WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ Н.В. Петров, А.А. Городецкий, В.Г. Беспалов, А.А. Дроздов, А.Н. Цыпкин, М.С. Куля Виртуальный лабораторный практикум:

ФЕМТОСЕКУНДНАЯ ОПТИКА И ФЕМТОТЕХНОЛОГИИ Учебно-методическое пособие Санкт-Петербург 2011 Петров Н.В., Городецкий А.А., Беспалов В.Г., Дроздов А.А., Цыпкин А.Н., Куля М.С.

Виртуальный лабораторный практикум:

ФЕМТОСЕКУНДНАЯ ОПТИКА И ФЕМТОТЕХНОЛОГИИ Учебно-методическое пособие Под редакцией: Беспалова В.Г. – СПб: НИУ ИТМО, 2011. – 64 с.

В пособии представлены учебные материалы виртуального практикума по дисциплине «Фемтосекундная оптика и фемтотехнологии». Даны описания виртуальных лабораторных работ с краткими изложениями теоретического материала.

Предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 200700 «Фотоника и оптоинформатика», а также для студентов оптических и информационных специальностей смежных направлений.

Рекомендовано к печати ученым советом факультета фотоники и оптоинформатики, протокол № 7 от 17.11.2011 г.

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет».

Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 2011 Н.В. Петров, А.А. Городецкий, В.Г. Беспалов, А.А. Дроздов, А.Н. Цыпкин, М.С. Куля, 2011 Содержание 1 Лабораторная работа №1 ДИФРАКЦИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ЩЕЛИ............................. 2 Лабораторная работа №ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРА В НЕЛИНЕЙНЫХ КРИСТАЛЛАХ................................. 3 Лабораторная работа №РАСЧЕТ ПРИЗМЕННОГО СТРЕТЧЕРА И КОМПРЕССОРА........................ 4 Лабораторная работа №ИМПУЛЬСНАЯ ТЕРАГЕРЦОВАЯ ГОЛОГРАФИЯ... 5 Лабораторная работа №ОПТИЧЕСКОЕ БИСТАБИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО.... 6 Лабораторная работа №ГЕНЕРАЦИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО СУПЕРКОНТИНУУМА.................... 1 Лабораторная работа №ДИФРАКЦИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ЩЕЛИ Цель работы: Ознакомиться с особенностями дифракции широкополосного излучения на щели.

Объект исследования: излучение фемтосекундного лазера Задачи, решаемые в работе:

1. Анализ изменения спектра излучения при удалении от оптической оси.

2. Выявление особенностей дифракционной картины широкополосного излучения, отличных от дифракции монохроматического излучения.

3. Рассмотрение возможных математических подходов к решению этой задачи СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ В данной работе мы рассмотрим дифракцию широкополосных фемтосекундных импульсов, генерируемых в лазерной установке.

Фемтосекундная лазерная установка Фемтосекундные импульсные лазеры используются во многих областях физики, биологии, медицины и других естественных наук, включая такие области применения как: обработка различных материалов, многофотонная микроскопия, «pump — probe» спектроскопия, параметрическая генерация, генерация суперконтинуума, тестирование полупроводниковых устройств, задающий генератор в усилительных системах, генерация терагерцового излучения, оптическая когерентная томография и метрология оптических частот.

С ростом числа применений лазеров ультракоротких импульсов, возникает необходимость в компактных, надежных, малошумящих источниках фемтосекундных импульсов. Идеальным решением являются фемтосекундные волоконные лазеры, основанные на волокнах легированных эрбием. Подробнее с фемтосекундыми лазерными системами вы познакомитесь на других лабораторных работах этого курса.

Спектр фемтосекундного излучения.

