광 섬유의 두 번째 고조파 생성 기술
2 차 비선형 성은 정밀 주파수 계측, 광학 클록, 분자 이미징 및 양자 정보 처리를 포함한 다양한 응용 분야에서 큰 의미가 있습니다. 비선형 성과 압축성으로 인해 광 섬유는 비선형 효과를 연구하기에 이상적인 플랫폼입니다. 그러나, 광 섬유의 반전 대칭은 2 차 비선형 효과를 달성하기가 어렵 기 때문에 모든 섬유 2 차 비선형성에 대한 연구를 방해한다.
현재 연구원들은 광 섬유의 코어 또는 클래딩에서 2 차 고조파 생성 (SHG)을 직접 달성 할 수있었습니다. 광 섬유에서 SHG에 대한 위상-일치 조건은 주로 자체 조직화 위상 매칭, 준 위상 매칭 및 통합 재료 보조 위상 매칭과 같은 기술을 통해 만족된다. 그러나 광섬유의 SHG 기술은 여전히 기본파 (FW) 소스의 분리, SHG 매체, 낮은 평균 출력 전력 및 복잡한 전처리의 필요성과 같은 다양한 과제에 직면 해 있습니다. 또한, 일부 연구는 SHG를 달성하기 위해 Cherenkov 방사선 단계 일치를 이용했습니다. 그러나, 두 번째 고조파 (SH)는 코어 내에서 생성되지 않고 클래딩에서 생성되므로 빠른 전력 붕괴와 빔 품질이 좋지 않은 누설 모드가됩니다. 전처리되지 않은 모든 섬유 구조를 사용하여 코어 내에서 고기질 품질의 SH를 직접 생성하는 방법은 추가 조사가 가능합니다.
소설 모든 섬유 랜덤 캐비티 구조는 섬유 코어에서 고해상도 2 차 고조파를 직접 생성합니다.
최근 Tsinghua University의 Precision Instruments Department of Precision Instruments의 Advanced Laser Technology Research 팀은 임의의 섬유 레이저에서 광섬유 코어 내에서 모든 섬유질 고해상도 SHG를 달성했습니다. 게인의 관점에서, 위상 매칭은 주로 FW 및 SH에 의해 유도 된 주기적 전기장을 통해 달성되며, 임의의 레이저의 수동 시공간 게인 변조 메커니즘을 이용하고 비선형 게인 길이를 증가시켜 제 2 고조파 이득을 향상시킨다. 피드백 측면에서, 분산 피드백 메커니즘 및 포인트 피드백 장치를 결합하여 SH에 대한 임의의 공진 캐비티를 형성 하였다. 실험에서 SHG는 준비 시간이나 전처리가 필요하지 않았습니다. 고유 한 게인 및 피드백 구성으로 인해 FW 및 SH는 동일한 랜덤 캐비티에서 생성되었고, SH는 광섬유 코어로부터 직접 출력되었으며 평균 출력 전력은 10.06MW입니다. 또한,이 연구는 SHG 이론을 일반화 된 비선형 Schrödinger 방정식과 자체 조직화 한 혁신적인 이론적 모델을 제안하여 SH 및 FW의 스펙트럼 진화의 동기화 된 시뮬레이션을 가능하게합니다. 이 구조는 광학 섬유의 장점을 완전히 활용하여 환경 감지, 광섬유 통신 및 광 주파수 빗에 대한 잠재적 인 응용과 함께 섬유 코어 내의 모든 섬유 고기 빔 품질 SHG를 달성합니다.
이번 연구 결과는 2025 년 3 월 High Power Laser Science and Engineering (Yousi Yang, Dan Li, Pei Li, Guohao Fu, Tiancheng Qi, Yijie Zhang, Ping Yan, Mali Gong, Qirong Xiao, "임의의 파이어 레이저 내에서 2 차 고마운 세대", 고급 라우 저 Sci. (2025)).
