Süpersüreklilik

Optikte süpersüreklilik, doğrusal olmayan işlemlerin bir pompa ışını üzerinde birlikte hareket etmesiyle orijinal pompa ışınının ciddi bir spektral genişlemesi sonucu oluşur. Örneğin; mikro yapılı fiber optik kullanılarak akıcı bir süpersüreklilik sağlanır. Ne kadar bir genişlemenin bir süpersüreklilik sağlayabileceği hakkında kesin bir açıklama bulunmamaktadır. Ancak araştırmacılar 60 nanometrelik bir genişlemeye ne kadar yaklaşırlarsa süpersürekliliğin gerçekleşmesinin ihtimalinin o kadar çok olacağını iddia ettiler.

Araştırmacılar kaynağın bant genişliğini tanımlamak adına gerekli olan spektral düzlük hakkında hem fikir olamamışlardır. Bu aralığın 5 dB den 40 dB ye kadar hatta daha fazla olabileceğine yönelik görüşler vardır. Buna ek olarak, bu konuda araştırma yapan bilim insanlarının 1970, 1980 ve 1990’larda kullandıkları alternatif ifadeler yeterli görülmemiştir ve içinde bulunduğumuz yüzyıla kadar süpersüreklilik terimi dünya çapında bilim insanları tarafında kabul görmemiştir.

Son on yılda, süpersüreklilik hakkında araştırmalar giderek artmaya devam ediyor. Araştırmaların artmasının sebebi olarak teknolojinin gelişmesini gösterebiliriz. Teknolojinin gelişmesi daha kontrolü ve verimli süpersürekliliklere ulaşabilmeyi gösterebiliriz. Yeni teknolojiyle kullanarak birçok yeni ışık kaynağı bulunmuştur; Optik koherens bilgisayarlı kesityazar, frekans metroloji, flüoresans ömrü görüntüleme, optik haberleşme ve gaz algılama bunlardan birkaçıdır. Yapılan bu araştırmaların sonunda, bilim insanlarının elinde süpersüreklilik hakkında daha fazla bilgi oluştu ve süpersüreklilik hakkında daha fazla teori ve metot oluştu ve bu konu hakkında 2000’den beri hızlı v geniş çaplı bir araştırma yapılmaktadır.

1964’te Jones ve Stoicheff mazer optik frekanslarda sıvılarda raman emilimi incelemek için bir süreklilik üretmişler ve bununla ilgili bir rapor hazırladılar. Stoicheff ‘in dikkatini çekmiştir. “Mazer emisyonu tek keskin spektral bir hatken, raman emisyon çizgileri keskindi ve maser emisyonu raman emisyon çizgileri dahil olduğunda önemli bir genişleme olmuştur. Bunların bulduğu zayıf süreklilikler ölçülebilen ilk raman absorpsiyon spektroskopi olarak tarihe geçti.

1970'te Alfano ve Shapiro kristal ve can kullanarak frekans genişletmesiyle ilk ölçüm raporunu hazırladılar. (cam model kapalı lazer). Dışarıdan yaklaşık 4ps kullanarak 5mJ darbe enerjisi elde ettiler. Filamentler 400-700 nm aralığında beyaz ışık spektrumları oluşturur ve bu formasyonlar faz modülasyonu ve dört dalga karıştırma yoluyla açıklanır. Filamentler kendilerini bir kaynak olarak kullanmazlar. Aksine Alfano ve Shapiro, kristallerin daha kullanışlı olduğunu düşünüyor. 1970'te Alfano bulduğu ve keşfettiği süpersürekliliği, Alfano ve üç yazar süpersüreklilik denilen son beyaz ışık kaynağını konu olarak almış Phy Rev Letters (24, 592,584,1217(1970)) .

