Fuentes ultrarrápidas de infrarrojo medio de alta potencia de 2 a 5 μm basadas en una fuente de longitud de onda dual - Parte 3

2Teoría y simulación del infrarrojo medio basadas en la generación de frecuencias diferenciales de cristales PPLN

El proceso de generación de pulsos ultracortos en el infrarrojo medio en el cristal PPLN (www.wisoptic.com) se describe mediante la ecuación de acoplamiento de tres ondas:

A_i(Con,t)representa la amplitud compleja de lai-ésimo pulso,i = 1, 2 y 3 representan la luz de ralentí, la señal y la luz de la bomba del proceso de frecuencia de diferencia, respectivamente.Con es la distancia a lo largo de la dirección de propagación óptica dentro del cristal PPLN.trepresenta la coordenada de tiempo relativa, dada port=te-Con/v_gramo,3,dóndev_gramo,i =mes_i/METROk_irepresenta la velocidad del grupoi-ésimo pulso.b_2,i es la dispersión de la velocidad del grupoi-ésimo pulso.Vaya_i ynorte₂representan la frecuencia angular y el índice de refracción de lai-ésimo pulso, respectivamente.do es la velocidad de la luz en el vacío.d_eff es el coeficiente no lineal efectivo, que es -27,2 pm/V en el PPLN. Δk =k₃ −k₂ −k₁, representa el desajuste de fase. La relación entre ∆k y el período de polarización PPLN Λ satisface |∆k| =2pag/L.

Cuando la longitud de onda de bombeo es de 1,03 μm, el periodo de polarización PPLN correspondiente varía entre 30,6 μm y 22 μm, ya que la longitud de onda de salida del inactivo varía de 2,1 μm a 6 μm (longitud de onda de la señal de 1,24 μm a 2,02 μm). Para investigar la interacción no lineal entre la luz de bombeo y la luz de señal en el cristal PPLN, utilizamos el método de Fourier de paso dividido para resolver las Ecuaciones 1-3. La Figura 2 representa gráficamente la energía del inactivo de salida frente a la energía de bombeo a medida que la energía de la señal varía de 0,1 nJ a 500 nJ (Figura 2(a)) y la energía del inactivo de salida frente a la energía de la señal a medida que la energía de bombeo varía de 0,1 nJ a 3,5 μJ (Figura 2(b)). Las longitudes de onda centrales de la luz de bombeo y de señal fueron de 1,03 μm y 1,55 μm, respectivamente, con un ancho de pulso de 300 fs. La energía del pulso varió de 0,1 nJ a 3,5 μJ. El cristal PPLN tenía 3 mm de espesor y un período de polarización de 29,7 μm. El diámetro del punto en el centro del cristal era de 150 μm. El retardo inicial se ajustó a 165 fs, lo que garantizaba que los picos de los pulsos de bombeo y de señal coincidieran en el centro del cristal.

Fig. 2. La curva de simulación de la energía de la luz de reposo varía con la energía de la luz de la bomba y la luz de señal. 

Como se muestra en la Figura 2 (a), cuando la potencia de la bomba es baja (<100nj), el proceso DFG funciona en la región lineal. Para todas las energías de pulso de la señal, la potencia de los inactores aumenta linealmente con el aumento de la potencia de la bomba. A medida que aumenta la potencia de la bomba (100NJ-2000nJ), el proceso DFG ingresa a la región exponencial, donde la potencia de más ideal aumenta exponencialmente con la potencia de la bomba. El aumento exponencial se vuelve más pronunciado con la disminución de la potencia de la señal. Cuando la energía del pulso de la señal es de 100nj, la potencia de inactividad incluso muestra una tendencia decreciente a medida que la potencia de la bomba varía de 700nJ a 1000nj. Cuando la potencia de la bomba excede 2000nj, el proceso DFG funciona en la región de saturación. La potencia de inactividad aumenta más lentamente con el aumento de la potencia de la bomba, y la potencia de la señal tiene poco efecto en la potencia de salida de salida. Sin embargo, cuando la energía de la luz de la señal aumenta de 0.1NJ a 500NJ, el umbral de energía del pulso de la bomba para que DFG ingrese a la región de saturación disminuye de 2000nj a 700nJ. Los resultados en la Figura 2 (b) muestran que la curva de la energía de la luz de la luz de la salida versus la energía de la luz de la señal incluye una región lineal y una región de saturación. En la región lineal, la bomba y las energías de la luz de la señal son bajas y la interacción es débil. A medida que aumenta la energía de la luz de la señal, la energía de la luz inactiva de salida alcanza la saturación y la oscilación. El aumento de la energía de la luz de la señal puede conducir a una disminución en la energía de la luz de la salida de salida, consistente con los resultados mostrados por las estrellas hexagonales azul claro y negro en la Figura 2 (a). Además, de manera similar al patrón en la Figura 2 (a), cuando la energía de la luz de la bomba aumenta de 0.1nj a 3.5 μJ, la energía de la luz de la señal requerida para que DFG ingrese a la región de saturación disminuye de 100NJ a 0.1NJ.