحويل التوافق الثاني بشكل أكبر.

الشكل 1. نظام توليد التوافقيات الثاني والنتائج في بنية الألياف الكاملة

الشكل 2 خلط الأطوال الموجية المتعددة والتوافقيات الثانية واسعة الطيف تحت الضخ البصري المستمر