Stagiu de fizică pentru studenți avansați
Curs practic de fizică pentru studenți avansați Experiment 30 Optică neliniară desfășurat la: 8 ianuarie 2009 1. Depunerea protocolului: 15 ianuarie 2009 2. Depunerea protocolului: 22 ianuarie 2009 Supervizor: Anke Leitner Group 732 Kathrin Alpert kathrin.alpert@uni- ulm.de Sascha Hankele [email protected] Semnătura Semnătura
Cuprins 1 Bazele teoretice 3 1.1 Laserul. 3 1.1.1 Generalități. 3 1.1.2 Structura unui laser. 3 1.1.3 Tranziții induse și spontane. 4 1.1.4 Generarea inversării populației utilizând exemplul laserului pe trei și patru niveluri. 5 1.1.5 Model de ecuație a ratei pentru laserul Nd-YAG. 7 1.1.6 Soluția dependentă de timp a ecuației ratei. 8 1.1.7 Soluția dependentă de timp a ecuației ratei. 10 1.2 Rezonatoare optice. 11 1.2.1 Tipuri. 11 1.2.2 Moduri rezonator. 12 1.2.3 Stabilitatea unui rezonator. 12 1.2.4 Pierderi. 13 1.2.5 Moduri transversale. 14 1.3 Lasere semiconductoare. 15 1.3.1 Structură și funcție. 15 1.3.2 Proprietățile unui laser semiconductor. 16 Laser 1.4 Nd-YAG. 17 1.4.1 Definiție. 17 1.4.2 Spectrul fluorescenței și spectrul de absorbție. 18 1.5 Optică neliniară. 19 1.5.1 Polarizabilitatea neliniară. 19 1.5.2 Efecte de ordinul doi. 20 1.5.3 Absorbant saturabil. 22 2 Configurarea experimentului 23 2.1 Descrierea sistemului de experimentare. 23 2.2 Configurări experimentale. 27 2.2.1 Punerea în funcțiune a diodei laser. 27 2.2.2 Determinarea curbei caracteristice a diodei laser. 27 2.2.3 Introducerea stick-ului YAG. 28 2.2.4 Măsurarea duratei de viață a fluorescenței. 28 2.2.5 Structura laserului Nd-YAG. 28 2.2.6 Dublarea frecvenței. 29 1
CUPRINS 2 3 Evaluarea experimentului 30 3.1 Măsurarea diodei semiconductoare. 30 3.1.1 Măsurarea puterii și măsurarea pragului laser. 30 3.1.2 Determinarea coeficienților de regresie. 32 3.1.3 Măsurarea lungimii de undă peste pragul laserului. 33 3.1.4 Linia de lucru pentru lungimea de undă. 35 3.1.5 Măsurarea duratei de viață a fluorescenței. 35 3.2 Laser Nd-YAG. 36 3.2.1 Măsurarea puterii cu putere de intrare constantă. 37 3.2.2 Măsurarea puterii cu lungimea de undă de intrare constantă. 38 3.3 Dublarea frecvenței. 38 3.3.1 Măsurarea lungimii de undă a fasciculului dublat în frecvență. 38 3.3.2 Măsurarea puterii cu cristalul de dublare a frecvenței. 39 4 Discuție finală 40 A Date de măsurare 41
Capitolul 1 Bazele teoretice 1.1 1.1.1 Laserul General Acronimul LASER reprezintă Amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiație. Laserele produc lumină intensă, monocromatică, coerentă, făcându-le de neînlocuit în mai multe câmpuri. Acestea sunt utilizate în multe domenii, cum ar fi electronica de divertisment, comunicarea optică, spectroscopia, tehnologia medicală și multe altele. Până la inventarea laserului, a fost o mare problemă generarea de lumină coerentă. T. H. Maiman a reușit să realizeze un laser cu lumină vizibilă pentru prima dată în 1960. A fost un laser rubin care a fost pompat cu o lampă flash. 1.1.2 Structura unui laser Figura 1.1: Structura laserului 3
CAPITOLUL 1. PRINCIPII TEORETICE 22 1.5.3 Absorbant saturabil Un absorbant saturabil este un instrument de comutare optică pasivă și este utilizat pentru comutarea Q la rezonatoarele laser. Se compune dintr-un material cu un coeficient de absorbție care depinde de intensitatea luminii incidente. În acest scop, de ex. o soluție de colorant sau un dispozitiv semiconductor. Cum funcționează: odată cu creșterea inversării populației în mediul activ, crește și numărul de fotoni. Odată ce un anumit prag a fost atins, materialul absorbant devine permeabil la radiația laser și laserul începe să oscileze. După ce inversiunea este redusă în mare măsură, absorbția crește din nou după timpul de relaxare. Calitatea rezonatorului scade apoi sub pragul laserului. La inversarea maximă, trebuie atinsă cea mai bună intensitate de saturație posibilă. Acest lucru se poate realiza prin concentrația soluției de colorant. Rezultatul este impulsuri laser scurte cu putere mare.