بخشی از مقاله
چکیده
خواص نوری بلور غیرخطی BBO، جهت تولید هماهنگ دوم مؤثر از تپهای فوق کوتاه با طول موج 800 نانومتر بررسی شده است. ضریب مؤثر غیرخطی، واگرایی مجاز، تغییرات زاویه Walk-off و شرایط جورشدگی فاز برای این بلور تعیین شده است. بلور مورد نظر در سامانه خودهمبستهساز تداخلی برای اندازهگیری پهنای زمانی تپ لیزر Ti:sapphire به کار برده شده و سیگنال خودهمبستگی مرتبه دوم اندازهگیری شده است.
کلید واژه- بلور BBO، تولید هماهنگ دوم، خودهمبستهساز تداخلی.
-1 مقدمه
با توسعه تکنولوژی لیزر و رشتههای مرتبط، درک درستی از روابط و ویژگیهای ساختاری بلورهای غیرخطی مهمتر شده است. خصوصیات الکترونیکی از جمله چگالی الکترونی، ساختار نواری، چگالی حالتها و خواص اپتیکی متفاوت در بلورها منجر به رفتارهای متفاوتی در آنها می-شود. یکی از کاربردهای مهم این بلورها، تولید هماهنگ دوم - SHG - از امواج اصلی لیزرها، با پهنای زمانی و طول-موج گوناگون است. همچنین رفتارهای غیرخطی نوری، کاربرد فراوانی در پردازش سیگنالهای نوری دارند. از جمله میتوان به مدولاسیون دامنه و فرکانس، مقایسه، اصلاح شکل تپ، تولید هماهنگ های بالاتر یا فرکانسهای جمع و تفاضل اشاره کرد. بازده و کیفیت بالای نور خروجی از بلور و خصوصیات ذاتی آن در بدست آوردن نتایج بهینه بسیار مؤثر است. در این مقاله ویژگیهای غیرخطی و تولید SHG از لیزر Ti:sapphire در بلور BBO جهت اندازهگیری پهنای زمانی تپ لیزر فوقکوتاه بررسی شده است.
-2 فرآیند تولید هماهنگ دوم SHG
در فرآیند SHG نور با فرکانس زاویهای به قطعه تابیده میشود و در اثر خواص غیرخطی، نوری با فرکانس زاویهای در ماده تولید میشود. SHG به دو روش تقسیم می-شود. در نوع I ، دو فوتون با قطبش یکسان هماهنگ دوم با قطبش عمود تولید میکنند ooe - یا . - eeo در نوع II، دو فوتون با قطبش عمود بر هم SHG تولید میکنند - oeo ,eoo ,oee یا .[1] - eoe برای تولید SHG از سیگنال پایه شرط باید برقرار شود. شرط اول بقای انرژی است. دوفوتون با انرژیهای متناسب با هم یک فوتون با انرژی متناسب با 2 تولید میکند. شرط دوم بقای اندازه حرکت است. اگر اندازه حرکت نور ورودی k p و اندازهحرکت نور خروجی در هماهنگ دوم k s باشدشرط جورشدگی فاز را میتوان به صورت 0 2k p k s بیان کرد، که شرط جورشدگی فاز کامل است.
