Generacja II harmonicznej ±wiatªa

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 ([email protected])
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 402.5 nm. W badanym przypadku, konwersja taka zachodzi
gdy wi¡zka silnego ±wiatªa laserowego zostaje zogniskowana w nieliniowym
krysztale dwójªomnym BBO (β BaBO4 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.
optyka nieliniowa, nieliniowa polaryzacja, laser diodowy,
generacja drugiej harmonicznej, dopasowanie fazowe, wi¡zki gaussowskie,
dwójªomno±¢, elipsoida wspóªczynnika zaªamania, polaryzacja ±wiatªa.
Sªowa kluczowe:
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,
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 - FB400-10 rmy Thorlabs), soczewki skupiaj¡ce o ogniskowych f = 10 cm i f = 15 cm, polaryzatory
sªu»¡ce regulacji nat¦»enia wi¡zki podstawowej @800 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 = 2kω − k2ω = 0,
(ii) gdy wyst¦puje pewne niedopasowanie fazowe, ∆k ̸= 0
• Zastanowi¢ si¦ jak wyznaczy¢ wspóªczynnik konwersji η = I2ω /Iω .
• 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.
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
800-810 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 1.
2. 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.
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±¢ I2ω (Iω )
10. Dla maksymalnego nat¦»enia wi¡zki laserowej, obracaj¡c krysztaªem
(za pomoc¡ stolika obrotowego) wyznaczy¢ zale»no±¢ I2ω (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
I2ω a Iω .
12. Na podstawie wyników przeprowadzonych pomiarów, wyznaczy¢ wspóªczynnik konwersji I2ω /Iω i dªugo±¢ spójno±ci.
13. Wyniki do±wiadczalne porówna¢ z obliczeniami teoretycznymi.
Prosz¦ pami¦ta¢ o przeprowadzeniu analizy niepewno±ci pomiarowych.
Literatura
Lasery, Wydawnictwo UMK, Toru« 2009.
A. Yariv, Optical Electronics in Modern Communicatoons, Oxford Uni-
[1] B. Zi¦tek,
[2]
versity Press 1997. / do wypo»yczenia w Zakªadzie Fotoniki.
[3] R. Boyd, Nonlinear
Zakªadzie Fotoniki
Optics, Academic Press 2003. / do wypo»yczenia w
Wprowadzenie do optyki nieliniowej, PWN Warszawa 1987.
Ruddock, Nonlinear optical second harmonic generation,
[4] P. Chmela,
[5] I.S.
Eur. J. Phys.
15,
53 (1994).
LASERS FOR SCIENCE AND TECHNOLOGY
EKSPLA Ltd., an EKSMA Group Company
Beta Barium Borate – BBO
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
Fundamental wavelength l, µm
2.5
pulse Ti:Sapphire and Dye lasers
• optical parametric oscillators (OPO) at both
2
Type 1(ooe) and Type 2 (eoe) phase-matching
• frequency doubling of Argon ion and Copper
1.5
vapour laser radiation
• electro-optic crystal for Pockels cells.
1
Type 2
EKSPLA offers:
0.5
Type 1
0
0
30
15
• crystal aperture up to 22 × 22 mm
60
45
75
Phase-matching angle, deg
90
SHG tuning curve of BBO
• crystal length up to 22 mm
• thin crystals down to 5 µm thickness
• AR, BBAR, P-coating
• different mounting and repolishing services
Fundamental wavelength l, µm
2.4
• accurate quality control
• attractive prices and fast delivery
2
• one month customer’s satisfaction term.
1.6
Type 2 (o-beam)
1.2
Type 1
0.8
0.4
0
Type 2 (e-beam)
20
25
30
35
Phase-matching angle, deg
OPO tuning curves of BBO at 355 nm pump
40
45
Please contact EKSPLA for further
information or nonstandard specifications.
