Generacja II harmonicznej ±wiatªa

Transkrypt

1 Generacja II harmonicznej ±wiatªa Materiaªy przeznaczone dla studentów kierunku: Zaawansowane Materiaªy i Nanotechnologia w Instytucie Fizyki UJ rok akademicki 2012/2013 prowadz cy: mgr in». Aleksandra Wolak (ola.d.wolak@gmail.com) 1 Cel wiczenia Celem projektu jest zapoznanie studentów z zagadnieniami optyki nieliniowej poprzez badanie jednego z jej najwa»niejszych efektów jakim jest generacja drugiej harmonicznej ±wiatªa. W trakcie wiczenia badany jest proces konwersji ±wiatªa laserowego o dªugo±ci fali 805 nm na jego drug harmoniczn o dªugo±ci fali nm. W badanym przypadku, konwersja taka zachodzi gdy wi zka silnego ±wiatªa laserowego zostaje zogniskowana w nieliniowym krysztale dwójªomnym BBO (β BaBO 4 beta barium borate). Studenci badaj procesy zyczne warunkuj ce nieliniow konwersj ±wiatªa, a w szczególno±ci warunki dopasowania fazowego. Dopasowanie fazowe sprawia,»e ±wiatªo generowane w ró»nych miejscach krysztaªu interferuje konstruktywnie w kierunku propagacji wi zki podstawowej i w ten sposób dochodzi do jego wzmocnienia. Warunki dopasowania fazowego mo»na zmienia obracaj c krysztaª dwójªomny, co powoduje zmian wspóªczynników zaªamania promieni zwyczajnego i nadzwyczajnego wi zek podstawowej i drugiej harmonicznej. Dobór odpowiedniej polaryzacji wi zki podstawowej oraz ustawienia krysztaªu dwójªomnego pozwol na rejestracj sªabej - o mocy pojedynczych nw - niebieskiej wi zki laserowej powstaªej z wi zki o mocy kilkudziesi ciu mw. Projekt ko«czy raport w formie artykuªu naukowego. Sªowa kluczowe: optyka nieliniowa, nieliniowa polaryzacja, laser diodowy, generacja drugiej harmonicznej, dopasowanie fazowe, wi zki gaussowskie, dwójªomno±, elipsoida wspóªczynnika zaªamania, polaryzacja ±wiatªa. 2 Aparatura i materiaªy Laser diodowy (λ = 805 nm) o mocy do 80 mw, ukªady zasilania i stabilizacji temperatury i pr du lasera diodowego, stolik obrotowy ze sterownikiem,

2 Pracownia Fotoniczna IFUJ SHG 2 krysztaª BBO w oprawce obrotowej, fotopowielacz z zasilaczem, pikoamperomierz, przetwornik analogowo-cyfrowy, miernik mocy lasera, ltry (barwny - BG39 rmy EKSPLA oraz dielektryczny - FB rmy Thorlabs), soczewki skupiaj ce o ogniskowych f = 10 cm i f = 15 cm, polaryzatory sªu» ce regulacji nat»enia wi zki nm, komputer z oprogramowaniem do sterowania eksperymentem i akwizycji danych. 3 Problemy i zadania do przygotowania Pochodzenie optycznych efektów nieliniowych i ich przykªady. Propagacja fal w o±rodkach nieliniowych Generacja drugiej harmonicznej i warunki dopasowania fazowego. Dopasowanie fazowe w nieliniowych krysztaªach dwójªomnych. Generacja drugiej harmonicznej dla przypadku wi zki zogniskowanej. Wyliczy k t pomi dzy osi optyczn krysztaªu BBO a kierunkiem propagacji wi zki laserowej o dªugo±ci fali λ = 800 nm, dla którego speªniony jest warunek dopasowania fazowego i nast puje generacja drugiej harmonicznej. Jak powinna by spolaryzowana wi zka laserowa? Dane dotycz ce wspóªczynników zaªamania krysztaªu BBO zawarte s w dodatku. Jak zmienia si nat»enie drugiej harmonicznej wewn trz krysztaªu w przypadku (i) idealnego dopasowania fazowego, k = 2k ω k 2ω = 0, (ii) gdy wyst puje pewne niedopasowanie fazowe, k 0 Zastanowi si jak wyznaczy wspóªczynnik konwersji η = I 2ω /I ω. Laser diodowy - zasada dziaªania, struktura modowa, zale»no± mocy optycznej i dªugo±ci fali od temperatury i pr du. 4 Zasady BHP Poniewa» w wiczeniu wykorzystywane jest promieniowanie laserowe oraz niezwykle delikatne elementy optyczne, wobec tego od studenta wymaga si stosowania do poni»szych zasad. Uruchamianie lasera mo»e odbywa si wyª cznie za zgod i w obecno±ci prowadz cego wiczenie. Nie wolno patrze wprost w wi zk laserow, gdy» doprowadzi to do trwaªej utraty wzroku. Nie wolno dotyka elementów optycznych (soczewki, lusterka, itp.), gdy» mo»e to spowodowa ich trwaªe uszkodzenie.