از آنجایی که2 n p or s است n - ضریب شکست و طول موج نور است که اندیس p و s به ترتیب مربوط به نور ورودی و خروجی میباشند. - بنابراین باید ns n p باشد. با توجه به پدیدهی پاشندگی در ماده، برقراری این شرط بعید است زیرا در اغلب موارد با افزایش فرکانس، ضریب شکست ماده نیز افزایش مییابد - . - n n یک راه حل برای برطرف کردن مشکل جورشدگی فاز، استفاده از دوشکستی بودن ماده است که ضریب شکست آن برای قطبشهای مختلف نوری متفاوت است و میتوان با انتخاب جهت قطبش نور ورودی و زاویه برش مناسب به جورشدگی فاز کامل رسید .[3-1]
1؛-2 بررسی بلور BBO از خانواده بورات
خانواده بلورهای بورات بدلیل شفافیت کافی در ناحیه UV ، ضرایب غیرخطی نوری بزرگ، پایداری حرارتی بالا، ویژگیهای مکانیکی و آستانه آسیبپذیری بالا یکی از کارآمدترین بلورها برای تبدیل فرکانس در ناحیه UV هستند. BaB2O4 - BBO - بلور برجسته از این خانواده است .[1] پهنای باند طیفی وسیع و گاف نواری بزرگ باعث شده نسبت به دیگر بلورهای غیرخطی از این بلور برای تولید طولموجهای نسبتاً کوتاه استفاده شود. ضرایب شکست عادی و غیرعادی از ضرایب سلمایر بدست میآیند .[1] ساختار کریستال غیرخطی و وجود آن عامل اصلی بهوجود آورنده سیگنال SHG در سامانه اندازهگیری تپ فوقکوتاه است. جهت تولید SHG لیزر Ti:sapphire که طولموج مرکزی آن 800nm است ویژگیهای اپتیکی این بلور را بررسی کردیم . در ادامه چیدمان آزمایشگاهی و نتایج اندازه-گیری پهنای زمانی تپ فوقکوتاه این لیزر نیز آورده شده است.
2؛-2 شبیهسازی ویژگیهای غیرخطی BBO
زاویه جورشدگی فاز برای نوع I و II در محدوده طول موجی 0 تا 2 m در شکل - 1 - نمایش داده شده است - روابط مورد استفاده از مراجع ذکر شده در زیر شکلها است - . انتخاب یک ماده غیرخطی با تأکید بر اندازه ضریب مؤثر غیرخطی صورت میگیرد. ضریب مؤثر غیرخطی به ویژگی،ساختار بلور، جهت انتشار پرتو در بلور غیرخطی و نوع قطبش پرتوها بستگی دارد که در شکل 2 بررسی شده است - شدت نور SHG با توان دوم ضریب مؤثر غیرخطی رابطه مستقیم دارد - .جورشدگی فاز نوع - ooe - I با زاویه 29,2 که دارای ضریب مؤثر غیرخطی بزرگتر و همچنین زاویه Walk-off کوچکتر است را انتخاب میکنیم.
یک اثر مهم که برای تولید SHG باید بررسی شود زاویه Walk-off است و به این دلیل اتفاق میافتد که بردار پوئینتینگ موج غیرعادی منتشر شده در بلور دوشکستی، با بردار انتشار آن موازی نیست. این اثر بازده تبدیل نور غیرخطی را محدود میکند و پرتوهای عادی و غیرعادی که دارای بردار انتشار همراستا و موازی هستند، هنگامی که از بلور عبور میکنند،کاملاً از هم جدا میشوند که این کاهش همپوشانی فضایی دو موج را به دنبال خواهد داشت و منجر به کم شدن بازده در هر فرآیند ترکیب غیرخطی که شامل چنین امواجی هستند میشود - شکل . - 3 پارامتر مهم دیگر برای دستیابی به بازده تبدیل و توان خروجی بالا در فرآیند SHG ، پهنای پذیرش جورشدگی فاز طیفی و فضایی است.
این پارامترها دامنه تغییرات جورشدگی فاز برای گستره فضایی و طیفی باریکه ورودی را تعریف میکنند - شکل 4و. - 5 جهت تولید SHG از لیزر 800nm با استفاده از بلور BBO، با توجه به نتایجی که از نمودارها بدست آمدطول بلور به دلیل اینکه با بازده تبدیل، پهنای باند جورشدگی فاز و پدیدههای پاشندگی سرعت گروه و عدم جورشدگی سرعت گروه رابطه دارد عامل مهمی در اندازه-گیری پهنای زمانی تپ فوقکوتاه است. هر چه طول بلور کمتر باشد پهنای باند پذیرش طیفی بیشتر است. برای لیزرهای فوقکوتاه به دلیل داشتن پهنای طیفی وسیع در حدود چند نانومتر نیاز به بلور با ضخامت در مرتبه میکرومتر داریم. طول بهینه - طولی با بیشترین بازده - SHG
