Παρουσιάζουμε πειραματικά τον χωρικό αυτοκαθαρισμό μιας πολύπλευρης οπτικής δέσμης, κατά τη διαδικασία της δεύτερης αρμονικής παραγωγής σε έναν τετραγωνικό μη γραμμικό κρύσταλλο τιτανυλο φωσφορικού καλίου. Καθώς η ενέργεια της δέσμης μεγαλώνει, η δέσμη εξόδου από τον κρύσταλλο εξελίσσεται από ένα μοτίβο έντασης υψηλής διάφραγμα σε ένα μοναδικό σημείο σε σχήμα καμπάνας, που κάθεται σε φόντο χαμηλής ενέργειας. Δείχνουμε ότι ο καθαρισμός τετραγωνικής δέσμης συνοδεύεται από σημαντική αυτο-εστίαση της θεμελιώδους δέσμης, τόσο για θετικά όσο και για αρνητικά σημάδια της αναντιστοιχίας γραμμικής φάσης κοντά στην κατάσταση αντιστοίχισης φάσης. Εισαγωγή Υπάρχει επί του παρόντος έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον για μη γραμμικά οπτικά συστήματα πολλαπλών τρόπων. Στην περίπτωση καταστάσεων διαμήκους (ή χρονικής συχνότητας), οι μη γραμμικοί οπτικοί μικρο συντονιστές επιτρέπουν τη σύζευξη ενός μόνο διαμήκους τρόπου λέιζερ με έναν μεγάλο αριθμό λειτουργιών μικροκάμβου 1 . Αντιστρόφως, στην περίπτωση εγκάρσιων (ή χωρικών συχνοτήτων) τρόπων, τρίτων τάξεων μη γραμμικές οπτικές διεργασίες έχουν αξιοποιηθεί για να μετατρέψουν μια πολύ πολλαπλών τρόπων οπτική δέσμη σε μια οιονεί-μονόμορφη δέσμη 2 . Σημαντικά παραδείγματα περιλαμβάνουν τη διαδικασία του διεγερμένου Brillouin 3 και του Raman που διασκορπίζει 4 , 5, αντίστοιχα, σε οπτικές ίνες πολλαπλών τρόπων βαθμού-δείκτη (GRIN) (MMFs), όπου μια δέσμη αντλίας πολλαπλών τρόπων δημιουργεί μια συχνότητα χαμηλής μετατροπής, υψηλής ποιότητας δέσμη Stokes που μεταφέρεται από τον θεμελιώδη τρόπο της ίνας. Η επαγόμενη από τη μη γραμμική σκέδαση ανάκτηση της ποιότητας της δέσμης ή ο καθαρισμός της μη γραμμικής δέσμης, επέτρεψε σημαντικές εφαρμογές όπως η συνεκτική δέσμη που συνδυάζει 6 και η ανάπτυξη ενισχυτών ινών υψηλής ισχύος, υψηλής ποιότητας δέσμης 7 και λέιζερ με βάση τα MMFs 8 , 9 . Όχι πολύ πρόσφατα, έχει παρατηρηθεί ότι μια ακτίνα υψηλής ισχύος που διαδίδεται σε GRIN MMFs μπορεί να υποβληθεί σε αυτο-επαγόμενο χωρικό καθαρισμό μέσω της συνεισφοράς που εξαρτάται από την ένταση στον δείκτη διάθλασης ή του φαινομένου Kerr 10 , 11 , 12 , 13 . Ο αυτοκαθαρισμός της χωρικής δέσμης σε MMF έχει τη δυνατότητα εκμετάλλευσης για εφαρμογές παράδοσης δέσμης λέιζερ υψηλής ισχύος, ως γρήγορος μηχανισμός απορρόφησης κορεσμού για κλείδωμα λειτουργίας λέιζερ ινών υψηλής ισχύος 14 , 15 , 16 , 17 , για την ενεργειακή αύξηση- κλιμάκωση των πηγών