3 Pracownia Fotoniczna IFUJ SHG 3 5 Przebieg wiczenia Ukªad eksperymentalny zostaª schematycznie przedstawiony na rysunku 1, a jego zasadniczymi elementami s laser diodowy emituj cy w zakresie fal nm oraz nieliniowy krysztaª dwójªomny BBO (patrz dodatek). Do najbardziej istotnych parametrów decyduj cych o wydajno±ci procesu G2H nale» : (i) kierunek polaryzacji wi zki podstawowej w stosunku do kierunku osi optycznej krysztaªu, (ii) k t pomi dzy wi zk padaj c a krysztalem, (iii) ogniskowanie wi zki podstawowej w krysztale. W celu pomiaru parametrów Rysunek 1: Schemat ukªadu eksperymentalnego. drugiej harmonicznej nale»y: 1. Zestawi ukªad eksperymentalny jak na schemacie Zastanowi si nad rol poszczególnych elementów optycznych i urz - dze«elektronicznych. 3. Pod kontrol prowadz cego wª czy stabilizatory temperatury i pr du lasera diodowego. 4. Za pomoc ukªadu optycznego uformowa wi zk lasera diodowego pami taj c o odpowiednim jej zogniskowaniu w krysztale BBO. 5. U»ywaj c miernika mocy lasera wyznaczy stosunek mocy wi zki odbitej od klina do mocy wi zki przechodz cej 6. Ustawi krysztaª BBO na stoliku obrotowym tak aby wi zka laserowa padaªa na niego prostopadle. 7. Uruchomi program SHG steruj cy eksperymentem.

4 Pracownia Fotoniczna IFUJ SHG 4 8. Wª czy zasilanie fotopowielacza i obracaj c krysztaªem (ustawienie polaryzacji) oraz stolikiem (ustawienie k ta przy którym nast puje dopasowanie fazowe) uzyska sygnaª drugiej harmonicznej.!!! Uwaga pomiary nale»y wykonywa w zaciemnionym pomieszczeniu. 9. Zmieniaj c nat»enie wi zki laserowej zmierzy zale»no± I 2ω (I ω ) 10. Dla maksymalnego nat»enia wi zki laserowej, obracaj c krysztaªem (za pomoc stolika obrotowego) wyznaczy zale»no± I 2ω (θ), gdzie k t θ liczony jest od k ta, dla którego mamy dopasowanie fazowe. 11. Na podstawie wyników pomiarów okre±li rodzaj zale»no±ci pomi dzy I 2ω a I ω. 12. Na podstawie wyników przeprowadzonych pomiarów, wyznaczy wspóªczynnik konwersji I 2ω /I ω i dªugo± spójno±ci. 13. Wyniki do±wiadczalne porówna z obliczeniami teoretycznymi. Prosz pami ta o przeprowadzeniu analizy niepewno±ci pomiarowych. Literatura [1] B. Zi tek, Lasery, Wydawnictwo UMK, Toru«2009. [2] A. Yariv, Optical Electronics in Modern Communicatoons, Oxford University Press / do wypo»yczenia w Zakªadzie Fotoniki. [3] R. Boyd, Nonlinear Optics, Academic Press / do wypo»yczenia w Zakªadzie Fotoniki [4] P. Chmela, Wprowadzenie do optyki nieliniowej, PWN Warszawa [5] I.S. Ruddock, Nonlinear optical second harmonic generation, Eur. J. Phys. 15, 53 (1994).

