Ágazai Á flkészíés a hazai LI projkl összfüggő ő képzési é és KF fladaokra" " Opikai mérési módszrk Máron Zsuzsanna (,,,4,5,7 457 Tóh György (8,9,,, álfalvi l László (6 TÁMO-4...C-//KONV--5 projk
5. lőadás A nmlináris opika lmi, pumpa-próba módszrk Az lőadás lső ő flébn fllvníjük l a más kurzusokon k anul nmlináris i opikai ismrk, majd a ranzins folyamaok mérésér szolgáló pumpapróba módszrk lvé és néhány példájá ismrjük, és szó jünk a nmlináris pumpa-próba próba módszrkről TÁMO-4...C-//KONV--5 projk
A nmlináris opika lmi Nmlináris opikai jlnségk: a rndszr (anyag válasza nm linárisan függ az alkalmazo opikai ér rősségéől. Nmlináris ffkusok kllőn nagy (a közg álal mghaározo innziás fl észllhők, ipikusan lézrnyalábbal dmonsrálhaók. Lírás: a ( polarizáció vkornak az lkromágnss érnk az ( (lkromos érrősségéől való függésévl. gyszrű sbn a kapcsola lináris: ( = ε (( ( ( ahol a lináris szuszcpibiliás, a vákuum prmiiviása. ε TÁMO-4...C-//KONV--5 projk
A nmlináris opika lmi Nmlináris sbn Taylor-sorba fjjük a polarizáció vkor. Anizorop ( sbn ˆ i -k i-d rndű nzorok. ( ( ( = ε ( ˆ ˆ ˆ... ( ( ahol a ˆ, ˆ sb. agoka lső, másod, sb. rndű nmlináris opikai szuszcpibiliásnak nvzzük. Izorop sbn lkinhünk a polarizáció és a (i érrősség vkor jllgéől, kkor -k konsansok. ( ( ( ( ( ( ( [ ( ( (...] ( ( (... = ε További fölvésk: A polarizációnak nincs mmóriája. ( csak ( pillananyi érékéől függ. => diszprzió és vszségmns közg (i nm függ a frkvnciáól. z prsz nm igaz, csak lglső közlíés. A jlöléskről:, a érkoordináákól és az időől függő vkorok, (, ( csak az időől függő, (gyorsan válozó, valós mnnyiségk. A ovábbiakban az indxszl jlöl,, sb. mnnyiségk konsansok, A( a lassan válozó ampliúdó.. TÁMO-4...C-//KONV--5 projk 4
Másod- és harmadrndű polarizáció ( ( ( = ε ( másodrndű polarizáció Másodrndű jlnségk nm lépnk fl cnrálisan szimmrikus anyagban (pl. gázok, folyadékok, amorf anyagok (üvg!, bizonyos krisályok ( ( = ε ( ( harmadrndű polarizáció Harmadrndű jlnségk cnrálisan szimmrikus anyagokban is fllépnk. A polarizáció időfüggés fonos, mr a válozó polarizáció vkor lkromágnss r kl. NL n Hullámgynl: =, c ε c ahol n a (szokásos, lináris örésmuaó, c a vákuumbli fénysbsség. TÁMO-4...C-//KONV--5 projk 5
Másodharmonikus klés Lgyn a lézrnyaláb lkromos r: A krisály másodrndű szuszcpibiliása: i ( = c. c. ( ( ( = ε ( ( ( ( * ( i ( = ε ( ε c. c. ( Frkvncia-függln, frkvnciájú lkromágnss szaikus lkromos ér a sugárzás kl krisályban. opikai gynirányíás NL n =, c ε c TÁMO-4...C-//KONV--5 projk 6
A másodharmonikus klés sémája Viruális nrgianívók. Nm gy grjsz aomi állapohoz, hanm az aom-foon rndszrhz aroznak. Az aom alapállapoához arozó nívó TÁMO-4...C-//KONV--5 projk 7
Másodrndű folyamaok ké bmnő frkvncia sén Lgyn a bső sugárzás ké különböző frkvnciájú komponns összg:.. ( c c i i = Lgyn a bső sugárzás ké, különböző frkvnciájú komponns összg: ( ( ( ( = ε A másodrndű polarizáció: Kifjv: ( ( [ ] * ( (.. ( c c i i i i = ε [ ] [ ] * * (.. ( c c ε ε Formálisan összgkén flírva: = n i n n ( ( ( TÁMO-4...C-//KONV--5 projk 8
