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: gdzie 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:

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- szafirowy Ośrodkiem czynnym lasera tytanowo-szafirowego (Ti: Al 2 O 3 ) jest kryształ szafiru Al 2 O 3 domieszkowany TiO 3. Zakres strojenia [nm] dla harmonicznej podstawowej nm dla drugiej harmonicznej nm dla trzeciej harmonicznej nm dla czwartej harmonicznej 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.

Dopasowanie fazowe – jest możliwe w kryształach dwójłomnych, które mają dwa współczynniki załamania: n o – współczynnik załamania promienia zwyczajnego n e – współczynnik załamania promienia nadzwyczajnego n e (2 n( 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

Kryształ LiNbO 3. 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 LiNbO 3 – I typ (DFG)

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, n o (λ/2) = 1.614, n e (λ/2) = 1.556, n o (λ) = 1.598, = 32.75º II – 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] Współczynnik uszkodzenia kryształu (damage treshold) Powierzchniowy [GW/cm 2 ] 8,41,90,83 Objętościowy [GW/cm 2 ] 40

Schemat układu do pomiaru nieliniowości III rzędu DFWM – mieszanie czterech fal

Samoogniskowanie i deogniskowanie światła gdy n 2 >0, ośrodek nieliniowy działa jak soczewka skupiająca, gdy n 2 <0, ośrodek nieliniowy działa jak soczewka rozpraszająca,

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(B 1-x M x )2O4 (M: Al. or Ga), Journal Of Materials Science Letters 16 (1997) 1375– Halina Abramczyk, Wstęp do spektroskopii Laserowej, PWN, J. Petykiewicz, Wybrane zagadnienia optyki nieliniowej, Wyd. PW, Warszawa 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