1 / 46

Óptica Não Linear Cid B. de Araújo

Óptica Não Linear Cid B. de Araújo. Departamento de Física Universidade Federal de Pernambuco 50670-901 Recife, PE, Brasil. VIII Escola J. A. Swieca (2002). NEON - Núcleo de Excelência em Óptica Não-Linear, Lasers e Aplicações - Departamento de Física / UFPE. Roteiro.  1a. aula

meir
Download Presentation

Óptica Não Linear Cid B. de Araújo

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. ÓpticaNão LinearCid B. de Araújo Departamento de Física Universidade Federal de Pernambuco50670-901 Recife, PE, Brasil VIII Escola J. A. Swieca (2002) NEON - Núcleo de Excelência em Óptica Não-Linear, Lasers e Aplicações - Departamento de Física / UFPE

  2. Roteiro •  1a. aula • Fundamentos. Susceptibilidades. • Simetrias e “phase-matching”. • ONL sem “phase-matching” • Cristais fotônicos •  2a. aula • Espectroscopia: absorção multifotônica refração não linear • Óptica não linear sem lasers NEON - Núcleo de Excelência em Óptica Não-Linear, Lasers e Aplicações - Departamento de Física / UFPE

  3. Fenômenos não lineares • Aparecem quando o campo óptico tem módulo comparável com o campo atômico Campo de Coulomb 3 x 108 V/cm • Deslocamento dos elétrons não é harmônico • Átomos (osciladores) emitem luz em novas freqüências • Efeitos podem ser descritos por polarizações não lineares

  4. Polarização óptica • Momento de dipolo por unidade de volume P=o [ (1)E + (2) E2 + (3)E3 +...] = P(1) + P(2) + P(3) +... • fonte para equação de onda • (n)susceptibilidade de n-ésima ordem

  5. P=o [ (1)E + (2) E2 + (3)E3 +...] = P(1) + P(2) + P(3) +... ; E = E0 cos t ______________________________ P(2) = o (2) E2 = o(2)E02(cos 2t)/2 + o (2)E02/2 =geração do 2o. Harmônico + retificação óptica P(2) = o (E1cos 1 t + E2cos 2 t)2 = P(2)0 +P(2)2 1 + P(2) 22 +P(2) 1- 2+P(2) 1- 2

  6. Susceptibilidade de segunda ordem (2) (; 1, 2)=1 2 ·geração de soma e diferença:  2; 1 2 ·efeitos de cascata com geração de luz em combinações de três freqüências ·retificação óptica • Susceptibilidade de terceira ordem (3) (; 1, 2, 3) =1 2 3 ·efeito Kerr (refração não linear)  ·absorção de dois fótons  ·espalhamento Raman estimulado

  7. Teoria quântica • Matriz densidade-eq. de Liouville-teoria de perturbações • Elementos diagonais: população • Elementos não-diagonais: coerências • ressonâncias • interferências quânticas • relaxação

  8. Origem dos efeitos • Efeitos absorptivos - população • Efeitos refrativos - polarização • Campo local : Elocal= E + P/3o = f() E f()= [n ()2 + 2]/3 não linear (n) (; 1, ... n) = f()f(1)...f(n)x (n)(;1,... n)

  9. NONLINEAR OPTICAL EFFECTS MACROSCOPIC POLARIZATION: MOLECULAR DIPOLE: HYPERPOLARIZABILITY LOCAL FIELD FACTOR

  10. Geração de segundo harmônico Bulk material • P2(2)2 P2L2sin2(kL/2)/ (kL/2)2 • k = 2 (n2 - n)/c • dipoles add constructively over the “coherence length” Lc = 2/ k • birefringent phase-matching n2 = n • Giordmaine, Maker, Butcher, Miller (1962 , 1963)