Nonlinear and Laser Crystals
EKSPLA Ltd., Photonics Division
Mokslininku 11, 08412 Vilnius, LITHUANIA
Ph.: +370 5 2729900, fax: +370 5 2729299
[email protected]
www.eksma.com
LASERS FOR SCIENCE AND TECHNOLOGY
PHYSICAL AND OPTICAL PROPERTIES OF BBO
Chemical formula
BaB2O4
Crystal structure
trigonal, 3m
Optical symmetry
Negative Uniaxial (no>ne)
Space group
R3c
Density
3.85 g/cm3
Mohs hardness
5
Optical homogeneity
dn = 10-6 cm-1
Transparency region at “0” transmittance level
189 – 3500 nm
Linear absorption coefficient at 1064 nm
<0.1% cm-1
Refractive indices
no
ne
at 1064 nm
1.6551
1.5426
at 532 nm
1.6750
1.5555
at 355 nm
1.7055
1.5775
at 266 nm
1.7571
1.6139
at 213 nm
1.8465
1.6742
Sellmeier equations ( l[µm] )
no
2=2.7405+0.0184/(l2-0.0179)-0.0155l2
ne2=2.3730+0.0128/(l2-0.0156)-0.0044l2
Phase matching range Type 1 SHG
410 – 3300 nm
Phase matching range Type 2 SHG
530 – 3300 nm
Walk-off angle
55.9 mrad (Type 1 SHG 1064 nm)
Angular acceptance
1.2 mrad × cm (Type 1 SHG 1064 nm)
Thermal acceptance
70 K × cm (Type 1 SHG 1064 nm)
Nonlinearity coefficients
d22 = ±(2.22±0.09) pm/V
d31 = ±(0.16±0.08) pm/V
Effective nonlinearity expressions
dooe = d31 sinq - d22 cosq sin3j
deoe = doee = d22 cos2q cos3j
Damage threshold for TEM00 1064 nm
> 5 GW/cm2 at 10 ns
>50 GW/cm2 at 1 ps
STANDARD SPECIFICATIONS OF BBO CRYSTALS
Flatness
l/6 at 633 nm
Parallelism
< 10 arc sec
Perpendicularity
< 5 arc min
Angle tolerance
< 30 arc min
Aperture tolerance
± 0.1 mm
Surface quality
10/5 scratch/dig as per MIL-O-13830A
Clear aperture
90% of full aperture
Nonlinear and Laser Crystals
EKSPLA Ltd., an EKSMA Group Company
Windows
Optical Flats
Coatings
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-
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).
T
D
For an appropriate AR coating, please refer
to the Coatings section.
Mirrors
● Flatness of reference surface λ/20
Specifications
Catalogue number
Diameter D, mm
Thickness T,
mm
Price,
EUR
Material
FS
Diameter tolerance
+0.00 -0.12 mm
FS
Metric
English
230-3208
25.0
25.4
8.0
112
Thickness tolerance
±0.2 mm
230-3410
40.0
38.1
10.0
149
Surface flatness:
1st surface
λ/20 @ 633 nm
2nd surface
2 λ @ 633 nm
Lenses
For metric dimensions please add to catalogue number code M,
for English – code E.
NEUTRAL DENSITY ABSORPTION TYPE FILTERS
Material
Neutral density colour glass
Surface quality
60-40 scr/dig
Surface flatness
1λ per inch @ 633 nm
Parallelism
3 arcmin
Diameter tolerance
+0.0, -0.2 mm
Clear aperture
90% of the diameter
Design wavelength
450-650 nm
Optical density tolerance
+/-5% of density
Windows
Specifications
Prisms
External transmission curves (include reflections from uncoated surfaces)
100
Housing accessories
● Filter Holder 840-0060
See page 3.55 for more information.
