広いスペクトルにおける第二高調波の励起

広いスペクトルにおける第二高調波の励起

1960年代に二次非線形光学効果が発見されて以来、研究者の幅広い関心を集め、現在までに、第二高調波と周波数効果に基づいて、極端紫外線から遠赤外線帯域まで、レーザーレーザーの開発を大きく促進し、光学情報処理、高解像度の顕微鏡画像などの分野で使用されている。非線形光学偏光理論によれば、偶数次非線形光学効果は結晶の対称性と密接に関連しており、非線形係数がゼロにならないのは非中心反転対称媒質の場合のみです。最も基本的な二次非線形効果である第二高調波は、石英光ファイバにおける非晶質形態と中心反転対称性のために、その発生と有効利用を大きく阻害しています。現在、偏光法（光偏光、熱偏光、電場偏光）は、光ファイバの材料中心反転対称性を人工的に破壊し、光ファイバの第二高調波を効果的に改善することができます。しかし、この方法は複雑で高度な製造技術を必要とし、離散波長における擬似位相整合条件しか満たせません。エコーウォールモードに基づく光ファイバ共振リングは、第二高調波の広帯域励起を制限します。光ファイバの表面構造の対称性を破ることで、特殊構造光ファイバの表面第二高調波はある程度増強されますが、依然として非常に高いピークパワーを持つフェムト秒ポンプパルスに依存します。したがって、全ファイバー構造における二次非線形光学効果の発生と変換効率の向上、特に低電力連続光ポンピングにおける広帯域第二高調波の発生は、非線形光ファイバー光学およびデバイスの分野で解決する必要がある基本的な問題であり、重要な科学的意義と幅広い応用価値を持っています。

中国の研究チームは、マイクロナノファイバーを用いた層状ガリウムセレン結晶相集積方式を提案した。ガリウムセレン結晶の高い二次非線形性と長距離秩序性を利用することで、広帯域の第二高調波励起と多周波数変換プロセスを実現し、ファイバーにおけるマルチパラメータプロセスの強化と広帯域第二高調波発生のための新たなソリューションを提供する。光源この方式における第二高調波および和周波効果の効率的な励起は、主に以下の3つの重要な条件に依存します。ガリウムセレンとマイクロナノファイバー、層状ガリウムセレン結晶の高い2次非線形性と長距離秩序、および基本周波数と周波数倍増モードの位相整合条件が満たされます。

実験では、火炎走査テーパリングシステムで作製したマイクロナノファイバーは、ミリメートルオーダーの均一な円錐領域を持ち、ポンプ光と第二高調波に長い非線形作用長を提供します。集積されたセレン化ガリウム結晶の二次非線形分極率は170pm/Vを超え、光ファイバーの固有非線形分極率をはるかに上回っています。さらに、セレン化ガリウム結晶の長距離秩序構造は、第二高調波の連続位相干渉を保証し、マイクロナノファイバーの大きな非線形作用長の利点を十分に発揮させます。さらに重要なのは、マイクロナノファイバーの作製中に円錐径を制御し、導波路分散を調整することで、ポンピング光ベースモード（HE11）と第二高調波高次モード（EH11、HE31）間の位相整合を実現できることです。

上記の条件は、マイクロナノファイバーにおける第二高調波の高効率かつ広帯域な励起の基礎となる。実験では、1550 nmピコ秒パルスレーザー励起下でナノワットレベルの第二高調波出力を達成できること、また同波長の連続レーザー励起下で第二高調波を高効率に励起できること、閾値電力が数百マイクロワットと低いことが示された（図1）。さらに、励起光を3つの異なる波長の連続レーザー（1270/1550/1590 nm）に拡張すると、6つの周波数変換波長それぞれにおいて、3つの第二高調波（2w1、2w2、2w3）と3つの和周波信号（w1+w2、w1+w3、w2+w3）が観測された。ポンプ光を79.3 nmの帯域幅を持つ超高輝度発光ダイオード（SLED）光源に置き換えることで、28.3 nmの帯域幅を持つ広帯域第二高調波光が生成される（図2）。さらに、本研究で用いた乾式転写技術を化学蒸着技術に置き換え、マイクロナノファイバー表面に長距離にわたってより少ない層数のガリウムセレン結晶を成長させることができれば、第二高調波変換効率のさらなる向上が期待される。

図1 第二高調波発生システムと全ファイバー構造の結果

図2 連続光ポンピングによる多波長混合と広帯域第二高調波