1 Zadání. 2 Úvod. Název a číslo úlohy 6 - Dvouvlnové směšování ve fotorefraktivním materiálu a fázová konjugace. Měření provedli Marek Vlk Vypracoval

Podobné dokumenty
Úloha č.6 Dvouvlnové směšování ve fotorefraktivním materiálu a fázová

Jan Fait, Filip Grepl Jan Fait Datum Hodnocení

Fabry Perotův interferometr

Laboratorní úloha č. 7 Difrakce na mikro-objektech

Praktikum školních pokusů 2

Řešení: Nejdříve musíme určit sílu, kterou působí kladka proti směru pohybu padajícího vědra a napíná tak lano. Moment síly otáčení kladky je:

z ), který je jejím Fourierovým obrazem. Naopak obrazová funkce g ( y, objeví v obrazové rovině bude Fourierovým obrazem funkce E(µ,ν).

Fyzika II. Marek Procházka Vlnová optika II

Podle studijních textů k úloze [1] se divergence laserového svaku definuje jako

SPEKTROMETRIE. aneb co jsem se dozvěděla. autor: Zdeňka Baxová

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Jméno a příjmení. Ročník. Měřeno dne Příprava Opravy Učitel Hodnocení. Vlnové vlastnosti světla difrakce, laser

Jaký význam má kritický kmitočet vedení? - nejnižší kmitočet vlny, při kterém se vlna začíná šířit vedením.

VLNOVÁ OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Optika - 3. ročník

Elektromagnetické vlnění

Systémy pro využití sluneční energie

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Jan Polášek stud. skup. 11 dne

Základy Mössbauerovy spektroskopie. Libor Machala

Mikroskopické metody Přednáška č. 3. Základy mikroskopie. Kontrast ve světelném mikroskopu

Základním praktikum z laserové techniky

Akustooptický modulátor s postupnou a stojatou akustickou vlnou

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Příklady použití tenkých vrstev Jaromír Křepelka

Fyzika 2 - rámcové příklady vlnová optika, úvod do kvantové fyziky

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Akustooptický modulátor s postupnou a stojatou akustickou vlnou

2 Nd:YAG laser buzený laserovou diodou

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 10: Interference a ohyb světla

27. Vlnové vlastnosti světla

Youngův dvouštěrbinový experiment

Měření šířky zakázaného pásu polovodičů

28 NELINEÁRNÍ OPTIKA. Nelineární optické jevy Holografie a optoelektronika

1 Zadání. 2 Úvod. Název a číslo úlohy 9 - Nelineární jevy v ultrarychlé optice. Měření provedli Jan Fait, Marek Vlk Vypracoval

Teorie rentgenové difrakce

13. Spektroskopie základní pojmy

Dualismus vln a částic

Modulace vlnoplochy. SLM vytváří prostorově modulovaný koherentní optický signál

Úloha č. 1: CD spektroskopie

Postupné, rovinné, monochromatické vlny v lineárním izotropním nemagnetickém prostředí

Podpora rozvoje praktické výchovy ve fyzice a chemii

Zeemanův jev. Michael Jirásek; Jan Vejmola Gymnázium Český Brod, Vítězná 616 SPŠE V Úžlabině 320, Praha 10

Základním praktikum z optiky

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Praktikum III - Optika

V nejnižším energetickém stavu valenční elektrony úplně obsazují všechny hladiny ve valenčním pásu, nemohou zprostředkovat vedení proudu.

Optika pro mikroskopii materiálů I

Sada 1 - Elektrotechnika

Světlo jako elektromagnetické záření

1 Teoretický úvod. 1.2 Braggova rovnice. 1.3 Laueho experiment

1. Pevnolátkový Nd:YAG laser v režimu volné generace a v režimu Q-spínání. 2. Zesilování laserového záření a generace druhé harmonické

1. Ze zadané hustoty krystalu fluoridu lithného určete vzdálenost d hlavních atomových rovin.

Difrakce elektronů v krystalech, zobrazení atomů

Světlo x elmag. záření. základní principy

Metodický návod: 5. Zvyšování vnějšího napětí na 3 V. Dochází k dalšímu zakřivování hladin a rozšiřování hradlové vrstvy.

