14. Előadás Döntött impulzusfrontú THz gerjesztési elrendezés optimalizálása

Átírás

1 14. Előadás Dötött impulzusfrotú THz gerjesztési elredezés optimalizálása THz-es tartomáy: távoli ifravörös Hatékoy THz-es impulzus keltés: emlieáris optikai úto Ultrarövid impulzusok optikai egyeiráyítása Perspektivikus ayagok: ferroelektromos kristályok (pl. LiNbO 3 (LN)) probléma: ehézségek a sebességillesztésbe agy tm. külöbség miatt:,, = 5 p,cs = THz, f megoldás: dötött impulzusfrotú gerjesztés TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 1

2 Dötött impulzusfrotú THz gerjesztési elredezés optimalizálása A keltett THz a pumpálás dötött impulzusfrotjára merőlegese terjed! A leképezési hibája: impulzushossz kiszélesedés + impulzusfrot görbület Pumpáló yaláb mérete korlátozott korlátozott koverziós hatásfok TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt

3 THz gerjesztési elredezés optimalizálása Aleképező optikát tartalmazó dötött impulzusfrotú gerjesztési séma optimalizálása Követelméyek: i) γ impulzusfrot-dőlések a sebességillesztési i feltétel l által meghatározott értékűek kell lei. cos( γ) = p, cs / THz, ii) A pumpáló impulzus impulzushosszáak miimálisak kell lei a dötött impulzusfrot meté ott, ahol az itezív THz keltést várjuk. a rács képe esse egybe a dötött imp. frottal iii) A pumpáló impulzusfrotak síkak kell leie. TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 3 f

4 A lecsés séma ii) Feltétel teljesülése y 1 y Nevezetes sugármeetek Alapjá levezethető A kristálybeli szögdiszperzió d: rácsálladó : LN tm. (pump) γ: kívát imp. frot dőlés taγ Feltétel: ta θ = ta θ dε 1 s1 = d d cosθ dε = d d d s d cosθ 1 f = 1 g θ = γ TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 4 g J. A. Fulop et al. Optics Express 18, (1) d s f f f f f

5 Az előzőek alapjá az optimális geometria paraméterei : A diffrakciós szög: a d ) ( ) ( si g d θ = A beesési szög: = = ) ( ) ( 1 si si g d i θ θ a d d ) ( ) ( g A rács - lecse távolság: ( )f a s = fs 1 s A lecse - kristály távolság: ( ) 1 1 f s f s = γ γ 4 g ta ) ( ) ( 4 ta ) ( ) ( ) ( d d a g + = ahol TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 5

6 A lecse specifikációja Lecse típusa: f = mm omiális fókusztávolságú NIR akromát (Edmud Optics) Eze iformációk alapjá a lecse TracePro-ba megtervezhető TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 6

7 A lecsés séma, optimális paraméter beállítás a szimulációkhoz Lecse típusa: f = mm NIR akromát (Edmud Optics) A diffrakciós szög: θ d = 57,5 (deg) A beesési szög: θ i = 38,9 (deg) A rács - lecse távolság: s = , A lecse - kristály távolság: A mélység a kristályba: s = 37, 97mm s = 8mm TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 7

8 Az impulzusfrot kostruálása a csoportkésés alapjá törtéik, amit a rácsra beeső yalábra merőleges kiszemelt síkhoz (az aimáció aracssárga hullámfrot) viszoyítuk. A sugárkövetés a rácstól a kristály belsejébe s mélységbe kiszemelt, optikai tegelyre merőleges síkig (aimáció aracssárga) törtéik. A vizsgálatokat csak síkba (a szögdiszperzió síkjába) tesszük meg. Az aimációt, illetve a feldolgozás éháy lépéséek megjeleítését a következő fóliáko láthatjuk. A módszer mid a lecsés mid a teleszkópos elredezés eseté azoos. TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 8

9 Aimáció Dötött impulzusfrot terjedéséek demostrálása, teleszkópos elredezésél TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 9

10 A tervezés lépései Az akromát lecse első alkotórészéek beszúrása, jellemzőiek megadása: TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 1

11 A tervezés lépései Az akromát lecse második alkotórészéek beszúrása, jellemzőiek megadása: TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 11

12 A tervezés lépései Az LN kristály beszúrása, jellemzőiek megadása: Az egyedi törésmutató megadás oka, hogy a Trace Pro kizárólag az adalékolatla kogrues LN törésmutatóját ismeri, a gyakorlatba adalékolt sztöchiometrikus kristályt haszáluk TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 1

13 Sugárkövetés végrehajtása Sugárforrás á defiiálása iálá Optikai rácsuk az optikai tegelyre merőleges (függőleges iráyhoz) képest 57, 49 fokba dötve va. A rácsról (forrás) a sugarak az optikai tegellyel párhuzamosa idulak. TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 13

14 Sugárkövetés eredméye, kiértékelés A sugármeetek a ferde rácstól a kristályig i Egy kiválasztott (1.sz) sugár jellemzői a evezetes helyeke TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 14

