Breitbandige und kontinuierlich gepumpte Erzeugung der zweiten Harmonischen aus Mikrofasern, die mit einem geschichteten GaSe-Kristall beschichtet sind

Optische nichtlineare Effekte zweiter Ordnung haben seit ihrer ersten Entdeckung in den 1960er Jahren große Aufmerksamkeit von Forschern erhalten.

Basierend auf Effekten der zweiten Harmonischen und der Summenfrequenz wurden Laser erzeugt, die vom ultravioletten bis zum fernen Infrarotbereich reichen und die Entwicklung von Lasertechniken, optischer Informationsverarbeitung und hochauflösender mikroskopischer Bildgebung erheblich vorantreiben.

Gemäß der nichtlinearen Optik und der Polarisationstheorie werden nichtlineare optische Effekte gerader Ordnung stark durch die Zentrosymmetrie der Kristalle bestimmt, und die nichtlineare Suszeptibilität zweiter Ordnung ist nur in nicht zentrosymmetrischen Medien ungleich Null. Als grundlegendster nichtlinearer Effekt zweiter Ordnung behindert jedoch die Zentrosymmetrie der Quarzfaser die Erzeugung und Nutzung zweiter Harmonischer.

Die weit verbreiteten Polungsmethoden (wie optische Polung, thermische Polung, elektrische Feldpolung) können die Zentrosymmetrie der Faser künstlich brechen und so die Nichtlinearität zweiter Ordnung der Faser effektiv verbessern. Allerdings sind komplexe Prozesse und raue Herstellungsbedingungen erforderlich, und die Bedingungen der quasi-Phasenanpassung können nur bei diskreten Wellenlängen erfüllt werden, was die Betriebsbandbreite begrenzt. Der auf dem Flüstergaleriemodus basierende optische Faserring schränkt auch die breite spektrale Anregung der zweiten Harmonischen erheblich ein.

Durch Brechen der Zentrosymmetrie an der Oberfläche einer optischen Faser kann die zweite Oberflächenharmonische in der optischen Faser mit spezieller Struktur bis zu einem gewissen Grad verbessert werden, aber der Femtosekunden-Pumpimpuls mit sehr hoher Spitzenleistung ist immer noch unverzichtbar. Daher wären alternative Lösungen willkommen, um eine aufwendige Nachbearbeitung der Fasern zu vermeiden und dennoch den Betrieb über einen breiten Pumpwellenlängenbereich zu ermöglichen.

Eine Forschungsgruppe der Northwestern Polytechnical University schlug ein Schema zur Integration weitreichend geordneter geschichteter Galliumselenidkristalle in Mikrofasern vor und erreichte die Breitbandumwandlung der zweiten Harmonischen und mehrerer Frequenzen. Dies bietet eine neue Lösung für die Verbesserung mehrerer Parameterprozesse in der Faser und die Entwicklung quasi-monochromatischer/breitbandiger Lichtquellen. Der Artikel wird in der Zeitschrift veröffentlicht Optoelektronische Fortschritte.

Die effiziente Anregung von Zweitharmonischen- und Summenfrequenzeffekten in diesem Schema hängt hauptsächlich von den folgenden drei Schlüsselbedingungen ab: der langen Licht-Materie-Wechselwirkungslänge zwischen Galliumselenid und Pumplicht, hoher Nichtlinearität des Galliumselenidkristalls und der Zufriedenheit der Phasenanpassung Bedingungen.

Im Experiment weist die durch ein Flammenbürstensystem hergestellte Mikrofaser einen gleichmäßig verjüngten Bereich im Millimeterbereich auf, der eine ausreichend lange nichtlineare Wechselwirkungslänge bietet. Die nichtlineare Suszeptibilität von Galliumselenid beträgt mehr als 170 pm/V, was weitaus größer ist als die der ursprünglichen Faser, und die weitreichend geordnete Struktur des Galliumselenidkristalls gewährleistet die akkumulierte konstruktive Interferenz der zweiten Harmonischen. Noch wichtiger ist, dass durch die Steuerung des Durchmessers der Mikrofaser bei der Herstellung und dadurch die Modulation der Wellenleiterdispersion die Phasenanpassung zwischen Pump- und Zweitharmonischenmode gewährleistet wird.

Die oben genannten Bedingungen legen den Grundstein für eine effiziente und breitbandige Anregung der zweiten Harmonischen in der Mikrofaser. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass durch das Pumpen eines 1.550-nm-Pikosekundenlasers eine zweite Harmonische im Nanowattbereich erreicht wurde. Unter der 1.550-nm-Dauerstrichquelle können auch zweite Harmonische effizient angeregt werden, und bei Verwendung von drei Pumpwellenlängen wurden Mehrfrequenzumwandlungen beobachtet. Darüber hinaus wurde durch den Ersatz der Pumpe durch eine superlumineszierende Leuchtdiodenquelle (SLED) mit einer Bandbreite von 79,3 nm eine breite zweite Harmonische mit einer Bandbreite von 28,3 nm erzeugt.

Wenn außerdem die chemische Gasphasenabscheidung anstelle der Trockenübertragungstechnologie eingesetzt wird, um wenige Schichten Galliumselenid über eine große Länge auf der Mikrofaseroberfläche aufwachsen zu lassen, wird erwartet, dass die Effizienz der Umwandlung der zweiten Harmonischen weiter verbessert wird.