Intrakavitäre. Frequenzverdopplung am NDFrequenzverdopplung. Frequenzverdopplung. Vortrag zum SOWAS-Projekt. Yag-Kristall ND-YAG-Laser Bochum,

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1 Vortrag zum SOWAS-Projekt Intrakavitäre am ND:Yag- am ND Yag-Kristall Alexander Kanitz, Andrea Bischoping, Sandra Schröter

2 Übersicht I. II. Gliederung i. des s ii. Physikalische der III.Versuchsaufbau am mit ND IV. i. Temperaturabhängigkeit der ii. Konversionseffizienz iii. Cavity Ringdown iv. Vergleich: Eigenschaften verschiedener Kristalle V. Fazit/

3 I. des ND-YAGs und heute: Abdeckung eines großen lichtspektralbereichs mit Halbleiterlasern Problem: Für licht im grünen/tiefen UV Bereich keine geeigneten Halbleiter grünes Licht benötigt für pointer (max. Empf. des Auges) Aufbau der Frequenzverdopllung am mit ND Lösung: von infrarotem zu grünem licht Ziele Kenntnisse im Bereich der vertiefen besseres Verständnis für die des s entwickeln Beobachtung von Auswirkungen auf die bei starken Temperaturschwankungen 3

4 II. des ND-Yag-s und des s und und Aufbau Aufbau Temperaturabhängigkeit des Brechungsindizes foto vom Versuchsaufbau der Konversionseffiizienz Kristallvergleich ND-Yag- mit NDam 4

5 II.1 des ND-Yag-s und Funktions- des s des und ND-Yag-La sers Aufbau der Frequenz der II.1.1 Elemente des s Wellenlängenverstellbarer Diodenlaser pumpt ND-YAG-Kristall YAG-Kristall als aktives Pumpmedium (Vier-Niveau-) Besetzungsinversion 808 nm 1064 nm am mit ND Ergebnis: Licht mit der Wellenlänge 1064 nm Verstärkung und Erzeugung von kohärentem Licht durch Resonator 5

6 und Funktions- des s des und ND-Yag-La sers Aufbau der Frequenz der II.1. Vorbereitende : Aufnahme der Arbeitsgeraden Wellenlänge des diodenlichtes variabel über Strom und Temperatur T über I auftragen für λ=const. Arbeitsgerade: Maximale Absorption des YAG-Kristalls bei 808,4 nm Bestimmung der Wellenlänge mittels USB-Spektrograph Bestimmung der Arbeitsgeraden der diode für 808,4 nm am mit ND 6

7 Arbeitsgerade für 808,4 nm und Funktions- des s des und ND-Yag-La sers Aufbau der Frequenz Modehopping der am mit ND Ergebnis: bei maximaler Leistung dioden-betriebstemperatur von 35,3 C notwendig 7

8 II. Physikalische der und Funktionswei-des Funktionsse des des ND- und s Yag-s ND-Yag-La sers Aufbau der Fre quenzverder Frequenz dopplung in Medium einfallendes Licht erzeugt als eine elektromagnetische Welle Polarisationsschwingungen im Kristall Χ Suszeptibilität/ n=0 Materialkonstante :. Ordnung des Terms bei E=E 0 sin wt P= 0 X n E n E P = 0 E 0 sin t = cos t der Neben der Grundschwingung entsteht Welle mit doppelter Frequenz (Second Harmonic Generation) Oberwellen-Intensität für schwache Konversion: k l sin Maxwell+Annahmen+ I SHG = l I FUN Frequenzver Mathematik k l dopplung am mit ND 8

9 Oberwellenintensität: und Funktionswei-des Funktionsse des des ND- und s Yag-s ND-Yag-La sers Aufbau der Fre quenzverder Frequenz dopplung der k l kl sin I SHG = l I FUN Länge des Kristalls Intensität der Grundwelle l IFUN Materialkoeffizient 4d = 3 eff c 0 n n Phasenfehlanpassung: k= n n c Max. Oberwellenintensität bei k =0 n =n (Phasematching) am mit ND 9

