كيف تمكّن الأفران التي يتم التحكم في درجة حرارتها من مطابقة شبه الطور في شبكة ضغط الهواء المنخفض

تُعد بلورات ليثيوم نيوبات الليثيوم المستقطبة دوريًا (PPLN) أحد أحجار الزاوية في البصريات غير الخطية اليوم. وقد أدت قدرة هذه البلورات على إجراء تحويل فعال للطول الموجي للضوء إلى فتح مجالات التقدم في الليزر والاتصالات والبصريات الكمية والتحليل الطيفي. ويقف وراء عمل هذه البلورات عملية دقيقة تُعرف باسم مطابقة شبه الطور (QPM). ويستلزم الحفاظ على هذا النظام وتحقيقه تحكماً دقيقاً في درجة الحرارة، وهو ما يتم تحقيقه عادةً عن طريق استخدام أفران يتم التحكم في درجة حرارتها.

فهم مطابقة شبه الطور في PPLN

تُستخدم PPLN وغيرها من البلورات غير الخطية في عمليات مثل التوليد التوافقي الثاني (SHG)، والتذبذب البصري البارامتري (OPO)، وتوليد الترددات المختلفة(DFG). في جميع هذه العمليات، يتفاعل فوتونان أو أكثر داخل البلورة لتوليد ضوء بطول موجي مختلف. ولتحقيق التحويل الفعال، يجب أن تظل موجات الضوء المتفاعلة في الطور أثناء انتشارها عبر البلورة.

في الواقع، لا يحدث التطابق التام في الطور بشكل طبيعي بسبب التشتت، حيث تنتقل الأطوال الموجية المختلفة بسرعات مختلفة في البلورة. يؤدي التباين إلى تداخل مدمر ويقلل من كفاءة التحويل.

ولحل هذه المشكلة، طوّر الباحثون مطابقة شبه طورية. فبدلاً من الاعتماد على الانكسار الطبيعي، قاموا بعكس نطاقات الليثيوم نيوباتي بشكل دوري في المجالات الكهرو-كهربائية الحديدية. ويعيد العكس، الذي يتم عادةً من خلال استقطاب المجال الكهربائي، مزامنة عدم تطابق الطور بشكل منتظم. والنتيجة هي تراكم بنّاء للإشارة الضوئية المطلوبة.

ومع ذلك، تعتمد الشروط الدقيقة للتدوير الكمي في الدقيقة على مؤشرات انكسار البلورة، والتي تكون حساسة للغاية لدرجة الحرارة. وهنا يثبت أن التحكم الحراري ضروري.

سبب أهمية التحكم في درجة الحرارة في PPLN

يتغير معامل الانكسار لنيوبات الليثيوم مع تغير درجة الحرارة. حتى الاختلافات الطفيفة - عشرات الدرجات - يمكن أن تؤثر على حالة مطابقة الطور. بالنسبة للعمليات التي تحتاج إلى تحويل تردد مستقر وفعال، مثل توليد الضوء الأخضر من ليزر الأشعة تحت الحمراء أو توليد أزواج الفوتونات المتشابكة للاتصالات الكمية، يمكن أن يكون التغير التلقائي في درجة الحرارة كارثياً.

على سبيل المثال

-يمكن أن يؤدي تغير درجة الحرارة بمقدار 1 درجة مئوية في تجارب SHG إلى تحريك الطول الموجي لمطابقة الطور بضع مئات من النانومتر.

-يمكن أن يؤدي الانجراف الحراري في الأقطاب الكهروضوئية المفتوحة إلى قفز النمط أو عدم استقرار طاقة الخرج أو حتى عدم وجود تذبذب على الإطلاق.

-تعتمد كفاءة توليد التيراهيرتز بشكل كبير على وجود ظروف حرارية محددة جيدًا.

وبالتالي، يجب وضع بلورات PPLN داخل فرن يتم التحكم في درجة حرارته، مع استقرار ظروف البلورة إلى أجزاء من الدرجة.

كيف تعمل أفران التحكم في درجة حرارة PPLN

الفرن المتحكم في درجة حرارة PPLN ليس جهاز تسخين مختبري عادي. إنه جهاز مصنوع بدقة متناهية مصمم لتوفير

1- تسخين موحد - يضمن الفرن أن تتعرض كل منطقة من البلورة لنفس درجة الحرارة. يمكن أن يؤدي التسخين غير المتسق إلى تشويه بنية المجال وتوليد أداء مختلف.