80
OD0.1
70
60
OD0.2
50
OD0.3
40
30
OD0.5
20
OD1.0
OD2.0
10
300
400
500
600
700
800
Wavelength, nm
900
1000
1100
External transmission curves (include reflections from uncoated surfaces)
Optical
Density
Internal
Transmittance,
% @ 633 nm
0.1
0.2
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
80
240-2501
240-2601
240-5001
240-5601
35 / 34 / 56 / 55
63
240-2502
240-2602
240-5002
240-5602
35 / 34 / 56 / 55
0.3
50
240-2503
240-2603
240-5003
240-5603
35 / 34 / 56 / 55
0.5
32
240-2505
240-2605
240-5005
240-5605
35 / 34 / 56 / 55
1.0
10
240-2510
240-2610
240-5010
240-5610
35 / 34 / 56 / 55
2.0
1.0
240-2520
240-2620
240-5020
240-5620
36 / 35 / 57 / 56
3.0
0.1
240-2530
240-2630
240-5030
240-5630
37 / 36 / 58 / 57
Visit www.ekspla.com for new products and prices
Polarising Optics
Percent transmission
90
UV & IR Optics
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.
1.28
Optical Components
COLOuR GLASS FILTERS
100
90
Percent transmission
Coatings
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
80
70
KG1
KG3
BG39
GG475
RG715
RG780
RG830
RG850
60
50
40
30
Mirrors
Material
Schott colour glass
20
Surface quality
60-40 scr/dig
10
Surface flatness
1λ per inch @ 633 nm
Parallelism
3 arcmin
Diameter tolerance
+0.0, -0.2 mm
Thickness
3.0 ± 0.2 mm
Clear aperture
90% of the diameter
300
400
500
600
700
800
Wavelength, nm
900
1000
1100
External transmission curves (include reflections from uncoated surfaces)
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
BG39
241-2039
241-3039
241-5039
241-6039
32/ 31/ 63/ 62
KG1
242-2001
242-3001
242-5001
242-6001
24/ 23/ 47/ 46
KG3
242-2003
242-3003
242-5003
242-6003
27/ 26/ 51/ 50
GG475
243-2475
243-3475
243-5475
243-6475
24/ 23/ 47/ 46
OG530
243-2530
243-3530
243-5530
243-6530
24/ 23/ 47/ 46
OG570
243-2570
243-3570
243-5570
243-6570
24/ 23/ 47/ 46
RG715
243-2715
243-3715
243-5715
243-6715
24/ 23/ 47/ 46
RG780
243-2780
243-3780
243-5780
243-6780
28/ 27/ 52/ 51
RG830
243-2830
243-3830
243-5830
243-6830
28/ 27/ 52/ 51
RG850
243-2850
243-3850
243-5850
243-6850
28/ 27/ 52/ 51
Material
Lenses
Windows
Housing accessories
Custom sizes and shapes
are available upon request.
● Filter Holders 840-0060
See page 3.55 for more information.
Crystalline Materials for Optical UV Band Pass Filters
100
Specifications
Solar radiation
80
60
40
Surface quality
60-40 scr/dig
Surface flatness
λ-λ/2 @ 633 nm
Parallelism
1 arcmin
Side surfaces
fine grinding
Coating
uncoated
Polarising Optics
20
0
190
400
Polished cylinders of NiSO4*6H2O
measuring up to 60x40 mm in diameter
are available.
Polished cylinders of K2Ni(SO4) *6H2O
measuring up to 45x20 mm in diameter
are available.
2
600
800
Wavelength, nm
1000
100
Ni5-04 #1, 12 mm
80
UV & IR Optics
T, %
T, %
Prisms
Almost all UV radiation (especially 240280 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: NiSO4*6H2O
(NSH) and K2Ni(SO4)2*6H2O (KNSH).
Ni5-04 #2, 8 mm
Ni5-04 #3, 4 mm
60
40
20
0
200
300
400
500
Wavelength, nm
600
700
800
Typical spectral transmittance curves of different thickness NiSO4*6H2O elements
1.29
EKSPLA, Photonics Division • Tel.: +370 5 272 99 00 • Fax: +370 5 272 92 99 • [email protected] • www.ekspla.com