10 uniaxiale Kristalle und Funktionswei-des Funktionsse des des ND- und s Yag-s ND-Yag-La sers Aufbau der Fre quenzverder Frequenz dopplung z k n e ist abhängig von der Ausbreitungsn z richtung Phasematching unter Winkel θ x biaxiale Kristalle (KTP = Potassium Titanyl Phosphat) am mit ND E H n o n o ist unabhängig von der Ausbreitungsrichtung e der H E H zwei optische Achsen Brechungsindex in allen Raumrichtungen unterschiedlich aber: in jeder kristallographischen Hauptebene existieren je ein ordentlicher und ein außerordentlicher Index 10

11 III. Versuchsaufbau und und Aufbau des ND-YAG Funktions Temperaturabs und des hängigkeit des ND-Yag-LaBrechungsinsers Aufbau dizes Konversionsefder Frequenz fizienz der Sonstige Ver- c suche cad elemente mit verdopplerkristall am mit ND Filter FokussierKTPlinse Kristall YAGAuskoppelDiode/ Kristall Kollimator spiegel Powermeter diode 11

12 Aufbau Temperatur und Konversion des ND-YAGFunktionss und des KristallverND-Yag-Lagleich Aufbausers der Frequenzi.Temperatur abhängigkeit der IV.1 Untersuchung zur Temperaturabhängigkeit der foto der heizung am mit ND 1

13 IV.1.1 Kristallheizung Kristallheizung c Temperaturahänund gigkeit des Bre chungsindizes des ND-YAGFunktions s Theorie und des VersuchsaufND-Yag-Labau Aufbausers Auswertung der Frequenzi.Temperatur abhängigkeit der am mit ND 13

14 Kristallheizung: Fixierschrauben Temperaturahänund gigkeit des Bre chungsindizes des ND-YAGFunktions s Theorie und des VersuchsaufND-Yag-Labau Aufbausers Auswertung der Frequenzi.Temperatur abhängigkeit der Peltierelemente Isolator PT100 Verdopplerkristall am mit ND 14

15 Blockschaltbild der Kristallheizung PT 100 Temperaturahänund gigkeit des Bre chungsindizes des ND-YAGFunktions s Theorie und des VersuchsaufND-Yag-Labau Aufbausers Auswertung der Frequenzi.Temperatur abhängigkeit der Verdopplerkristall Peltierelemente I0 einstufige Mikropeltierelemente Messfühler PT100 Digitalanzeige für PT100 am mit ND Imax = 1, A Umax = 3,9 V 15

16 Simulation Temperaturverteilung im Kristall Temperaturahänund gigkeit des Bre chungsindizes des ND-YAGFunktions s Theorie und des VersuchsaufND-Yag-Labau Aufbausers Auswertung der Frequenzi.Temperatur abhängigkeit der am mit ND 16

17 Simulation Temperaturverteilung im Kristall Temperaturahänund gigkeit des Bre chungsindizes des ND-YAGFunktions s Theorie und des VersuchsaufND-Yag-Labau Aufbausers Auswertung der Frequenzi.Temperatur abhängigkeit der am mit ND 17

18 IV.1. Temperaturahänund gigkeit des Bre chungsindizes des ND-YAGFunktions s Theorie und des VersuchsaufND-Yag-Labau Aufbausers Auswertung der Frequenzi.Temperatur abhängigkeit der Justage des Kristalls auf bestmögliche Phasenanpassung zur Erzeugung maximaler Oberwellenleistung Vorgehens: am mit ND Regulierung des Stroms an den Peltierelementen bei konstanter Spannung U = 6 V Warten (i.d.r Min.), bis die Temperaturverteilung konstant ist Ablesen der Kristalltemperatur sowie der Leistung des grünen lichts Messinstrument: Photodiode (I~Intensität) Messgröße: Spannung regelmäßiges Überprüfen der Raumtemperatur 18

19 Messkurve: Leistung der SHG in Abhängigkeit von der Kristalltemperatur Temperaturahänund gigkeit des Bre chungsindizes des ND-YAGFunktions s Theorie und des VersuchsaufND-Yag-Labau Aufbausers Auswertung der Frequenzi.Temperatur abhängigkeit der am mit ND 19

20 Datenausschnitt Temperaturahänund gigkeit des Bre chungsindizes des ND-YAGFunktions s Theorie und des VersuchsaufND-Yag-Labau Aufbausers Auswertung der Frequenzi.Temperatur abhängigkeit der am mit ND 0

