بخشی از مقاله
چکیده-در این بررسی تولید امواج الکترومغناطیس همدوس در ناحیه طیفی تراهرتز به روش تولید تفاضل بسامد - DFG - در کریستال غیرخطی GaSe مورد مطالعه و شبیهسازی قرار گرفته است. بدین منظور به حل عددی معادلات جفتشده توصیفکننده برهمکنش امواج به روش رونگکوتای مرتبه چهار، در این محیط غیرخطی پرداخته شده است. به دلیل اهمیت بالای جذب در ناحیه تراهرتز، این شبیهسازی برای دو حالت بدون احتساب جذب و با در نظر گرفتن جذب صورت گرفته است، مقایسه نتایج نشان میدهد که وارد نکردن جذب در محاسبات منجر به تخمین اشتباه طول بهینه بلور و در نتیجه افت شدید خروجی DFG میشود.
-1 مقدمه
پالسهای تراهرتز تولید شده بر اساس رسانندگی نوری و یکسوسازی نوری با پهنای باند وسیع کاربردهای زیادی یافتهاند، مانند بینابنمایی تراهرتز برای مطالعه دینامیک بینمولکولی در مایعات یا مطالعه پاسخ دیالکتریک مولکولها، پلیمرها و نیمرساناها. به علاوه به تازگی از امواج تراهرتز موج پیوسته به منظور آشکارسازی سرطان بهره می برند.>1@ جهت دستیابی به این کاربردهای مهم وجود یک چشمه کارآمد و همدوس تراهرتز ضروری است.
تا چندی پیش چنین چشمههایی با قابلیت کوکپذیری وسیع تنها به لیزرهای الکترون-آزادمحدود بودند، امّا به منظور دستیابی به چشمههای کوکپذیر تراهرتز با مزیتهای بیشتر مانند جمع و جور بودن، کوکپذیری وسیع، تنظیم ساده و خروجی پایدار به تکنیکهای دیگری اندیشیده شد. یکی از این تکنیکها بر پایه تولید تفاضل بسامد - - DFG در بلورهای غیرخطی میباشد. در این تکنیک دو موج با بسامدهای 1 و 2 در محیط غیرخطی با یکدیگر برهمکنش کرده و در اثر این برهمکنش موجی با بسامد 3 1 2 تولید می شود.[2]
تا کنون کریستالهای غیرخطی متنوعی به منظور تولید امواج تراهرتز به روش DFG به کار گرفته شدهاند، مانندLiNbO3، PPLN،GaP، GaSe، ZnGeP2، GaAs، DAST و غیره. از این میان GaSe کمترین ضریب جذب را در ناحیه بسامدی تراهرتز دارد و همچنین در ناحیه فروسرخ نزدیک شفاف است. بنابراین از لیزرهایی که طول موج آنها در این ناحیه، پیرامون 1 میکرومتر واقع شده میتوان به عنوان منبع دمش بهره گرفت.
بر اساس رابطه منلی-رو، استفاده از لیزر دمش با طولموج بلندتر بازده کوانتمی را افزایش میدهد.[3] از مزایای دیگر GaSe داشتن ضریب مؤثر غیرخطی بزرگ - 54 pm/v - است، همچنین خاصیت دو شکستی زیاد این کریستال امکان جورشدگی فاز در یک ناحیه وسیع فرکانسی را فراهم می سازد. باید توجه داشت که GaSe به عنوان کریستالی به منظور استفاده در ناحیه فروسرخ میانی شناخته شده است، بنابراین جذب این کریستال در ناحیه تراهرتز قابل چشمپوشی نیست و در نظر نگرفتن این پارامتر کلیدی ممکن است در طراحی موجب تخمین نادرست طول بهینه بلور شود[4]، اگر طول بلور را بلندتر از طول بهینه انتخاب کنیم، تبدیل معکوس از موج تراهرتز به موج دمش اتفاق میافتد و در نهایت بازده تبدیل شدیداً افت میکند.