Допустим, у нас уже есть некоторая система, генерирующая импульсы фемтосекундной длительности в оптическом и инфракрасном диапазоне спектра. Спектр оптических импульсов можно вычислить, используя преобразование Фурье. Введем комплексную функцию E () = U (t) exp (it) dt (1.1) Энергетический спектр сигнала определяется квадратом модуля функции E () () = |E ()|2 (1.2) Важно отметить, что энергетический спектр одинаковых по длительности импульсов может оказаться разным. Это связано с тем, что импульсы могут обладать разной временной зависимостью фазы (t) в формуле (1.1).

Проиллюстрируем последнее утверждение на примере Гауссовых импульсов, описываемых выражением tF (t) = exp - (1.3) T TW HF M = 2 ln 1 + 2 T0 1.763T0, При наличии частотной модуляции комплексная амплитуда поля гауссова импульса может быть записана в виде 1 + iC (t) tU (t) = exp - (1.4) 2 Tгде С(t) — параметр модуляции. В случае линейной частотной модуляции параметр C = const. Подставляя для этого случая выражение (1.4) в формулу (1.1), для U () получаем выражение 2 2T0 2TU () = exp - (1.5) 1 + iC 2 (1 + iC) Нормированный энергетический спектр H() для этого случая имеет вид 2T0 H () = exp - exp (1.6) 2 (1 + iC) где 0 — полуширина спектра по уровню мощности (интенсивности). В e отсутствие частотной модуляции (C = 0) ширина спектра минимальна, при этом выполняется соотношение 0T0 = 1 (1.7) Импульсы, для которых выполняется соотношение (1.7), называются спектрально ограниченными. При наличии линейной частотной модуляции ширина спектра импульса увеличивается в 1 + C2 раз по сравнению со спектрально ограниченным импульсом той же длительности. Такое уширение спектра возможно, например, за счет фазовой самомодуляции при распространении светового импульса в волокне без дисперсии (т.е. на длине волны нулевой дисперсии). Если же световой импульс распространяется в линейном режиме в волокне с дисперсией, то появление частотной модуляции, обусловленное дисперсией, ведет к увеличению длительности светового импульса, и при этом его спектр не изменяется! Дифракция широкополосных импульсов на щели Решать прямую задачу дифракции широкополосных импульсов можно двумя способами. Первый способ заключается в решении системы уравнений Максвелла для поля фемтосекундного импульса. Но этот метод достаточно ресурсоемок, и мы не будем подробно на нем останавливаться. В нашей работе мы будем пользоваться следующим способом. Применив, как описано выше, преобразование Фурье, перейдем в спектральную область. Широкий спектр разобьем на узкие компоненты, и для каждой решим прямую задачу дифракции. Которая, как вы помните с прошлого года, заключается в следующем: Рассчитывается поле для каждой спектральной компоненты, при этом щель представляется в виде суперпозиции точечных источников. Тогда для поля данной спектральной компоненты в каждой точке экрана можно записать следующее выражение:



1 U (, y) = exp -i rxy, (1.8) irxy x где rxy — расстояние между точками щели и экрана. Для получения результирующей картины дифракции, получившиеся поля переводятся в интенсивности, затем интенсивности всех компонент спектра суммируются.

ОПИСАНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Distance — расстояние от щели до экрана Screen — размер экрана Duration — длительность импульса Slit — ширина щели Screen scale — расстояние между соседними точками экрана в длинах волн.

Wavelength — центральная длина волны широкополосного излучения.

При выполнении виртуальной лабораторной работы следует принимать во внимание, что графики позволяют менять предельные значения по осям при отображении результата. По умолчанию включена опция автоматического масштабирования по обеим осям, которую можно отключить нажатием правой кнопки мыши на график и снятием маркера напротив надписи «Autoscale X» (или Y). В отсутствии масштабирования можно пользоваться инструментами в левом нижнем углу графика — такими как лупа, либо же задавать необходимый интервал численно - щелчком левой кнопки мыши по одному из предельных значений на графике. Кроме того можно вызвать другие скрытые опции графика, все тем же нажатием правой кнопки мыши на график и выбором соответствующего маркера в подменю «Visible items».

