FMZ10 K - Liniowy efekt elektrooptyczny

Podobne dokumenty
Wektory w przestrzeni

Arkusz 4. Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

Efekt Faradaya. Materiały przeznaczone dla studentów Inżynierii Materiałowej w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego

Zadania z z matematyki dla studentów gospodarki przestrzennej UŠ. Marek Majewski Aktualizacja: 31 pa¹dziernika 2006

1 Trochoidalny selektor elektronów

Elementy geometrii w przestrzeni R 3

Zasilacz stabilizowany 12V

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

LXIV OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY III STOPNIA

Wykªad 10. Spis tre±ci. 1 Niesko«czona studnia potencjaªu. Fizyka 2 (Informatyka - EEIiA 2006/07) c Mariusz Krasi«ski 2007

wiczenie nr 3 z przedmiotu Metody prognozowania kwiecie«2015 r. Metodyka bada«do±wiadczalnych dr hab. in». Sebastian Skoczypiec Cel wiczenia Zaªo»enia

BADANIE WŁASNOŚCI FAL ELEKTOMAGNETYCZNYCH

BADANIE GEOMETRII WI ZKI POMPUJ CEJ W LASERZE Yb:KYW

Optyka geometryczna. Soczewki. Marcin S. Ma kowicz. rok szk. 2009/2010. Zespóª Szkóª Ponadgimnazjalnych Nr 2 w Brzesku

Badanie dynamiki synchronizacji modów w laserze femtosekundowym Yb:KYW

1 Bª dy i arytmetyka zmiennopozycyjna

Ukªady równa«liniowych

LXV OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY III STOPNIA

Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

Dynamika Bryªy Sztywnej

Modulatory. Bernard Ziętek

1 Granice funkcji wielu zmiennych.

WBiA Architektura i Urbanistyka. 1. Wykonaj dziaªania na macierzach: Które z iloczynów: A 2 B, AB 2, BA 2, B 2 3, B = 1 2 0

WFiIS Imi i nazwisko: Rok: Zespóª: Nr wiczenia: Fizyka Dominik Przyborowski IV 5 22 J drowa Katarzyna Wolska

1 Przypomnienie wiadomo±ci ze szkoªy ±redniej. Rozwi zywanie prostych równa«i nierówno±ci

Funkcje wielu zmiennych

Ćwiczenie nr 6. Zjawiska elektrooptyczne Sprawdzanie prawa Malusa, badanie komórki Pockelsa i Kerra

LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

1 Metody iteracyjne rozwi zywania równania f(x)=0

r = x x2 2 + x2 3.

wiat o mo e by rozumiane jako strumie fotonów albo jako fala elektromagnetyczna. Najprostszym przypadkiem fali elektromagnetycznej jest fala p aska

Funkcje, wielomiany. Informacje pomocnicze

Funkcje wielu zmiennych

Informacje pomocnicze

1 Elektrostatyka. 1.1 Wst p teoretyczny

I. Wstp. A. Polaryzacja wiatła. Prawo Malusa

NAP D I STEROWANIE PNEUMATYCZNE

WICZENIE 2 Badanie podstawowych elementów pasywnych

ANALOGOWE UKŁADY SCALONE

X WARMI SKO-MAZURSKIE ZAWODY MATEMATYCZNE 18 maja 2012 (szkoªy ponadgimnazjalne)

Krzywe i powierzchnie stopnia drugiego

PRACOWNIA FIZYCZNA I

Elementarna statystyka Wnioskowanie o regresji (Inference 2 czerwca for regression) / 13

Opis matematyczny ukªadów liniowych

Generacja II harmonicznej ±wiatªa

Rachunek ró»niczkowy funkcji jednej zmiennej

ZASTOSOWANIE LASERÓW W METROLOGII. - miernictwo, nauka o pomiarach. Obejmuje wszystkie teoretyczne i praktyczne problemy zwi zane z pomiarami.

