Optikai mérési módszerek

Átírás

1 Ágazati Á felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő ő képzési é és K+F feladatokra" " Optikai mérési módszerek Márton Zsuzsanna (1,2,3,4,5,7) 23457) Tóth György (8,9,10,11,12) Pálfalvi l László (6) 1

2 7. előadás A LAB2 függvénykészlet Ezen az órán bemutatjuk tj az ultrarövid impulzusok modellezésére é szolgáló LAB2 függvénykészletet, amely a LabVIEW programozási nyelv egy ingyenesen hozzáférhető kiegészítése. Ultrarövid lézerimpulzusok leírása, pillanatnyi frekvencia ALAB2fü függvények: lézerek, lineáris i és nemlineáris i elemek, detektorok, kölcsönhatások 2

3 A LAB2 csomag telepítése Először csomagolja ki a letöltött Lab2 könyvtárat valahová a merevlemezre, majd kövesse az alábbi utasításokat. Indítsa el a LabView-t és nyisson egy új projektet. Kattintson a TOOLS-ra a front panelen, válassza az ADVANCED funkciót, aztán az EDIT PALETTE SET... A jobb egér gombbal kattintson egy üres helyre a FUNCTIONS ablakban, majd válassza az INSERT, SUBPALETTE opciókat. Ekkor megjelenik egy INSERT SUBPALETTE nevű ablak. Kattintson a LINK TO AN EXISTING PALETTE FILE (.MNU) és az OK gombokra. Megjelenik egy párbeszédablak, amiben ki kell választani a megfelelő menü fájlt. Ehhez most keressük meg az előbb mentett Lab2 könyvtárat, és ott válasszuk ki a lab2.mnu fájlt. Most a Lab2 ikonnak meg kell jelenni a függvénypalettán. Aktiválja az EDIT CONTROLS AND FUNCTIONS PALETTE SET... ablakot (lehet, hogy a front panel mögött lesz), majd válassza a SAVE CHANGES opciót. Amennyiben a LabView hibát jelez a subvi-ok betöltésekor, adja a Lab2\llb\* elérési utat a LAbView VI elérési utakhoz. Ehhez kattintson a TOOLS és az OPTIONS gombokra, válassza ki a baloldali listából a PATHS kategóriát. A legördülő menüből válassza a VI SEARCH PATH opciót és használja a BROWSE gombot a Lab2 elérési útjának a listához adásához. Telepítés után a Lab2 függvényei beépülnek a függvénypalettába.

4 A rövid impulzus kezelése a Lab2-ban Rövid impulzusok alatt a továbbiakban az 1. előadásban ismertetett formalizmussal leírt impulzusokat értünk. Lassan változó amplitúdó közelítést használunk, ω 0 központi frekvencia a frekvencia első momentuma. A Lab2 az impulzust az E(λ) komplex függvénnyel adja meg, és spreadsheet file formátumban tudja beolvasni illetve elmenteni. A spreadsheet file 5 oszlopból áll: 1. hullámhossz [nm] a 2. Az elektromos tér 3. Ha nem adjuk meg, abszolút értéke fázisa a mindenhol 0 valós Ezek az része oszlopok opcionálisak képzetes része [J/(m [/( 2 nm)] [V/(m nm)] [V/(m nm)] Input Output path: elérési út pulse out: impulzus auto: delimiter: fluence: 2^n 4 aha szimuláció igaz, 2^n-t nem kell megadni módja elválasztó karakter energia/ Ha megadunk fluence értéket, akkor a térerősség adatait úgy számolja újra, hogy a fluence a felület megadott érték legyen. mintaszám: n

5 A rövid impulzus kezelése a Lab2-ban Tutorial load spreadsheet.vi front panel Read pulse from spreadsheet.vi A bemeneten az impulzust a fenti alakú spreadsheet fájlban adjuk meg A kimeneten az impulzus klaszterként jelenik meg 5

6 A rövid impulzus kezelése a Lab2-ban Egy spektrum fájl 1,00E ,00E+012 IE(λ)I 6,00E+012 4,00E+012 2,00E+012 0,00E Wavelength [nm]

7 A spektrum klaszter Number of points 2-hatvány FFT! Mivel a fluence adatban tároljuk a területegységre jutó energiát, a spektrális amplitúdó le van normálva a könnyebb számolás érdekében Az impulzust a frekvencia tartományban adjuk meg, és csak pozitív frekvenciákon. Ráadásul RELATÍV frekvenciákat használunk (w0-hoz képest). Tehát a kirajzolt spektrumon mégis lesznek negatív w értékek.

