بخشی از مقاله
چکیده:
موجبردیالکتریک شکافدار فلزی در ابعاد زیر طول موج تابشی, منبعی مناسب برای تولید امواج تراهرتز - THz - محسوب می-شود. این امواج در موجبر با حضور یک ماده غیرخطی و با روش تولید فرکانس تفاضلی - DFG - ایجاد میشوند. طراحی ابعاد و جنس موجبر منوط به محدودسازی لیزر در موجبر و برقراری شرط جورشدگی فاز میشود. در این مقاله نحوه انتشار لیزر دمش و THz و همچنین بررسی شرط شبه جورشدگی فاز - QPM - و کوکپذیری موجبر با استفاده از روش تفاضل محدود در حوزه زمان - FDTD - بررسی میگردد.
کلید واژه- اپتیک غیرخطی, تولید فرکانس تفاضلی - , - DFG روش تفاضل محدود در حوزه زمان , - FDTD - شبه جورشدگی فاز , - QPM - موجبر دی-الکتریک
مقدمه
کاربردهای وسیع امواج THz در زمینههای مختلف پزشکی, دورسنجی و آشکارسازی مواد شیمیایی توجه محققان را برای ساخت منابع همدوسی که در ابعاد کوچک طراحی شوند به خود جلب کرده است. از میان روشهای مختلف, تولید این امواج با روش تولید فرکانس تفاضلی - DFG - در بلورهایی مانندGaAs, GaSe بیشتر انجام میگیرد. در این روش دو پرتوی لیزری با فرکانس 1 و 2 در یک ماده غیرخطی ترکیب میشوند و پرتوی دیگری در فرکانس 1- 2 پدید میآید. به عنوان مثال با استفاده از دو لیزر CO2 با دو طول موج نزدیک به هم در 10ʽm، امواج THz با روش DFG در فرکانس 0/91THz و با کارآیی 3/9× 10- 9W-1 تولید میشوند. [1 ]
با استفاده از ساختار موجبرها میتوان به کارآیی بالاتری برای تولید امواج حاصل از فرایندهای غیرخطی دست یافت. [2 ] مدلهای مختلفی برای تولید امواج THz در موجبرها مطرح شده است. [3,4] به دلیل افزایش همپوشانی بین مدهای لیزر دمش و THz در این موجبرها از فلز استفاده میشود. به عنوان مثال در یک موجبر فلزی با هسته GaAs و بستر شیشه با ضریب شکست 1/5 امواج THz با کارآیی 5/66×10-6W-1 تولید میشوند . [5 ] در این مقاله یک موجبر فلزی کوکپذیر برای تولید امواج THz به روش DFG معرفی شده است. بررسی خواص انتشار موج THz و لیزر دمش در موجبر و همچنین بررسی شرط جورشدگی فاز، با روش تفاضل محدود در حوزه زمان - FDTD - انجام گردیده است.
تئوری و مدلسازی
در روش DFG میدانهای الکتریکی و مغناطیسی درون موجبر علاوه بر اینکه در معادلات ماکسول صدق می-کنند, باید دو شرط دیگر نیز داشته باشند:
K1, K DFG و K2 اعداد موج مربوطه می باشند. بنابراین تولید امواج در فرکانس تفاضلی هنگامی امکانپذیر است که سرعت گروه لیزر دمش برابر با سرعت فاز موج در فرکانس تفاضلی باشد. به عبارت دیگر شرط جورشدگی فاز هنگامی برقرار میشود که ضریب شکست گروه لیزر دمش برابر با ضریب شکست موثر موج در فرکانس تفاضلی باشد. فرایند تبدیل فرکانس در حضور مواد غیرخطی انجام میشود. محیط غیرخطی در موجبر باید به گونهای انتخاب شود که شرط شبه جورشدگی فاز برقرار باشد ضمن اینکه بیشترین همپوشانی بین لیزر دمش و موج THz ایجاد شود.در این ساختار از بلور غیر خطی GaAs و در راستای [100] - محور - y استفاده میشود.
این بلور یک ماده غیر خطی همگن با ضریب غیر خطی بالاست. زمینه موجبر شیشه با ضریب شکست 1/5 - در فرکانس لیزر دمش - است که دو شکاف فلزی نقره مطابق شکل - 1 - در دو طرف موجبر قرار گرفته است.اگر دو لیزر دمش و سیگنال دارای میدان الکتریکی قطبیده در راستای y باشند و شرط شبه جورشدگی فاز برقرار باشد امواج THz در راستای x در موجبر منتشر میشوند - جورشدگی فاز نوع دوم - . با فرض اینکه دو لیزر دمش و سیگنال توان یکسانی داشته باشند, توان خروجی موجبر را میتوان به شکل زیر نوشت:[5]
در رابطه بالا Aieff ناحیه موثر مدی است و از رابطه زیر بدست میآید:
Ei - x, y - توزیع میدان الکتریکی هر مد است. فاکتور همپوشانی و d ضریب موثر غیرخطی مرتبه دوم است. P1 و P2 توان و n1وn2 ضریب شکست دو موج ورودی هستند و nTHz ضریب شکست موثر موج THz است.
نتایج عددی و شبیهسازی
رفتار لیزر دمش و موج THz با استفاده از روش FDTD شکل - - a - : - 3 نحوه انتشار مولفه حقیقی Ey لیزر دمش و - - bمولفه حقیقی Ex موج .THz درون موجبر بررسی شده است. شکل - 2 - پاشندگی لیزر دمش را در غیاب شکاف فلزی و نیز با حضور آن نشان شکل - - 3 نشان میدهد محدود سازی امواج THz تولیدمیدهد. شده در موجبر توسط فلز نقره انجام میگیرد.شکل - 4 - پاشندگی موج THzرانشان میدهد.
