Anregung zweiter Harmonischer in einem breiten Spektrum
Seit der Entdeckung nichtlinearer optischer Effekte zweiter Ordnung in den 1960er Jahren hat das Interesse der Forscher auf sich gezogen. Bisher wurden auf der Grundlage der zweiten Harmonischen und der Frequenzeffekte vom extremen Ultraviolett bis zum fernen Infrarotband vonLaser, förderte maßgeblich die Entwicklung von Laser-,optischInformationsverarbeitung, hochauflösende mikroskopische Bildgebung und andere Bereiche. Nach nichtlinearenOptikund der Polarisationstheorie ist der nichtlineare optische Effekt geradzahliger Ordnung eng mit der Kristallsymmetrie verbunden, und der nichtlineare Koeffizient ist nur in Medien mit nicht zentraler Inversionssymmetrischkeit ungleich null. Als grundlegendster nichtlinearer Effekt zweiter Ordnung behindern die zweiten Harmonischen aufgrund der amorphen Form und der Symmetrie der Zentrumsinversion ihre Entstehung und effektive Nutzung in Quarzfasern erheblich. Gegenwärtig können Polarisationsverfahren (optische Polarisation, thermische Polarisation, elektrische Feldpolarisation) die Symmetrie der Materialzentrumsinversion von Glasfasern künstlich zerstören und so die Nichtlinearität zweiter Ordnung von Glasfasern wirksam verbessern. Dieses Verfahren erfordert jedoch eine komplexe und anspruchsvolle Herstellungstechnologie und kann die Bedingungen der Quasi-Phasenanpassung nur bei diskreten Wellenlängen erfüllen. Der auf dem Echowandmodus basierende Resonanzring von Glasfasern begrenzt die breitbandige Anregung von zweiten Harmonischen. Durch Brechen der Symmetrie der Oberflächenstruktur der Faser werden die Oberflächen-zweiten Harmonischen in der Spezialstrukturfaser bis zu einem gewissen Grad verstärkt, hängen aber weiterhin von Femtosekunden-Pumpimpulsen mit sehr hoher Spitzenleistung ab. Daher sind die Erzeugung nichtlinearer optischer Effekte zweiter Ordnung in reinen Faserstrukturen und die Verbesserung der Umwandlungseffizienz, insbesondere die Erzeugung breitbandiger zweiter Harmonischer bei kontinuierlichem optischen Pumpen mit geringer Leistung, die grundlegenden Probleme, die im Bereich der nichtlinearen Faseroptik und -geräte gelöst werden müssen und die eine wichtige wissenschaftliche Bedeutung und einen breiten Anwendungswert haben.
Ein chinesisches Forschungsteam hat ein Phasenintegrationsschema für geschichtete Galliumselenidkristalle mit Mikro-Nanofasern vorgeschlagen. Durch Ausnutzung der hohen Nichtlinearität zweiter Ordnung und der Fernordnung von Galliumselenidkristallen werden eine breitbandige Anregung der zweiten Harmonischen und ein Mehrfrequenzkonvertierungsprozess realisiert. Dies bietet eine neue Lösung für die Verbesserung multiparametrischer Prozesse in Fasern und die Herstellung breitbandiger zweiter Harmonischer.LichtquellenDie effiziente Anregung der zweiten Harmonischen und des Summenfrequenzeffekts im Schema hängt hauptsächlich von den folgenden drei Schlüsselbedingungen ab: der langen Licht-Materie-Wechselwirkungsdistanz zwischen Galliumselenid undMikro-Nano-Faser, die hohe Nichtlinearität zweiter Ordnung und Fernordnung des geschichteten Galliumselenidkristalls sowie die Phasenanpassungsbedingungen der Grundfrequenz und des Frequenzverdopplungsmodus sind erfüllt.
Im Experiment weist die mit dem Flammenscan-Verjüngungssystem hergestellte Mikro-Nanofaser einen gleichmäßigen Kegelbereich in der Größenordnung von Millimetern auf, der eine lange nichtlineare Aktionslänge für das Pumplicht und die zweite Harmonische bietet. Die nichtlineare Polarisierbarkeit zweiter Ordnung des integrierten Galliumselenidkristalls übersteigt 170 pm/V und ist damit wesentlich höher als die intrinsische nichtlineare Polarisierbarkeit der optischen Faser. Zudem gewährleistet die weiträumig geordnete Struktur des Galliumselenidkristalls die kontinuierliche Phaseninterferenz der zweiten Harmonischen, wodurch der Vorteil der großen nichtlinearen Aktionslänge in der Mikro-Nanofaser voll zum Tragen kommt. Noch wichtiger ist, dass die Phasenanpassung zwischen dem optischen Pumpgrundmodus (HE11) und dem Modus höherer Ordnung der zweiten Harmonischen (EH11, HE31) durch Steuerung des Kegeldurchmessers und 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 zweiten Harmonischen in Mikro-Nanofasern. Das Experiment zeigt, dass die Leistung von zweiten Harmonischen im Nanowatt-Bereich mit einem 1550-nm-Pikosekunden-Pulslaser erreicht werden kann. Auch mit einem kontinuierlichen Laser mit gleicher Wellenlänge lassen sich zweite Harmonische effizient anregen, wobei die Schwellenleistung nur wenige hundert Mikrowatt beträgt (Abbildung 1). Wird das Pumplicht auf drei verschiedene Wellenlängen eines kontinuierlichen Lasers (1270/1550/1590 nm) ausgedehnt, werden bei jeder der sechs Frequenzkonversionswellenlängen drei zweite Harmonische (2w1, 2w2, 2w3) und drei Summenfrequenzsignale (w1+w2, w1+w3, w2+w3) beobachtet. Durch den Ersatz des Pumplichts durch eine ultra-strahlende Leuchtdiode (SLED) mit einer Bandbreite von 79,3 nm wird eine breitbandige zweite Harmonische mit einer Bandbreite von 28,3 nm erzeugt (Abbildung 2). Darüber hinaus lässt sich die Effizienz der Umwandlung der zweiten Harmonischen weiter verbessern, wenn die chemische Gasphasenabscheidung anstelle der Trockentransfertechnologie in dieser Studie eingesetzt wird und weniger Schichten von Galliumselenidkristallen über große Entfernungen auf der Oberfläche der Mikro-Nanofaser wachsen.
Abb. 1 System zur Erzeugung der zweiten Harmonischen und Ergebnisse in einer reinen Faserstruktur
Abbildung 2: Mehrwellenlängenmischung und breitbandige zweite Harmonische unter kontinuierlichem optischen Pumpen
Veröffentlichungszeit: 20. Mai 2024