φωτός υπερκάλυψης ινών 18 , 19, και για την αύξηση της απόδοσης τεχνικών μικροσκοπίας και ενδοσκοπίας πολλαπλών φωτονίων 20 . Ο αυτοκαθαρισμός της δέσμης Kerr χαρακτηρίζεται από αναδιανομή ενέργειας μεταξύ των αρχικά διεγερμένων λειτουργιών ινών, ενώ ο μέσος αριθμός λειτουργίας παραμένει αμετάβλητος κατά τη διάδοση, ακόμη και στο εξαιρετικά μη γραμμικό καθεστώς 21 . Η μη γραμμικότητα οδηγεί σε χαοτική μη γραμμική ανάμιξη κυμάτων: ως αποτέλεσμα, μια ροή ενέργειας προς τον θεμελιώδη τρόπο της ίνας ή του συμπυκνώματος, συνοδεύεται από ταυτόχρονη ροή ενέργειας σε λειτουργίες υψηλότερης τάξης 22 , 23 . Αυτή η φαινομενολογία είναι ανάλογη με τη διαδικασία 2D στροβιλισμού στην υδροδυναμική, όπου ένας άμεσος καταρράκτης προς αριθμούς υψηλών κυμάτων συνοδεύεται από έναν αντίστροφο καταρράκτη στο συμπύκνωμα 21. Η συμπύκνωση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων κατά τη διάδοση σε μη γραμμικό μέσο είναι μια γενική φυσική διαδικασία, η οποία προέρχεται από τη φυσική θερμοποίηση των συντηρητικών συστημάτων κυμάτων Hamiltonian, που οδηγεί σε μια μη αναστρέψιμη εξέλιξη προς την κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας που μεγιστοποιεί την εντροπία 22 , 23 , 24 , 25 . Ο σχηματισμός ενός συμπυκνώματος μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως η εμφάνιση ενός καθολικού στατιστικού ελκυστήρα, που προκύπτει από την αναταραχή σόλιτον σε ένα μη ενσωματώσιμο σύστημα κυμάτων 26 . Επομένως, η συμπύκνωση κλασικού κύματος δεν περιορίζεται στην περίπτωση μιας καθαρής κυβικής μη γραμμικότητας Kerr: έχει προβλεφθεί αριθμητικά ότι θα συμβεί σε μέσα με μη τοπική ή με κορεσμένη κυβική μη γραμμικότητα 27, καθώς και στην παραμετρική ανάμιξη κυμάτων που συμβαίνουν σε τετραγωνικά υλικά 28 , 29 . Στα πειράματά τους, οι Sun et al . Το 30 κατέδειξε ξεκάθαρα τη συμπύκνωση κυμάτων μιας αρχικά χωρικής χαοτικής δέσμης στη λειτουργία βασικού επιπέδου κύματος, με k = 0, σε φωτοδιαθλαστικό κρύσταλλο SBN: 75 (Sr0: 75Ba0: 25Nb2O6), παρουσιάζοντας μια αυτοαποσπαστική (απωστική) μη γραμμικότητα, ελεγχόμενη από εφαρμογή τάσης στον άξονα c του κρυστάλλου. Σε αυτήν την εργασία, παρουσιάζουμε πειραματικά έναν νέο μηχανισμό μη γραμμικού χωρικού αυτοκαθαρισμού ενός πολύπλου τρόπου (δηλαδή, που περιλαμβάνει έναν μεγάλο αριθμό συστατικών χωρικών συχνοτήτων) οπτικής δέσμης στη λειτουργία επίπεδου κύματος ή σε στοιχείο, με βάση τη διαδικασία της δεύτερης αρμονικής παραγωγή (SHG) σε τετραγωνικό