涂有层状GaSe晶体的微纤维产生宽带和连续波泵送的二次谐波

来自GaS-转移的微纤维的二阶非线性效应。来自: Compuscript Ltd

二阶光学非线性效应自20世纪60年代首次发现以来，受到了研究人员的广泛关注。

基于二阶谐波和频率效应，产生了从紫外到远红外波段的激光器，极大地促进了激光技术、光学信息处理、高分辨率显微成像的发展。

根据非线性光学和偏振理论，偶阶非线性光学效应由晶体的中心对称性强烈决定，只有在非中心对称介质中，二阶非线性易感性才非零。然而，作为最基本的二阶非线性效应，硅纤维的中心对称性阻碍了二阶谐波的产生和利用。

广泛采用的极化方法（如光极化、热极化、电场极化）可以人为地打破光纤的中心对称性，有效改善光纤的二阶非线性。然而，需要复杂的工艺和苛刻的制造条件，而且只能在离散的波长上满足准相位匹配条件，这限制了操作带宽。基于耳语廊模式的光纤环也大大限制了第二谐波的宽光谱激发。

通过打破光纤表面的中心对称性，特殊结构光纤中的表面二次谐波可以在一定程度上得到增强，但具有非常高峰值功率的飞秒泵浦脉冲仍然是不可或缺的。因此，替代的解决方案将因此受到欢迎，以避免精细的光纤后处理，同时仍然允许在一个宽的泵浦波长范围内操作。

西北工业大学的一个研究小组提出了一种将长距离有序层状硒化镓晶体集成到微纤维中的方案，并实现了宽带二次谐波和多频转换。这为增强光纤中的多参数过程和开发准单色/宽带光源提供了一个新的解决方案。该论文发表在《光电子学进展》杂志上。

该方案中二次谐波和和频效应的有效激发主要取决于以下三个关键条件：硒化镓和泵浦光之间长的光-物质相互作用长度，硒化镓晶体的高非线性，以及相位匹配条件的满足。

在实验中，由火焰刷系统制备的微纤维具有毫米级的均匀锥形区域，提供了足够长的非线性交互长度。硒化镓的非线性敏感度超过170 pm/V，远远大于原始纤维的非线性敏感度，而且硒化镓晶体的长程有序结构保证了第二谐波的累积建设性干扰。更重要的是，通过在制造过程中控制微纤维的直径，从而调节波导的色散，可以满足泵浦和第二谐波模式之间的相位匹配。

上述条件为微纤维中高效和宽带的二次谐波激励奠定了基础。实验结果表明，在1,550纳米皮秒激光的泵浦下，实现了纳瓦级的二次谐波。在1,550纳米的连续波源下，也能有效地激发出二次谐波，当采用三种泵浦波长时，观察到了多频率的转换。此外，通过用带宽为79.3纳米的超级发光二极管（SLED）源取代泵，产生了带宽为28.3纳米的宽泛的二次谐波。

此外，如果采用化学气相沉积技术而不是干式转移技术，在微纤维表面长出几层硒化镓，第二谐波转换效率有望进一步提高。

参考资料

Zhen Hao et al, Broadband and continuous wave pumped second-harmonic generation from microfiber coated with layered GaSe crystal, Opto-Electronic Advances (2023). DOI: 10.29026/oea.2023.230012