بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر تولید فوق پیوستار طیف فرکانسی در فرکانسهای نوری بدلیل کاربردهای گوناگون آن در عرصه تکنولوژیهای نوظهور و علوم پایه بسیار مورد توجه قرار گرفته است. کاربرد هایی نظیر قابلیت اندازهگیری با دقت بسیار بالا که پیش از آن امکانپذیر نبود و همچنین طیف نمایی را میتوان به عنوان نمونه بیان کرد.
ویژگیهای طیف پیوسته تولید شده از نظر همدوس بودن فرکانسهای تولید شده، پهنای باند طیف سیگنال، عملکرد و اندازه ساختارهای بکار گرفته شده در تولید این دستههای فرکانسی در مقالات مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. مهمترین ساختارهای غیرخطی مورد استفاده فیبرهای فوتونیک کریستال و مایکرورزوناتورها هستند.
مزیت فیبرهای فوتونیک کریستال انعطافپذیری آنها در خواص غیرخطی و پاشندگی محسوب میشود. در این مقاله سازوکارهای غیرخطی موثر در تولید لیزری نور سفید را مورد بحث قرار داده شده است، در انتها بهوسیله روشهای عددی انتشار پرتو و حل معادلهی غیرخطی شرودینگر روند تولید فوق پیوستار در یک فیبر نوری شبیهسازی شده و نتایج به ازای تغییر برخی پارامترهای موثر ارایه شده است.
.1 مقدمه
در طول قرنهای گذشته، نور سفیدی که از خورشید میرسد، ابزاری کلیدی در اپتیک تجربی بوده است. مطالعاتی که مستقیماً با نور خورشید و یا تجهیزات روشن شده با نور خورشید انجام میشدند، به کشف قوانین اپتیک هندسی بسیاری مانند قوانین بازتاب و شکست نور منجر شدهاند. آزمایشهای نیوتن روی تجزیهی پرتوهای نور توسط یک منشور و ساخت نور سفید با استفاده از یک منشور دیگر، اولین آزمایشاتی بودند که وجود رنگ در نور خورشید را ثابت کردند.
در سال 1928 رامان و کرشنان از نور خورشید به عنوان منبع تشعشعی برای پدیدهای در مایعات و گازهای در معرض نور خورشید استفاده کردند که آن را نوع جدیدی از پراکندگی ثانویه و یا تشعشع پراکنده شده با شیفت قرمز ارتقاء یافته مینامیدند. مطالعات عمیق روی این پدیده که پراکندگی رامان نام دارد، ماهیت فیزیکی شیفت فرکانس همراه با پراکندگی نور از مولکولها را آشکار کردند. رامان برای کشف این پدیده، برندهی جایزهی نوبل فیزیک در سال 1930 شد
دست آوردهای اخیر طیفسنجی لیزری، پیشرفت در دانش فوق سریع، اپتیک غیرخطی و کوانتومی و نیز زیست-پزشکی لیزری، همگی بر پایهی تولید لیزری نور سفید مصنوعی و به عبارتی تولید فوق پیوستار استوارند. سه قرن پس از آزمایشات نیوتن روی تجزیهی نور سفید به مؤلفههای طیفی آن و تشکیل نور سفید از چندین رنگ، تبدیلهای نوری - غیرخطی پالسهای لیزری فوق کوتاه، امکان تولید نور سفید مصنوعی با خصوصیات طیفی ویژه، عرض پالس کنترل شده و درخشندگی طیفی زیاد را فراهم کردند.
طیف فوق پیوستار میتواند کل محدودهی مرئی و بخشی از محدودهی نزدیک به فروسرخ را دربرگیرد. درخشندگی طیفی و شدت نور سفید القائی توسط لیزر، میلیونها بار بیشتر از مقادیر موجود برای نور سفید طبیعی تابشی به زمین است. مکانیزمهای تولید لیزری طیف نوری و روشهای کنترل پارامترهای طیفی، زمانی و فازی تشعشع فوق پیوستار، موضوعات اصلی در این زمینه هستند. فیبرهای فوتونیک کریستال را میتوان به عنوان منابع فیبر نوری تشعشع فوق پیوستار با طیفهای گسترش یافته در تمام بازهی مرئی و نزدیک به فروسرخ به کار برد.