μη γραμμικό οπτικό κρύσταλλο. Η δημιουργία του SH ενός ρουμπινιού λέιζερ σε κρυσταλλικό χαλαζία ήταν το πρώτο μη γραμμικό οπτικό πείραμα, που ανέφεραν οι Franken et al . ήδη από το 1961 31 . Από τότε, το SHG έχει εξελιχθεί στο πλέον καθιερωμένο μη γραμμικό οπτικό αποτέλεσμα, με ευρεία χρήση σε τεχνολογίες λέιζερ. Ωστόσο, η δυνατότητα SHG για αυτοκαθαρισμό χωρικής δέσμης δεν έχει εκτιμηθεί πλήρως. Η ύπαρξη μη γραμμικών αυτοσυντηρούμενων ακτίνων και σχετικής αναδιαμόρφωσης δέσμης σε αρνητικές τιμές αναντιστοιχίας αποδείχθηκε νωρίτερα για τετραγωνικά χωρικά solitons 32 , 33 και, πιο πρόσφατα, για πολυχρωματικά νήματα 34 . Παραδόξως, εδώ δείχνουμε ότι μπορεί να πραγματοποιηθεί μη γραμμικός καθαρισμός δέσμης για αρχικά πλήρως στίγματα δέσμες, αν και σε μια περιορισμένη περιοχή γύρω από την αντιστοίχιση φάσης, και για τα δύο σημάδια της γραμμικής ασυμφωνίας φάσης. Για να το δείξουμε αυτό, χρησιμοποιήσαμε μια συνεκτική, σχεδόν συνεχή κύμα λέιζερ (CW) ακτίνα λέιζερ, χωρικά ανακατασκευασμένη με διάδοση σε ένα μικρό τμήμα ράβδου οπτικών ινών πολύ πολλαπλών τρόπων. Στη συνέχεια, αυτή η δέσμη συνδέθηκε με έναν τετραγωνικό μη γραμμικό κρύσταλλο χλωριούχου φωσφορικού τιτανίου (ΚΤΡ). Όποτε η αντιστοίχιση φάσης για το SHG ικανοποιείται ακριβώς (ή σχεδόν) και η ενέργεια δέσμης λέιζερ είναι αρκετά υψηλή, παρατηρήσαμε ότι η δέσμη εξόδου υφίσταται αυθόρμητη ανάκτηση της χωρικής της ποιότητας. Έχουν πραγματοποιηθεί αριθμητικές προσομοιώσεις, βασισμένες στο γενικό μοντέλο της ανάμιξης τριών κυμάτων σε μαζικά μέσα, και δείχνουν μια καλή ποιοτική συμφωνία με τις παρατηρήσεις μας. Κοντά στην αντιστοίχιση φάσης της διαδικασίας SHG, η διάδοση της δέσμης FF μπορεί να περιγραφεί με όρους ισοδύναμης μη τοπικής μη γραμμικής απόκρισης 35 (βλέπε το Συμπληρωματικό για λεπτομέρειες). Αυτό μας επιτρέπει να υποθέσουμε μια πιθανή σύνδεση μεταξύ του μηχανισμού αυτοκαθαρισμού σε στιγμιαία μέσα Kerr ( π.χ. οπτικών ινών πολλαπλών τρόπων) και αυτοκαθαρισμού δέσμης στο SHG. Πράγματι, τα αποτελέσματά μας παρέχουν ένα νέο παράδειγμα συνένωσης μη γραμμικού πεδίου σε μη τοπικά μη γραμμικά μέσα. Αυτό το αποτέλεσμα είχε προβλεφθεί θεωρητικά από τους Conti et al . στο μη γραμμικό τετραγωνικό πλαίσιο 36, και αργότερα επιβεβαιώθηκε πειραματικά όσον αφορά την φασματική ψύξη κατά τη μη γραμμική διάδοση σε έναν υγρό κρύσταλλο χύδην 37 . Ωστόσο, απαιτείται μελλοντική εργασία, με στόχο την ανάπτυξη μιας γενικής κατανόησης της