2- ثبات عالي الدقة - الأفران عالية الأداء قادرة على الحفاظ على درجات الحرارة بدقة معززة تتجاوز ± 0.1 درجة مئوية. تحافظ هذه الدقة على حالة شبه مطابقة الطور بثبات في مكانها للتجارب الممتدة.

3- نطاق ضبط واسع - درجة الحرارة قابلة للضبط لضبط معامل الانكسار الفعال لبلورة PPLN. يسمح بمطابقة الطور على نطاق من الأطوال الموجية للمدخلات أو ترددات الخرج المستهدفة.

4. الحد الأدنى من الانجراف الحراري - تقلل التصاميم المعزولة، التي تستخدم عادةً حلقات التحكم التناسبي التكاملي الاشتقاقي (PID)، من تأثير التباين الخارجي، على سبيل المثال، تغيرات درجة حرارة الغرفة أو تسخين الليزر.

5. عامل الشكل الصغير - يتم استخدام الأفران الصغيرة في تصميمات متكاملة أو على نطاق الرقاقة. توفر منصات التسخين المصغرة الحجم استقرار درجة حرارة جهاز PPLN القائم على الدليل الموجي مع صغر الحجم للاستخدام المريح في الأجهزة المحمولة.

التطبيقات الممكّنة بواسطة التحكم الحراري في PPLN

نظرًا لأن المطابقة شبه الطورية ح ساسة لدرجة الحرارة، فإن الأفران التي يتم التحكم في درجة حرارتها تحمل مفتاح العديد من التطبيقات:

-مضاعفة تردد الليزر (SHG): التحويل البيني لأشعة الليزر القريبة من الأشعة تحت الحمراء إلى ضوء أخضر، على سبيل المثال، تحويل Nd:YAG 1064 نانومتر إلى 532 نانومتر.

-المذبذبات البارامترية البصرية (OPOs): توليد مصادر ضوء متماسك قابل للضبط على نطاق واسع في أطياف الأشعة المرئية وتحت الحمراء.

-البصريات الكمومية: توليد أزواج متشابكة من الفوتونات لتوزيع المفاتيح الكمية وحسابها.

- توليد موجات التيراهيرتز: تمكين التحليل الطيفي والتصوير بموجات التيراهيرتز من خلال توليد الترددات المختلفة في الشبكة الضوئية ذات الترددات العالية جداً.

- الاتصالات السلكية واللاسلكية: تمكين تحويل الطول الموجي ومعالجة الإشارات لاتصالات الألياف البصرية.

في جميع هذه التطبيقات، لا يضمن التحكم الموحد في درجة الحرارة في جميع هذه التطبيقات الكفاءة فحسب، بل يضمن أيضًا قابلية التكرار والعمر الطويل للجهاز.

فرن التحكم في درجة الحرارة PPLN من SAM

توفر Stanford Advanced Materials (SAM) نظامًا للتحكم في درجة الحرارة مصنوعًا خصيصًا لبلورات PPLN. ويشمل النظام هيكل الفرن وجهاز التحكم الخارجي، ويعملان معًا للحفاظ على ثبات درجة حرارة البلورات لضمان مطابقة الطور.

غرفة الفرن قادرة على استيعاب عينات PPLN بحجم 50 مم × 10 مم × 2 مم (الطول × العرض × الارتفاع)، وبالتالي يمكن استخدامها في كل من الأبحاث المعملية والأنظمة الضوئية الحقيقية. وبفضل نطاق ضبط درجة الحرارة الواسع، يمكن للمستخدمين تغيير الظروف وضبطها بسهولة، كما أن الضبط بسيط وسريع.

هذه الإمكانيات تجعل من فرن SAM PPLN المتحكم في درجة الحرارة أداة بحثية وصناعية عالمية وموثوقة.

الخاتمة

إن الأفران التي يتم التحكم في درجة حرارتها ليست ملحقات في البصريات غير الخطية؛ فهي عوامل تمكين شبه مطابقة للطور في بلورات PPLN. فهي تعمل على استقرار البيئة الحرارية والتحكم فيها لتمكين التحكم في مؤشرات الانكسار، والأهم من ذلك أنها تحافظ على التوازن الحساس اللازم لتحويل التردد بكفاءة.