랜덤 파이버 레이저의 구조는도 1에 도시되어있다. 레이저 다이오드 펌프 소스로부터의 출력 라이트는 결합기를 통해 섬유 클래딩에 결합되어 펌프 라이트가 기본파로 변환 된 이테르르비에 디 페드 섬유에 주입된다. 그런 다음 코어 라이트는 1km 길이의 통신 섬유에 주입되며, 출력 끝은 코어로의 프레 넬 반사 커플 링을 피하기 위해 각도가납니다. 역 출력 방향에서, 결합기의 신호 섬유는 고 반사성 격자에 연결되어 반 오픈 YTTERBIUM DOPED 랜덤 레이저 캐비티를 형성한다. 격자의 다른 쪽 끝은 2 × 1 커플러의 단일 암에 연결되는 반면, 커플러의 다른 두 암은 직접 융합되어 섬유 링 미러를 형성합니다.
그림 1 (a) 실험 설정 다이어그램 (LD 펌프 : 레이저 다이오드 펌프 소스; HR FBG : 고 반사성 섬유 브래그 격자; YDF : Ytterbium 도핑 된 섬유; GDF : 게르마늄 도핑 된 섬유; CPS : 클래딩 파워 스트리퍼); (b) 두 번째 고조파 이득 및 피드백 원리; (c) 스트리퍼 처리를 클래딩 후 제 2 고조파 레이저 스팟; (d) 펌핑 동안 섬유의 가시 광선
이 실험은 계단식 이중 랜덤 캐비티 구조를 사용하며, 이테르비움 도핑 된 게인 캐비티로서 고 반사 섬유 브래그 격자에 의해 형성된 내부 캐비티 및 링 미러를 통한 광대역 피드백을 달성하는 외부 캐비티를 사용합니다. 출력 스펙트럼과 전력은 그림 2에 나와 있습니다. 펌프 전력이 임계 값에 접근하면, Rayleigh 산란 및 자극 된 Brillouin 산란으로 인한 자체 변조 Q 효과에서 비롯된 임의의 노이즈 피크와 함께 메인 피크가 나타납니다. 이 시점에서, 시간 도메인 강한 펄스는 535 nm의 두 번째 고조파를 자극한다. 펌프 전력이 계단식 라만 임계 값을 초과하면 스펙트럼은 슈퍼 콘티 누움 (680–2116 nm)으로 넓어집니다. 근적외선 영역에서, 기본파와 고차 스토크 라이트는 SHG에 참여하여 SH 밴드에서 592 nm에서 메인 피크를 초래합니다. 주황색 빛의 손실이 낮고 1184 nm 라만 라이트 파워가 충분하기 때문입니다.
도 2 (a) 0.65 W, (b) 13.6 W 및 (c) 20.88 W의 FW 전력에서의 출력 스펙트럼; (d) SH 스펙트럼의 비교; (e) SH 출력 전력
또한, 광학 필터 장치를 사용하여 680 nm 이상의 길 잃은 빛을 제거하여 SH 시간 도메인 특성을 연구 하였다. 그림 3 (a)는 SH 파형이 다른 근본적인 힘에서 상당한 강도 변동을 나타내며, 일부 펄스는 평균 강도를 훨씬 초과하여 광학적 도적 파의 존재를 나타냅니다. 통계적 히스토그램 (그림 3 (b))은 회색 영역이 노이즈 배경을 나타내고 점선은 피크 진폭을 두 배나 큰 파도의 두 배로 표시하는 L 자형 분포 특성을 나타냅니다. 도 3 (c)의 도적 파의 펄스 폭은 검출기 대역폭에 의해 제한된다 (실제로는 더 좁을 수 있음). 위상 매칭 위치의 차이로 인해 상이한 파장에서의 SH는 출력 타이밍의 미묘한 조정을 나타내며, 2 차 피크는 저 강도 FW의 SH 성분에 해당하는 메인 피크와 함께 나타납니다.
그림 3 다른 전력에서 SH의 시간 도메인 특성. a) 광대역 파형. b) 시간 영역 강도 분포 히스토그램. c) 단일 펄스 파형 측정 결과
이 연구는 특수 처리가 필요없이 본질적으로 더 강한 펌프 주입 기능을 보유하는 모든 섬유 코어 SHG 방법을 제안합니다. 또한이 구조는 동시에 FW 및 SH를 생성하여 고도로 통합 된 설계를 제공 할 수 있습니다. 추가 연구에는 SH 파장 튜닝에 대한 피드백 응답 설계, 고성능 응용 프로그램을 충족하기위한 펌프 전력 증가, 홀수 파 현상에 대한 심층 연구 수행이 포함됩니다.
