Ultrakrótkie spojrzenie na przetwarzanie częstości światła

Ultrakrótkie spojrzenie na przetwarzanie częstości światła czyli dlaczego można jednak generować ultrakrótką drugą harmoniczną w grubym krysztale Wojciech Wasilewski

Plan • Generacja drugiej harmonicznej: podstawy • Ultrakrótkie impulsy i ich widmo • (Nie)dopasowanie fazowe: jak je przezwyciężyć? • Jak przetworzyć szerokie widmo? • Jak sobie sprawnie z tym radzić?

Podstawy SH P = ce0E + c(2)EE+… ISH ~ IF2

Nie dopasowanie Wektorów falowych - n≠const E ~L I ~ L2

q Elipsoidy x z

Pierwsza druga harmoniczna ? ‘ruby optical maser’, 3 J, 1 ms kwarc krystaliczny ‘unambiguous indication of the second harmonic’ P. A. Franken et al., Phys. Rev. Lett. 7, 118 (1961)

k1, w1 k3, w3 k2, w2 L Przypadek ogólny w3 =w1+ w2 k3 =k1+ k2 Sprawność [sin(Dk L/2)/Dk]2 Dk = k3z-k1z-k2z

I w0 w Ultrakrótki impuls I t 50fs 20nm@800nm 200nm@800nm 5fs

w0 ky 1/w0 kx Impuls w przestrzeni

Bardzo cienki kryształ

I l [mm] Gruby kryształ – spektrum ograniczone Vgr<Vgr I -300 100 t [fs] W. Wasilewski, P. Wasylczyk, C. Radzewicz Femtosecond laser pulses measured with a photodiode - FROG revisited Appl. Phys. B, w druku BBO, 1.2mm 20fs@800nm

Dyspersja kątowa Polichromatyczne aspiracje oś Ref - Krasiński

Kontrowersje • Każda ze składowych z osobna może się przetwarzać. • Ale czy one mogą się mieszać? • Czy rozdział na składowe nie spowoduje dramatycznego spadku wydajności?

I w Prosty model Iin ~ Dw ~ 1/L ISH ~ L2 Iin2 SISH const

M dq/dl dq/dl Q(l) Pomysł na eksperyment rozszczepianie składanie Dobór materiałów G. Szabó, Z. Bor, Appl. Phys. B 50, 1990

w0/M w0 Wiązki! Płaszczyzny sprzężone

obwiednia faza Pochylenie? Pryzmat 30mm M. Topp, G. C. Orner, Optics Comm. 13 (1975)

Przekręcenie? ? ? Q(l) Płaszczyzny sprzężone

E t Przekręt!

A poza ogniskiem?

A poza ogniskiem? Kolejne płaszczyzny z x t

e Czy przekręt może skompensować różnice? x vgr vgr z Danielius et al. Opt. Lett. 21, 973, (1996)

(zgrubsza) bez straty wydajności niezwykle szerokie widmo Jaka jest dokładnie wydajność? Jak ją maksymalizować? Druga harmoniczna z dyspersją kątową • Przed nami: • Impulsy terawatowe, <10fs: T. Kanai et al. Optt. Lett. 28, 16 (2003) • Demonstracje działania metody

Całkuj, całkuj Konkretne k i w: Sumuj wszystkie pary składowych spektralno-czasowych, których zmieszanie prowadzi do ich powstania ESH(k,w) ~ L dw1 dk1 E0(w1,k1) E0(w-w1,k-k1) sinc(Dk L) Mając zadane E0(w) szukamy optymalnej: L w0 dq/dl • Żeby dostać: • Maksymalną sprawność • Jak najszersze widmo

I t Żądasz więcej niż żarówki – zachowaj fazę Jeśli czerwonyimpuls jest fourierowsko ograniczony w połowie kryształu • Sprawność jest maksymalna • Niebieski impuls też jest fourierowsko ograniczony w połowie kryształu połowa kryształu koniec początek

W połowie kryształu funkcja rzeczywista często dodatnia Całka ESH(k,w) ~ L dw1 dk1 E0(w1,k1) E0(w-w1,k-k1) sinc(Dk L) Amplitudy w fazie Amplitudy zespolone

Wydajność maksymalna maksymalna wydajność x5 -20% z żądaniem maksymalnego widma BBO 10fs dobór materiałów [a.u.] w0 dq/dl

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? W Wydajność funkcjonalna BBO 1mm 10fs [a.u.] e e Dyspersja kątowa dq/dl [e]

Suma rzutów = const O co chodzi? Mieszają się? n≠const warunek na W=dq/dl

W dyspersja Df = p dyfrakcja Znowu przekręt? Obszar istotnego natężenia x z

Przekręty ilościowo BBO e 5 4 m] 3 m W t [fs/ ą k e 2 W 1 0 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 l m [ m]

Podsumowanie • Można wydajnie przetwarzać impulsy 5 fs • Można używać bardzo grubych kryształów (ponad 5mm) • Chociaż optymalnie jest użyć około 1mm • Dodatkowy kąt pochylenia W – kompensujący dyfrakcję dyspersją Eksperyment

Podziękowania • Prof. Czesław Radzewicz • Zespół Laboratorium Procesów Ultraszybkich • Dr hab. Marek Trippenbach

Ultrakrótkie spojrzenie na przetwarzanie częstości światła