Fizikai gyakorlat haladó hallgatók számára
Gyakorlati fizika tanfolyam haladó hallgatók számára 30. kísérlet: Nemlineáris optika, 2009. január 8., 1. A protokoll benyújtása: 2009. január 15. ulm.de Sascha Hankele [email protected] Aláírás Aláírás
Tartalom 1 Elméleti alapok 3 1.1 A lézer. 3 1.1.1 Általános. 3 1.1.2 A lézer felépítése. 3 1.1.3 Indukált és spontán átmenetek. 4 1.1.4 A populáció inverziójának generálása a három- és négyszintű lézer példájával. 5 1.1.5. Az Nd-YAG lézer sebességegyenletének modellje. 7 1.1.6 A sebességegyenlet időfüggő megoldása. 8 1.1.7 A sebességegyenlet időfüggő megoldása. 10 1.2 Optikai rezonátorok. 11 1.2.1 Típusok. 11 1.2.2 Rezonátor módok. 12 1.2.3 A rezonátor stabilitása. 12 1.2.4 Veszteségek. 13 1.2.5 Transzverzális módok. 14 1.3 Félvezető lézerek. 15 1.3.1 Felépítés és működés. 15 1.3.2 A félvezető lézer tulajdonságai. 16 1,4 Nd-YAG lézer. 17 1.4.1 Meghatározás. 17 1.4.2 Fluoreszcencia és abszorpciós spektrum. 18 1.5 Nemlineáris optika. 19 1.5.1 Nemlineáris polarizálhatóság. 19 1.5.2 Másodrendű hatások. 20 1.5.3 Telíthető abszorber. 22 2 A kísérlet beállítása 23 2.1 A kísérleti rendszer leírása. 23 2.2 Kísérleti beállítások. 27 2.2.1 A dióda lézer üzembe helyezése. 27 2.2.2 A dióda lézer jelleggörbéjének meghatározása. 27 2.2.3 A YAG bot behelyezése. 28 2.2.4 A fluoreszcencia élettartamának mérése. 28 2.2.5 Az Nd-YAG lézer felépítése. 28 2.2.6 A frekvencia megduplázása. 29 1
TARTALOM 2 3 A kísérlet értékelése 30 3.1 A félvezető dióda mérése. 30 3.1.1 Teljesítménymérés és a lézerküszöb mérése. 30 3.1.2 A regressziós együtthatók meghatározása. 32 3.1.3 A lézerküszöb feletti hullámhossz mérése. 33 3.1.4 Munkavonal a hullámhosszra. 35 3.1.5 A fluoreszcencia élettartamának mérése. 35 3,2 Nd-YAG lézer. 36 3.2.1 Teljesítménymérés állandó bemeneti teljesítmény mellett. 37 3.2.2 Teljesítménymérés állandó bemeneti hullámhosszon. 38 3.3 A frekvencia megduplázása. 38 3.3.1 A frekvencia-duplájú sugár hullámhosszának mérése. 38 3.3.2 Teljesítménymérés a frekvenciakettős kristályokkal. 39 4 Záró megbeszélés 40 A Mérési adatok 41
1. fejezet Elméleti alapok 1.1 1.1.1 A lézer általános A LASER rövidítés a fénysugárzás stimulált sugárzással történő rövidítése. A lézerek intenzív, monokromatikus, koherens fényt produkálnak, ami számos területen pótolhatatlanná tette őket. Számos területen használják, például szórakoztató elektronikában, optikai kommunikációban, spektroszkópiában, orvosi technológiában és még sok másban. A lézer feltalálásáig nagy problémát jelentett a koherens fény előállítása. T. H. Maiman 1960-ban érte el a látható fényű lézer első megvalósítását. Ez egy rubin lézer volt, amelyet vaku lámpával pumpáltak. 1.1.2 A lézer felépítése 1.1. Ábra: A lézer felépítése 3
1. FEJEZET 1. ELMÉLETI ELVEK 22 1.5.3 Telíthető abszorber A telíthető abszorber passzív, optikai kapcsolóeszköz, amelyet Q-kapcsolásra használnak lézerrezonátorokban. Olyan anyagból áll, amelynek abszorpciós együtthatója a beeső fény intenzitásától függ. Erre a célra pl. festékoldat vagy félvezető eszköz. Hogyan működik: Az aktív közegben növekvő populációinverzióval a fotonok száma is növekszik. Ha elérnek egy bizonyos küszöbértéket, az elnyelő anyag áteresztővé válik a lézersugárzással, és a lézer elkezd oszcillálni. Miután az inverzió nagyrészt kiküszöbölődött, a felszívódás a relaxációs idő után ismét növekszik. A rezonátor minősége ezután visszaesik a lézerküszöb alá. Maximális inverzió esetén a lehető legjobb telítettségi intenzitást kell elérni. Ez a festékoldat koncentrálásával érhető el. Ennek eredményeként rövid, nagy teljesítményű lézerimpulzusok jönnek létre.