Másodrndű folyamaok ké bmnő frkvncia sén ( ( = ( ( n n in ahol az összgzés poziív és ngaív n frkvnciákra rjd ki. A különböző frkvnciakomponnsk komplx ampliúdói: ( ε ( = ( = ε ( ( ( = ε ( * ( = ε (SHG (SHG (SFG (DFG Másodharmonikus Másodharmonikus Összgfrkvncia Különbségi frkvncia * * ( (OR ( ( = ε ε Opikai gynirányíás y A nmnulla frkvnciák --szrsénél a ampliúdó érék valamlyik fni érék komplx konjugálja, zér nm kll vl külön foglalkozni. lk TÁMO-4...C-//KONV--5 projk 9
Másodrndű folyamaok ké bmnő frkvncia sén gy sor különböző kimnő frkvncia klődik, d zk közül csak az lsz számovő a nmlináris opikai folyama álal kl sugárzásban, amir nézv ljsülnk a fázisillszés fléli. Tchnikailag épp a fázisillszéssl, azaz a krisály mgfllő orinálásával válaszjuk ki a kíván kimni hullámhossz. élda: az összgfrkvncia klés gy ipikus alkalmazása a hangolhaó forrás lőállíása az UV arományban gy fix frkvnciájú és gy hangolhaó láhaó arományba ső bmn sgíségévl. TÁMO-4...C-//KONV--5 projk
Másodrndű folyamaok ké bmnő frkvncia sén élda: Különbségi frkvncia klés klkzik bmnő frkvncián lűnik gy foon bmnő frkvncián klkzik gy újabb foon ( jlnléébn Thá az alacsonyabb bmnő frkvncia rősödik a különbségi frkvncia klés során. mia a különbségi frkvnciaklés opikai paramrikus rősíésnk (OA is hívják. jlnlé nélkül is örénh ké foonos misszió, jóval kisbb valószínűséggl. aramrikus fluorszcncia. (Byr and Harris, 968; Harris al., 967 TÁMO-4...C-//KONV--5 projk
Opikai paramrikus oszcilláor OO Különbségi frkvncia kléskor az vagy az ér jlnlé ovábbi foonoka simulál zkn a frkvnciákon. Ha a krisály gy mgfllő rzonáorba hlyzzük, akkor nagy innziás érhünk l az és/vagy az frkvncián. Az ilyn szköz opikai paramrikus oszcilláornak (OO nvzzük. Az OO- gyakran az IR arományban használják, ahol nm nagyon van más hangolhaó forrás. Az OO azér hangolhaó, mr bármlyik -nél kisbb kilégíi az = gynl valamilyn -mal. A gyakorlaban az OO kimné a fázisillszés sgíségévl hangoljuk. = = ( pumpa jl idlr TÁMO-4...C-//KONV--5 projk
Harmadrndű nmlináris folyamaok A harmadrndű polarizáció: ( ( = ε ( ( Tszőlgs bmnő frkvnciakomponnsk sén nagyon bonyolul a lírás. Monokromaikus sbn írjuk a bmn ( = Ε cos( alakba. Azonosság: cos ( = cos( cos( 4 4 ( ( = ε 4 ( Ε cos( ε 4 ( Ε cos( Harmadik harmonikus klés Innziás-függő örésmuaó mgjlnés TÁMO-4...C-//KONV--5 projk
Harmadik harmonikus klés ( ( = ( ( ε Ε cos( ε Ε cos( 4 4 Harmadik harmonikus klés során három frkvnciájú foon lűnik és gy frkvnciájú foon klkzik. TÁMO-4...C-//KONV--5 projk 4
Az innziásfüggő örésmuaó ( ( = ε 4 ( Ε cos( ε 4 ( Ε cos( A bmnő ér frkvnciájával mggyző frkvnciájú ag. Lgyn: n = n n = n I, n ε c ( n az innziásfüggő örésmuaó, ahol n a szokásos, lináris örésmuaó, n a nmlinariás jllmző konsans, I = nε c I a bső fény innziása. z a ag fll az önfókuszálásér, amink során a érbn inhomogén nyaláb gys részi más-más örésmuaó lának, és z lncshaás rdményz. TÁMO-4...C-//KONV--5 projk 5