Název: Měření vlnové délky světla pomocí interference a difrakce

Krystalografie a strukturní analýza

DIFRAKCE ELEKTRONŮ V KRYSTALECH, ZOBRAZENÍ ATOMŮ

Úloha 10: Interference a ohyb světla

Úloha 5: Studium rentgenových spekter Mo a Cu anody

Petr Šafařík 21,5. 99,1kPa 61% Astrofyzika Druhý Třetí

(Následující odstavce jsou zde uvedeny jen pro zájemce.) , sin2π, (2)

2. Vlnění. π T. t T. x λ. Machův vlnostroj

1. Kvantové jámy. Tabulka 1: Efektivní hmotnosti nosičů v krystalech GaAs, AlAs, v jednotkách hmotnosti volného elektronu m o.

Balmerova série. F. Grepl 1, M. Benc 2, J. Stuchlý 3 Gymnázium Havlíčkův Brod 1, Gymnázium Mnichovo Hradiště 2, Gymnázium Šumperk 3

VÝUKOVÝ SOFTWARE PRO ANALÝZU A VIZUALIZACI INTERFERENČNÍCH JEVŮ

2. Difrakce elektronů na krystalu

V mnoha běžných případech v optickém oboru je zanedbáváno silové působení magnetické složky elektromagnetického pole na náboje v látce str. 3 6.

Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu

Obr Teplotní závislost intrinzické koncentrace nosičů n i [cm -3 ] pro GaAs, Si, Ge Fermiho hladina Výpočet polohy Fermiho hladiny

Fyzikální praktikum III

Ing. Pavel Hrzina, Ph.D. - Laboratoř diagnostiky fotovoltaických systémů Katedra elektrotechnologie K13113

Elektromagnetické pole je generováno elektrickými náboji a jejich pohybem. Je-li zdroj charakterizován nábojovou hustotou ( r r

Modulace a šum signálu

MODERNÍ METODY CHEMICKÉ FYZIKY I lasery a jejich použití v chemické fyzice Přednáška 5

Měření charakteristik pevnolátkového infračerveného Er:Yag laseru

Laboratorní práce č.9 Úloha č. 8. Závislost indexu lomu skla na vlnové délce světla Měření indexu lomu refraktometrem:

LEED (Low-Energy Electron Diffraction difrakce elektronů s nízkou energií)

Vypracoval. Jakub Kákona Datum Hodnocení

Úvod do laserové techniky

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Nástin formální stavby kvantové mechaniky

Vypracoval Datum Hodnocení. V celé úloze jsme používali He-Ne laser s vlnovou délkou λ = 632, 8 nm. Paprsek jsme nasměrovali

h n i s k o v v z d á l e n o s t s p o j n ý c h č o č e k

Fyzikální korespondenční seminář UK MFF 22. II. S

4. Stanovení teplotního součinitele odporu kovů

RTG difraktometrie 1.

Úloha č.: I Název: Studium relativistických jaderných interakcí. Identifikace částic a určování typu interakce na snímcích z bublinové komory.

= , = (1) (2)

Metody nelineární optiky v Ramanově spektroskopii

Zadání. Pracovní úkol. Pomůcky

Charakteristiky optického záření

Karel Lemr. web: Karel Lemr Fotonové páry 1 / 26

Měření rozložení optické intenzity ve vzdálené zóně

Úloha 3: Mřížkový spektrometr

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenografie, RTG prášková difrakce

Aplikovaná optika. Optika. Vlnová optika. Geometrická optika. Kvantová optika. - pracuje s čistě geometrickými představami

Geometrická optika. předmětu. Obrazový prostor prostor za optickou soustavou (většinou vpravo), v němž může ležet obraz

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Mikrovlny

Rovinná monochromatická vlna v homogenním, neabsorbujícím, jednoosém anizotropním prostředí

Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv

Praktikum z experimentálních metod biofyziky a chemické fyziky I. Vypracoval: Jana Čurdová, Martin Kříž, Vít Marek. Dne: 2.3.

