Základním praktikum z laserové techniky

Transkript

1 Úloha: Základním praktikum z laserové techniky FJFI ČVUT v Praze #6 Nelineární transmise saturovatelných absorbérů Jméno: Ondřej Finke Datum měření: Spolupracoval: Obor / Skupina: 1. Úvod Alexandr Špaček FE / E Klasifikace: Způsobu jak dosáhnout pulzního režimu je několik druhů. Jedním z nich, kterým se budeme zabývat v této úloze, je použití saturovaných absorbérů v rezonátoru. Saturovaný absorbér je látka, která má nelineární závislost transmise na intenzitě dopadajícího světla takovou, že vysokoenergetické signály propouští mnohem lépe.. Měření a výsledky Při příchodu jsme zkontrolovali, jestli je aparatura zapojená podle obrázku (Obr. 1) a provedli drobné úpravy. Obr. 1 Schéma zapojení aparatury Použitý laser k této úloze byl mikročipový laser Nanolase NP Aktivní prostření tohoto laseru je Nd:YAG s vlnovou délkou záření λ = 1064 nm. Q-spínání laseru je dosaženo díky obsaženému saturovanému absorbentu Cr:YAG, jak je vidět na přiloženém schématu laseru překreslenému podle technické dokumentace (Obr. ). Svazek vycházející z Nanolase laseru považujeme za gaussovský svazek s módem TEM 00. Pro jeho profil platí důležité vztahy 0 w (z)=w 1+( z ) z R ;b=z R = π w 0 λ, (1) kde w 0 je poloměr svazku v krčku, w poloměr svazku ve vzdálenosti z od polohy krčku, λ vlnová délka, z R je Rayleighova vzdálenost a b konfokální parametr. Znalost těchto vzorců můžeme využít - 1 -

2 k zjištění hustoty výkonu laseru v daném bodě p pomocí rovnice p= P p π w (z), kde P p je špičkový výkon laseru v jednom pulsu a πw je plocha svazku v pozici z od krčku svazku. Na závěr je nutno poznamenat, že tento výpočet platí pro základní mód TEM 00, pro jiné módy by byl výpočet komplikovanější. ().1 Ověření parametru laseru Obr. schéma uspořádání rezonátoru laseru Nanolase. Před samotným měření nelineární transmise jsme měřili a ověřovali tabulkové specifikace použitého laseru. Nejdříve jsme pomocí wattmetru měřili střední výkon laseru P str. Následně pomocí osciloskopu periodu T, ze které jsme určili frekvenci pomocí f = 1 T. (3) Na osciloskopu jsme měřili šířku jednoho pulzu v polovině maxima, tzv. FWHM Full Width Half Maximum τ FWHM. Finálně jsme za použití vztahů E p = P str f P p = E p τ FWHM (4) (5) odvodili energii jednoho pulzu E p a výkon jednoho pulzu P p. Všechny tyto hodnoty jsme vložili do tabulky (Tab. 1), kde jsme je porovnali s hodnotami uvedenými ve specifikaci laseru. Měření P str [mw] f [khz] τ FWHM [ns] 1.5* 0.81 E p [μj].5.90 P p [kw] Specifikace Tab. 1 Naměřené hodnoty porovnané se specifikací. Při výpočtu pomocí (5) byla použita hodnota τ FWHM ze specifikace jak je vysvětleno níže. - -