Описанные выше возможности позволяют, например, точно измерить различия в спектрах пикосекундных и фемтосекундных импульсов.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Получите спектр, установив параметры длительности импульса и длины волны. Длина волны излучения выдается преподавателем каждому студенту индивидуально! 2. При соответствии или превосходстве полученного спектра вашим ожиданиям, можете смело вводить оставшиеся параметры (при выборе параметров советуем руководствоваться здравым смыслом) и наблюдать картины дифракции во втором окне, а в третьем — спектр в точке экрана с координатой, задаваемой в расположенном рядом с ним окне.

3. Проследите зависимость дифракционной картины от ширины спектра 4. Получите спектр в различных точках экрана и объясните его изменения.

5. Выявите характерные отличия дифракционных картин широкополосного излучения от дифракционных картин, получаемых в монохроматическом свете.

6. Приведите несколько примеров спектров в различных точках экрана, которые имеют один или несколько минимумов, объясните появление минимумов.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ Подготовьте отчет в соответствии с ходом работы. Графически представьте результаты проделанных измерений. Дайте развернутое объяснение результатов и выявленных зависимостей. Ответьте на контрольные вопросы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что такое спектрально ограниченный импульс 2. Почему при получении полной картины дифракции суммируются интенсивности, а не амплитуды 3. Пользуясь результатами проделанной работы, опишите картину дифракции широкополосного излучения на:

(a) круглом отверстии;

(b) прямоугольном отверстии;

(c) дифракционной решетке.

4. Какой минимальной длительности может быть импульс излучения ТитанСапфирового лазера Эрбиевого лазера Почему 5. Какие уравнения, описывающие дифракцию волнового фронта, вы знаете Запишите их и назовите методы их решения.

Примечание: На вышепоставленные вопросы необходимо ответить. Ответы изложить в отчете, стараясь избегать схожести на отчет соседа. В отчете старайтесь не быть голословными и подтверждать свои ответы комментариями и иллюстрациями, сделанными в ходе лабораторной работы.

ЛИТЕРАТУРА 1. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. — М.: «Мир», 1970.

2. Г.Агравал Нелинейная волоконная оптика. — М.: Мир, 1996.

3. Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. — М.: Наука, 1988.

4. T. Kreis Handbook of Holographic Interferometry - Optical and Digital Methods. Wiley, Weinhelm, 2005.

2 Лабораторная работа №ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРА В НЕЛИНЕЙНЫХ КРИСТАЛЛАХ Цель работы: Ознакомиться с явлением генерации второй гармоники (ГВГ) излучения фемтосекундного лазера в нелинейных кристаллах KDP, BBO и LiJO3.





Объект исследования: Нелинейные кристаллы KDP, BBO и LiJO3.

Задачи, решаемые в работе:

1. Анализ изменения интенсивности и спектра второй гармоники при изменении толщины кристалла.

2. Анализ изменения интенсивности и спектра второй гармоники при изменении длительности фемтосекундного импульса.

3. Сравнение эффективности генерации второй гармоники в различных кристаллах СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ В данной работе мы рассмотрим явление ГВГ широкополосных фемтосекундных импульсов, генерируемых в лазерной установке Нелинейные оптические явления.

Оптические эффекты, характер которых зависит от интенсивности излучения, называются нелинейными, а область оптики, изучающую такие явления — нелинейной оптикой.

Нелинейная поляризация.

Эффект генерации суммарных частот заключается в том, что при поступлении в среду излучений на частотах 1 и 2 на выходе возникает электромагнитная волна с частотой 3 = 1 ± Если 1 = 2 =, т.е. в среду поступает интенсивные волны одной частоты, то излучение на суммарной частоте является их второй гармоникой:

+ = 2 (2.1) Рассмотрим причину появления этого эффекта. Взаимодействие световой волны с веществом на классическом языке описывается вектором поляри зации P. Эта поляризация, вообще говоря, является некоторой функцией P = f(E) напряженности электрического поля E световой волны. В приближении соответствующем области линейной оптики поляризация связана с напряженностью поля E линейно P = E (2.2) Такое приближение достаточно хорошо работает для не очень высоких зна чений E, т.е. для интенсивностей обеспечиваемых обычными, не лазерными источниками. При воздействии на среду лазерного излучения с достаточно высокой плотностью потока соотношение (2.2) может уже не выполняться.

