إثارة التوافقيات الثانية في طيف واسع

إثارة التوافقيات الثانية في طيف واسع

منذ اكتشاف التأثيرات البصرية غير الخطية من الدرجة الثانية في الستينيات، أثارت هذه التأثيرات اهتمامًا واسعًا من الباحثين، وحتى الآن، استنادًا إلى التوافقي الثاني وتأثيرات التردد، تم إنتاجها من نطاق الأشعة فوق البنفسجية القصوى إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة.الليزروقد ساهم ذلك بشكل كبير في تطوير الليزر.بصريمعالجة المعلومات، والتصوير المجهري عالي الدقة، وغيرها من المجالات. وفقًا للنماذج غير الخطيةبصرياتفي نظرية الاستقطاب، يرتبط التأثير البصري غير الخطي ذو الرتبة الزوجية ارتباطًا وثيقًا بتناظر البلورة، ولا يكون معامل اللاخطية صفرًا إلا في الأوساط غير المتناظرة مركزيًا. وباعتبارها التأثير غير الخطي الأساسي من الرتبة الثانية، فإن التوافقيات الثانية تعيق توليدها واستخدامها الفعال في ألياف الكوارتز نظرًا لشكلها غير المتبلور وتناظر مركزها. حاليًا، يمكن لأساليب الاستقطاب (الاستقطاب البصري، والاستقطاب الحراري، واستقطاب المجال الكهربائي) أن تُدمر تناظر مركز مادة الألياف البصرية، وأن تُحسّن بشكل فعال اللاخطية من الرتبة الثانية فيها. مع ذلك، تتطلب هذه الطريقة تقنية تحضير معقدة ودقيقة، ولا يمكنها تلبية شروط مطابقة الطور شبه الكاملة إلا عند أطوال موجية منفصلة. يحدّ الرنين الحلقي للألياف البصرية، القائم على نمط صدى الجدار، من إثارة التوافقيات الثانية على نطاق واسع. من خلال كسر تناظر بنية سطح الألياف، يتم تعزيز التوافقيات الثانية السطحية في الألياف ذات البنية الخاصة إلى حد ما، ولكنها لا تزال تعتمد على نبضة ضخ فيمتوثانية ذات قدرة ذروة عالية جدًا. لذلك، فإن توليد التأثيرات البصرية غير الخطية من الدرجة الثانية في الهياكل المصنوعة بالكامل من الألياف وتحسين كفاءة التحويل، وخاصة توليد التوافقيات الثانية واسعة النطاق في الضخ البصري المستمر منخفض الطاقة، هي المشكلات الأساسية التي تحتاج إلى حل في مجال الألياف البصرية غير الخطية والأجهزة، ولها أهمية علمية كبيرة وقيمة تطبيقية واسعة.

اقترح فريق بحثي في ​​الصين مخططًا لدمج طور بلورات سيلينيد الغاليوم الطبقية مع ألياف دقيقة نانوية. وباستغلال اللاخطية العالية من الدرجة الثانية والترتيب بعيد المدى لبلورات سيلينيد الغاليوم، يتم تحقيق إثارة توافقية ثانية واسعة النطاق وعملية تحويل متعددة الترددات، مما يوفر حلاً جديدًا لتحسين العمليات متعددة المعاملات في الألياف وإعداد توافقية ثانية واسعة النطاق.مصادر الإضاءةيعتمد التحفيز الفعال للتوافقي الثاني وتأثير تردد الجمع في المخطط بشكل أساسي على الشروط الرئيسية الثلاثة التالية: مسافة التفاعل الطويلة بين الضوء والمادة بين سيلينيد الغاليوم وألياف دقيقة نانوية، واللاخطية العالية من الدرجة الثانية والترتيب طويل المدى لبلورة سيلينيد الغاليوم الطبقية، وشروط مطابقة الطور للتردد الأساسي ونمط مضاعفة التردد.

في هذه التجربة، يتميز الليف النانوي الدقيق المُحضر باستخدام نظام التناقص التدريجي بالمسح اللهبي بمنطقة مخروطية منتظمة في حدود المليمتر، مما يوفر طولًا كبيرًا للتأثير غير الخطي لضوء الضخ والموجة التوافقية الثانية. تتجاوز الاستقطابية غير الخطية من الرتبة الثانية لبلورة سيلينيد الغاليوم المتكاملة 170 بيكومتر/فولت، وهي أعلى بكثير من الاستقطابية غير الخطية الذاتية للألياف البصرية. علاوة على ذلك، يضمن التركيب المنتظم طويل المدى لبلورة سيلينيد الغاليوم تداخل الطور المستمر للتوافقيات الثانية، مما يُتيح الاستفادة الكاملة من ميزة طول التأثير غير الخطي الكبير في الليف النانوي الدقيق. والأهم من ذلك، يتم تحقيق مطابقة الطور بين نمط الضخ البصري الأساسي (HE11) ونمط التوافقي الثاني عالي الرتبة (EH11، HE31) من خلال التحكم في قطر المخروط ثم تنظيم تشتت الدليل الموجي أثناء تحضير الليف النانوي الدقيق.

تُهيئ الشروط المذكورة أعلاه الأساس لتحفيز التوافقيات الثانية بكفاءة ونطاق ترددي واسع في الألياف النانوية الدقيقة. تُظهر التجربة إمكانية الحصول على خرج توافقي ثانٍ بمستوى النانوواط باستخدام ضخ ليزر نبضي بيكوثانية بطول موجي 1550 نانومتر، كما يُمكن تحفيز التوافقيات الثانية بكفاءة باستخدام ضخ ليزر مستمر بنفس الطول الموجي، حيث تصل قدرة العتبة إلى بضع مئات من الميكروواط (الشكل 1). علاوة على ذلك، عند تمديد ضوء الضخ إلى ثلاثة أطوال موجية مختلفة لليزر المستمر (1270/1550/1590 نانومتر)، لوحظت ثلاثة توافقيات ثانية (2w1، 2w2، 2w3) وثلاث إشارات ترددية إجمالية (w1+w2، w1+w3، w2+w3) عند كل طول موجي من أطوال موجات تحويل التردد الستة. باستبدال ضوء الضخ بمصدر ضوئي من نوع الصمام الثنائي الباعث للضوء فائق السطوع (SLED) بعرض نطاق 79.3 نانومتر، يتم توليد توافقية ثانية واسعة الطيف بعرض نطاق 28.3 نانومتر (الشكل 2). إضافةً إلى ذلك، إذا أمكن استخدام تقنية الترسيب الكيميائي للبخار بدلاً من تقنية النقل الجاف المستخدمة في هذه الدراسة، وإذا أمكن ترسيب طبقات أقل من بلورات سيلينيد الغاليوم على سطح الألياف الميكروية النانوية لمسافات طويلة، فمن المتوقع تحسين كفاءة تحويل التوافقية الثانية بشكل أكبر.

الشكل 1: نظام توليد التوافقي الثاني ونتائجه في بنية الألياف الضوئية بالكامل

الشكل 2: مزج متعدد الأطوال الموجية وتوافقيات ثانية واسعة النطاق تحت ضخ ضوئي مستمر