of 29 /29
Ultrakrótkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa Wst ˛ ep do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej Cz˛ c I: Optyka, wyklad 8 wyklad: Piotr Fita pokazy: Andrzej Wysmolek ´ cwiczenia: Anna Grochola, Barbara Pi ˛ etka Wydzial Fizyki Uniwersytet Warszawski 2014/15

Optyka, wykład 8

Embed Size (px)

Text of Optyka, wykład 8

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Wstep do Optykii Fizyki Materii Skondensowanej

    Czesc I: Optyka, wykad 8

    wykad: Piotr Fitapokazy: Andrzej Wysmoek

    cwiczenia: Anna Grochola, Barbara Pietka

    Wydzia FizykiUniwersytet Warszawski

    2014/15

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Plan

    1 Ultrakrtkie impulsy laserowe

    2 Optyka nieliniowa

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Synchronizacja modw

    Wiele modw wzbudzonych w zgodnej fazie

    Natezenie swiata w postaci ciagu impulsw

    [www.intechopen.com]

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Mechanizm synchronizacji modwSoczewka kerrowska

    Poprzeczny rozkad natezenia swiata w wiazce laserowej:

    I(r) = I0e 2r2

    w2

    Zaleznosc wspczynnika zaamania od natezenia swiata:

    n(I) = n0 + n2I

    n(r) = n0 + n2I0e 2r2

    w2

    Droga optyczna w osrodku o grubosci d : s = n(r) d

    Wiazka propaguje sie windukowanej swiatemsoczewce skupiajacej

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Kerrowska synchronizacja modw

    Natezenie swiata w impulsach jest rzedy wielkosciwieksze niz w pracy ciagejSoczewka kerrowska dziaa tylko w pracy impulsowejStraty na aperturze sa mniejsze w pracy impulsowej

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Lasery z synchronizacja modwLaser szafirowy

    Impuls gaussowski o czasie trwania 10-100 fs

    E(t) = E0e t2

    2t2 ei0t

    I(t) = I0e t2

    t2

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Wasnosci impulsw femtosekundowychz lasera szafirowego

    Widmo impulsu:

    I() = I0e (0)

    2

    2

    =1

    tCzestosc repetycji 100 Mhz 1 GHzMoc w impulsie Pimp a moc srednia Psr :

    Pimp =Tt

    Psr

    Dla T = 10 ns, t = 10 fs, Psr = 1 W:

    Pimp = 1MW

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Wzmacnianie impulsw femtosekundowych

    [wikipedia.org]

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Parametry impulsw ze wzmacniacza

    Wzmaniacz Coherent Legend Elite Duo (pok. 211):

    t = 50 fs, T = 0.2 ms, Psr = 10 W

    Moc szczytowa Pimp = 40 GW

    Natezenie swiata po zogniskowaniu do plamki o promieniur = 10m:

    Iimp =Pimpr2

    1.3 1020 Wm2

    Natezenia pola elektrycznego w ognisku:

    E0 =2Iimp0c

    = 3.1 1011 Vm

    Natezenie pola elektrycznego w atomie wodoru:

    EH =e

    401a20

    = 5.8 1011 Vm

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    W ognisku wiazki wzmacniacza

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    W ognisku wiazki wzmacniacza

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Nieliniowa polaryzacja

    oscylator harmoniczny

    oscylator anharmoniczny

    F (x) = kx F (x) = k(x + a2x2 + a3x3 + ...)

    Polaryzacja osrodka pod wpywem elektrycznego:

    P = 0(E + (2)E2 + (3)E3 + ...

    )= P1 + PNL

    (m) podatnosc nieliniowa m-tego rzedu

    PNL polaryzacja nieliniowa

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Generacja drugiej harmonicznej

    Fala paska o czestosci 0

    E(t) = E0 cos0t =E02(ei0t + ei0t

    )Polaryzacja nieliniowa drugiego rzedu

    PNL = 0(2)E(t)2 = 0(2)E204(e2i0t + e2i0t + 2

    )=

    = 0(2) E

    20

    2(cos 20t + 1)

    Polaryzacja nieliniowa oscyluje z czestoscia 20 emisja faliE-M o podwojonej czestosci

    orodek nieliniowy

    2

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Generacja drugiej harmonicznej

    Pierwsza obserwacja drugiej harmonicznej:

    [P. Franken et al., Phys. Rev. Lett. 7, 118-120 (1961)]

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Generacja drugiej harmonicznej

    Wiazka za krysztaem nieliniowym rozszczepiona w siatcedyfrakcyjnej

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Wskaznik laserowy

    [wikipedia.org]

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Generacja sumy i rznicy czestosci

    Na osrodek padaja dwie fale:

    E1(t) = E0 cos1t =E02(ei1t + ei1t

    )

    E2(t) = E0 cos2t =E02(ei2t + ei2t

    )Polaryzacja nieliniowa drugiego rzedu:

    PNL = 0(2) (E1(t) + E2(t))2 = ...

