طیف ابرپیوستار
تولید طیف ابرپیوستار فرآیندی است که در آن نور لیزر به یک پرتو نور با پهنای باند طیفی بسیار گسترده و پیوسته تبدیل می شود. این بدان معناست که همدوسی زمانی بسیار پایین است در حالیکه همدوسی مکانی بالا باقی می ماند. البته دستیابی به این فرآیند با محدودیت های زیادی همراه است.
معمولاً گسترده سازی طیف از انتشار پالس های نوری توسط یک وسیله غیرخطی قوی صورت می گیرد. به عنوان مثال ممکن است یک پالس فوق کوتاه پرشدت (تقویت شده) از طریق یک تکه شیشه منتشر شود، یا پالس هایی با انرژی پالس کمتر در راستای یک فیبر نوری با خواص غیر خطی بسیار زیاد نسبت به قطعه شیشه ای فرستاده شود که در این شرایط ساختار موجبری آن نیز کیفیت بالای پرتوی مورد نظر را تضمین می کند. بنابراین در بسیاری مواقع از فیبرهای نوری برای تولید ابرپیوستار استفاده می شود. فیبرهای کریستال فوتونی عمدتاً برای این کار مناسب هستند زیرا خواص غیر معمول پاشندگی کروماتیک[۱] آنها می تواند واکنش غیر خطی قدرتمندی را در طول زیادی از فیبر به دست دهد، همچنین محدودیت های مدی خواص غیرخطی مضاعفی در این نوع فیبر ایجاد می کنند. در نتیجه حتی با قدرت ورودی متوسط نیز طیف های بسیار گسترده ای حاصل می شود. در حقیقت چنین قابلیتی منجر به ایجاد نوعی رنگین کمان لیزری می شود.
برخی راه حل های خاص برای ایجاد ابرپیوستار که کمتر مورد استفاده قرار می گیرند، به طور خلاصه در زیر ذکر شده است:
- در برخی موارد از فیبرهای نوک تیز یا مخروطی استفاده می شود. در این حالت یک واکنش غیرخطی بسیار قوی در طول کوتاه ایجاد می شود.
- فیبرهای کریستال فوتونی دارای حفره های هوا که با یک گاز (که می‌تواند نمونه رامان فعال باشد) یا یک مایع بسیار غیر خطی مانند تتراکلرید کربن و یا تولوین پر شده باشند نیز راه حل دیگری برای ایجاد ابرپیوستار به شمار می رود.
نمودارهای ۱ و ۲ نتایج حاصل از شبیه سازی عددی را برای تولید ابر پیوستار در یک قطعه ی کوتاه (۲ میلیمتر) از فیبر با پالس لیزری ۲۰ فمتوثانیه نشان می دهد. در نمودار ۱ در حوزه زمان یک قله ی تیز به همراه قله های چندگانه پیچیده قابل مشاهده است و در نمودار ۲ توان شدت طیفی در گستره ای از طول موج ها نمایان است. البته در بسیاری موارد از فیبرهای بلندتر استفاده می شود که معمولاً قدرت پیک پایین تر دارند.
شکل ۱- توان بر حسب زمان
شکل ۲- چگالی طیفی توان بر حسب طول موج
در شکل ۳ نمودار تحولات طیف نوری در طول فیبر نشان داده شده است.
شکل ۳- تحولات طیف نوری را در طول فیبر نشان می‌دهد بعد از ۱ میلیمتر پهن شدگی طیفی به شدت کاهش می یابد. این کاهش به دلیل کاهش شدت پیک است.
کاربردهای ابرپیوستار شامل توموگرافی نوری همدوس، میکروسکوپی فلوروسانس، فلوسیتومتری جریان[۱]، مشخصه یابی دستگاه های نوری، تولید امواج چند گانه ی حامل[۲] در سیستم های مخابراتی فیبر نوری و در شانه های فرکانسی[۳] است.
شکل ۴- نور سفید تابش شده از یک منبع ابرپیوستار که به وسیله یک توری پراش برای نمایان شدن طیف خروجی پراشیده شده است. پرتو نور سفید خروجی به کمک یک دستگاه مه ساز نمایان شده است (NKT Photonics).