5 LASERS FOR SCIENCE AND TECHNOLOGY EKSPLA Ltd., an EKSMA Group Company EKSPLA Ltd., Photonics Division Mokslininku 11, Vilnius, LITHUANIA Ph.: , fax: sales@eksma.com Fundamental wavelength,µm Beta Barium Borate BBO Type 2 Type Phase-matching angle, deg SHG tuning curve of BBO Fundamental wavelength,µm Type 1 OPO tuning curves of BBO at 355 nm pump Type 2 (o-beam) Type 2 (e-beam) Phase-matching angle, deg BBO is a nonlinear optical crystal with combination of number of unique features: wide transparency region broad phase-matching range large nonlinear coefficient high damage threshold wide thermal acceptance bandwidth high optical homogeneity. As a result of its excellent properties BBO has a number of advantages for different applications: harmonic generations (up to fifth) of Nd:YAG and Nd:YLF lasers frequency doubling and tripling of ultrashort pulse Ti:Sapphire and Dye lasers optical parametric oscillators (OPO) at both Type 1(ooe) and Type 2 (eoe) phase-matching frequency doubling of Argon ion and Copper vapour laser radiation electro-optic crystal for Pockels cells. EKSPLA offers: crystal aperture up to mm crystal length up to 22 mm thin crystals down to 5 µm thickness AR, BBAR, P-coating different mounting and repolishing services accurate quality control attractive prices and fast delivery one month customer s satisfaction term. Please contact EKSPLA for further information or nonstandard specifications. Nonlinear and Laser Crystals

6 LASERS FOR SCIENCE AND TECHNOLOGY EKSPLA Ltd., an EKSMA Group Company PHYSICAL AND OPTICAL PROPERTIES OF BBO Chemical formula Crystal structure Optical symmetry Space group Density Mohs hardness Optical homogeneity Transparency region at 0 transmittance level Linear absorption coefficient at 1064 nm Refractive indices at 1064 nm at 532 nm at 355 nm at 266 nm at 213 nm Sellmeier equations ( l[µm] ) Phase matching range Type 1 SHG Phase matching range Type 2 SHG Walk-off angle Angular acceptance Thermal acceptance Nonlinearity coefficients Effective nonlinearity expressions Damage threshold for TEM nm STANDARD SPECIFICATIONS OF BBO CRYSTALS Flatness Parallelism Perpendicularity Angle tolerance Aperture tolerance Surface quality Clear aperture BaB 2 O 4 trigonal, 3m Negative Uniaxial (n o >n e ) R3c 3.85 g/cm 3 5 dn = 10-6 cm nm <0.1% cm -1 n o n 2 o = /(l ) l 2 n e 2 = /(l ) l 2 n e nm nm 55.9 mrad (Type 1 SHG 1064 nm) 1.2 mrad cm (Type 1 SHG 1064 nm) 70 K cm (Type 1 SHG 1064 nm) d 22 = ±(2.22±0.09) pm/v d 31 = ±(0.16±0.08) pm/v d ooe = d 31 sinq - d 22 cosq sin3j d eoe = d oee = d 22 cos 2 q cos3j > 5 GW/cm 2 at 10 ns >50 GW/cm 2 at 1 ps l/6 at 633 nm < 10 arc sec < 5 arc min < 30 arc min ± 0.1 mm 10/5 scratch/dig as per MIL-O-13830A 90% of full aperture Nonlinear and Laser Crystals

