Základním praktikum z laserové techniky FJFI ČVUT v Praze Úloha:
#6 – Nelineární transmise saturovatelných absorbérů
Jméno:
Ondřej Finke
Datum měření:
Spolupracoval:
Alexandr Špaček
Obor / Skupina:
FE / E
30.3.2016
Klasifikace:
1. Úvod Způsobu jak dosáhnout pulzního režimu je několik druhů. Jedním z nich, kterým se budeme zabývat v této úloze, je použití saturovaných absorbérů v rezonátoru. Saturovaný absorbér je látka, která má nelineární závislost transmise na intenzitě dopadajícího světla takovou, že vysokoenergetické signály propouští mnohem lépe.
2. Měření a výsledky Při příchodu jsme zkontrolovali, jestli je aparatura zapojená podle obrázku (Obr. 1) a provedli drobné úpravy.
Obr. 1 – Schéma zapojení aparatury Použitý laser k této úloze byl mikročipový laser Nanolase NP-02012-100. Aktivní prostření tohoto laseru je Nd:YAG s vlnovou délkou záření λ = 1064 nm. Q-spínání laseru je dosaženo díky obsaženému saturovanému absorbentu Cr:YAG, jak je vidět na přiloženém schématu laseru překreslenému podle technické dokumentace (Obr. 2). Svazek vycházející z Nanolase laseru považujeme za gaussovský svazek s módem TEM00. Pro jeho profil platí důležité vztahy
√
w ( z)=w0 1+(
π w 20 z 2 ) ; b=2 z R =2 , λ zR
(1)
kde w0 je poloměr svazku v krčku, w poloměr svazku ve vzdálenosti z od polohy krčku, λ vlnová délka, zR je Rayleighova vzdálenost a b konfokální parametr. Znalost těchto vzorců můžeme využít -1-
k zjištění hustoty výkonu laseru v daném bodě p pomocí rovnice Pp
p=
, (2) π w2 ( z) kde Pp je špičkový výkon laseru v jednom pulsu a πw2 je plocha svazku v pozici z od krčku svazku. Na závěr je nutno poznamenat, že tento výpočet platí pro základní mód TEM00, pro jiné módy by byl výpočet komplikovanější.
Obr. 2 – schéma uspořádání rezonátoru laseru Nanolase. 2.1 Ověření parametru laseru Před samotným měření nelineární transmise jsme měřili a ověřovali tabulkové specifikace použitého laseru. Nejdříve jsme pomocí wattmetru měřili střední výkon laseru Pstr. Následně pomocí osciloskopu periodu T , ze které jsme určili frekvenci pomocí 1 f= . T
(3)
Na osciloskopu jsme měřili šířku jednoho pulzu v polovině maxima, tzv. FWHM – Full Width Half Maximum τFWHM. Finálně jsme za použití vztahů E p= P p= τ
Pstr f
(4)
Ep
(5)
FWHM
odvodili energii jednoho pulzu Ep a výkon jednoho pulzu Pp. Všechny tyto hodnoty jsme vložili do tabulky (Tab. 1), kde jsme je porovnali s hodnotami uvedenými ve specifikaci laseru. Měření
Specifikace
Pstr
[mW] 35.0
44.2
f
[kHz] 13.89
15.26
τFWHM
[ns] 1.5*
0.81
Ep
[μJ] 2.52
2.90
Pp
[kW] 3.11
3.58
Tab. 1 – Naměřené hodnoty porovnané se specifikací. Při výpočtu pomocí (5) byla použita hodnota τFWHM ze specifikace jak je vysvětleno níže. -2-
Skoro všechny námi naměřené hodnoty se skoro shodují se specifikací laseru až na šířku pulzu τFWHM. Při jeho měření jsme původně měřili mnohem větší délku, než zasáhl asistent, který nám vysvětlil jak přesně osciloskop při tomto měření pracuje a jak zvýšit citlivost osciloskopu snížením odporu z 1MΩ na 50Ω. Tím se zvýší rychlost vybíjení parazitní kapacity a zúžení pozorovaného pulzu. Po tomto zúžení jsme naměřili uvedenou hodnotu v tabulce (Tab. 2), která je stále větší, než hodnota ze specifikace. Na měření stále mají vliv některé vlastnosti osciloskopu a fotodiody. Asistent nám prozradil, že samotná fotodioda má náběh přibližně tdioda = 1 ns. Následně, že osciloskop má náběh trise = 1 ns závislý na frekvenci, která je specifická pro každý osciloskop. V našem případě se jednalo o f3db = 350 MHz. Z těchto znalostí poté můžeme dopočítat jakou hodnotu naměříme, očekáváme-li τFWHM = 0.81 ns.