    ... = 0(2) E

    20

    2[2 + cos 21t + cos 22t+

    +12

    (cos(1 + 2)t + cos(1 2)t)]

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Dopasowanie fazowena przykadzie generacji drugiej harmonicznej

    Jesli n() = n(2), to 2 = 12

    zgod

    ne fa

    zy

    Proces generacji zachodzi wydajnie, bo przyczynki wygenerowane wrznych miejscach krysztau dodaja sie w fazie (idealnedopasowanie fazowe)

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Dopasowanie fazowebrak dopasowania

    Zazwyczaj n() < n(2), czyli 2 < 12

    niez

    godn

    e fa

    zy

    Proces generacji zachodzi z maa wydajnoscia, bo przyczynkiwygenerowane w rznych miejscach krysztau znosza sie(niedopasowanie fazowe)

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Dopasowanie fazowew osrodkach dwjomnych

    Konieczne jest zapewnienie dopasowania fazowego, n() = n(2)

    W krysztale:promien zwyczajny

    polaryzacja do osi optycznej

    n = no stae

    promien nadzwyczajny

    polaryzacja || do osi krysztau

    n zalezy od kata pomiedzy kierunkiemwiazki a osia krysztau:

    n||() =none

    n2o sin2 + n2e cos2

    n pomiedzy no a ne

    Dla odpowiedniego

    n() = n||(2)

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Dopasowanie fazowejako zasada zachowania pedu

    Ped fotonu ~p = ~~kDla fotonu fundamentalnego k = n cDla fotonu drugiej harmonicznej k2 = n2 2cW warunkach dopasowania fazowego n2 = n:(geometria wspliniowa)

    ~k2 = ~k + ~k

    (zasada zachowania pedu)

    h

    h

    2hk k

    k2

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Procesy parametryczneParametryczna downkowersja

    Z jednego fotonu powstaja dwa o mniejszej energii

    h1

    h2h(1+2)

    k1 k2

    k1+2

    1

    1+2 2

    kryszta nieliniowy

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Wzmacniacz parametryczny

    kryszta nieliniowy

    wizka pompujca

    wizka sygnaowa

    wizka jaowa

    Szerokie pasmo wzmocnienia umozliwia wzmacnianie (generacje)impulsw ultrakrtkich oraz budowe ukadw przestrajalnych

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Procesy wyzszego rzeduGeneracja swiata biaego

    W 3 mm pytce szklanej, z wiazki impulsw 800 nm ze wzmacniaczaszafirowego

    Sposb na otrzymanie impulsw o bardzo szerokim widmie

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Generacja swiata biaego w swiatowodach

    Natezenie swiata wprost z lasera jest zbyt mae, by wygenerowacswiato biae w cienkiej pytce, ale mozliwa jest generacja wswiatowodach fotonicznych

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Komercyjne zrda swiata biaegoFianium

    Zrdo swiata biaego w zakresie450-2500 nm o wasnosciach wiazkilaserowej (spjnosc, kolimacja)

    [www.photonicsonline.com]

    [www.fianium.com]

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Absorpcja dwufotonowa

    Mozliwe jest wzbudzenieatomu (czasteczki) przezjednoczesna absorpcjedwch fotonw

    Prawdopodobienstwoabsorpcji dwufotonowejjest proporcjonalne dokwadratu natezenia swiata wzbudzenie zachodzitylko w ognisku wiazki

    [www.setabiomedicals.com]

    [www.tavernarakislab.gr]

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Mikroskop dwufotonowy

    Umozliwia obserwacje obrazu z rozdzielczoscia wyzsza nizmikroskop jednofotonowy i bez ta pochodzacego z fluorescencjiprbki poza paszczyzna ostrosci

    detektorZwierciadodichroiczne

    laserfemtosekundowy

    lustroskanujce

    obiektyw

    Paszczyzna ostroci[wikipedia.org]

  • Ultrakrtkie impulsy laserowe Optyka nieliniowa

    Obrazy z mikroskopu dwufotonowego

    [www.utoledo.edu]

    Ultrakrtkie impulsy laseroweOptyka nieliniowa