15 A dötött impulzusfrot kostruálása Céluk, hogy a dötött impulzusfrot emlieáris közegbeli alakját (ami csak ideális, leképezési hibáktól metes esetbe sík) meghatározzuk. Ehhez a Trace Pro aalízisé kívüli kiegészítő számításokat is kell végezi a Trace Pro eredméyeit felhaszálva. A sugárkövetéses számításokkal a sugarak léyeges jellemzőit megtudtuk a ferde rácstól a kristályba kijelölt síkig. Ezek közül kiemeledő az egyes sugarakhoz tartozó optikai úthossz (OPL),a miből a fáziskésés meghatározható. Amire szükségük va az impulzusfrot meghatározásához: az egyes sugarakhoz tartozó csoportkésés ráadásul a rácsra ferdé beeső féyyalábra merőlegese kiválasztott valamely sík (aimáció aracssárga), és a kristályba kiválasztott sík (aimáció aracssárga) között. Ehhez a következő kiegészítések, korrekciók szükségesek: TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 15

16 A dötött impulzusfrot kostruálása i) Az egyes sugarak rácsra való beérkezésig eltelt idő-korrekció, ami köyedé megtehető egyszerű geometriai megfotolással a beesési szög, illetve a rács kivilágított tartomáyáak agyságáak ismeretébe. ii) Az egyes közegbeli OPL értékekből számolt időket korrigáli kell a csoporttörésmutatóval: cs ( ) = ( ) d d ( ) Erre egy lehetséges módszer, hogy a már megismert módo a Trace Proval kiíratjuk a törésmutató értékeket a közpoti hullámhossz kis köryezetébe, majd umerikusa meghatározzuk a csoport törésmutatót. TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 16

17 A dötött impulzusfrot kostruálása iii) Ezutá az egyes sugarakra meghatározzuk az optikai tegely meté haladó sugárhoz képesti csoportkésést. Ez alapjá, illetve ismerve a beérkező sugarak iráyát meg tudjuk modai, hogy hol tart az adott sugár abba a pillaatba, amikor a tegely meti sugár eléri a kristályba kiválasztott síkot. Ezáltal kostruáltuk is az impulzusfrotot, hisz a sugarak végei az itezitásmaximumhoz itá i tartozót potokat t reprezetálják. A lecsés elredezés sorá kostruált impulzusfrotot a teleszkópos elredezés sorá kostruált impulzusfottal összehasolítva a teleszkópos elredezés tárgyalásáak végé láthatjuk. Megjegyzés: A teleszkópos elredezésél ugya ezt a metódust követjük, ezért ott már em teszük ilye mélységű részletezést, csupá az elredezés geometriájáak, és a fotosabb jellemzőkek a megadását tesszük meg. TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 17

18 A teleszkópos séma ii) Feltétel teljesülése y y 1 Hasoló godolatmeetet követve, mit a lecsés elredezésél megmutatható, th tó hogy a kívát feltétel l akkor teljesül, ha s 1 = f 1 s = f Δ = ( ) s azaz f 1 f 1 f f elredezésről va szó a defiíciója: lásd a lecsés elredezésél TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 18 f / f = 1 a

19 A teleszkópot alkotó lecsék specifikációja Lecse1: f 1 = 5 mm omiális fókusztávolságú á BK7 TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 19

20 A teleszkópot alkotó lecsék specifikációja Lecse: f = 15 mm omiális fókusztávolságú á BK7 TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt

21 A teleszkópos séma optimális paraméter beállítás a szimulációkhoz Lecsék típusai: f 1 = 5 mm, f = 15 mm omiális fókusztávolságú BK7 A diffrakciós szög: θ d = 56,87(deg) A beesési szög: θ i = 38,1(deg) A rács - lecse távolság: s 54, 85mm 1 = A lecse - kristály távolság: A mélység a kristályba: s = 149, mm s = 8mm TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 1

22 Sugárkövetés eredméye A sugármeetek a ferde rácstól a kristályig i f 1 f 1 f f TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt

23 Az impulzusfrotok A lecsés és a vele paraxiális közelítésbe ekvivales leképezésű teleszkópos redszer összehasolítása az impulzusfrotok geometriája alapjá: 6 4 lecsés teleszkópos y (mm) z (mm) Megállapíthatjuk, hogy midkét esetbe a z = helye a közös éritő meredeksége megfelel a kívát 63,5 -os impulzusfrot dőlések. Látszik továbbá, hogy a teleszkóp alkalmazása eseté jóval kisebb a leképezési hibák okozta görbület, ami jobb miőségű (kevésbé diverges) THz-es yalábot eredméyez TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 3

24 Mit ismertük meg? - A TracePro teljesítőképességéről győződhettük meg a dötött impulzusfrotú THz keltés szimulációja sorá. Láthattuk, hogy a program geometriai optikai alapoko yugvó eszköztára lehetőséget adott arra, hogy trükkök segítségével, és kiegészítő számításokkal olya problémát is szimuláljuk, ami túlmutat a geometriai optika hatásköré. TÁMOP C-1/1/KONV-1-5 projekt 4