1960 ve 1970'lerde atomik buharlar, organik buharları ve sıvı raman soğurma spektroskopisi incelenerek süreklilik kaynaklarının geliştirilmesi sürdürüldü. 1970'lerin başında süreklilik sayesinde oluşturulan nano saniye süreli flaş lambalar ve lazer tetiklemeli gazlardan çıkan kıvılcımlar ve scintillator boya ile çalışmalar daha da heyecan kazandı. Bu kaynakların tek sorunu ne yeterli düzeyde güç, ne de yüksek güç düzeyinde geniş süreklilikler makul bir verimlilikle oluşan bir kaynak olmaması. 1976 yılında Lin ve Stolen yeni nano saniyelik kaynaklarını ortaya koydular.

1978’de Lin ve Nguyen birçok süreklilik oluşturmuşlardır. En önemlisi 0,7-1,6 μm’lik bir genişliğe ve 315 m uzunluğunda bir tel silise GeO2 katılarak 33 μm bir çekirdek elde etmişlerdir. Optiksel olarak Lin’in Stolen la yaptığı çalışmada pompa kaynağı 150 kilowatt, 20 ns güce sahipti fakat bu kadar fazla enerjiyi tele verirlerse, tel hasar görebilirdi yani bunun için başka bir yol bulmaları gerekiyordu. Tele 50 kilowatt verildiğinde 12 kilowattlık süreklilik elde ediliyor.

Süreklilik başladığı zaman stoke çizgileri 1.3 μm çıktı. Havada kaynaklanan enerji kaybında dolayı suda denediler ve oda 1,38 μm çıktı. 50 kilowatt üzerinde güç verildiğinde; ortamda sürekli görünür halde aşağıya uzanan yeşil ışık parçalarını kayıt ettiler. Ama yüksek güç seviyesi tellerine zarar veriyordu. Aynı zamanda 6 μm çapında bir tel en az 100 m uzunluğunda tel ile benzer bir süreklilik sağlanabilir. Başlatma ve bitiş güçleri 0.9 μm ve 1.7 μm’dır.

1980 de Fujii ve arkadaşları Lin’in 1978'de kurduğu kapalı kilit modelini 100 kilowattan daha büyük bir güçle 10 μm’luk çekirdek tek modlu GE tel de %70 verimliliği sağladı. Alışılmamış bir şekilde bu deneyin darbe üresi rapor edilmedi. Tüm spektral pencerede yayılmış 300 nm den 2100 nm kadar spektrum silis oluşmuştur. Fujii ve arkadaşları spektrumların görünen tarafı ve üretim pompası dört dalga karışımı olmasıyla Raman Stokes oluşturan bir ana mekanizma belirledi. Fakat pompa ve Stokes hatları arasında toplam frekanstan elde edilen yeni modeller vardı.

Daha önce Washio ve arkadaşları tarafından belirlenen 150m uzunluğunda tek model teli 1.34μm YAG lazeri sadece fiber için normal olmayan bir dağılım rejimi içindeydi. Deneyin sonucu olarak 1.15 den 1.6 μm’ye uzanan bir sürekliliğin ayrık Stokes çizgilerini gösterdiler.

Bu zamana kadar kimse süreklilikle ilgili Stokes çizgisinde uzun dalga boyunda ve telin içinde nasıl meydana geldiğine dair mantıklı bir açıklama yapamadılar. Çoğu durumda bu solisyon mekanizmaları ile açıklanabilir ama telin içindeki solüsyonlar 1985 e kadar bulunamamıştır. Çoğunluğun katılmadığı bir açıklama olarak öz faz modülasyonu görülen sürekliliğin ortamlar için hesap edilmediği fark edilmiştir.

1982 Smimov ve arkadaşları ve 1978 yılında Lin tarafından benzer sonuçlar elde edilmiştir Multi phosphosilicate lifleri ve fiber pompaları kullanarak 0,53 ve 1,06 μm elde etmişlerdir. Ayrıca bu bilim insanları Stokes bileşenleri ve spektrumların ultraviyole yakın infraret (kızılötesi) ışıkları görmüşlerdir. Kendine bağlı genişlemelerin faz modülünün 910 cm-1 olması gerektiğini hesaplamışlardır ama onların deneyi 3000 cm-1 den fazlaydı.