.2 تئوری مقدماتی پهنشدگی طیفی پالسهای لیزری و سازو کارهای غیرخطی در تولید فوق پیوستار
اثر غیرخطی القایی کِر""* که وابسته به شدت نور تابشی است و به ضریب شکست افزوده میشود، یکی از عاملهای فیزیکی کلیدی در تولید فوق پیوستار است. ضریب شکست ماده با در نظر گرفتن اثر غیرخطی کر به صورت زیر است:
در حالت پالسهای لیزری کوتاه، بخش دوم رابطه - وابسته به شدت میدان - ، منجر به مدولاسیون فازی در میدان لیزر میشود که از نظر فیزیکی قابل توجه است و مدولاسیون خود-فاز - SPM - نام دارد.
در اینجا nl, z z و I 0 پوش شدت پالس لیزری است. در چارچوب تئوری SPM که در بالا مطرح شد و فقط شامل اثرات پاشندگی مرتبهی اول است، خویش-فعالی زمانی، یک پهنشدگی طیفی متقارن را در پالس لیزری بوجود میآورد
با این حال حتی برای شدتهای لیزر متوسط، ممکن است پهنشدگی طیفی پالس لیزری به دلیل شماری از فاکتورهای فیزیکی، نامتقارن شود. مهمترین مکانیزمهایی که موجب عدم تقارن در طیف پهن شدهی ناشی از SPM میشوند، عبارتند از: خویش-فعالی فضایی، امواج ضربهای و بخش تأخیری پاسخ غیرخطی ماده. در ادامهی این بخش به اختصار هر یک از این فاکتورها را شرح میدهیم
شکل :1 مدولاسیون خودفاز و پهن شدگی پالس. منحنی توپر طیف پالس ورودی لیزر را نمایش میدهد
خویش-فعالی فضایی با اثر غیرخطی کر ماده مرتبط است. همانند پروفایل زمانی پوش شدت میدان I t که
مدولاسیون فاز پالس را بوجود میآورد، پروفایل شعاعی شدت میدان I r ، بسته به علامت n 2 موجب تمرکز یا یا باز شدگی خودکار باریکهی لیزری میشود. افزایش شدت تشعشعی در یک باریکه ی لیزری خود-متمرکز، فعل و انفعالات نوری -غیرخطی را افزایش میدهد. معمولاً تمرکز خودکار پالسهای لیزری توان-بالا با تغییرات کنترل نشدهی شدت و فاز میدان لیزری توأم است؛
اثرات مربوط به پاسخ غیرخطی تأخیر یافته برای پالسهای لیزری کوتاه بخصوص زمانی نمایان میشود که خاصیت غیرخطی ماده به صورت لحظهای در نظر گرفته نمیشود. اثر غیرخطی تأخیر یافته در حوزهی زمان معادل پاشندگی غیرخطی در حوزهی فرکانس است که باعث شیفت قرمز در طیف یک پالس لیزری فوق کوتاه میگردد. بنابراین تغییر شکل طیفی پالس لیزری فوق کوتاه به خاطر اثر غیرخطی تأخیر یافته، معادل با اثر رامان است.[4]
تولید فوق پیوستار از طریق پالسهای لیزری فمتوثانیهای با شدت زیاد در مواد ازیگ و مایع، عملاً موجب تغییر شکل پالس کوتاه نوری غیر خطی میشود. معمولاً حداکثر توان پالسهای لیزری به کار رفته در این آزمایشها در حدود تراوات است. تشعشع لیزری توان-بالا ماده را یونیزه کرده، موجب تولید الکترونهای آزادی میشود که در پاسخ غیر خطی ماده شرکت نموده و دینامیکهای طیفی، زمانی و فضایی پالس لیزری را بهبود میدهند. به طور خاص، پدیدهی رشتهای شدن که در پالسهای لیزری با شدت بالا در مواد گازی مشاهده شده است، امکان استفاده از تولید فوق پیوستار در حسگری راه دور اتمسفر زمین را فراهم میکند.
تولید فوق پیوستار با استفاده از لیزرهای توان-بالا علاوه بر اثرات یونیزاسیونی، موجب اثرات دیگری نیز میشود که عبارتند از: خویش-فعالی فضایی، تشکیل جبههی ضربهای در پوش شدت، اثر غیر خطی تأخیر یافته در ماده و پاشندگی مرتبهی بالا. تمام این پدیدهها در معادلهی پیش رو برای دامنهی میدان A که به آهستگی در حال تغییر بوده و نسبت به بیشینه دامنهی میدان، نرمالیزه شده است، گنجانده شدهاند.
