Backward and Forward Nonlinear Optical Processes in Potassium Titanyl Phosphate
Tid: Fr 2023-06-02 kl 14.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Optik och fotonik Fysik
Respondent: Kjell Martin Mølster , Laserfysik
Opponent: Associate Professor Stefano Taccheo, Politecinco di Torino, Department of Electronics and Telecommunications (DET)
Handledare: professor Fredrik Laurell, Laserfysik, Fysik; Valdas Pasiskevicius, Fysik, Laserfysik; Ulf L. Österberg, Laserfysik
QC 2023-05-08
Abstract
Andra ordningens icke-linjära optiska processer kan ge upphov till elektromagnetisk strålning över ett brett spektrum, inklusive ultraviolett och långvågiga infraröd strålning. Kolinär tre-vågsblandning, kan delas upp i tre olika typer, beroende på fältpropageringsriktningen: framåt, motriktad och bakåt. För att kunna uppnå bakåtgenerering krävs s.k. kvasi-fasmatchning, eftersom dubbelbrytning i naturliga kristaller inte är tillräckligt. I denna studie används kristaller av kaliumtitanylfosfat som dopats med rubidium och sedan polats periodisk (PPKTP, PPRKTP, Rb: PPKTP) för att kunna användas för kvasifasmatchning.
I avhandlingen beskrivs hur nya ljuskällor, och olika vågsmixningsgeometrier, har kunnat realiseras med dessa kristaller. Fokus har legat på optiska parametriska oscillatorer (OPO), bakåt-riktade optisk parametriska oscillatorer (BWOPO) och bakåt-riktad frekvensdubbling (BSHG). Dessa ljuskällor är attraktiva då det finns ett stort behov av stabil, smalbandig och avstämbar strålning för bl.a. spektroskopitillämpningar. Resultaten har också flyttat gränsen för vad vi kan åstadkomma med bakåtriktade icke-linjära optiska processer.
Konventionella ns-OPO:er av Typ-0 har en bred bandbredd, särskilt nära degenerationspunkten. Detta beror på identisk polarisation hos de parametriska våglängderna och den svaga dispersionen. Tillsammans gör dessa två egenskaper dem mindre användbara för spektroskopiska mätning på växthusgaser där det krävs en smal bandbred, som t.ex. för CO2. För att minska den spektrala acceptansen kan Typ-2 ns-OPO:er med ortogonala polarisationer användas. I avhandlingen presenteras designparametrar för Typ-2 OPOer i PPKTP avseende periodiciteten för QPM-gittret. Vi demonstrerar att enkla Typ-2 OPO:er producerar transform-begränsade pulser med god strålprofil, användbara för smalbandspektroskopi. Dessa OPOer levererade pulser med energier upp till 1.3 mJ och de är också användbara som källa för att studera ickelinjära processer där smal bandbredd är av vikt.
Vi konstruerade en BWOPO med nanosekundspulser och pulsenergier på mJ vid en repetitionshastighet på 5 kHz. Framåtpulserna avstämdes med en frekvens på 1 till 1.001 Hz/Hz och dess bandbredd var mellan 300 och 400 MHz. Även när BWOPO pumpades med sämre strålkvalité på lasern (M2 > 4) kunde en bandbredd så liten som 274 MHz mätas. Vidare visade vi att BWOPOn är stabil med avseende på temperaturvariationer, och kunde avstämmas med 2.48 GHz/K. En BWOPO kan då fungera som en spektroskopikälla som kan justeras med pumpfrekvensen. Detta minskar komplexiteten i systemdesignen och möjliggör en enkelpasskristalldesign.
PPKTP-kristaller är potentiellt användbara som komponenter i rymdburen precisionsspektroskopi. För att säkerställa att de tål bakgrundsstrålningen i rymden genomförde vi tester av strålningsbeständigheten för PPKTP. Genom att mäta oscillationströskeln för typ-0 OPO:er och transmissionen när PPKTP utsattes för låg till medelhög protonenergi (10 och 60 MeV) kunde vi dra slutsatser om den långsiktiga förändringen. Strålningsdoserna motsvarade de som erhålls för satelliter i låg omloppsbana runt jorden under en femårsperiod. Resultaten visade inga mätbara förändringar i vare sig icke-linjäritet eller transmission.
Slutligen demonstrerar vi den första effektiva, rent bakåtriktade χ(2)-processen, med en effektivitet på 18.7 % vid bakåtriktad frekvensdubbling. Här använde vi PPKTP-kristaller med en periodicitet på Λ = 317 nm och genererade µJ-pulser vid 1154 nm. Dessa kunde avstämmas med temperaturen (17.1 pm/K). Vi visade också att det är en stor skillnad i spektral acceptans mellan BSHG och konventionell framåtriktad frekvensdubbling.
Vi studerade också KTP:s transmissionsegenskaper i THz-området med hjälp av tidsdomänspektroskopi i reflexion. Bakåtriktad THz polariton-spridning observerades i typ-2 OPO tillsammans med polaritonkoppling i THz-kamlinjer vid användning av en normal icke-polerad KTP som off-axis oscillator.