Elektrostatyka. Prawo Coulomba. F = k qq r r 2 r, wspóªczynnik k = 1 = N m2

REZONANS NAPI I PR DÓW

Ć W I C Z E N I E N R O-10

Materiaªy do Repetytorium z matematyki

PRAWA ZACHOWANIA. Podstawowe terminy. Cia a tworz ce uk ad mechaniczny oddzia ywuj mi dzy sob i z cia ami nie nale cymi do uk adu za pomoc

TESTOWANIE DZIAŠANIA PRZESTRZENNEGO MODULATORA FAZY WIATŠA

Arkusz maturalny. Šukasz Dawidowski. 25 kwietnia 2016r. Powtórki maturalne

(wynika z II ZD), (wynika z PPC), Zapisujemy to wszystko w jednym równaniu i przeksztaªcamy: = GM

AM II /2019 (gr. 2 i 3) zadania przygotowawcze do I kolokwium

Proste metody segmentacji

40. Międzynarodowa Olimpiada Fizyczna Meksyk, lipca 2009 r. ZADANIE TEORETYCZNE 2 CHŁODZENIE LASEROWE I MELASA OPTYCZNA

Kinematyka 2/15. Andrzej Kapanowski ufkapano/ Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagiello«ski, Kraków. A. Kapanowski Kinematyka

Kondensat BosegoEinsteina na obwodzie scalonym (BEC on chip)

ANALIZA NUMERYCZNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Pomiar stopnia polaryzacji luminescencji cz steczek organicznych w zale»no±ci od lepko±ci roztworu

Aproksymacja funkcji metod najmniejszych kwadratów

PRACOWNIA FIZYCZNA I

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Zastosowanie eliptycznych równa«ró»niczkowych

Liniowe równania ró»niczkowe n tego rz du o staªych wspóªczynnikach

TENSOMETRIA ZARYS TEORETYCZNY

Statyczne badanie przerzutników - ćwiczenie 2

Schematy blokowe ukªadów automatyki

Bifurkacje. Ewa Gudowska-Nowak Nowak. Plus ratio quam vis

Pochodna funkcji jednej zmiennej

1 Ró»niczka drugiego rz du i ekstrema

ANALIZA WIDMOWA (dla szkoły średniej) 1. Dane osobowe. 2. Podstawowe informacje BHP. 3. Opis stanowiska pomiarowego. 4. Procedura pomiarowa

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 18, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

PYTANIA KONTROLNE STAN NAPRĘŻENIA, ODKSZTAŁCENIA PRAWO HOOKE A

WST P DO TEORII INFORMACJI I KODOWANIA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2013/14

Wektor. Uporz dkowany ukªad liczb (najcz ±ciej: dwóch - na pªaszczy¹nie, trzech - w przestrzeni 3D).

Pomiar prędkości dźwięku w metalach

BADANIE INTERFERENCJI MIKROFAL PRZY UŻYCIU INTERFEROMETRU MICHELSONA

PODSTAWY METROLOGII ĆWICZENIE 4 PRZETWORNIKI AC/CA Międzywydziałowa Szkoła Inżynierii Biomedycznej 2009/2010 SEMESTR 3

EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Rys.2 N = H (N cos = N) : (1) H y = q x2. y = q x2 2 H : (3) Warto± siªy H, która mo»e by uto»samiana z siª naci gu kabla, jest równa: z (3) przy

Uniwersytet Warszawski Wydział Fizyki. Badanie efektu Faraday a w kryształach CdTe i CdMnTe

7. REZONANS W OBWODACH ELEKTRYCZNYCH

Wyznaczanie krzywej rotacji Galaktyki na podstawie danych z teleskopu RT3

a) f : R R R: f(x, y) = x 2 y 2 ; f(x, y) = 3xy; f(x, y) = max(xy, xy); b) g : R 2 R 2 R: g((x 1, y 1 ), (x 2, y 2 )) = 2x 1 y 1 x 2 y 2 ;

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 20, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

O kondensacie BosegoEinsteina powstaj cym w ZOA

I B. EFEKT FOTOWOLTAICZNY. BATERIA SŁONECZNA

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

LABORATORIUM Z FIZYKI Ć W I C Z E N I E N R 2 ULTRADZWIĘKOWE FALE STOJACE - WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FAL

Laser Nd:YAG. Cel wiczenia. Aparatura i materiaªy. Problemy i zadania do przygotowania

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 18, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

Badanie bezszczotkowego silnika prądu stałego z magnesami trwałymi (BLDCM)

Polaryzatory/analizatory

ARKUSZ EGZAMINACYJNY ETAP PRAKTYCZNY EGZAMINU POTWIERDZAJ CEGO KWALIFIKACJE ZAWODOWE CZERWIEC 201

Ekonometria. wiczenia 13 Metoda ±cie»ki krytycznej. Andrzej Torój. Instytut Ekonometrii Zakªad Ekonometrii Stosowanej

Transkrypt:

FMZ10 K - Liniowy efekt elektrooptyczny Materiaªy przeznaczone dla studentów kierunku: Zaawansowane Materiaªy i Nanotechnologia w Instytucie Fizyki UJ rok akademicki 009/010 prowadz cy: dr hab. Krzysztof Dzier» ga (krzysztof.dzierzega@uj.edu.pl) 1 Cel wiczenia wiczenie jest eksperymentem z dziedziny optyki nieliniowej i dotyczy badania tzw. efektu elektrooptycznego. W trakcie wiczenia badany jest stan polaryzacji ±wiatªa laserowego po przej±ciu przez krysztaª elektrooptyczny oraz wyznaczana jest warto± napi cia póªfalowego dla krysztaªu KD*P (KD PO 4 ). Bezpo±rednio mierzona jest zale»no± nat»enia ±wiatªa lasera He-Ne od przyªo»onego do tej komórki napi cia. Komórka jest umieszczona mi dzy skrzy»owanymi polaryzatorami. Sªowa kluczowe: polaryzacja ±wiatªa, dwójªomno±, elipsoida wspóªczynnika zaªamania, liniowy i nieliniowy efekt elektrooptyczny, opó¹nienie (przesuni cie) fazowe, napi cie póªfalowe. Aparatura i materiaªy Laser He-Ne o mocy 1.0 mw z zasilaczem, dwa polaryzatory, komórka Pockelsa z krysztaªem KD*P (KD PO 4 ), zasilacz wysokiego napi cia 0-3.0 kv, miernik mocy lasera, przysªona, kabel wysokonapi ciowy, oprawki i uchwyty elementów optycznych, oscyloskop, generator sygnaªów elektrycznych. 3 Problemy do przygotowania Pole elektryczne fali ±wietlnej oraz polaryzacja fal ±wietlnych i jej rodzaje. Dwójªomno± na czym polega zjawisko dwójªomno±ci, pªytki falowe (fazowe), w jaki sposób przy pomocy pªytek falowych sprawdzi stan polaryzacji ±wiatªa?. Elipsoida wspóªczynnika zaªamania i jej równanie, wspóªczynnik zaªamania ±wiatªa, staªe przenikalno±ci elektrycznej o±rodka. Efekt elektrooptyczny, rodzaje krysztaªów dla których wyst puje liniowy lub kwadratowy efekt elektrooptyczny, tensor elektrooptyczny, zmiany wspóªczynnika zaªamania w zale»no±ci od kierunku przyªo»onego pola elektrycznego. Zastosowanie efektu elektrooptycznego - przeª czniki, modulatory, odchylacze wi zek ±wiatªa. Niniejsza instrukcja nie jest wystarczaj cym ¹ródªem informacji dla peªnego zrozumienia i przeprowadzenia wiczenia. Dobre przygotowanie jest warunkiem sprawnego wykonania caªego programu wiczenia.

Pracownia Fotoniczna IFUJ Efekt elektrooptyczny 4 Zasady BHP Poniewa» w wiczeniu wykorzystywane jest promieniowanie laserowe, ¹ródªa wysokiego napi cia oraz niezwykle delikatne elementy optyczne wymagane jest od studenta stosowanie si do poni»szych zasad. Nie wolno patrze wprost w wi zk laserow, gdy» mo»e to doprowadzi do trwaªej utraty wzroku. Nie wolno kierowa wi zki laserowej na inne osoby. Nie wolno dotyka wyj± zasilaczy wysokiego napi cie co grozi pora»eniem pr dem. Nie wolno dotyka elementów optycznych (polaryzatory, okienka lasera, okienka komórki Pockelsa) gdy» mo»e to doprowadzi do ich zniszczenia. 5 Podstawy teoretyczne 5.1 Efekt elektrooptyczny w krysztale KD PO 4 Krysztaª KD PO 4 (dwudeuterowy fosforan potasowy) posiada cztrerokrotn o± symetrii, któr zgodnie z konwencj, nazywa si osi optyczn krysztaªu i oznacza przez z. Dodatkowo krysztaª ten posiada dwie wzajemnie prostopadªe dwukrotne osie symetrii, które le» w pªaszczy¹nie prostopadªej do osi z i oznaczane s jako osie x i y. Krysztaª ten nale»y do grupy symetrii 4m, a jego tensor elektrooptyczny ma posta r ij = r 41 0 0, (1) 0 r 5 0 0 0 r 63 gdzie jedynymi niezerowymi elementami s r 41 = r 5 i r 63. Bior c pod uwag posta tensora elektrooptycznego równanie na elipsoid wspóªczynnika zaªamania w obecno±ci pola elektrycznego e = {e x, e y, e z } przyjmuje posta x + y n + z 0 n + r 41 e x yz + r 41 e y xz + r 63 e z xy = 1. () e Staªe wyst puj ce w pierwszych trzech czªonach nie zale» od pola elektrycznego, a poniewa» krysztaª jest jednoosiowy przyjmuje si,»e n x = n y = n 0, n z = n e. Wida wi c,»e zastosowanie pola elektrycznego prowadzi do pojawienia si wyrazów mieszanych xy, xz i yz w równaniu elipsoidy wspóªczynnika zaªamania. Oznacza to,»e osie gªówne elipsoidy nie s ju» równolegªe do osi x, y i z. Koniecznym zatem staje si znalezienie nowych osi gªównych krysztaªu w obecno±ci pola elektrycznego. Zakªadaj c,»e pole elektryczne jest równolegªe do osi z równanie () przybiera posta x + y + z n + r 63 e z xy = 1. (3) e Problem nowych osi gªównych sprowadza si do znalezienia nowego ukªadu wspóªrz dnych x, y, z w którym równanie elipsoidy przyjmuje posta x n x + y n y + z n z = 1. (4) Dªugo±ci osi gªównych elipsoidy wynosz n x, n y i n z i zale» od nat»enia pola elektrycznego. Stosuj c transformacj ˆx = ˆx cos 45 o + ŷ sin 45 o ŷ = ˆx sin 45 o + ŷ cos 45 o. (5)