8 A rövid impulzus kezelése a Lab2-ban Tutorial load spreadsheet.vi front panel 8

9 Megjegyzések A LAB2 egyenletes intenzitás eloszlást feltételez a nyaláb keresztmetszete mentén: W F 0 =, ahol W az energia, r anyalábsugár. 2 πr 2W Gauss-nyaláb esetén, r nyalábnyaknál ál F0 =. 2 πr ezért ha Gauss nyalábot szimulálunk, akkor az energiát kétszer nagyobbnak kell választani. 9

10 A LAB2 lézerek palettája Gaussian pulse.vi sech square pulse.vi add noise.vi read pulse from spreadsheet.vi read pulse from file.vi 10

11 A LAB2 lineáris elemek palettája Standard elemek: pl. késleltetés, teleszkóp, nyaláb kombinálás, átlátszó, lineáris diszperziójú közeg Komplex optikai elrendezések impulzus nyújtásra és összenyomásra A nyújtó és összenyomó vi-ok intelligens párja automatikusan beállít néhány paramétert, hogy optimalizálja a kimenet csúcsintenzitását. 11

12 Példa a LAB2 lineáris elemek használatára Tutorial compressor grating.vi grating compressor.vi Két rácsból és egy tükörből álló rácsos kompresszort szimulál. A második rács automatikusan úgy van beállítva, hogy a központi frekvencia essen a közepére. Ha a spektrum szélesebb, mint a rács, akkor spektrális levágás történik. intensity.vi Megadja a bejövő impulzus időbeli intenzitását, pillanatnyi frekvenciáját, szélességét. A valóságban nincs ilyen detektor. 12 taylor phase.vi Adott rendig sorba fejti az impulzus időbeli és spektrális alakjának fázisát. Figyelem! Az 1/k! tagokat nem tartalmazzák az együttható vektorok.

13 Tutorial compressor grating.vi előlap a Gauss-nyaláb specifikációja az intensity.vi paraméterei az intenzitás-idő függvény a spektrális fázis Taylor-komponensei a rácsos kompresszor specifikációja az intenzitáshullámhossz függvény 13

14 Az intelligens rácsos kompresszor Képes optimalizálni a delta rácstávolságot, a pozitívan csörpölt bemenő impulzus optimális összenyomásához. kiindulási rácstávolság 14

15 A LAB2 nemlineáris elemek palettája A leggyakoribb nemlineáris effektusok szimulálására áteresztő nemlineáris közeg optikai szál erősítő optikai szál SFM kristály (veszteségmentes három hullám keverés) erősítő ki kristály varázsló SFM kristály (veszteséges három hullám keverés) 15

16 Ti:zafír erősítő közeg modellezése tutorial bulk amplifier.vi amplifier.vi Egy oldalról vagy mindkét oldalról pumpált Ti:zafír kristályt szimulál. A polarizációt mindkét pumpa impulzusra meg kell adni, mert anizotróp a közeg. A reflexiós veszteségek elkerüléséhez a belépő szög legyen Brewster-szög. szög. A két pumpa impulzus egyenlő hosszú. Lehetnek különböző intenzitásúak, lehet köztük késleltetés. Ez a modul számításba veszi az erősítés telítődését, a rezonáns erősítés miatti és a zafír anyagi tulajdonságai miatti diszperziót, és a nemlineáris ön-fázismodulációt. Ciklusba van ágyazva, és ezzel lehetőséget nyújt sok átmenetes vagy regeneratív 16 erősítési folyamatok szimulálására is.

17 Spektrális intenzitás a Ti:zafír erősítő kimenetén a bemenő nyaláb fázismodulációjának függvényében tutorial bulk amplifier.vi f(ω) szinuszos fázismoduláció esetén az [( ω ω dt + ] f ω) = Asin ) φ + Δ ( 0 függvény paramétereit kell megadni 17

18 Detektorok A fs impulzus teljes karakterizálásához amplitúdót és fázist kell mérni az idő vagy a frekvencia tartományban. Pillanatnyi nemlineáris effektusokon alapuló közvetett technikák A LAB2 egy sor ilyen indirekt mérési módszert szimulál, de létrehoztak olyan eszközöket is, amelyek nem valósíthatók meg fizikailag. Ezek a hibakeresést segítik a programban. Háttérmentes Sok nagyságrenden keresztül méri az intenzitást. Háttérrel terhelt Másodrendű Inherens időszimmetria. Elő- és utóimpulzus nem különbözik. Harmadrendű Intenzitás korreláció Interferometrikus korreláció Autokorreláció Keresztkorreláció 18

19 Detektorok valós és matematikai eszközök 19

20 Detektorok korrelációs technikák 20

21 Detektorok FROG technikák FROG: Frequency Resolved Optical Grating. Elv: Előállítjuk, majd spektrálisan felbontjuk az intenzitás korrelációt. Megkapjuk az amplitúdót és a relatív fázist. Az idő megfordítására invariáns az eredmény. iωt A FROG jel : F ( ω, τ ) f ( t, τ ) e dt, hogy melyik nemlineári s folyamatot 2 ahol használjuk f. ( t,τ ) attól függ, f f f ( t, τ ) ( t, τ ) ( t, τ ) = = = E E E ( t) E ( t) E * 2 2 ( t) E ( t ( t 2 ( t τ ) τ ) τ ) DFG SFG THG FROG FROG FROG - ra - ra - ra f ( t, τ ) = E 1 ( t) E 2 ( t τ ) 2 PG FROG - ra 2 * f ( t, τ ) = E1 ( t) E ( t τ ) TG FROG - ra 21 és SD FROG - ra Részletesen később

22 Detektorok FROG technikák 22

23 Kölcsönhatások Ebbe a csoportba a lézer-anyag kölcsönhatást szimuláló speciális függvények tartoznak. A rezonáns három szintes rendszer vi a Maxwell-Bloch egyenleteket oldja meg A kétatomos molekula vi az időfüggő Schrödinger egyenletet oldja meg két atomos molekulára egy alap és egy gerjesztett állapottal. 23