Prezentację wykonała:

Anna Jasik

Instytut Fizyki

Zachodniopomorski Uniwersytet

Technologiczny

Badanie właściwości nieliniowych

światłowodów i innych tlenkowych materiałów

nieliniowych

Optyczne zjawiska nieliniowe

Nieliniowość II rzędu (m.in.):

o Generacja drugiej harmonicznej,

o Mieszanie trzech fal,

o Zjawisko elekrtoopytczne,

Nieliniowość III rzędu (m.in.):

o Wymuszone rozproszenie Ramana,

o Wymuszone rozproszenie Brilliouina,

o Mieszanie czterech fal,

o Samomodulacja fali,

Nieliniowość II rzędu: Generacja drugiej harmonicznej

Dla małych natężeń światła polaryzacja zależy liniowo od natężenia pola elektrycznego E:

EP 1gdzie nosi nazwę podatności elektrycznej.

Gdy natężenie pola elektrycznego E wzrasta, polaryzacja ośrodka przestaje zależeć liniowo od E. Ponieważ podatność elektryczna nie jest w ogólności wielkością skalarną lecz tensorem:

...EEEEEEP lkjijklkjijkjiji 321

Właściwości kryształu, które powinny być brane pod uwagę w procesie generacji SHG:

1.Własności nieliniowe materiału

2.Własności dyspersyjne n(

3.Prędkość grupowa (group delay)

4.Próg uszkodzenia kryształu

(demage treshold)

Schemat układu do pomiaru SHG

,

Laser tytanowo- szafirowyOśrodkiem czynnym lasera tytanowo-szafirowego (Ti: Al2O3) jest kryształ szafiru Al2O3 domieszkowany TiO3.

Zakres strojenia [nm]dla harmonicznej podstawowej - 690-1000 nm

dla drugiej harmonicznej - 350-500 nm

dla trzeciej harmonicznej - 235-330 nm

dla czwartej harmonicznej - 209-245 nm

• czas trwania impulsu: od kilku ps do 10 fs, w specjalnych wypadkach nawet 5 fs, (generacja tak krótkich impulsów światła jest możliwa dzięki zjawisku pasywnej synchronizacji modów)

•częstotliwoścć powtarzania impulsu : 70 – 90 MHz,

•Średnia moc wyjściowa: 0.5 – 1.5 W,

Schemat lasera femtosekundowego ze wzmacniaczem

S. Backus, J. Peatross, C.P. Huang, M.M. Murnane, H.C. Kapteyn, Opt. Lett. 19, 2000 (1995).

Typowy schemat femtosekundowego lasera Ti:S.

•Laser pompowany jest innym laserem o długości fali 514 – 532nm,

Laser tytanowo- szafirowy

Praktyczne aspekty generacji drugiej harmonicznej

W układach mających makroskopowy środek inwersji nie można generować drugiej harmonicznej.

Zależność polaryzacji P od natężenia pola elektrycznego E w układach bez makroskopowego środka inwersji

Generacja drugiej harmonicznej ogranicza się więc do:a)      kryształów pewnych klas (które nie mają środka inwersji),b)      powierzchni,

Ważnym warunkiem jest dopasowanie fazowe, gdyż dla, natężenie drugiej harmonicznej I(2) osiąga maksimum.

0k

Dopasowanie fazowe – jest możliwe w kryształach dwójłomnych, które mają dwa współczynniki załamania:

no– współczynnik załamania promienia zwyczajnego

ne– współczynnik załamania promienia nadzwyczajnego

ne(2n(1)

W warunkach dopasowania fazowego łatwo osiągnąć 20% sprawność konwersji (przy jednokrotnym przejściu przez kryształ). Można te kryształ umieścić we wnęce rezonatora dla zwiększenia natężenia fali harmonicznej jak i wydajności procesu.

Praktyczne aspekty generacji drugiej harmonicznej

Praktyczne aspekty generacji drugiej harmonicznej

Kryształ LiNbO3. W krysztale tym realizuje się niezwykle efektywnie dopasowanie fazowe pod kątem 90, czyli kulista powierzchnia współczynników załamania składowej zwyczajnej podstawowej promienia zwyczajnego nie przecina elipsoidalnej powierzchni składowej nadzwyczajnej drugiej harmonicznej promienia nadzwyczajnego, lecz jest do niej styczna. Kąt dopasowania fazowego dla kryształu LiNbO3 wynosi 90 dopiero wtedy, gdy temperatura kryształu zostanie podwyższona do około 160C.

Dopasowanie fazowe pod kątem 90.

Przy generowaniu drugiej harmonicznej za pomocą impulsów femtosekundowych ważne są nie tylko własności nieliniowe kryształów (2), ale również ich własności dyspersyjne.

Kryształ LiNbO3 – I typ (DFG)

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,501,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

no

- zwyczajny

ne

- nadzwyczajny

Wsp

ółc

zy

nn

ik z

ała

man

ia

m]

dla:

= 1,3m no= 1,594 ne= 1,54

= 1,064m no= 1,598 ne= 1,543

= 0,532m no= 1,614 ne= 1,556

= 1,3m = 1,064m = 0,532m

Rys. Współczynniki załamania promienia zwyczajnego i nadzwyczajnego dla kryształu LBO

Rys. Zależność natężenia drugiej harmonicznej od kąta obrotu kryształu względem osi optycznej dla LBO

Kryształ LBO

Dla kryształu LBO: λ = 1.064μm, no(λ/2) = 1.614, ne(λ/2) = 1.556, no(λ)

= 1.598, = 32.75ºII – typu: gdy mieszające się fale 1 i 2 mają polaryzacje

ortogonalne, kryształy KTP,

Praktyczne aspekty generacji drugiej harmonicznej

Progi uszkodzenia kryształu LBO:

Długość fali [nm] 1064 532 266

Współczynnik uszkodzenia

kryształu(damage treshold)

 Powierzchniowy

[GW/cm2]

8,4 1,9 0,83

Objętościowy[GW/cm2]

40    

 

http://www.wemif.pwr.wroc.pl/spatela/pdfy/0360.pdf

Schemat układu do pomiaru

nieliniowości III rzędu

DFWM – mieszanie czterech fal

Samoogniskowanie i deogniskowanie światła

gdy n2>0, ośrodek nieliniowy działa jak soczewka skupiająca, gdy n2<0, ośrodek nieliniowy działa jak soczewka rozpraszająca,

http://www.wemif.pwr.wroc.pl/spatela/pdfy/0360.pdf

Literatura: 1. Takatomo Sasaki, Yusuke Mori*, Masashi Yoshimura, Yoke Khin Yap, Tomosumi Kamimura,

Recent development of nonlinear optical borate crystals: key materials for generation of visible and UV light, Materials Science and Engineering, 30 (2000) 1±54

2. H. Kimura, K. Ishioka, Estimation of SHG properties on polycrystalline Ba(B1-xMx)2O4 (M: Al. or Ga), Journal Of Materials Science Letters 16 (1997) 1375–1377

3. Halina Abramczyk, Wstęp do spektroskopii Laserowej, PWN, 2000 4. J. Petykiewicz, Wybrane zagadnienia optyki nieliniowej, Wyd. PW, Warszawa 19915. Jian Lin a,*, Wenhai Huang a, Zhengrong Sun b, Chandra S. Ray c, Delbert E. Day;

Structure and non-linear optical performance of TeO2–Nb2O5–ZnO glasses; Journal of Non-Crystalline Solids 336 (2004) 189–194

6. P. F. Moulton; Spectroscopic and laser characteristics of Ti:A120 3