Pracownia Fotoniczna IFUJ Efekt elektrooptyczny 3 równanie elipsoidy (3) przyjmuje posta ( ) 1 r 63 e z x + ( 1 + r 63 e z ) y + z n e = 1. (6) Równanie powy»sze pokazuje,»e x, y i z s rzeczywi±cie osiami gªównymi elipsoidy w przypadku gdy pole elektryczne ma kierunek osi z. Z równa«(4) i (6) wynika,»e wspóªczynnik zaªamania n x speªnia relacj 1 n = 1 x n r 63 e z. (7) 0 Poniewa» zmiany wspóªczynnika zaªamania s maªe, wobec tego mo»na przyj,»e n x n 0 i wtedy n 0 + n x = n 0, a w konsekwencji 1 1 n x co ostatecznie pozwala zapisa równanie (7) w postaci = (n n x 0 )(n 0 + n x ) n (n n x 0 ) 0 n x n 3 = r 63 e z, 0 i podobnie n x = n 0 + n3 0 r 63e z (8) n y = n 0 n3 0 r 63e z (9) n z = n e. (10) 5. Metoda wyznaczania przesuni cia fazowego krysztaªu dwójªomnego Rysunek 1 przedstawia ukªad do wyznaczania przesuni cia fazowego krysztaªu elektrooptycznego. Wi zka ±wiatªa spolaryzowana liniowo w kierunku osi x pada na krysztaª jednoosiowy wzdªu» kierunku jego osi optycznej z. W nieobecno±ci pola elektrycznego tak ustawiony krysztaª jednoosiowy Rysunek 1: Schemat ukªadu typowego modulatora elektrooptycznego nie zmienia stanu polaryzacji ±wiatªa. Przyªo»enie zewn trznego pola elektrycznego powoduje,»e krysztaª jednoosiowy staje si krysztaªem dwuosiowym z wyró»nionymi kierunkami x i y obróconymi o k t 45 o w stosunku do kierunku polaryzacji ±wiatªa padaj cego. Wówczas przesuni cie fazowe Γ pomi dzy skªadowymi E x i E y wektora elektrycznego fali ±wietlnej po przej±ciu przez krysztaª wynosi Γ = (k x k y )L = ω c (n x n y )L = π λ (n x n y )L, (11) gdzie k x,y oznaczaj odpowiednie skªadowe wektora falowego, λ jest dªugo±ci fali ±wietlnej w pró»ni, a L dªugo±ci krysztaªu. Dla przypadku omówionego w poprzednim paragrae, z polem elektrycznym skierowanym wzdªu» osi optycznej krysztaªu, a wi c wzdªu» osi z, przesuni cie fazowe wynosi Γ = π λ n3 0r 63 e z L.