21 Idee: Daten mitteln und quadratischer Fit Temperaturahänund gigkeit des Bre chungsindizes des ND-YAGFunktions s Theorie und des VersuchsaufND-Yag-Labau Aufbausers Auswertung der Frequenzi.Temperatur abhängigkeit der am mit ND 1

22 IV.1.3 Theorie Temperaturahänund gigkeit des Bre chungsindizes des ND-YAGFunktions s Theorie und des VersuchsaufND-Yag-Labau Aufbausers Hauptmessung Auswertung der Frequenzi.Temperatur abhängigkeit der Phasenanpassung: nur k ist abhängig von der Kristalltemperatur, da δl im Bereich µm k l sin -5 δn im Bereich 10 P =P, max P =P, max 1 1 k l x x sin x 6 1 NR: =1 x Sinc F. 3 x x quadratischer Fit für Pω P = A B1 T B T =C1 C T T 0 Koeffizientenvergleich liefert am mit ND kl k= 1C l T T 0 1C k = = n n T c T l Änderungen von Δk und Δn abschätzbar

23 IV.1.4. Auswertung gemittelte Daten mit quadratischem Fit und sinc-funktion Temperaturahänund gigkeit des Bre chungsindizes des ND-YAGFunktions s Theorie und des VersuchsaufND-Yag-Labau Aufbausers Auswertung der Frequenzi.Temperatur abhängigkeit der Sinc Funktion von k am mit ND Änderung im quadratischen Fit 3

24 Temperaturahänund gigkeit des Bre chungsindizes des ND-YAGFunktions s Theorie und des VersuchsaufND-Yag-Labau Aufbausers Auswertung der Frequenzi.Temperatur abhängigkeit der am mit ND Während der Temperaturänderung nach der Leistungseingabe ist ein Pendeln der Intensität erkennbar Modensprünge, inhomogene Temperaturverteilung Berechnete Werte: k =56 m 1 K 1 T n n ~10 7 K 1 T keine Literaturwerte gefunden Messwerte schwanken deutlich um den angelegten quadratischen Fit Modensprünge 1 k Charakteristische Temperatur T =1,77 L T =33 K weist nach Literatur auf einen KTP-Kristall mit Lichteinfall durch die XY-Ebene ( Handbook of Nonlinear Crystals Dmitriev et al.) TL = 5 K Stimmt überein mit unseren gemessenen T=33 K 4

25 IV. Konversionseffzienz Temperaturahänund gigkeit des Bre chungsindizes des ND-YAGFunktions s Theorie und des VersuchsaufND-Yag-Labau Aufbausers Auswertung der Frequenz- der Fragestellung: Wie effizient wandelt ein Kristall eingehendes licht in frequenzverdoppeltes um? λ = 53 nm λ = 1064 nm Black box=resonator IV..1 Theorie kl k l am mit ND sin I SHG = l I FUN Es gilt P P, k =0 P P = l = 4 d eff l und := = c 3 0 n n P A deff nichtlinearer Koeffizient A querschnitt mit R 0,5 mm (Schätzwert) 5

26 IV.. Graufilter Messvorgang: Konversionseffiziund enz Theorie des ND-YAGFunktions s Vorbereitende und des ND-Yag-La Cavity RingAufbausers down Effizienzmes sung der Frequenz- der KTP-Kristall, Powermeter (Aufnahme Ausgangsleistung) Zwei verschiedene Messreihen: 1) mit Grünfilter zur der Leistung des 53 nm - Lichts ) mit RG850 zur der Leistung des 1064 nm - Lichts Variation der Pumpleistung des 808 nm - Lichts mit Graufiltern mit verschiedenen Transmissionskoeffizienten Vorteil: Vermeidung von Wellenlängeverschiebung der Diode durch Regelung des Diodenstromes und der Temperatur am mit ND 6

27 Graph zur Konversionseffzienz Temperaturahänund gigkeit des Bre chungsindizes des ND-YAGFunktions s Theorie und des VersuchsaufND-Yag-Labau Aufbausers Auswertung der Frequenz- der am mit ND 7