3 Skoro všechny námi naměřené hodnoty se skoro shodují se specifikací laseru až na šířku pulzu τ FWHM. Při jeho měření jsme původně měřili mnohem větší délku, než zasáhl asistent, který nám vysvětlil jak přesně osciloskop při tomto měření pracuje a jak zvýšit citlivost osciloskopu snížením odporu z 1MΩ na 50Ω. Tím se zvýší rychlost vybíjení parazitní kapacity a zúžení pozorovaného pulzu. Po tomto zúžení jsme naměřili uvedenou hodnotu v tabulce (Tab. ), která je stále větší, než hodnota ze specifikace. Na měření stále mají vliv některé vlastnosti osciloskopu a fotodiody. Asistent nám prozradil, že samotná fotodioda má náběh přibližně t dioda = 1 ns. Následně, že osciloskop má náběh t rise = 1 ns závislý na frekvenci, která je specifická pro každý osciloskop. V našem případě se jednalo o f 3db = 350 MHz. Z těchto znalostí poté můžeme dopočítat jakou hodnotu naměříme, očekáváme-li τ FWHM = 0.81 ns. t system = t rise t measure = t system +t dioda = 1 +1 = +τ FWHM = (6) (7) Jak je vidět z (7) naše měření by se mělo pohybovat kolem hodnoty 1.63, která je o trochu větší, než jsme naměřili. To bych přisoudil pravděpodobně špatnému odečtení z osciloskopu, ze kterého se nám v mnoha případech špatně odečítalo.. Měření nelineární transmise krystalu Ze specifikace víme, že w 0 = 85 μj. Společně se znalostí vlnové délky můžeme z pravého vzorce v (1) určit z R =.1 cm a b = 4. cm. Nejdříve určíme hodnoty poloměru w(z) a hustoty výkonu p a zaneseme je do tabulky (Tab. ). z teor [cm] w [μm] p [kw/cm ] Tab. Teoretické hodnoty hustoty výkonu p a poloměru svazku w(z) vypočítané pomocí () a (1) v polohách z R, 10 cm a 50 cm od krčku. Na stolek za laser jsme umístili nejdříve kratší krystal a na různých bodech dráhy jsme pomocí wattmetru změřili výkon, který krystalem prošel. Poté jsme wattmetr vyměnili za diodu a měření na stejných místech jsme provedli znovu. Do tabulky (Tab. 3) v příloze jsme vložili data z tohoto měření. Následně jsme udělali jednou kompletně stejné měření, jenom s dlouhým krystalem. Data z tohoto měření jsou v tabulce (Tab. 4). Do grafu (Obr. 3) vložíme závislost vypočítaných transmisí podle obou měření u obou vzorků. V grafu (Obr. 4) se nachází závislost transmise kratšího vzorku na hustotě výkonu. Stejná závislost pro delší vzorek je v grafu (Obr. 5). Důležité je zmínit, že při měření jsme očekávali, že největší transmise bude v krčku, kde gaussovský svazek nejintenzivnější. Ovšem při obou měřeních jsme nalezli krček vždy v jiné pozici, která se navíc v obou případech velmi lišila od specifikace. Podle specifikace se nachází krček.5 cm za výstupem, ovšem při měření s krátkým krystalem byla největší transmise 6 cm za výstupem a u dlouhého vzorku 4.5 cm za výstupem. Tuto změnu pozice krčku si nedokážeme vysvětlit. Podle Obr. 4 respektive Obr. 5 můžeme saturační intenzitu krystalů odhadnout jako I s1 4 MW/cm respektive I s 7.5 MW/cm

4 Obr. 3 Vypočítané hodnoty transmise T osci/watt obou krystalů na vzdálenosti z od výstupu z laseru. Obr. 4 Vypočítané hodnoty transmise T osci/watt tenkého krystalu na hustotě výkonu p

5 Obr. 4 Vypočítané hodnoty transmise T osci/watt dlouhého krystalu na hustotě výkonu p. 3. Závěr Během měření jsme porovnali a parametry laseru s technickou dokumentací (Tab. 1) a ukázali si, jak funguje osciloskop a proč na něm nejsme schopni přesně změřit délku pulzu. Následně jsme naměřili transmise dvou vzorků saturovaných absorbérů. Jejich saturační intenzitu jsme odhadli jako I s1 4 MW/cm pro krátký vzorek a I s 7.5 MW/cm pro dlouhý vzorek. Do grafů (Obr. 4 a 5) jsme vynesli závislost transmise na hustotě výkonu a do grafu (Obr. 3) závislost transmise na vzdálenosti od laseru. 4. Použitá literatura [1] Návod k úloze 6 - Nelineární transmise saturovatelných absorbérů. [Online] [ ] 5. Přílohy z [cm] U osci [V] P watt [mw] p [kw/cm ] T watt [%] T osci [%]

6 Tab. 3 Naměřené a vypočtené hodnoty při měření s krátkým vzorkem. z je vzdálenost od laseru, U osci napětí naměřené na osciloskopu, P watt výkon naměřený na wattmetru, p vypočítaná hustota výkonu v bodě, T watt je transmise určená měřením wattmetrem a T osci určená pomocí oscilátoru. z [cm] U osci [V] P watt [mw] p [kw/cm ] T watt [%] T osci [%] Tab. 4 Naměřené a vypočtené hodnoty při měření s dlouhým vzorkem. z je vzdálenost od laseru, U osci napětí naměřené na osciloskopu, P watt výkon naměřený na wattmetru, p vypočítaná hustota výkonu v bodě, T watt je transmise určená měřením wattmetrem a T osci určená pomocí oscilátoru