  11. Second harmonic phase-matching ne > n0ne < n0 Type I e,e  o o,o  e Type II o,e  o e,o  e

  12. Self-phase modulation effects • centrosymmetric materials: P=o [ (1)E + (3)E3] • refractive index n0 + n2 I ; n2  Re (3) nonlinear phase: self-phase modulation  = k n2 I2 • spectral regimespectral broadening • transverse profilefocusing /defocusing • temporal regimetime broadening

  13. Self-phase modulation nonlinear refractive index self-focusing self-defocusing light bending • Cross-phase modulation effects induced focusing in self-defocusing medium spatial modulation instability all-optical beam deflector

  14. Nonlinear propagation Maxwell’s eq.  NL Schrodinger eq. • Induced focusing in a self-defocusing medium • formation of spatial side-bands (transverse modulation instability) induced through cross-phase modulation • potential for all-optical spatial deflectors, particularly in waveguide geometry

  15. Leis de conservação • Invariância translacional: k = 0 (“ phase-matching” ) • Energia  =  i Conservação de momentum angular

  16. High-order nonlinearities • Method of phase-matching wave-mixing • atomic physics Ducloy et al. Opt. Commun. 51, 117 (1984) • molecular gases: Tabosa et al., Opt. Commun. 67, 240 (1988). • condensed matter: Acioli et al., Appl. Phys. Lett. 53, 1788 (1988) Observation of effects due to (3), (5) ,(7) ,(9) ,(11) Measurements of (5)/(3)  , (7)/(3)  ,  (9)/ (3)  Phase of (5) : Ma et al. , Opt. Commun. 102, 89 (1993); Ma et al , Phys. Rev. Lett.. 71,3649 (1993)

  17. Interference between third and fifth order polarizations • May be observed in any material which presents large third and fifth order effects • Polarization beats: phenomenon that results from interference between polarizations excited in a nonlinear material • The radiation beams generated by these polarizations interfere with each other, producing a modulation of the signal intensity emitted by the sample Rothenberg and Grichkowsky, Opt. Lett. 10, 22 (1985) Ma, Gomes, de Araújo, Opt. Lett. 16, 630 (1991) Ma, de Araujo, PRL 71, 3649 (1993)

  18. Cascading process • Example: E(2)  (2) E()E() E(3)  (2) E() E(2) = ( (2) )2 E()3 • Introduce a nonlocality in the nonlinear interaction that can be be related to the retardation effect of electromagnetic fields Flytzanis, PRL (1975)

  19. Optical balance • Numerous cases -Competition of high harmonic generation and multiphoton ionization or fluorescence -Competition Stokes-anti Stokes • Supression occurs because another concurrent process which share the same intermediate resonance gets enhanced and drains the energy available to the compound process Wynne PRL (1984)

  20. Quasi Phase-Matching • Bloembergen et al. (1962) reversal in (2) every coherent length to reduce destructive interference • Proton exchanged Lithium Niobate - periodic poled (PPLN) mid infrared • possibility of multiple NL interactions with arbitrary wave vector differences Fradkin-Kashi et al. PRL 88 (Jan. 2002)

  21. Geração Eficiente de Diferença de Freqüências no Infravermelho Médio em PPLN

  22. Motivação Medir a concentração do metano no ar ambiente Linhas de Absorção do Metano:

  23. Fontes Laser em 3.3 m: Lasers de Diodo “Lead Salt” Sintonização limitada Potência limitada < 1 mW Problemas de estabilidade OPERAÇÃO EM BAIXA TEMPERATURA (LN2) Lasers do Tipo “Quantum Cascade” Sintonização larga Alta potência < 1 W Geralmente longo  (~ 10 m) OPERAÇÃO EM BAIXA TEMPERATURA (LN2) Geração de Diferença de Freqüência (DFG) Sintonização larga em qualquer  Alta potência possível OPERAÇÃO EM TEMPERATURA AMBIENTE Precisamos  1 W para detectar no nível ppb