28 IV..3 Auswertung: Temperaturahänund gigkeit des Bre chungsindizes des ND-YAGFunktions s Theorie und des VersuchsaufND-Yag-Labau Aufbausers Auswertung der Frequenz- der am mit ND Bestätigung des quadratischen Zusammenhangs der verschiedenen Leistungen Außerhalb des Resonators ergibt sich der nicht lineare Konversionskoeffizient zu mit P, ext =,69 mw P 1 = =5±1 [ ] W P P, max =0, mw Innerhalb des Resonators ist = 9,9±0, [ 1 ] W was zu einem d eff =3±1[ P, ext P, int = =13,5 W TFT TF Trans. Filter pm ] führt V gute Übereinstimmung mit Literaturwerten von deff=-5 [pm/v] (HoNC) 8

29 IV.3 Cavity Ringdown Ziel: Untersuchung der Ereignisse im Resonator Konversionseffiziund enz Theorie des ND-YAGFunktions s Vorbereitende und z des ND-Yag-La Cavity RingAufbausers down Effizienzmes sung der Frequenz- der IV.3.1. Vergleich der Abfallszeiten IV Theorie N t =N o exp Vt =N o exp t 1 c V = V = 1 R L mit zusätzlichem Verlust durch Medium im Resonator V= c c A 1 R L L c A L Kristall Welle L=ct am mit ND Resonator mit Länge L R=0,9998 9

30 Konversionseffiziund enz Theorie des ND-YAGFunktions s Vorbereitende und z des ND-Yag-La Cavity RingAufbausers down Effizienzmes sung der Frequenz- der Vorüberlegung: die Intensität der SHG-Welle wächst mit dem Quadrat der Intensität der Fundamentalwelle (hier: Δk=0) I SHG= l I FUN t / I FUN e mit FUN = SHG= FUN LRES s L RES =6cm, R=0,9998 c 1 R 53 nm-licht fällt im Resonator doppelt so schnell ab wie das 1064 nm-licht am mit ND 30

31 IV.3.1. läuft im gepulsten Betrieb Konversionseffizi Spiegelreflektivität für 1064 nm R=0,9998 und enz der 808,4 nm- und der 1064 nm/53 nm- Leistung Theorie des ND-YAGFunktions Simultane Darstellung mit der abfallenden Flanke des Diodenstroms s Vorbereitende und des auf dem Oszilloskop ND-Yag-La Cavity RingAufbausers down Effizienzmes3 verschiedene Versuchsaufbauten mit verschiedenen Kristallen: sung der Frequenz- der 1. Aufbau mit Verdopplerkristall und Grünfilter Abfallszeit von 53 nm. Aufbau mit Verdopplerkristall und RG850 Abfallszeit von 1064 nm 3. Aufbau ohne Verdopplerkristall, mit RG850 Abfallszeit von 1064 nm am mit ND 31

32 Aufgenommene Kurven (mit dem Kristallofen) 808 =0,5 µs 53=0,8 µs 1064=1,8 µs 1064oK =1,8 µs Konversionseffiziund enz Theorie des ND-YAGFunktions s Vorbereitende und des ND-Yag-La Cavity RingAufbausers down Effizienzmes sung der Frequenz- der 1064 =0,8 µs am mit ND I² Gesetz bestätigt sich 3

33 Detailansicht und Vergleich von 1064nm Abfall Konversionseffiziund enz Theorie des ND-YAGFunktions s Vorbereitende und des ND-Yag-La Cavity RingAufbausers down Effizienzmes sung der Frequenz- der 1064mO=1,77 µs 1064oK =1,81 µs 1064oO= µs Unterschied aufgrund von Justage am mit ND 33

34 Detailansicht und Vergleich von 53nm Abfall 53mO=0,85 µs 1064 =0,83 µs 53oO=0,9 µs Konversionseffiziund enz Theorie des ND-YAGFunktions s Vorbereitende und des ND-Yag-La Cavity RingAufbausers down Effizienzmes sung der Frequenz- der mo 1064 =0,88 µs oo am mit ND 34

35 IV.3. Absorptionsverhalten IV.3..1 Theorie Konversionseffiziund enz der Absorption durch den Kristall bei verschiedenem Theorie des ND-YAGFunktions Phasematching durch Drehen des Kristalls. s Vorbereitende und z des P ND-Yag-La Leistungsverlust i. Kristall durch Konversion A = < > Cavity RingP Aufbausers down Leistungsverlust i. Kristall durch Absorption Ak > Effizienzmes c c sung V = A 1 R der Frequenz- der Kristall L L 1 1 L A= 1 c Welle L=vt =ct am mit ND Resonator mit Länge L Änderung der Resonatorlänge auf 5,5 cm R=0,9998 res=1,83 µs 35