Transkript:

Název a číslo úlohy 6 - Dvouvlnové směšování ve fotorefraktivním materiálu a fázová konjugace Datum měření 7.12.2015 Měření provedli Marek Vlk Vypracoval Marek Vlk Datum 2.1.2016 Hodnocení 1 Zadání 1. Nastudovat fotorefraktivní jev a určit periody difrakční mřížky použité v experimentu. 2. Zpracovat měření koeficientu vazby. Vynést závislosti koeficientu vazby na periodě mřížky. Zobrazit graf časového průběhu signálového svazku pro různé periody.. Popsat sledované jevy: dvouvlnové směšování a samofázovou konjugaci. 4. Pokuste se pořídit fotografie rekonstrukce zaznamenaných hologramů v krystalu. 5. Nezapomeňte zaznamenat hodnoty úhlů θ a β všude, kde to má smysl. 6. Diskuse naměřených výsledků. 2 Úvod Celá úloha se opírá o jeden jev a to fotorefraktivní jev (FRJ). Jedná se o jev z oblasti nelineární optiky, ale na rozdíl od většiny nelineárních jevů, které vyžadují vysoké intenzity záření, pro FRJ stačí jednotky µw/cm 2. Pro popis FRJ uvažme materiál se zakázaným pásem energii, valenčním a vodivostním pásem a donorovými a akceptorovými hladinami uvnitř zakázaného pásu. Při dopadu záření na FR materiál dochází částečně k absorpci tohoto záření v příměsích materiálu, donorech. Z donorů jsou excitovány elektrony do vodivostního pásu, kde se mohou volně pohybovat v závislosti na silách na nich působících. Dochází tak k procesům difúze, driftu a fotovoltaického proudu. Těmito procesy se elektrony přesouvají mimo ozářenou oblast, kde se usazují na akceptorových hladinách. Mezi oblastmi s rozdílnými koncentracemi elektronů nakonec vzniká elektrické pole. Vzniklé elektrické pole pak ovlivňuje index lomu prostředí Pockelsovým jevem. Celý proces je schematicky znázorněn na obr. 1. Pokud tedy v místě FR necháme interferovat dva svazky záření, vytváříme vlastně nehomogenní pole v místě materiálu s modulací intenzity dané vztahem I(z) = I 0 [1 + m cos (Kz)] (1) kde I 0 je celková intenzita obou svazků, K = 4πn sin (θ) /λ 0 velikost vlnového vektoru mřížky, přičemž svazky mezi sebou svírají úhel 2θ, a m = 2 I s I p cos (θ) /(I s + I p ) hloubka modulace mřížky. Do materiálu se pak zapíše mřížka, ovšem fázově posunutá o π/2 oproti interferenčnímu poli (platí pro malé m). Při vypnutí jednoho svazku, mřížka nezmizí okamžitě a je možné pozorovat difrakci. Mřížky mají tu vlastnost, že dopadající pole difraktují do několika řádů (v závislosti na mřížce) a přerozdělují do těchto řádů energii dopadajícího svazku. Tímto se tedy dostáváme k dvouvlnovému směšování ve FR materiálu. Při nasvěcování dvěma svazky vznikne mřížka, se kterou interagují oba svazky a lze pozorovat snížení či zvýšení intenzity jednoho svazku a opačný výsledek ve svazku druhém za FR materiálem. 1