Optik sürekliliğin sadece öz faz modülasyonu ile açıklanamayacağı kararına vardılar. Uzun fiber dört dalgayı karıştırarak gönderdiler ve mekanizmayı olağandışı bir zarara uğrattılar. İlginçtir, Loy ve Shen daha önceden desteklediği nanosaniye de oluşan darbe nanosaniye zaman dilimi içinde alt nanosaniye sivriliği oluşsaydı, geniş sürekliliğin oluşacağını düşünmüşlerdi.

Fork ve arkadaşları bu çalışmadan yaklaşık bir yıl sonra geniş sürekliliğin ortaya çıkardığı çok kısa darbeleri incelemişlerdir ve çarpışma modunda 80 fs darbeleri kullanarak yapmıştır. Lazer dalga boyu 627 nm’ydi ve jet pompasının içindeki etilen glikol kullanılmıştır. Onların ayarlamalarıyla oluşan süreklilik ve farklı dalga boylarının atım süresi ölçülür ve kırmızı parçanın arka tarafı oluşturduğunu ve mavi kısmın ön tarafını oluşturduğunu gözlemlemişler. Oluşturulan süreklilik boyunca çok küçük cıvıldar gibi seslerin çıktı rapor edilmiştir.

Bu gözlemler ve diğerleri süreklilikle ilgili araştırmaların önünün açılmasında büyük faydası dokunmuştur. Hesaplamalar devamlılık faz modülasyonun çok daha fazlasına gereksinim duyduklarını ve dört dalga karıştırma işlemleri yapılmış olması gerektiği dile getirmişlerdir. Femtosecond kaynağını kullanarak uygun ve tekrarlanabilir bir süreklilik ve çok daha kolay elde edilebilen bir süreklilik yapabileceğini öne koymuşlardır. İlerleyen yıllarda bu kaynak daha çok geliştirildi ve diğer sıvılar da kullanılmıştı.

Aynı yıl Nakazawa ve Tokuda 1.32 ve 1.34 μm dalga boyunda modlu bir fiber pompa iki değişimi ortaya çıkarabileceğini açıkladı. bir güç uygulayarak dört dalga karışımı ve sıralı uyarılmış Raman saçılması bir süper pozisyonda bir araya gelerek sürekli spektrumları meydana getirmiştir. Birkaç kilowattın pompa gücünü sağlaması için yeterli olması ve bununla sürekliliğin sağlanması geçmiş deneylere bakarak bunun büyük avantajı oldu.

Genel olarak daha hızlı güç kaynaklarını (10 ps ve altını) kullanarak sıvı, gaz, kristaller ve yarı iletkenleri görünebilir bir süreklilik oluşturmaya çalıştılar. Öz faz modülasyonu açıklanabilir bir kurguyken; buna karşın,1980’lerin ortasında içerisinde ikinci harmonik nesil çapraz modülasyonu ve indüklenen faz modülasyonunun içerisinde bulunan yeni açıklamalar için ortaya sunulmuştur. Bilim insanları tarafından harcanan bütün enerjinin nedeni öz faz modülasyonu çok daha geniş bir alanda süreklilik oluşturduğu ve bu modülasyonların içerdiği bir teoriye dayandırmaya çalışmaları içindi.

1987’de Gomes ve arkadaşları tek modlu fosfosilikatların bağlı olduğu fiberin içinde oluşan uyarılmış Raman saçmalarının bulunduğunu bildirmiştir. Gomes ve arkadaşları Q anahtarı ve kilitli modu (YAG) (130 pls tepki ve 700 kilowatt maksimum güç üretebilen bir cihaz) fibere pompalamışlardır. 56 kilowattlık bir gücü fibere yüklediler ve bunun sonucunda; silika fiberinden elde edilenden daha geniş ve düz bir süreklilik elde ettiler.

