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

مقدمه: امروزه، منابع نور ابرپایستار کاربردهای متنوعی در تکنولوژی و پزشکی به­دست آورده­اند به­ویژه هنگامی­که این منابع شامل ناحیۀ مادون قرمز از طیف الکترومغناطیس باشند. معمولاً  این منابع برای تشخیص سرطان، بهبود زخم­ها، سوزاندن بافت ­ها، تحریک عصبی برای درمان و بهبود برخی از بیماری­ها مورد استفاده قرار می­گیرند. رﻓﺘﺎر ﻏﯿﺮﺧﻄﯽ در برهمکنش نور با ماده، فیزیک حاکم بر منابع نوری ابرپایستار را توصیف می­ کنند. به­ طور کلی تقریباً تمام مواد قابلیت بروز رفتار غیرخطی را دارند. اما شدت میدان الکترومغناطیسی عبوری از آن­ها 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 می­شود. روش بررسی: برهمکنش پالس لیزر با دی­الکتریک (ماده) به­ویژه پالس­هایی که فوق کوتاه هستند و توان بالایی دارند، باعث می­شود خواص غیرخطی و پاسخ تأخیری­ دی­الکتریک (ماده) بروز پیدا کنند. طیف ابرپایستار که از برهمکنش پدیده­های غیرخطی و پاشنده ایجاد شده است با معادلۀ شرودینگر غیرخطی تعمیم­یافته توصیف می­شود. در این مقاله فرآیند تولید نور ابرپایستار در تار ویندمیل تک کریستال سافایر تک مد هنگامی­که پالس لیزر با توان قلۀ بالا به آن وارد می­شود، 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 می­دهد به­صورت عددی با الگوریتم رونگ- کوتای مرتبۀ چهارم حل می­شود. یافته­ ها: طیف ابرپایستار خروجی برای طول 5 و20 سانتی­متر از تار ویندمیل تک کریستال سافایر تک مد شبیه­سازی­شده و نتایج نشان می­دهند که طیف نور ابرپایستار تولید­شده در مقایسه با یک مورد مشابه برای تار معمولی تک کریستال سافایر تا دو برابر می­شود. ضمناً طیف خروجی ایجاد­شده شامل شانه­های فرکانسی نزدیک به­هم در محدودۀ وسیعی می­باشد. نتایج نشان می­دهند که طیف ابرپایستار ایجاد­شده به­طور کامل ناحیۀ مادون قرمز نزدیک را پوشش می­دهد و بخشی از ناحیۀ مرئی و ناحیۀ مادون قرمز میانی را در­بر­می­گیرد. 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 شبیه­سازی تولید طیف نور ابرپایستار در این تار حل عددی معادلۀ غیرخطی شرودینگر تعمیم­یافته 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 تعمیم­یافته مناسب است. با استفاده از این الگوریتم، طیف خروجی از تار ویندمیل برای دو طول منتخب شبیه­سازی شد. همچنین نتایج به­دست­آمده برای تار ویندمیل با نتایجی که برای تار نوری معمولی وجود دارد، مقایسه گردید. نتیجه­ گیری: 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 به­ویژه در ناحیۀ مادون قرمز است. با استفاده از فیلترهای مناسب می­ توان فرکانس مورد نیاز را از دیگر فرکانس­ها برای کاربردهای مختلف جداسازی کرد. در­حالی­که از یک لیزر استفاده می­شود گسترۀ وسیعی از فرکانس­ها در اختیار کاربران قرار می­گیرد. بنابراین این منبع نور مادون قرمز برخی از درمان­های پزشکی و همچنین طیف­نگاری در ناحیۀ مادون قرمز را تسهیل می­کند و شانه­ های فرکانسی ایجاد­شده در آن اندازه­گیری فرکانس نوری در محدودۀ مادون قرمز را توسعه می­دهد.