فیزیک تولید ابر پیوستار
فرآیندهای فیزیکی تولید ابر پیوستار در فیبرهای نوری به خواص مختلفی مانند پاشندگی کروماتیک و طول فیبر، مدت زمان پالس[۱]، توان قله اولیه و طول موج پمپ وابسته است. زمانی که از پالس های فمتوثانیه استفاده می شود، پهنای طیفی می تواند توسط خودمدولاسیون فازی[۲] ایجاد شود. خودمدولاسیون فازی یک اثر غیر خطی اپتیکی است که در آن پالس فوق کوتاه نور با انتشار در یک محیط، به واسطه اثر اپتیکی کر، موجب تغییر ضریب شکست محیط می شود. این تغییرات ضریب شکست، با ایجاد انتقال فاز در پالس منجر به تغییرات طیف می شود. در رژیم پاشندگی غیر متعارف، ترکیب خودمدولاسیون فازی و پاشندگی منجر به دینامیک پیچیده در سالیتون می شود، از جمله این پیچیدگی ها تقسیم سالیتون های مرتبه بالاتر به چندین سالیتون پایه (شکافت سالیتون) است. برای پمپاژ با پالس های پیکو ثانیه یا نانو ثانیه، پراکندگی رامان و اختلاط چهار موج[۳] می تواند حائز اهمیت باشد. تولید ابر پیوستار با پرتوهای موج پیوسته نیز ممکن است. این حالت زمانی رخ می‌دهد که از پرتوهای لیزر مولتی وات در فیبرهای بلند استفاده شود. در این حال پراکندگی رامان و اختلاط چهار موج بسیار مهم است.
خصوصیات پارازیت ها در پیوستار تولید شده در حوزه پارامترهای مختلف بسیار متفاوت عمل می کند. این اثر در حالت خود مدولاسیون فازی و در حالتی که همدوسی فاز در تولید پالس های ابرپیوستار بسیار زیاد است حتی در شرایط پهنای طیف قوی مشاهده شود. در موارد دیگر (مانند اثرات سولیتون با مرتبه بالاتر) این روند می تواند نسبت به کوچکترین نوسانات حساس باشد (از جمله پارازیت کوانتومی) مانند حساسیت به پالس‌های ورودی، بنابراین خواص پالس های با طیف گسترده از یک پالس تا پالس دیگر متفاوت است.
ماهیت به شدت غیر خطی ابرپیوستار، درک بصری و پیش بینی روابط با ابزارهای تحلیلی را دشوار می کند. بنابراین مدلسازی عددی انتشار پالس برای تجزیه و تحلیل چنین فرآیندی مورد نیاز است.
خواص همدوسی
همدوسی مکانی معمولاً بسیار زیاد است به خصوص زمانی که منبع شامل یک فیبر تک مد است. از طرف دیگر پهنای باند طیفی بالا، همدوسی زمانی کمی را نشان می دهد. با این حال تولید ابر پیوستار از قطار پالس‌های متناوب می‌تواند همدوسی زمانی بالایی داشته باشد. در این حالت مکانیسم گسترده سازی طیفی قابلیت بازتولید داشته، امکان ایجاد همبستگی قوی بین میدان های الکتریکی پالس های مختلف وجود دارد. این نوع همدوسی در تولید شانه های فرکانسی در فیبرهای کریستالی فوتونی بسیار مهم است و به مدت زمان و انرژی پالس هسته[۴]، طول فیبر و پراکندگی فیبر وابسته است.
تعارض اساسی شگفت آور میان پهنای باند زیاد و بالا بودن همدوسی زمانی، می تواند با فهم شکل تابع همبستگی میدان برطرف شود: یک قله بسیار نازک با تأخیر زمانی صفر وجود دارد (با پهنایی در حدود چند فمتوثانیه) اما قله هایی با ارتفاعات کمتر و مانند هم در زمانهای تأخیری مرتبط با مضارب صحیح دوره تناوب پالس نیز وجود دارند. از این رو در حالیکه همدوسی زمانی کم به دلیل محو شدن همبستگی در بیشتر تأخیرهای زمانی وجود دارد، اما به سبب همبستگی قوی برای برخی تأخیرات زمانی بزرگ، همدوسی زمانی بالایی وجود دارد.
[۱] Pulse Duration
[۲] Self-Phase Modulation
[۳] Four-Wave Mixing
[۴] Seed Pulse
[۱] Flow Cytometry
[۲] Generation of Multiple Carrier Waves
[۳] Frequency Combs
[۱] Chromatic Dispersion