עירור הרמוניות שניות בספקטרום רחב

עירור הרמוניות שניות בספקטרום רחב

מאז גילוי אפקטים אופטיים לא ליניאריים מסדר שני בשנות ה-60, הדבר עורר עניין רב בקרב חוקרים, עד כה, בהתבסס על ההרמוניה השנייה ואפקטי התדר, נוצרו מפס האולטרה סגול הקיצוני ועד לפס האינפרא אדום הרחוק שללייזרים, קידם מאוד את פיתוח הלייזר,אוֹפּטִיעיבוד מידע, הדמיה מיקרוסקופית ברזולוציה גבוהה ותחומים אחרים. לפי שיטות לא ליניאריותאוֹפְּטִיקָהותורת הקיטוב, האפקט האופטי הלא ליניארי מסדר זוגי קשור קשר הדוק לסימטריה גבישית, והמקדם הלא ליניארי אינו אפס רק במדיה סימטרית לא-מרכזית. בתור האפקט הלא ליניארי מסדר שני הבסיסי ביותר, ההרמוניות השניות מעכבות מאוד את יצירתן ואת השימוש היעיל שלהן בסיב קוורץ בגלל הצורה האמורפית והסימטריה של היפוך המרכז. כיום, שיטות קיטוב (קיטוב אופטי, קיטוב תרמי, קיטוב שדה חשמלי) יכולות להרוס באופן מלאכותי את הסימטריה של היפוך מרכז החומר של סיב אופטי, ולשפר ביעילות את אי הלינאריות מסדר שני של סיב אופטי. עם זאת, שיטה זו דורשת טכנולוגיית הכנה מורכבת ותובענית, ויכולה לעמוד בתנאי התאמת קוואזי-פאזה רק באורכי גל בדידים. טבעת התהודה של סיב אופטי המבוססת על מצב קיר הד מגבילה את עירור הספקטרום הרחב של ההרמוניות השניות. על ידי שבירת הסימטריה של מבנה פני השטח של הסיב, ההרמוניות השניות פני השטח בסיב בעל המבנה המיוחד משופרות במידה מסוימת, אך עדיין תלויות בפולס משאבה פמטו-שנייה עם הספק שיא גבוה מאוד. לכן, יצירת אפקטים אופטיים לא ליניאריים מסדר שני במבנים של כל הסיבים ושיפור יעילות ההמרה, במיוחד יצירת הרמוניות שניות רחבות טווח בשאיבה אופטית רציפה בעלת הספק נמוך, הן הבעיות הבסיסיות שיש לפתור בתחום הסיבים האופטיים והמכשירים הלא ליניאריים, ויש להן משמעות מדעית חשובה וערך יישום רחב.

צוות מחקר בסין הציע סכימת אינטגרציה של גביש גליום סלניד שכבתי עם מיקרו-ננו סיבים. על ידי ניצול אי-הלינאריות הגבוהה מסדר שני וסידור ארוך טווח של גבישי גליום סלניד, מתממשים תהליך עירור הרמוני שנייה רחב טווח והמרה רב-תדרים, המספק פתרון חדש לשיפור תהליכים רב-פרמטריים בסיבים ולהכנת הרמוניות שנייה רחבות פס.מקורות אורהעירור היעיל של ההרמוניה השנייה ואפקט התדר הסופי בסכימה תלוי בעיקר בשלושת התנאים המרכזיים הבאים: מרחק האינטראקציה הארוך בין אור לחומר בין גליום סלניד למיקרו-ננו סיבים, מתקיימים אי-הלינאריות הגבוהה מסדר שני וסדר ארוך טווח של גביש סלניד גליום שכבתי, ותנאי התאמת הפאזה של התדר הבסיסי ומצב הכפלת התדר.

בניסוי, לסיב המיקרו-ננו שהוכן על ידי מערכת התחדדות סריקת להבה יש אזור חרוט אחיד בסדר גודל של מילימטר, המספק אורך פעולה לא ליניארי ארוך לאור המשאבה ולגל ההרמוני השני. הקיטוב הלא ליניארי מסדר שני של גביש גליום סלניד משולב עולה על 170 pm/V, שהוא גבוה בהרבה מהקיטוב הלא ליניארי הפנימי של הסיב האופטי. יתר על כן, המבנה המסודר ארוך הטווח של גביש גליום סלניד מבטיח הפרעת פאזה רציפה של ההרמוניות השניות, ומעניק משחק מלא ליתרון של אורך הפעולה הלא ליניארי הגדול בסיב המיקרו-ננו. חשוב מכך, התאמת הפאזה בין מצב הבסיס האופטי של השאיבה (HE11) למצב ההרמוני השני מסדר גבוה (EH11, HE31) מתממשת על ידי שליטה בקוטר החרוט ולאחר מכן ויסות פיזור מוליך הגל במהלך הכנת סיב המיקרו-ננו.

התנאים הנ"ל מניחים את היסודות לעירור יעיל ורחב פס של הרמוניות שניות בסיבים מיקרו-ננומטריים. הניסוי מראה כי ניתן להשיג את תפוקת ההרמוניות השניות ברמת הננו-וואט תחת משאבת לייזר פולס פיקו-שניות של 1550 ננומטר, וניתן גם לעורר את ההרמוניות השניות ביעילות תחת משאבת לייזר רציפה באותו אורך גל, והספק הסף נמוך עד כמה מאות מיקרו-וואט (איור 1). יתר על כן, כאשר אור המשאבה מורחב לשלושה אורכי גל שונים של לייזר רציף (1270/1550/1590 ננומטר), נצפות שלוש הרמוניות שניות (2w1, 2w2, 2w3) ושלושה אותות תדר סכום (w1+w2, w1+w3, w2+w3) בכל אחד מששת אורכי הגל של המרת התדר. על ידי החלפת אור המשאבה במקור אור דיודה פולטת אור אולטרה-קורנת (SLED) עם רוחב פס של 79.3 ננומטר, נוצרת הרמוניה שנייה רחבת ספקטרום עם רוחב פס של 28.3 ננומטר (איור 2). בנוסף, אם ניתן יהיה להשתמש בטכנולוגיית שקיעת אדים כימית כדי להחליף את טכנולוגיית ההעברה היבשה במחקר זה, וניתן יהיה לגדל פחות שכבות של גבישי גליום סלניד על פני השטח של סיבי מיקרו-ננו למרחקים ארוכים, צפוי כי יעילות ההמרה ההרמונית השנייה תשתפר עוד יותר.

איור 1 מערכת יצירת הרמוניה שנייה ותוצאותיה במבנה של כל הסיבים

איור 2 ערבוב רב-אורכי גל והרמוניות שניות רחבות טווח תחת שאיבה אופטית רציפה