  24. Cristal PPLN P (sintonizável) I = P – S (sintonizável) S  Geração de Diferença de Freqüências e Quasi-Casamento de Fase (QPM) n’s calculados com a equação de Sellmeier do LiNbO3  escolhido para satifazer QPM por uma interação desejada

  25. Período de grade QPM em PPLN por geração de 3.3 m calculado usando 1.064 m e 804 nm

  26. Sintonização da DFG com temperatura Calculada por  = 22 m em PPLN

  27. Montagem Experimental 5-cm CaF2 5-cm 1.0642 m, fixo Espelho Nd:YAG bombeado por lâmpada PPLN Ti:Safira bombeado por laser Ar:ion Filtro de Ge sintonizável ~ 800 nm Detector Pyroelétrico ou PbS

  28. Resultados experimentais T = 25 oC (S = 1.0642 m) = 21 m P = 784 nm I = 2.98  m  = 22 m P = 804 nm I = 3.29  m  = 23 m P = 846 nm I = 4.14  m Em 3.29 m: PP, in = 350 mW PS, in = 3 W PI, out = 400 W  0.03 %/W-cm Max. Teoria  0.1 %/W-cm Menor eficiência devido à superposição dos feixes de Nd:YAG e Ti:S

  29. Comprimentos de onda DFG, T = 25oC

  30. Resultados com Nd:YAG bombeado por diodo  = 21.5 m, L = 2 cm , T = 165 oC por geração em 3.3 m Larguras de Banda  Leff = 1.3 cm  0.03 %/W-cm 9 µW gerada em 3.3 µm

  31. Conclusões • Demonstração da DFG no infravermelho médio usando PPLN • Bom acordo entre teoria e experimento • 400 W em 3.29 m, suficiente para detetar metano no ar ambiente num nível de concentração inferior a ppb

  32. 1.064 m 809 nm 532 nm 460 nm Verde = Segundo Harmônico do Nd:YAG Azul = Soma Freqüência do Nd:YAG e Ti:Safira m = 5, QPM de 5a Ordem

  33. Choose your color from the Photonic Band Edge : Nonlinear frequency conversion with ordinary Bragg reflectors (1D PBG) Scalora et al. Opt. Photon. News (April, 2001)

  34. Sólido elétrons potencial periódico gap de energia defeitos:estados dentro do gap Cristal fotônico fótons modulaçãoda constante dielétrica photonic band gap defeitos:estados dentro do gap com direcionalidade bem definida Cristais fotônicosYablonovitch, PRL 58 (1987) 2059; John, PRL 58 (1987) 2486

  35. Estrutura de bandas de um cristal fotônico de grafitePhotonic Crystal Group - Univ. Montpellier

  36. Cristal 2D - sem defeitosUniv. Glasgow

  37. Transmitância do cristal 2D sem defeitos

  38. Cristal 2D com defeito

  39. Transmitância do cristal 2D com defeito

  40. 2-d Photonic Crystal: (a) (b) Figure 1 M. Boroditsky et al

  41. Algumas aplicações • Inibição da emissão espontânea - lasers com limiar nulo • LED’s monomodo • Guias de onda no domínio óptico • Filtros • Polarizadores

  42. Photonic crystal fiber technology allows for the design of fibers with one or more of the following properties: • Pure silica design • Endlessly single-mode operation from UV to infrared • Single-mode operation with extremely large mode field areas (>300 µm2 demonstrated) • Extreme numerical apertures (> 0.7 demonstrated) • Zero dispersion at visible wavelengths • Extreme confinement leading to very small mode field areas • Rare-earth doped cores

  43. Highly nonlinear polarization maintaining fiberCrystal-Fibre A/SContinuum generation; 4WM, Raman amplification

  44. Sólitons no visível e geração de contínuowww.blazephotonics.com

  45. Small core highly nonlinear fiberCrystal-Fibre A/SContinuum generation; 4WM, Raman amplification

More Related