√
t system= t 2rise +t 2dioda=√ 12+ 12=√ 2
(6)
√
t measure= t 2system +τ 2FWHM=√ 2+ 0.812≈1.63
(7)
Jak je vidět z (7) naše měření by se mělo pohybovat kolem hodnoty 1.63, která je o trochu větší, než jsme naměřili. To bych přisoudil pravděpodobně špatnému odečtení z osciloskopu, ze kterého se nám v mnoha případech špatně odečítalo. 2.2 Měření nelineární transmise krystalu Ze specifikace víme, že w0 = 85 μJ. Společně se znalostí vlnové délky můžeme z pravého vzorce v (1) určit zR = 2.1 cm a b = 4.2 cm. Nejdříve určíme hodnoty poloměru w(z) a hustoty výkonu p a zaneseme je do tabulky (Tab. 2). zteor
[cm] w
[μm] p
0
85
13700
2.1
120
6875
10
414
577.6
50
2030
24.02
[kW/cm2]
Tab. 2 – Teoretické hodnoty hustoty výkonu p a poloměru svazku w(z) vypočítané pomocí (2) a (1) v polohách zR, 10 cm a 50 cm od krčku. Na stolek za laser jsme umístili nejdříve kratší krystal a na různých bodech dráhy jsme pomocí wattmetru změřili výkon, který krystalem prošel. Poté jsme wattmetr vyměnili za diodu a měření na stejných místech jsme provedli znovu. Do tabulky (Tab. 3) v příloze jsme vložili data z tohoto měření. Následně jsme udělali jednou kompletně stejné měření, jenom s dlouhým krystalem. Data z tohoto měření jsou v tabulce (Tab. 4). Do grafu (Obr. 3) vložíme závislost vypočítaných transmisí podle obou měření u obou vzorků. V grafu (Obr. 4) se nachází závislost transmise kratšího vzorku na hustotě výkonu. Stejná závislost pro delší vzorek je v grafu (Obr. 5). Důležité je zmínit, že při měření jsme očekávali, že největší transmise bude v krčku, kde gaussovský svazek nejintenzivnější. Ovšem při obou měřeních jsme nalezli krček vždy v jiné pozici, která se navíc v obou případech velmi lišila od specifikace. Podle specifikace se nachází krček 2.5 cm za výstupem, ovšem při měření s krátkým krystalem byla největší transmise 6 cm za výstupem a u dlouhého vzorku 4.5 cm za výstupem. Tuto změnu pozice krčku si nedokážeme vysvětlit. Podle Obr. 4 respektive Obr. 5 můžeme saturační intenzitu krystalů odhadnout jako Is1 ≈ 4 MW/cm2 respektive Is2 ≈ 7.5 MW/cm2.
-3-
Obr. 3 – Vypočítané hodnoty transmise Tosci/watt obou krystalů na vzdálenosti z od výstupu z laseru.
Obr. 4 – Vypočítané hodnoty transmise Tosci/watt tenkého krystalu na hustotě výkonu p.
-4-
Obr. 4 – Vypočítané hodnoty transmise Tosci/watt dlouhého krystalu na hustotě výkonu p.
3. Závěr Během měření jsme porovnali a parametry laseru s technickou dokumentací (Tab. 1) a ukázali si, jak funguje osciloskop a proč na něm nejsme schopni přesně změřit délku pulzu. Následně jsme naměřili transmise dvou vzorků saturovaných absorbérů. Jejich saturační intenzitu jsme odhadli jako Is1 ≈ 4 MW/cm2 pro krátký vzorek a Is2 ≈ 7.5 MW/cm2 pro dlouhý vzorek. Do grafů (Obr. 4 a 5) jsme vynesli závislost transmise na hustotě výkonu a do grafu (Obr. 3) závislost transmise na vzdálenosti od laseru.
4. Použitá literatura [1] Návod k úloze 6 - Nelineární transmise saturovatelných absorbérů. [Online] [5.4.2016] http://people.fjfi.cvut.cz/blazejos/public/ul6.pdf
5. Přílohy [mW] p
[kW/cm2] Twatt
z
[cm] Uosci
[V] Pwatt
2
0.74
26.4
2956.0
75.4
74
4
0.80
27.0
7232.0
77.1
80
4.5
0.80
27.3
9153.0
78.0
80
5
0.80
27.6
11180.0
78.9
80
5.5
0.80
28.3
12970.0
80.9
80
-5-
[%] Tosci
[%]
6
0.80
28.5
13700.0
81.4
80
6.5
0.80
27.3
12970.0
78.0
80
8
0.80
26.7
7232.0
76.3
80
10
0.76
26.7
2956.0
76.3
76
12
0.72
25.8
1499.0
73.7
72
14
0.72
25.2
882.1
72.0
72
15
0.72
25.2
707.7
72.0
72
20
0.72
24.6
301.5
70.3
72
30
0.72
24.0
104.1
68.6
72
Tab. 3 – Naměřené a vypočtené hodnoty při měření s krátkým vzorkem. z je vzdálenost od laseru, Uosci napětí naměřené na osciloskopu, Pwatt výkon naměřený na wattmetru, p vypočítaná hustota výkonu v bodě, Twatt je transmise určená měřením wattmetrem a Tosci určená pomocí oscilátoru.
[mW] p
[kW/cm2] Twatt
z
[cm] Uosci
[V] Pwatt
[%] Tosci
4
0.52
17.4
12970.0
49.7
52
4.5
0.50
18.3
13700.0
52.3
50
5
0.52
17.7
12970.0
50.6
52
5.5
0.46
16.8
11180.0
48.0
46
6
0.48
16.5
9153.0
47.1
48
6.5
0.42
15.0
7232.0
42.9
42
7
0.38
13.5
5681.0
38.6
38
8
0.42
12.9
3636.0
36.9
42
9
0.42
14.7
2450.0
42
42
10
0.44
15.6
1748.0
44.6
44
16
0.42
15.3
442.5
43.7
42
20
0.42
14.7
247.1
42.0
42
30
0.44
15.0
91.5
42.9
44
[%]
Tab. 4 – Naměřené a vypočtené hodnoty při měření s dlouhým vzorkem. z je vzdálenost od laseru, Uosci napětí naměřené na osciloskopu, Pwatt výkon naměřený na wattmetru, p vypočítaná hustota výkonu v bodě, Twatt je transmise určená měřením wattmetrem a Tosci určená pomocí oscilátoru.
-6-