σύνθετης μη γραμμικής δυναμικής των συστημάτων πολλαπλών τρόπων κυμάτων. Αναλύουμε περαιτέρω τον μηχανισμό καθαρισμού δέσμης που προκαλείται από SHG, χαρακτηρίζοντας, στο ισχυρό καθεστώς μετατροπής γύρω από την κατάσταση αντιστοίχισης φάσης, τη μη γραμμική χωρική απόκριση του κρυστάλλου με μια δέσμη κυμάτων σχεδόν οριζόντιου επιπέδου. Δείχνουμε ότι η απόδοση μετατροπής SH διευρύνεται με ισχύ θεμελιώδους συχνότητας (FF), σε συμφωνία με ένα απλό μοντέλο επίπεδου κύματος. Επιπλέον, τα πειράματά μας αποκαλύπτουν ότι η δέσμη FF αντιμετωπίζει χωρική συμπίεση ή αυτο-εστίαση τόσο για τις τιμές ασυμφωνίας θετικών όσο και αρνητικών φορέων κύματος. Επιπλέον, ο καθαρισμός της δέσμης FF συμβαίνει σε ένα καθεστώς όπου η αποδοτικότητα SHG μειώνεται έντονα από μη γραμμικά αποτελέσματα κορεσμού, λόγω της αλληλεπίδρασης της αυτο-εστίασης της δέσμης και της απομάκρυνσης 38 . Αποτελέσματα Αυτοκαθαρισμός χωρικής δέσμης Το Σχήμα 1 παρέχει ένα συνοπτικό σχήμα της πειραματικής μας ρύθμισης για καθαρισμό χωρικών δοκών από την SHG σε έναν τετραγωνικό μη γραμμικό κρύσταλλο. Η σχεδόν ακτίνα Gauss από το λέιζερ ανακατεύτηκε χωρικά, διαδίδοντάς την μέσω μικρής διάρκειας ράβδου ινών υψηλής πολλαπλών τρόπων (MMFR) που αποτελείται από γυάλινο πυρήνα διαμέτρου 1 mm, που περιβάλλεται από επένδυση πολυμερούς. Όπως φαίνεται στον πίνακα (α) του Σχ. 2, στην έξοδο του MMFR αποκτήσαμε μια πολύ διάστικτη δέσμη πολλαπλών τρόπων με μεγάλο αριθμητικό διάφραγμα. Σημειώστε ότι δεν παρατηρήθηκε αναδιαμόρφωση χωρικής δέσμης στην έξοδο του MMFR, ακόμη και στην υψηλότερη ενεργειακή τιμή που εξετάστηκε στα παρόντα πειράματα. Για την αποτελεσματική σύνδεση αυτής της δέσμης με τον τετράγωνο κρύσταλλο KTP, ήταν απαραίτητο να μειωθεί η απόκλιση στην έξοδο του MMFR. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήσαμε ένα διάφραγμα για το φιλτράρισμα των υψηλότερων χωρικών συχνοτήτων, ακολουθούμενο από έναν φακό για να συγκολλήσουμε τη δέσμη στον κρύσταλλο.>>>>>>>>>>>>>>>>>>Φιγούρα 1 Φιγούρα
1 Φιγούρα ρύθμιση. Για την αξιολόγηση της μη γραμμικής φασματικής αποδοχής, η δέσμη λέιζερ εγχέεται απευθείας στον κρύσταλλο. Στα πειράματα καθαρισμού δέσμης που συζητήθηκαν στην ενότητα 4, η διάστικτη δέσμη λαμβάνεται με την εισαγωγή μίας ράβδου οπτικών ινών πολλαπλών τρόπων (λευκό κουτί). L1, L2, L3, L4: φακοί HWP: πλάκα μισού κύματος. BPF: φίλτρο ζώνης ISO: απομονωτής; PBS: διαχωριστής δέσμης πόλωσης>>>>>>Σχήμα 2
No comments:
Post a Comment