Bir yıl sonra Gouveia-Neto ve arkadaşları yine aynı grupla birlikte modülasyon düzensiz solüsyon dalga oluşumu ve yayılımı açıklayan bir yazı yayınladılar. Bu yazıyı yazmak için “1.32 μm’lik YAG lazer (100 ps tepki ve 200 volt zayıf gücü olan pompa.) 500 m uzunluğundaki tekli modda fiber kulandılar ve bu fiberin çapı 7 μm.” kullanarak bir deney yaptılar. Sıfır saçılımla bir fiber 1.30 μm’di. Pompa normal olmayan bir şekilde içinde saçılma yapıyordu. 500’den fazla fs süreleri ile gelişmekte olan sinyal keşfettiler ve pompanın gücünü artırdıklarında sürekliliğin 1.3 μm den 1.5 μm ye şekil aldığını gözlemlediler.

Gross ve arkadaşları 1992 yılında kâğıt üzerinde fiberin içinde çok kısa saniyelerde darbe oluşturarak bir süpersürekliliğin oluşabileceğini öne sürdüler. O güne kadar bulunmuş ve kolayca yapılabilen bu model solüsyon ve solüsyon öz frekansıyla oluşan bir denklem içermektedir.

1990’larda süpersürekliliğin yapılabileceği ya da bu konu hakkında yapılan deneyler ön plandaydı. 1993'te Morioka ve arkadaşları 100 dalga boyunda simülasyonu yapılmış çoklu düzenli kanallar yapılmıştır. Bunun için 1.224-1.394 μm’lik spektral bölgede 10 ps darbe gücünde yüzlerce simülasyon oluşturmuşlardır. Morioka ve arkadaşları YLF pompası ()merkezi 1.314 μm büyüklüğünde) kullanarak ve kapalı kilit moduyla 7.6 ps gücünde darbeler oluşturarak bir süpersüreklilik oluşturmuşlardır. Daha sonra oluşan bu sürekliliği filtreleyerek genel bir kanal oluşturmuşlardır.

Morioka ve Mori 1990’lardan günümüze kadar süpersürekliliği kullanan telekomünikasyon teknolojilerini geliştirilmesini sağladı ve sağlamaya devam ediyor. Neden optik fiberin içindeki hızın dağılarak düşmesini süpersürekliliği kullanarak araştırmalarına derinlik kazandırlar. Bunun yanı sıra kurdukları sistemler sayesinde süpersüreklilği 60 nm genişliğe kadar çıkartılar.

1997 de Chernikov ve arkadaşları fiber merkezli lazer tarafından süpersürekliliğin pompalandığını bildirdiler. Deneylerini geçiş pasifi Q elde etmek için iterbiyum ve erbiyum içeren fiberlerin içinde yaptılar. Bu pasif Q 10kilowattlıklık maksimum güç ve 2 ns lik sürekli darba üreten bir süreklilik oluşturdular. Bu sürekliliğin sonucunda 2,3 μm’de 1 μm’lik kenarı olan bir silis pencere oluşturmuşlardır. İlk üç Stokes çizgileri görünür ve sürekli aşağıya doğru 0.7 μm’lik çizgiler oluşturdu. Fakat önemli ölçüde düşük seviyelerde elde edilmiştir.

1980’li yıllarda yapılan araştırmalar fiberin geniş sürekli ortamlar oluşturmak için anormal dağılım rejimi olan bir pompanın en verimli pompa olduğu açıkça belli oldu. Ancak pompanın üzerinde 1 μm’lik lazer kullanarak yararlanmak çok zordu ve bu zorluğu sıfır dalga dağılımı olan, 1.3 μm’dan çok daha düşük atomik olmayan silika fiberle başardılar. 1996 da Knight ve arkadaşları tarafından fotonik kristal fiber icadı ile ortaya çıktı. Fotonik kristal fiberin özellikleri ayrıca başka bir yerde tartışılabilir, ama onlar için önemli olan iki özelliği vardı: doğrusal olmayan bir dalga boyu üretmek ve sıfır dağılımlı dalga boyu oluşturmaktı. Ama esas amaçları bir orta boy fotonik kristal fiberi kullanarak bir süpersüreklilik elde etmek.