در این مقاله، فرایند DFG در بلور GaSe به طور نظری مورد بررسی قرار گرفته است و به منظور انتخاب طول بهینه بلور، به حل عددی معادلات جفت شده توصیفکننده برهمکنش امواج شرکتکننده درDFG به روش رونگ-کوتای مرتبه چهارم پرداخته شده است. این سه معادله جفتشده فاقد جواب تحلیلی میباشند امّا با در نظر گرفتن تقریبهایی مانند تقریب پمپ تخلیه نشونده1، حل تحلیلی برای این معادلات ارائه شده است.[2] در این مطالعه نتایج حاصل از این جوابهای تحلیلی و جوابهای دقیق به دستآمده از شبیه سازی عددی با یکدیگر مقایسه میشوند، همچنین با در نظر گرفتن جذب در ناحیه فرکانسی تراهرتز به حل عددی مجدد معادلات جفتشده میپردازیم و نتایج را با حالت بدون تضعیف مقایسه میکنیم.
طولموجهای ورودی به بلور راکه به عنوان امواج دمش فرض میشوند 1=2.111ʽm با قطبش عادی و 2=2.145ʽm با قطبش غیرعادی در نظر میگیریم. این ا مواج را میتوان توسط یک نوسانگر پارامتری نوری دمیده شده توسط لیزر Nd:YAG که از جورشدگی فاز نوع دوم در یک بلورKTP بهره میبرد، به طور همزمان تولید کرد.[4] استفاده از این طولموجها جهت دمش کریستال GaSe نسبت به DFG که از پالسهای دمش با طولموج حدود 1ʽm بهره میبرند، تقریبا بازده کوانتمی را دو برابر میکند.
-2 بررسی تئوری فرایند DFG در کریستالGaSe
در این فرایند امواج فرودی در محیط غیرخطی با یکدیگر برهمکنش میکنند و موج جدیدی با بسامد T 1 2 تولید مینمایند. با اعمال شرایط جورشدگی فاز نوع دوم، موج تراهرتز تولید شده با طولموج 133 میکرومتر، معادل با بسامد 2.27 تراهرتز با قطبش عادی حاصل میشود. در این محاسبات ضرائب شکست امواج با توجه به قطبش آنها n1=2/7438، n2=2/4145 و nT=3/3232 هستند و از معادلات سلمایر ارائه شده در مرجع [6] محاسبه گردیدهاند. شبیهسازی عددی برهمکنش امواج در کریستال غیرخطی در شرایط جورشدگی فاز کامل N 0 صورت گرفته است.
-1-2 تقریب پمپ تخلیه نشونده
با اعمال تقریب پمپ تخلیهنشونده، جوابهایی تحلیلی برای معادلات جفتشده ارائه شدهاند.[2] در این تقریب با فرض زیاد بودن شدت یکی ازامواج دمش - در اینجا موج با بسامد 1 - ، از تغییرات دامنه میدان این موج هنگام انتشار در طول کریستال چشمپوشی میکنند. بنابراین از سه معادله جفت شده تنها دو معادله باقی میماند. شکل 1 برهمکنش امواج در محیط غیرخطی GaSe را نشان میدهد. شدت اولیه موج دمش دیگر مطابق با مرجع 10 - MW/cm2 - [4] فرض شده است.
-2-2 برهمکنش امواج بدون احتساب جذب
در این قسمت به حل عددی سه معادله جفتشده به روش رونگکوتای مرتبه چهارم و بدون در نظرگرفتن تضعیف می پردازیم. معمولاً شدت موج فرودی به کریستال با بسامد بالاتر - 1 - ، از موج فرودی دیگر - - 2 بیشتر است، امّا در اینجا مطابق با طرح پیاده شده در مرجع [4]، شدت اولیه هر دو موج دمش را 10 - MW/cm2 - در نظر میگیریم که از آستانه آسیب کریستال GaSe کمتر است. شدت محاسبه شده برای هر سه موج در شکل 2 نشان داده شده است.
