넓은 스펙트럼에서 2차 고조파의 여기

넓은 스펙트럼에서 2차 고조파의 여기

1960년대 2차 비선형 광학 효과가 발견된 이후 연구자들의 폭넓은 관심을 불러일으켰으며, 현재까지 2차 고조파 및 주파수 효과를 기반으로 극자외선에서 원적외선 대역에 이르는 다양한 영역에서 광학적 응용이 이루어졌습니다.레이저레이저 개발을 크게 촉진시켰다.광학정보 처리, 고해상도 현미경 영상 및 기타 분야. 비선형성에 따르면광학편광 이론에 따르면, 짝수 차수 비선형 광학 효과는 결정 대칭성과 밀접한 관련이 있으며, 비선형 계수는 중심 반전이 없는 매질에서만 0이 아닙니다. 가장 기본적인 2차 비선형 효과인 2차 고조파는 석영 섬유의 비정질 형태와 중심 반전 대칭성 때문에 발생 및 효율적인 활용을 크게 저해합니다. 현재, 편광 방식(광학 편광, 열 편광, 전기장 편광)은 광섬유 재료의 중심 반전 대칭성을 인위적으로 파괴하여 광섬유의 2차 비선형성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 그러나 이 방법은 복잡하고 까다로운 준비 기술을 필요로 하며, 특정 파장에서만 준위상 정합 조건을 충족할 수 있습니다. 에코 벽 모드 기반의 광섬유 공진 링은 2차 고조파의 넓은 스펙트럼 여기를 제한합니다. 특수 구조의 광섬유에서 표면 구조의 대칭성을 파괴함으로써 표면 2차 고조파를 어느 정도 증폭할 수 있지만, 여전히 매우 높은 피크 전력을 가진 펨토초 펌프 펄스에 의존합니다. 따라서, 전광섬유 구조에서 2차 비선형 광학 효과의 발생과 변환 효율의 향상, 특히 저전력 연속 광 펌핑에서 광대역 2차 고조파의 발생은 비선형 광섬유 광학 및 장치 분야에서 해결해야 할 기본적인 문제이며, 중요한 과학적 의미와 폭넓은 응용 가치를 지닌다.

중국의 한 연구팀이 마이크로-나노 광섬유에 층상 갈륨 셀레나이드 결정상을 통합하는 방식을 제안했습니다. 갈륨 셀레나이드 결정의 높은 2차 비선형성과 장거리 질서 배열을 활용하여 광대역 2차 고조파 여기 및 다중 주파수 변환 과정을 구현함으로써, 광섬유 내 다중 매개변수 공정 향상 및 광대역 2차 고조파 생성에 대한 새로운 해결책을 제시합니다.광원이 방식에서 2차 고조파 및 합 주파수 효과의 효율적인 여기(excitation)는 주로 다음 세 가지 핵심 조건에 달려 있습니다: 갈륨 셀레나이드와 빛-물질 상호작용 거리가 길어야 한다는 것입니다.마이크로 나노 섬유이는 층상 갈륨 셀레나이드 결정의 높은 2차 비선형성과 장거리 질서, 그리고 기본 주파수와 주파수 배가 모드의 위상 정합 조건이 만족됨을 의미합니다.

본 실험에서 화염 주사 테이퍼링 시스템으로 제작된 마이크로-나노 광섬유는 밀리미터 단위의 균일한 원뿔 영역을 가지며, 이는 펌프광과 2차 고조파에 대해 긴 비선형 작용 길이를 제공합니다. 통합된 셀렌화갈륨 결정의 2차 비선형 편광률은 170 pm/V를 초과하며, 이는 광섬유 자체의 비선형 편광률보다 훨씬 높습니다. 또한, 셀렌화갈륨 결정의 장거리 질서 구조는 2차 고조파의 연속적인 위상 간섭을 보장하여 마이크로-나노 광섬유의 긴 비선형 작용 길이의 장점을 최대한 활용할 수 있도록 합니다. 더욱 중요한 것은, 마이크로-나노 광섬유 제작 과정에서 원뿔 직경을 제어하고 도파관 분산을 조절함으로써 펌프 광 기저 모드(HE11)와 2차 고조파 고차 모드(EH11, HE31) 사이의 위상 정합을 구현했다는 점입니다.

위의 조건들은 마이크로-나노 광섬유에서 효율적이고 광대역의 2차 고조파 여기를 위한 기반을 마련합니다. 실험 결과, 1550 nm 피코초 펄스 레이저 펌프를 사용했을 때 나노와트 수준의 2차 고조파 출력을 얻을 수 있었고, 동일한 파장의 연속 레이저 펌프를 사용했을 때도 2차 고조파를 효율적으로 여기시킬 수 있었으며, 임계 전력은 수백 마이크로와트 정도로 낮았습니다(그림 1). 또한, 펌프광을 1270/1550/1590 nm의 세 가지 서로 다른 파장의 연속 레이저로 확장했을 때, 6개의 주파수 변환 파장 각각에서 3개의 2차 고조파(2w1, 2w2, 2w3)와 3개의 합 주파수 신호(w1+w2, w1+w3, w2+w3)가 관찰되었습니다. 펌프광을 대역폭이 79.3 nm인 초고휘도 발광 다이오드(SLED) 광원으로 대체했을 때는 대역폭이 28.3 nm인 광대역 2차 고조파가 생성되었습니다(그림 2). 또한, 본 연구에서 사용된 건식 전사 기술을 화학 기상 증착 기술로 대체하여 마이크로-나노 섬유 표면에 장거리에 걸쳐 더 적은 수의 셀렌화갈륨 결정층을 성장시킬 수 있다면, 2차 고조파 변환 효율이 더욱 향상될 것으로 기대된다.

그림 1. 전광섬유 구조에서의 2차 고조파 발생 시스템 및 그 결과

그림 2. 연속 광 펌핑 하에서의 다중 파장 혼합 및 광대역 스펙트럼 2차 고조파