2000 yılında Ranka ve arkadaşları 75 cm’lik fotonik kristal fiberi kullanarak sıfır saçılması olan 767 nm ve 1,7 μm atom çapında süreklilik elde ederek bir ilki başarmışlardır. 100 fs, 800pJ sinyali 790 nm’lik fiberle 400 nm’den 1450 nm arasında bir süreklilik oluşturmuşlardır.

2000 yılına kadar gelişmeleri diğer alanları da içerisine kattık. Süpersüreklilik kaynakları nanosaniyelik, piko saniyelik ve CW rejimidir; fiberin gelişiminde yeni malzemeler, üretim teknikleri ve kısımları etkin olmuştur. Yeni metotlar ve genişletilmiş sürekliler; genişletilmiş eşitlikler ve tanımlanan süpersüreklilikler, fotonik nonoteller ve geliştirilmiş sayısız model süpersürekliliği anlamak için yapılmıştır. Ne yazık ki, derinlemesine tartışma konusu olan Dudley ve arkadaşları tarafından yazılan bir makalede toplanmıştır.

Bu kısımda süpersüreklikliğin fiber içinde oluşturulan iki ana rejimle dinamiği tartışcağız. Daha önceki kısımlarda süpersürekliliğin doğrusal olamayan süreçlerin etkileşimi yoluyla oluştuğunu ve spektral genişlemeye sebep oluştuğunu dile getirmiştik. Bunlardan bazıları faz modülasyonu, dört dalga karışımı ve solüsyon tabanlı dinamikleriydi.

Son yıllar da oluşan gelişmelerle süpersürekliliğin nasıl oluşturulacağı, sistemin nasıl çalıştırılacağı ve sürekliliğin formunu nasıl kontrol edileceği anlaşılmaya çalışılmaktadır. Solüsyon füzyon rejimi ve modülasyon kararsızlığı rejimi olmak üzere iki tane rejim vardır. Fiziksel sürecinde yazılı sürece oldukça benzer olduğu söylenebilir. Pompanın değişen koşullar için süreklilik oluşumunu sağlayan işlemler arasındaki farkı ayırt etmememizi sağlar. Üçüncü rejim ise normal dağılım bölgesindeki pompalama, bu işlem çevrelenmiş olması gerekmektedir. Bu yöntemle süpersüreklilik elde etmek için güzel bir rejimdir. Fakat bu yöntemlerle aynı bat genişliklerinde üretmek mümkün değildir.

Solüsyon füzyon rejimi; kısa, yüksek güçlü, çok kısa saniyede tepki veren fotonik kristal fiber içinde ya da diğer yüksek doğrusal olmayan fiberde gerçekleşir. Bu çok kısa saniyeler içinde olan ışımalar yüksek dereceli solüsyon olarak düşünülebilir. Fakat sonuçta bu hızlı ışımalar reaksiyonun kendi kendisin beslemesini sağlar ve ışımanın genişlemesini sağlar. Bu füzyon işlemi sırasında kısa dalga boyu üzerinden aşırı enerji dağılımı dökülür.

Genellikle bu dağılımlı dalgalar başka bir değişime uğramıyorlar ve böylece pompanın kısa uzantısı geniş solüsyonun nasıl genişlediğine bağlıdır ve bu, sistemin nefes alması gibidir. Bu temek solüsyonun iç Raman saçılmasına gerçekleşmesi ve uzun dalga boylarının değişmesi (ayrıca solüsyon öz frekansı kayması olarak bilinen), genel uzun dalgaların oluşması; devamlılığın bir bölümüdür. Solüsyon Raman sürekliliğinin dağılmış radyasyonla dört dalga karışımıyla ve çapraz faz modülasyonuyla etkileşimi mümkündür.

Belli koşullar altında; bu dağıtıcı dalgaların çift olup solüsyonun solüsyon bindirme etkisi oluşturması mümkündür. Bu solüsyon bindirme etkisinin anlamı solüsyon öz dalgası dalga boyunun uzamasındaki değişimler, çift dağıtıcı dalgaların kısa dalga boylarının değişimindeki grup hızının düşük olmasından kaynaklanmıştır demektir. Bu solüsyon yakalama mekanizması genellikle başka bir mekanizmayla mümkün olabilecek en kısa dalga boyundan daha kısa dalga boyları elde edilmesini sağlar.