Pracownia Fotoniczna IFUJ Efekt elektrooptyczny 4 Bior c pod uwag,»e warto± pola elektrycznego w krysztale jest proporcjonalna do przyªo»onego napi cia (e z = V z /L) otrzymujemy Γ = π λ n3 0r 63 V z, (1) a wi c dla badanej konguracji warto± przesuni cia fazowego nie zale»y od dªugo±ci krysztaªu. Wektor pola elektrycznego fali ±wietlnej po przej±ciu przez polaryzator Po przej±ciu przez krysztaª wektor ten mo»na zapisa jako: E wej = E 0ˆx = E 0 (ˆx + ŷ ). (13) E 1 = E 0 (ˆx + e iγ ŷ ), (14) a po przej±ciu przez drugi polaryzator (analizator) ( ) E wyj = E1 ŷ ŷ = E 0 (ˆx + e iγ ŷ ) 1 ( ˆx + ŷ )ŷ = E 0 ( 1 + eiγ )ŷ. (15) Przy wyprowadzaniu powy»szej relacji skorzystano z transformacji pomi dzy ukªadami wspóªrz dnych ˆx ŷ a ˆx ŷ opisanej równaniami (5). Transmisja ukªadu, czyli stosunek nat»enia ±wiatªa przechodz cego przez analizator do nat»enia ±wiatªa padaj cego na krysztaª T I wyj I wej = E wyj E wej = ( 1 + eiγ )( 1 + e iγ ) E 0 /4 E 0 = sin (Γ/). (16) Podstawiaj c do powy»szego równanie (1) transmisja przybiera posta T = sin ( πn 3 0r 63 V z /λ ). (17) Warto± napi cia odpowiadaj c przesuni ciu fazowemu o póª dªugo±ci fali wynosi V π = λ/(n 3 0r 63 ) i nazywane jest napi ciem póªfalowym. Warto± V π mo»na wyznaczy mierz c transmisj w funkcji napi cia przyªo»onego do krysztaªu i wówczas równanie (18) przybiera posta 6 Przebieg wiczenia T = sin ( π V z V π ). (18) Ukªad eksperymentalny zostaª schematycznie przedstawiony na rysunku. Komórka Pockelsa, z krysztaªem KD PO 4, jest podª czona do zasilacza wysokiego napi cia. Napi cie zasilania mo»e by zmieniane w sposób ci gªy w zakresie od 0 do 3000 V. ródªem ±wiatªa jest laser He-Ne (λ = 63.8 nm) o mocy wi zki laserowej 1 mw. Moc wi zki laserowej po przej±ciu przez polaryzator, komórk Pockelsa oraz analizator mierzona jest za pomoc miernika mocy. Rysunek : Schemat ukªadu eksperymentalnego. W celu przeprowadzenia pomiarów transmisji komórki Pockelsa w zale»no±ci od przyªo»onego napi cia nale»y

Pracownia Fotoniczna IFUJ Efekt elektrooptyczny 5 1. Wª czy laser He-Ne.. Obserwuj c plamk wi zki laserowej na ekranie za analizatorem, ustawi polaryzator i analizator w taki sposób aby nat»enie plamki byªo minimalne (w idealnej sytuacji równe zero). 3. Wstawi pomi dzy polaryzator i analizator komórk Pockelsa (bez przyªo»onego napi cia) w taki sposób, aby transmisja ukªadu nie ulegªa zmianie. 4. Obróci nieco analizator i wstawi gªowic miernika mocy w wi zk laserow, a nast pnie powróci do poprzedniego ustawienia analizatora. 5. Zmierzy moc przechodz cej wi zki laserowej w zale»no±ci od przyªo»onego napi cia na komórk Pockelsa. Pomiary przeprowadzi dla napi w zakresie 0-3000 V dla co najmniej dwóch seriii pomiarowych. Wyniki przedstawi w formie tabeli zamieszczonej poni»ej. L.p. U [Volts] I trans [µw] Transmisja Γ [π] 1..... 6. Identyczne pomiary przeprowadzi u»ywaj c oscyloskopu i generatora sygnaªów 7. Na podstawie wyników przeprowadzonych pomiarów, dla ka»dego punktu pomiarowego (napi cia), wyliczy transmisj oraz warto± przesuni cia fazowego Γ. Wyniki zamie±ci w tabeli oraz przedstawi w formie wykresów T (U) oraz Γ(U). 8. Na podstawie wyników pomiarów wyznaczy napi cie póªfalowe V π. Prosz pami ta o przeprowadzeniu analizy bª dów pomiarowych. 9. Wyniki do±wiadczalne porówna z obliczeniami teoretycznymi. 10. Dla warto±ci napi odpowiadaj cych przesuni ciu fazowemu o póª i wier fali zbada stan polaryzacji wi zki ±wiatªa wychodz cej z krysztaªu. W celu osi gni cia stabilnych warunków pracy laser He-Ne powinien by wª czony przez okoªo godzin przed rozpocz ciem jakichkolwiek pomiarów ilo±ciowych. Literatura [1] B. Zi tek, Optoelektronika (Wydawnictwo UMK, Toru«004). [] E. Hecht, Optics (Edison Wesley Longman Inc. 1998).