تولید نور ابرپایستار با پهنای وسیع در ناحیۀ مادون قرمز در تار ویندمیل تک کریستال سافایر تک مد

امروزه، منابع نور ابرپایستار کاربردهای متنوعی در تکنولوژی و پزشکی به دست آورده اند به ویژه هنگامی که این منابع شامل ناحیۀ مادون قرمز از طیف الکترومغناطیس باشند. معمولا این منابع برای تشخیص سرطان، بهبود زخم ها، سوزاندن بافت ها، تحریک عصبی برای درمان و بهبود برخی از بیماری ها مورد استفاده قرار می گیرند. رفتار غیرخطی در برهمکنش نور با ماده، فیزیک حاکم بر منابع نوری ابرپایستار را توصیف می کنند. به طور کلی تقریبا تمام مواد قابلیت بروز رفتار غیرخطی را دارند. اما شدت میدان الکترومغناطیسی عبوری از آن ها باید به اندازۀ کافی بالا باشد. البته این شدت برای هر ماده متغیر است. بنابراین مبنای نظری فرآیندهایی که در تولید طیف ابرپایستار حضور دارند، با اپتیک غیرخطی بیان می شود. برهمکنش پالس لیزر با دی الکتریک (ماده) به ویژه پالس هایی که فوق کوتاه هستند و توان بالایی دارند، باعث می شود خواص غیرخطی و پاسخ تاخیری دی الکتریک (ماده) بروز پیدا کنند. طیف ابرپایستار که از برهمکنش پدیده های غیرخطی و پاشنده ایجاد شده است با معادلۀ شرودینگر غیرخطی تعمیم یافته توصیف می شود. در این مقاله فرآیند تولید نور ابرپایستار در تار ویندمیل تک کریستال سافایر تک مد هنگامی که پالس لیزر با توان قلۀ بالا به آن وارد می شود، مورد بررسی قرار می گیرد. با استفاده از معادلات ماکسول در نظریۀ کلاسیکی امواج الکترومغناطیسی، معادلۀ غیرخطی شرودینگر تعمیم یافته به دست می آید. برای بررسی فرآیند تولید نور ابرپایستار توسط تار ویندمیل تک کریستال سافایر تک مد، این معادله که فرآیند تولید ابرپایستار را توضیح می دهد به صورت عددی با الگوریتم رونگ- کوتای مرتبۀ چهارم حل می شود. طیف ابرپایستار خروجی برای طول 5 و20 سانتی متر از تار ویندمیل تک کریستال سافایر تک مد شبیه سازی شده و نتایج نشان می دهند که طیف نور ابرپایستار تولید شده در مقایسه با یک مورد مشابه برای تار معمولی تک کریستال سافایر تا دو برابر می شود. ضمنا طیف خروجی ایجاد شده شامل شانه های فرکانسی نزدیک به هم در محدودۀ وسیعی می باشد. نتایج نشان می دهند که طیف ابرپایستار ایجاد شده به طور کامل ناحیۀ مادون قرمز نزدیک را پوشش می دهد و بخشی از ناحیۀ مرئی و ناحیۀ مادون قرمز میانی را در بر می گیرد. همچنین نشان داده شده است که طول تار نوری بر طیف ابرپایستار تولید شده مؤثر است.
بحث: با توجه به پالس لیزر و پارامترهای مشخصۀ تار ویندمیل، در این مقاله اساس کار برای شبیه سازی تولید طیف نور ابرپایستار در این تار حل عددی معادلۀ غیرخطی شرودینگر تعمیم یافته بود. در حل عددی هر معادلۀ دیفرانسیل باید الگوریتمی انتخاب شود که جواب به دست آمده پایدار، دقیق و همگرا باشد. نشان داده شد که الگوریتم رونگ- کوتای مرتبۀ چهار برای حل معادلۀ غیرخطی شرودینگر تعمیم یافته مناسب است. با استفاده از این الگوریتم، طیف خروجی از تار ویندمیل برای دو طول منتخب شبیه سازی شد. همچنین نتایج به دست آمده برای تار ویندمیل با نتایجی که برای تار نوری معمولی وجود دارد، مقایسه گردید. نشان داده شد که طیف ابرپایستار شبیه سازی شده در این تحقیق، به دلیل هندسۀ خاص و ویژگی های اپتیکی تار ویندمیل تک کریستال سافایر دارای پهنای فرکانسی بسیار گسترده به ویژه در ناحیۀ مادون قرمز است. با استفاده از فیلترهای مناسب می توان فرکانس مورد نیاز را از دیگر فرکانس ها برای کاربردهای مختلف جداسازی کرد. در حالی که از یک لیزر استفاده می شود گسترۀ وسیعی از فرکانس ها در اختیار کاربران قرار می گیرد. بنابراین این منبع نور مادون قرمز برخی از درمان های پزشکی و همچنین طیف نگاری در ناحیۀ مادون قرمز را تسهیل می کند و شانه های فرکانسی ایجاد شده در آن اندازه گیری فرکانس نوری در محدودۀ مادون قرمز را توسعه می دهد.