Если отличие связи поляризации P и поля E от линейной не слишком велико (а именно так обстоит дело даже в сильных лазерных полях), то функцию P = f(E) можно представить в виде ряда P = E + EE + EEE (2.3) Первый член его является линейной, а остальные — нелинейной составляющей поляризации. Отношение каждого последующего члена ряда к предыдущему, т.е. последующие члены ряда быстро уменьшаются. Переход от E линейной связи P = E к нелинейной заставляет пересмотреть все основные аспекты взаимодействия светового излучения с веществом.

Величины и называют эффективной нелинейной поляризуемостью среды. Следует отметить, что запись разложения (2.3) в достаточной степени условна, т.к. величины, и, вообще говоря, являются тензорами соответственно 2-го, 3-го и т.д. рангов.

Появление второй гармоники связано с квадратичным членом EE в раз ложении (2.3) поляризации P по степеням электрического поля световой волны. Если в среду входит гармоническая световая волна вида Е = А cos (t - kz), то, в силу (2.3), переизлученное поле в среде будет содержать не только частоту, но и ее гармоники на частотах 2, 3 и т.д.. Действительно, второй член ряда (2.3) можно представить в виде 1 E2 = A2 + cos (2 (t - kz)) (2.4) 2 Второй член в выражении (2.4) описывает переизлученное электроном поле на частоте 2 второй гармоники падающей волны. Величину (тензор третьего ранга) называют квадратичной нелинейной поляризуемостью вещества.

Необходимым условием ГВГ является отличие от нуля. Это осуществляется в анизотропных средах не имеющих центра симметрии. Действительно, если вещество изотропно, или имеет центр симметрии, то при изменении направления приложенного электрического поля Е поляризация Р должна менять знак. Чтобы удовлетворить этому требованию, члены, содержащие четные степени в разложении (2.3), должны отсутствовать, т.е. величина должна быть равной нулю. Кроме того, конечно, в среде должно отсутствовать поглощение для всех взаимодействующих волн.

Условие фазового синхронизма.

Генерация излучения на суммарной (или разностной) частоте происходит наиболее эффективно, если волна с частотой 3, приходящая к данному элементу объема от предшествующих элементов, находится в нужной фазе с излучением на этой же частоте, которое порождается в этом элементе объема.

Интенсивность генерации в таком случае возрастает на несколько порядков, поскольку ее накопление происходит по всей длине нелинейной среды. Такое благоприятное соотношение фаз реализуется, если для волновых векторов выполняется равенство k1 + k3 = k3 (2.5) Выражение (2.5) называют условием фазового (волнового, пространственного) синхронизма.

Условие фазового синхронизма может выполняться для волн с различными поляризациями при определенных направлениях распространения их в анизотропных кристаллах. Возникновение его удобно иллюстрировать при помощи поверхностей волновых векторов в отрицательном одноосном кристалле (практически наиболее важный случай). На Рис. 2.1 показаны сечения таких поверхностей плоскостью XZ, когда ось Z параллельна оптической оси C. Пусть в процессе 3 = 1 +2, волны с частотами 1 и 2 имеют линейную поляризацию и распространяются в кристалле как обыкновенные волны, т.е.

вектора напряженности электрического поля волн E1,2 ортогональны оси C.

Для выполнения условия синхронизма в отрицательном кристалле волна Рис. 2.1: Иллюстрация условия фазового синхронизма.

должна обязательно быть необыкновенной, т.е. линейно поляризованной, с вектором E3 лежащим в плоскости проведенной через ось C и ортогональ ным векторам E1,2. Такой тип взаимодействия называется - ooe.

Случай сверхкоротких импульсов.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.