Obrázek 1: Znázornění principu vzniku mřížky ve FR materiálu. Převzatu z [1]. Přerozdělování energie lze popsat vázanými diferenciálními rovnicemi, jejichž řešením je vztah I s (z) = I s (0) 1 + I p(0) I s (0) 1 + I s(0) I p (0) exp( γz) exp( αz) (2) pro signálový svazek a obdobně (po záměně indexů u I) pro svazek čerpací. α představuje koeficient útlumu a γ koeficient vazby. Pro γ navíc přibližně platí vztah Is ON (L) Is OF F (L) = exp(γl) () γ tak lze určit z poměru intenzity signálového svazku se zapnutým čerpáním ON a vypnutým čerpáním OF F. Mřížka samotná se ve FR materiálu uchová, dokud přirozenými procesy přerozdělování náboje samovolně nezmizí nebo dokud není vymazána ozářením homogenním intenzivním polem. Z materiálů vykazujících FRJ, mají největší význam feroelektrické krystaly, zejména LiNbO, SBN a BaT io. Fázová konjugace z matematického hlediska znamená komplexní sdružení dopadající vlny, která je komplexní. V praxi dojde k obrácení směru šíření a k opačnému zakřivení vlnoplochy původní vlny. Tento je je dobře pozorovatelný, pokud necháme první vlnoplochu deformovat na nějakém transparentu, následně vlnu fázově konjugujeme a ve stejném místě necháme opět projít transparentem. Výsledkem po druhém průchodu transparentem je původní vlna. Fázové konjugace lze dosáhnout ve FR materiálu. Difrakční mřížka dokáže v podstatě libovolně modulovat dopadající vlnu, na čemž je založena holografie. Při využití FR materiálu, může dopadající vlna sama vytvořit právě takovou mřížku, která bude tuto vlnu fázově konjugovat. Měření.1 Dvouvlnové směšování Pro experiment bylo sestaveno schema na obr. 2. Prvním úkolem bylo měření časové závislosti koeficientu vazby γ = γ(t) pro různé periody mřížky. Perioda mřížky Λ se mění s natočením krystalu 2

He:Ne Laser λ/2 DS signál 90 erpání M M 1 M 2 β θ detektor Obrázek 2: Schema experimentálního uspořádání. P s [mw] 7 6 5 4 2 γ [1/mm] 0.2 0.1 0 0.1 0.2 β = 0 0. β = 10 0.4 β = 20 0.5 0 20 40 60 80 100 120 t [s] 0.2 0.18 1 β = 0 0 β = 10 β = 20 1 0 20 40 60 80 100 120 t [s] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 β [ ] (a) Výkon signálového svazku po průchodu krystalem. (b) Časový vývoj koeficientu γ a jeho závislost ná úhlu natočení krystalu β. Obrázek : Charakteristiky signálového svazku za krystalem a mřížky krystalu. γ [1/mm] 0.16 0.14 0.12 (úhel β). Tabulka 1 uvádí jednotlivé hodnoty periody mřížky v závislosti na úhlu natočení. Výkony ve svazcích před krystalem byly 0, 525mW pro signál a 1, 5mW pro čerpání. Graf na obr. a ukazuje závislost výkonu v signálovém svazku za krystalem v průběhu měření od spuštění laseru β Λ[µm] γ[1/mm] do odstavení čerpacího svazku. Z grafu je patrné, kdy vznikala 0 1, 02 0, 158 mřížka v krystalu, jde o oblast růstu výkonu signálového 10 1, 045 0, 19 svazku. Dále pro některé úhly jsou vidět náhodné poklesy výkonu. 20 1, 088 0, 115 Pravděpodobně došlo k přepsání mřížky na jinou, efektiv- nější mřížku. Pokles výkonu na konci každého měření je způsoben zapnutím intenzivního bílého světla a vymazáním mřížky. Tabulka 1: Periody mřížky Λ pro různé úhly natočení krystalu β a naměřené hodnoty γ. Nutno zmínit, že v době měření nebylo možné vyčítat výkony z wattmetru pomocí počítače. Průběh měření byl natočen telefonem a z pořízeného záznamu jsem každé 2s odečítal výkon na displayi wattmetru. Toto bylo provedeno v programu MATLAB. Všechna měření trvala přibližně 2min. První graf b ukazuje časový vývoj koeficientu vazby γ pro všechny sledované úhly natočení krystalu β. Druhý graf z obrázku zachycuje závislost γ na β, kde γ byla získána jako průměr měřených hodnot za časový úsek 40s, ve kterém nedocházelo k významným výkyvům výkonu. Tyto hodnoty jsou avíc zapsané v tabulce 1. Pro výpočet γ byl použit vztah (), přitom za hodnotu signálu s vypnutým čerpáním byla dosazena vždy poslední měřená hodnota výkonu signálového svazku. Je zřejmé, že nejlepší vazby bylo dosaženo okolo β = 10..2 Holografie s využitím FR materiálu Dále byla upravena experimentální sestava pro záznam hologramu do FR krystalu. Do ramene signálového svazku mezi zrcadlo M a krystal byl přidán objektiv pro rozšíření svazku a transparent pro