7 Windows Optical Flats Flatness of reference surface λ/20 Optical flats are used for testing and evaluating other optical elements. An interference pattern is formed in the air between the flat and object being evaluated, and this pattern is usually more seen through the flat than through the object. The pattern consists of alternating bright and dark bands or fringes which are a contour map of the thickness of the air film. If the surface of the optical is significantly flat- Catalogue number Diameter D, mm Thickness T, FS Metric English mm Price, EUR For metric dimensions please add to catalogue number code M, for English code E. Optical Density Internal Transmittance, 633 nm ter than the surface being evaluated, it is correct to interpret the interference pattern directly as a contour map of the surface being evaluated. If the flat is used on the top of the object, and the interference pattern viewed through the flat, it is advantageous to have an anti-reflection coating on the top surface of the flat (the surface which does not touch the object being evaluated). For an appropriate AR coating, please refer to the Coatings section. NEUTRAL DENSITY ABSORPTION TYPE FILTERS Neutral density absorption type filters decrease the intensity of light without altering the relative spectral distribution of energy. They are used to filter the entire visible spectrum evenly, allowing light reduction without influencing the colour or contrast. Attenuation is accomplished by using light-absorbing glass. Housing accessories Filter Holder See page 3.55 for more information. Specifications Material Surface quality Surface flatness Parallelism Diameter tolerance Clear aperture Design wavelength Optical density tolerance Specifications T Material FS Diameter tolerance mm Thickness tolerance ±0.2 mm Surface flatness: 1st surface 633 nm 2nd surface nm Code Neutral density colour glass scr/dig 1λ per 633 nm 3 arcmin +0.0, -0.2 mm 90% of the diameter nm +/-5% of density OD OD OD OD OD1.0 OD Wavelength, nm External transmission curves (include reflections from uncoated surfaces) Percent transmission Ø25.4 mm 25.4x25.4 mm Ø50.8 mm 50.8x50.8 mm D Price, EUR Ø25.4/25.4x25.4/Ø50.8/50.8x / 34 / 56 / / 34 / 56 / / 34 / 56 / / 34 / 56 / / 34 / 56 / / 35 / 57 / / 36 / 58 / 57 UV & IR Optics Polarising Optics Prisms Windows Lenses Mirrors Coatings Visit for new products and prices 1.28

8 Optical Components COLOuR GLASS FILTERS Coatings Mirrors Lenses Windows Prisms Polarising Optics UV & IR Optics Coloured glass filters are made from optically polished highest quality Schott coloured optical glass. The spectral properties of these filters are uniform over the entire aperture and independent of the angle of incidence. Coloured glass filters can be used alone or in conjunction with monochromators or interference filters to isolate various spectral regions. Specifications Material Surface quality Surface flatness Parallelism Diameter tolerance Thickness Clear aperture Material Schott colour glass scr/dig 1λ per 633 nm 3 arcmin +0.0, -0.2 mm 3.0 ± 0.2 mm 90% of the diameter Code Ø25.4 mm 25.4x25.4 mm Ø50.8 mm 50.8x50.8 mm Price, EUR Ø25.4/25.4x25.4/Ø50.8/50.8x50.8 BG / 31/ 63/ 62 KG / 23/ 47/ 46 KG / 26/ 51/ 50 GG / 23/ 47/ 46 OG / 23/ 47/ 46 OG / 23/ 47/ 46 RG / 23/ 47/ 46 RG / 27/ 52/ 51 RG / 27/ 52/ 51 RG / 27/ 52/ 51 Custom sizes and shapes are available upon request. Percent transmission Wavelength, nm External transmission curves (include reflections from uncoated surfaces) Housing accessories Filter Holders See page 3.55 for more information. Crystalline Materials for Optical UV Band Pass Filters Almost all UV radiation (especially nm) is absorbed by the Earth s ozone layer, and UV radiation that is created by some objects near the Earth surface can be detected only using special zone filters. Crystalline materials are robust substrates from which optical filters of high purity and optical homogeneity can be fabricated. Available crystalline materials: NiSO 4 *6H 2 O (NSH) and K 2 Ni(SO 4 ) 2 *6H 2 O (KNSH). T, % 100 Polished cylinders of NiSO 4 *6H 2 O measuring up to 60x40 mm in diameter are available. Polished cylinders of K 2 Ni(SO 4 ) 2 *6H 2 O measuring up to 45x20 mm in diameter are available Wavelength, nm T, % Solar radiation Specifications Surface quality Surface flatness Parallelism Side surfaces Coating scr/dig 633 nm 1 arcmin fine grinding uncoated Ni5-04 #1, 12 mm Ni5-04 #2, 8 mm Ni5-04 #3, 4 mm KG1 KG3 BG39 GG475 RG715 RG780 RG830 RG Wavelength, nm Typical spectral transmittance curves of different thickness NiSO 4 *6H 2 O elements 1.29 EKSPLA, Photonics Division Tel.: Fax: sales@ekspla.com