Anregung von zweiten Harmonischen in einem breiten Spektrum
Seit der Entdeckung nichtlinearer optischer Effekte zweiter Ordnung in den 1960er Jahren hat dies großes Interesse bei Forschern geweckt. Bisher wurden auf der Grundlage der zweiten Harmonischen und Frequenzeffekte Effekte im Bereich vom extremen Ultraviolett bis zum fernen Infrarotbereich erzeugt.Laser, hat die Entwicklung des Lasers maßgeblich gefördert,optischInformationsverarbeitung, hochauflösende Mikroskopie und andere Bereiche. Gemäß nichtlinearerOptikGemäß der Polarisationstheorie ist der nichtlineare optische Effekt geradzahliger Ordnung eng mit der Kristallsymmetrie verknüpft, und der nichtlineare Koeffizient ist nur in nicht-zentralen inversionssymmetrischen Medien ungleich null. Als grundlegendster nichtlinearer Effekt zweiter Ordnung ist die Erzeugung und effektive Nutzung der zweiten Harmonischen in Quarzfasern aufgrund der amorphen Struktur und der zentralen Inversionssymmetrie stark eingeschränkt. Gegenwärtig können Polarisationsmethoden (optische Polarisation, thermische Polarisation, elektrische Feldpolarisation) die Symmetrie der zentralen Inversion in optischen Fasern künstlich aufheben und so die Nichtlinearität zweiter Ordnung effektiv verbessern. Diese Methode erfordert jedoch komplexe und aufwendige Präparationstechniken und erfüllt die Quasi-Phasenanpassungsbedingungen nur bei diskreten Wellenlängen. Der auf dem Echo-Wand-Modus basierende optische Faserresonator begrenzt die Anregung der zweiten Harmonischen über ein breites Spektrum. Durch Brechen der Oberflächensymmetrie der Faserstruktur lassen sich die Oberflächen-Oberharmonischen in speziell strukturierten Fasern zwar bis zu einem gewissen Grad verstärken, sind aber weiterhin von Femtosekunden-Pumpimpulsen mit sehr hoher Spitzenleistung abhängig. Daher sind die Erzeugung nichtlinearer optischer Effekte zweiter Ordnung in reinen Faserstrukturen und die Verbesserung der Umwandlungseffizienz, insbesondere die Erzeugung breitbandiger zweiter Harmonischer bei kontinuierlicher optischer Anregung mit geringer Leistung, die grundlegenden Probleme, die auf dem Gebiet der nichtlinearen Faseroptik und -geräte gelöst werden müssen und von großer wissenschaftlicher Bedeutung und breitem Anwendungswert sind.
Ein Forschungsteam in China hat ein Verfahren zur Phasenintegration von geschichteten Galliumselenid-Kristallen in Mikro-Nanofasern entwickelt. Durch die Nutzung der hohen Nichtlinearität zweiter Ordnung und der Fernordnung der Galliumselenid-Kristalle wird ein breitbandiger Frequenzverdopplungs- und Mehrfrequenz-Konversionsprozess realisiert. Dies bietet eine neue Lösung zur Verbesserung multiparametrischer Prozesse in Fasern und zur Herstellung breitbandiger Frequenzverdopplungs-Laser.LichtquellenDie effiziente Anregung der zweiten Harmonischen und des Summenfrequenzeffekts in diesem Schema hängt im Wesentlichen von den folgenden drei Schlüsselbedingungen ab: dem großen Licht-Materie-Wechselwirkungsabstand zwischen Galliumselenid undMikro-Nanofaser, die hohe Nichtlinearität zweiter Ordnung und die Fernordnung des geschichteten Galliumselenidkristalls sowie die Phasenanpassungsbedingungen der Grundfrequenz und des Frequenzverdopplungsmodus sind erfüllt.
Im Experiment weist die mittels Flammenabtastung hergestellte Mikro-Nanofaser einen gleichmäßigen Konus im Millimeterbereich auf, der eine große nichtlineare Wirkungslänge für das Pumplicht und die zweite Harmonische ermöglicht. Die nichtlineare Polarisierbarkeit zweiter Ordnung des integrierten Galliumselenidkristalls übersteigt 170 pm/V und ist damit deutlich höher als die intrinsische nichtlineare Polarisierbarkeit der optischen Faser. Darüber hinaus gewährleistet die langreichweitige Ordnung des Galliumselenidkristalls die kontinuierliche Phaseninterferenz der zweiten Harmonischen und nutzt so den Vorteil der großen nichtlinearen Wirkungslänge in der Mikro-Nanofaser voll aus. Besonders wichtig ist, dass die Phasenanpassung zwischen dem optischen Pumpmodus (HE11) und den höheren Moden der zweiten Harmonischen (EH11, HE31) durch die Kontrolle des Konusdurchmessers und die anschließende Regulierung der Wellenleiterdispersion während der Herstellung der Mikro-Nanofaser erreicht wird.
Die oben genannten Bedingungen bilden die Grundlage für die effiziente und breitbandige Anregung von Frequenzverdopplungen in Mikro-Nanofasern. Das Experiment zeigt, dass mit einem 1550 nm Pikosekunden-Pulslaser eine Ausgangsleistung von Frequenzverdopplungen im Nanowattbereich erzielt werden kann. Auch mit einem kontinuierlichen Laserpuls derselben Wellenlänge lassen sich Frequenzverdopplungen effizient anregen, wobei die Schwellenleistung nur wenige hundert Mikrowatt beträgt (Abbildung 1). Wird das Anregungslicht auf drei verschiedene Wellenlängen des kontinuierlichen Lasers (1270/1550/1590 nm) erweitert, so werden bei jeder der sechs Frequenzkonversionswellenlängen drei Frequenzverdopplungen (2ω1, 2ω2, 2ω3) und drei Summenfrequenzsignale (ω1+ω2, ω1+ω3, ω2+ω3) beobachtet. Durch den Einsatz einer ultra-strahlenden Leuchtdiode (SLED) als Lichtquelle mit einer Bandbreite von 79,3 nm anstelle des Pumplichts wird eine breitbandige zweite Harmonische mit einer Bandbreite von 28,3 nm erzeugt (Abbildung 2). Sollte sich die Trockentransfertechnologie in dieser Studie durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ersetzen lassen und weniger Galliumselenid-Kristallschichten über größere Distanzen auf der Oberfläche von Mikro-Nanofasern abgeschieden werden können, ist eine weitere Verbesserung der Umwandlungseffizienz der zweiten Harmonischen zu erwarten.
Abb. 1 System zur Erzeugung der zweiten Harmonischen und Ergebnisse in einer Vollfaserstruktur
Abbildung 2 Mehrwellenlängenmischung und breitbandige zweite Harmonische unter kontinuierlicher optischer Anregung
Veröffentlichungsdatum: 20. Mai 2024