(a) (b) (c) (d) Obrázek 4: Rekonstrukce hologramu z FR krystalu. modulaci svazku (transparent je dále zaznamenávaným objektem). Po expozici transparentu byl odstaven signálový svazek a prosvícením c erpacím svazkem byl rekonstruován obraz. Snímky 4 ukazují rekonstrukci. Zajímavostí holografie je skutec nost, že lze zapsat ne kolik mr ížek pr es sebe, aniž by se narušovaly. Snímky 4b - 4d ukazují postupne zaznamenané objekty, pro které byl pouze natoc en krystal o malý úhel β (natác ení pomocí mikrometrického šroubu).. Fázová konjugace Posledním úkolem bylo pozorování fázové konjugace. Schema 2 bylo nahrazeno jednodušším. V podstate byl vytvor en Michelsonu v interferometr, kde do jednoho ramene po pru chodu svazku s laseru byl umíste n sklene ný válec s vodou a za ne j FR krystal. Odraz svazku z laseru od de lic e byl pozorován na zdi, odraz konjugovaného svazku od de lic e byl na stínítku. Svazek se pru chodem válcem s vodou deformoval. V krystalu však byla tímto deformovaným svazkem vytvor ena mr ížka, na které se svazek odrážel s opac nou fází a druhým pru chodem válcem se svazek rekonstruoval. Odrazy na zdi a na stínítku se tak podle pr edpokladu jevily stejné. Tímto prokazatelne došlo k fázové konjugaci. Proces vzniku mr ížky mu že být komplikovaný. Pravde podobne po vstupu do krystalu byl svazek zahnut (zahnutí bylo možné pozorovat) a pomocí odrazu od ste n krystalu se krystalem pohyboval a interferoval a vytvár el tak mr ížku. Na fotkách v grafu na obr. 5 je vide t, co se de je se svazkem po vstupu do krystalu. Graf zároven popisuje, kdy je proces fázové konjugace stabilní a úc inný. Výkon dopadající na krystal byl 15, 1mW, v prvním odraze na de lic i 0, 5mW, tzn. že odrazivost de lic e je 2, %. V druhém odraze na de lic i bylo 0, 12mW a pro danou reflexivitu de lic e dostáváme 5, mw výkonu dopadajícího na de lic v konjugovaném svazku od krystalu. Dané výkony svazku jsou po pru chodu válcem. U válce mu žeme pr edpokládat transmisi 92%, takže výkon vystupující z krystalu bude vyšší než na de lic i. Z te chto úvah vyplývá, že reflexivita krystalu je 8, 2%. Jednotky se píší normálně, nikoliv kurzívou. 4 reflexivita to není, nejedná se o odraz, ale o generaci konj.vlny.

Obrázek 5: Závislost fázově konjugované reflektance na místě dopadu na krystal. Zde má krystal v rovině stolu rozměry 7 7mm, v našem případě bylo 6 6mm. Převzato z [1]. 4 Závěr V této úloze jsem byl prakticky obeznámen s jevy, ke kterým dochází ve FR materiálu, zde krystalu BaT io. Byly sledovány a popsány jevy dvouvlnového směšování, holografie a fázové konjugace. Jedná se vlastně o nelineární jevy, ke kterým však není potřeba vysokých energií, jak bylo zmíněno v úvodu. Literatura [1] Kolektiv autorů zadání úloh 12PPOP.: Úloha č. 6 - Dvouvlnové směšování ve fotorefraktivním materiálu a fázová konjugace. URL: http://optics.fjfi.cvut.cz/files/pdf/ppop_06.pdf (citováno 2.1.2016.) 5