36 IV.3.. Bemerkung: 1064 ohne Kristall wurde zu einem anderen Zeitpunkt aufgenommen, daher Verschiebung in der Zeitachse Konversionseffiziund enz Theorie des ND-YAGFunktions s Vorbereitende und des ND-Yag-La Cavity RingAufbausers down Effizienzmes sung der Frequenz- der am mit ND 36

37 Untersuchung zum Absorptionsverhalten Konversionseffiziund enz Theorie des ND-YAGFunktions s Vorbereitende und des ND-Yag-La Cavity RingAufbausers down Effizienzmes sung der Frequenz- der am mit ND 37

38 Untersuchung zum Absorptionsverhalten Konversionseffiziund enz Theorie des ND-YAGFunktions s Vorbereitende und des ND-Yag-La Cavity RingAufbausers down Effizienzmes sung der Frequenz- der P = P Kurve τ [µs] ε ΔA E /1 1,5 0,9 10,7 1064/ 1,53 0,04 8, 1064/3 1,54 0,14 8,0 1064/4 1,6 0,17 1, /5 1,61 0,03,6 am mit ND 1064/6 1,58 0 4, ohne Kristall 1,

39 IV.3.3 Auswertung: Konversionseffiziund enz Theorie des ND-YAGFunktions s Vorbereitende und des ND-Yag-La Cavity RingAufbausers down Effizienzmes sung der Frequenz- der Absorption 1064 zu 53 min =1, s base=1, s A =9, A P, int. 0,1 mw Absorption 1064 durch Kristall base=1, s ok =1, s Ak =1, Keine gute Überstimmung mit Literaturwert am mit ND A Lit = Diskussion: - Literaturwert alt bessere Synthetisierung heute? - Instabilitäten in der Kavität -Absorption passt größenordnungsmäßig 39

40 und und Aufbau des ND-YAGFunktions s Temperaturabund des des hängigkeit ND-Yag-LaBrechungsinAufbausers dizes Konversionsef der Frequenz- der fizienz V Kristallvergleich Frequenzkonversion mit weiteren Kristallen keine möglich Vermutung: Kristall hat zu große Abmessungen für den leistungsschwachen Kristallvergleich Fazit/ am mit ND 40

41 und und Aufbau des ND-YAGFunktions s Temperaturabund des des hängigkeit ND-Yag-LaBrechungsinAufbausers dizes Konversionsef der Frequenz- der fizienz Kristallvergleich Fazit/ VI Fazit/ Bestätigung der Theorie ist durch das Experiment gewährleistet Messaufbau für die von uns durchgeführten nicht genau diode zu instabil Ungenauigkeiten durch zu viele Moden im Resonator Reproduzierbare Justage des Aufbaus ist nicht gewährleistet Äußere Einflüsse sind groß (z.b. Temperaturschwankungen, Schall, Vibrationen) Mögliche weitere Experimente: Vergleich von nichtlinearen Eigenschaften verschiedener bekannter Kristalle mit gleichen Abmessungen Temperatur-Phasematching Untersuchung der Instabilitäten am mit ND 41

42 und und Aufbau Funktions Temperaturab des des hängigkeit ND-Yag-LaBrechungsinsers dizes Konversionsder Frequenzeffizienz Kristallvergleich am mit ND Quellen Meschede, Dieter 008: Optik, Licht und (Vieweg+ Teubner(3.Auflage)) Dimitriev, Valentin G. et al 1997: Handbook of nonlinear crystals(springer Verlag Berlin) Ashkin, A. et al 1966: Resonant optical second harmonic generation and mixing (erschienen in Quantum Electronics Ed. (Seiten )) QuantumTechnology.Inc. Data Sheet 705 4

43 und und Aufbau Funktions Temperaturab des des hängigkeit ND-Yag-LaBrechungsinsers dizes Konversionsder Frequenzeffizienz Vielen Dank an das Team von EP5 für die super Betreuung! Kristallvergleich am mit ND 43