Fotonik kristal fiber tarafından üretilen ilk süper süreklilik ve devamındaki birçok deneyde ultra kısa darbeli kısa saniyeli sistemleri pompa kaynağı olarak kullanıldı. Bu rejimin en önemli avantajlarından biri de sürekliliğin genellikle zamansal tutarlılık içinde yüksek sıcaklıklarda olmasıdır. Buna ek olarak fotonik kristal fiberle kısa uzunluklarla geniş süpersüreklilik üretmek mümkündür. En büyük dezavantajlarından biri ise çok yüksek ortalama bir gücün sürekliliğinin yetersiz kalmasıdır. Bu sınırlayıcı pompa kaynaklarının mevcut olmasına ve genellikle spektrum bileşenlerinin lokal yapısının oluşan spektrum nedeniyle düzgün olmamasıdır.

Modülasyon karasızlığı devamlılığı olan dalga dağılmasına yol açar ya da yarı sürekli dalga alanlarını, bu alanlarında temel solüsyonlarına eğilim göstermesiyle oluşur. Bu solüsyonların üzerinde olan baskı bu rejimin temelini oluşturduğu için önemlidir. Sürekli dalga alanları ve yarı sürekli dalga alanlarının süpresürekliliğe etkisiyle dalga değişimin solüsyon füzyonuna etkisi hakkında birçok makale vardır.

Solüsyon füzyon rejimine benzer bir şekilde, uzun dalga boyundaki süreklilik; solüsyonun içinden geçen iç darbe Raman saçılmasıyla ve öz frekanssın daha uzun dalga boyuna geçmesiyle oluşur. Modülasyon kararsızlığı işlemi gürültülüdür. Öz frekans değişken artışları olmasından ötürü solüsyonun içinde farklı enerji dağılımına yol açar. Sonuç olarak modülasyon kararsızlığını sürdüren solüsyon ve Raman devamlılığı füzyon rejimi içinde oluşan spektrala kıyasla çok daha yumuşak olmaya eğilimlidir. Kısa dalga boyu dört dalganın karıştırılması ve maksimum gücün yarı sürekli dalga boyu rejimini oluşturur. Saf sürekli dağla boyu rejimi, kısa dalga boyu oluşumundan 1 μm pompa gücünden daha kısa dalga boyu oluşturur. Bu durumda modülasyon karasızlığının rejimini kısa dalga boyu üretiminin solüsyon tarafından yakalandığını gösterilmiştir.

Eğer fiber ve parametre sahaları modülasyon karasızlığı formunda ve bu olaya yani füzyona hâkimse, oluşan süreklilik sadece modülasyon karasızlığı rejimi tarafından meydana gelir. Füzyon rejimine benzer olarak modülasyon kararsızlığı için de bir uzunluk ölçeği (L_MI) geliştirilmiştir.

Diğer iki rejim pompalamanın dışındaki normal olmayan bölgeler içindi. Normal bir bölgede de süpersüreklilik oluşturmak mümkündür. Tarihsel sırayla baktığımızda ilk olarak pompalama rejimi olduğu görülmektedir. Eğer giriş darbeleri öz modülasyon fazından yeterince küçük ise bu önemli genişlemeye sebep olur. Fakat; eğer darbeler çok kısa darbelere yani Raman saçılmasına eğilimli değilse, bu domine olmasına sebep olur ve normal bir seride göze çarpan Stokes hattı sıfır saçılma dalga boyuna olaşana kadar görünür. Bu anda solüsyon Raman sürekliliği formunu alır. Yani pompadaki bu normal olmayan değişim daha verimli bir süreklilik oluşturur. Çoğu yeni kaynak pompanın normal dağılımı rejiminden kaçınır ya da değinmek istemez.