aramrikus és nmparamrikus folyamaok aramrikusak az olyan folyamaok amlykbn a rndszr kzdi és végső kvanummchanikai állapoa azonos. aramrikus folyamaban a rndszr csak a viruális állapook élaramának rövid idjér mozdul ki az alapállapoból. A haározalansági l á rláció szrin gy viruális állapo élarama: hδ, ahol δ a viruális állapo és a hozzá lgközlbbi valódi nrgianívó közi nívó nrgiakülönbség. Nmparamrikusak azok a folyamaok, ahol valódi nrgiaszink közi ámn örénik. A paramrikus folyamaok mindig lírhaók valós szuszcpibiliással, míg a nmparamrikus folyamaok lírásához komplx szuszcpibiliás kll bvznünk. A paramrikus ik folyamaokban a foonnrgia mindig mgmarad, míg a nmparamrikus folyamaokban nm flélnül marad mg az nrgia, mr van mód az anyaggal örénő nrgiacsrér. TÁMO-4...C-//KONV--5 projk 6
Rövid impulzusok nmlináris közgbn Ön-fázismoduláció: Harmadrndű folyama, az időbli fázis mgválozása okozza. A spkrális fázis nm válozaja a spkrális innziás, d drámai haással van az impulzus időbli alakjára. Az időbli fázis mgválozása az időbli innziás nm válozaja mg, d a spkrumo ign. Az impulzus időbli alakja: ( i = A( Φ( c. c. Az innziás-függő örésmuaó nmlináris fázisolás okoz az idő arományban: Φ = n c c [ I( ] z = [ n n I( ]z ( Nmlináris időbli fázis: nl ( = Φ ni( z c I( és z nm függln, a vasag anyagban fllépő diszprzió mia. TÁMO-4...C-//KONV--5 projk 7
A B-ingrál: Az innziásfüggő örésmuaó lh lhségs kövkzményi k d B = n I z dz c ( Az ön-fázismoduláció fonos ényző, ha a B >>, d már jóval kisbb érékknél is észrvhő. Modllzés: oszo lépésű Fourir-ranszformációs algorimussal Vgyünk sok vékony szl. s Bonsunk mindn szl ovábbi három arományra. Az lső aromány fll a lináris diszprzió fléér. zuán FT-val visszamgyünk az idő képb, a második arományban kiszámoljuk az gész szl ön-fázismodulációjá, majd visszaranszformálunk és a harmadik aromány hozzáadja a diszprzió hiányzó második flé. z mindn szlr végigcsinálhajuk, és ha a szlk száma lgndőn nagy, akkor az algorimus konvrgál. Önfókuszálás Öncsapdázás (filamnáció A lézrnyaláb szésés Opikai fáziskonjugáció TÁMO-4...C-//KONV--5 projk 8
Időbono spkroszkópia élda: A ranzins abszorpció mérésénk lv fs TA: A. H. Zawail 999 Nobl díj TÁMO-4...C-//KONV--5 projk 9
sményk az időskálán TÁMO-4...C-//KONV--5 projk
Opikai minavélzés A rövid impulzusoka lkromos vagy opikai jlk mérésér használhajuk. A rövid fényimpulzus hossza korláozza a rndszrrl való kölcsönhaás idjé nincs szükség nagyon gyors foodkorra Ha az ulragyors impulzus ún. fookondukív kapcsolóra sik, akkor rövid (<ps időr zárni ud gy áramkör. Kapcsolókén használhaó pl. nagyon gyors AD konvrrkbn vagy xrém rövid lkromos impulzus klh. Az lkro-opikai minavélzés az lkro-opikai (ockls ffkuson alapul Az opikai jlk opikai minavélzés ipikusan gy nmlináris kölcsönhaás álal kl krszkorrlációs jln alapul. l. Krr-ffkus, ffkus SHG, sb. TÁMO-4...C-//KONV--5 projk
Az lkro-opikai opikai minavélzés próba impulzus b τ időponban próba impulzus ki grjsző impulzus időponban lkro-opikai krisály félvző szubszrá fookondukív kapcsoló TÁMO-4...C-//KONV--5 projk