Rövid impulzusok vizsgálata autokorrelátorral
Tartalomjegyzék |
A mérés célja:
- Az autokorrelátor pozícionálásának, spektrométer és fénymérő rutinszerű használatának elsajátítása. Autokorrelátoros mérések végrehajtása és egyéb, a gyakorlat végrehajtásához szükséges technikák alkalmazása. Autokorreláció számítása numerikus számítógépes program segítségével. Végezetül cél az eredmények kritikus értékelése.
Mérőeszközök
- PolarOnyx femtoszekundumos szállézer – max. 100 fs impulzushosszúságú lézer, teljesítmény 5-20 mW
- Ti:zafír femtoszekundumos lézer – max. 100 fs impulzushosszúságú lézer, 100 – 1000 mW
- Tükrök – értelemszerűen 90° vagy 45°-ra optimalizált dielektrikum tükrök
- Kicsatoló üveglap – Síkpárhuzamos (kicsit ékes, 0.5-2°) üveglapok réteg nélkül
- Spektrométer – felbontása 0.1-1.5 nm, hullámhossztartománya a lézerhez illeszkedik, pl. Avantes AvaSpec 2048 vagy Ocean Optics USB 4000 típus
- Teljesítménymérő – a lézer teljesítményének mérésére alkalmas, legalább 1000 dinamikával, pl. Coherent Fieldmax II TO típus Optikai látható (VIS) mérőfejjel
- Autokorrelátor – pl. APE MINI típus
- Fénycsökkentő – neutrális a látható/NIR tartományra
- Infravörös kamera
- Védőszemüvegek
Lézerbiztonsági figyelmeztetés
A mérés során fokozottan ügyeljünk a lézerbiztonsági előírások betartására. A használt lézerek ugyanis tipikusan a 760-800 nm hullámhossztartományban sugároznak, és itt a szem érzékenysége már nagyon csekély. Így az az érzetünk támad, hogy nagyon alacsony teljesítményekkel dolgozunk. Ez azonban nem így van! Hasonlítsuk csak össze a mért lézerteljesítményeket egy a laborban gyakran alkalmazott He-Ne lézer teljesítményével! Ráadásul ebben a mérésben ultrarövid impulzusokkal dolgozunk, vagyis ezek a lézerek nagyon magas csúcsintenzitással működnek!
Elméleti összefoglaló
Bármely természettudományi területen fontos a gyorsan lejátszódó folyamatok vizsgálata. Napjainkban olyan lézerimpulzusok állnak a kísérletezők rendelkezésére, melyek csak néhány optikai ciklus hosszúságúak. Sőt, ilyen lézerekkel, még ezeknél a nagyon rövid lézerimpulzusoknál is rövidebb impulzusok kelthetően [1].
Ezen nagyon rövid lézerimpulzusok (un. ultrarövid impulzusok) mérésénél alapvető probléma, hogy a mérés alapját szolgáló fizikai effektusnak rövidebbnek kellene lennie az ultrarövid impulzusnál. Az ultrarövid impulzusok hagyományos detektoros technikákkal emiatt nem mérhetők meg, azaz egy gyors detektor és oszcilloszkóp kombinációjával az 1. ábrán látható mérési eredményt nyerjük, amelyben az impulzusok félértékszélessége legalább 1 ns. Ez pedig a detektor vagy az oszcilloszkóp közül a nagyobb időállandójúnak az időállandója, és nem az impulzus tényleges hosszúsága, amely 1 ps-nál is rövidebb lehet.
Ilyen rövid impulzusokat csak rövidebb időállandójú mérőeszközzel lehetne mintavételezni az időtartománybeli direkt méréshez, amelyek azonban nem nagyon állnak rendelkezésre. A nagyon rövid impulzusok időbeli mérésére az elterjedt módszer az, hogy az impulzust önmagával korreláltatjuk, majd az eredményből becsüljük az impulzus hosszát. Így, az un. optikai autokorrelátor készülék segítségével, akár nagy, akár kis ismétlődési frekvenciájú pikoszekundumos és femtoszekundumos impulzusokat is mérhetünk.
Az ilyen ultrarövid impulzusok mérésénél azonban fontos figyelembe venni azt, hogy az impulzus az anyagon történő áthaladáskor (így levegőben történő terjedéskor) diszperziót szenved, aminek következtében az impulzus hossza változik, tipikusan megnövekszik. Amennyiben cél a lehető legrövidebb impulzus elérése és mérése, úgy vagy a legrövidebb impulzus kialakulásának helyén kell mérni, vagy e hely és a mérés helye közötti úton elszenvedett diszperziót kompenzálni szükséges. Ennek tanulmányozása azonban e hallgatói mérésnek nem feladata. A diszperzióval és a kompenzálásával kapcsolatos ismeretek elmélyítésére például az [2] publikáció alkalmas.
Móduscatolás
Ultarövid impulzusokat un. móduscsatolásos technikával hozhatunk létre. A móduscsatoláshoz olyan lézerrezonátorra és erősítő közegre van szükség, amelyben egyszerre nagyszámú longitudinális módus alakulhat ki. A móduscsatolás során a longitudinális módusok fázisát szinkronizáljuk, azaz a különböző hullámhosszak (módusok) fáziskülönbsége nulla („egyszerre indítjuk” őket). Egyszerűen belátható matematikailag, hogy ha a különböző frekvenciájú szinuszos hullámokat rögzített fázissal összeadjuk, akkor impulzusok alakulnak ki.
A nagyszámú longitudinális módus azt is jelenti, hogy a lézer egy spektrálisan széles tartományban sugároz. A spektrális szélességből pedig egy elvi becslést tehetünk arra vonatkozólag, hogy a módusok tökéletesen szinkronizációja esetében milyen rövid lehet az impulzus. Az így meghatározott elméleti impulzushosszt transzfomáció limitált impulzusidőnek nevezzük. A transzformáció limitált impulzusidő azonban függ a spektrumra illetve az impulzusra vonatkozó feltételezésünktől. (A gyakorlatban általában nem tudjuk azt, hogy az adott impulzus pontosan milyen függvénnyel írható le.)
Az 1. táblázat a sávszélesség és az impulzushossz minimuma közti elméleti összefüggést mutatja különböző jelalakok esetében. Ezen jelalakok nagyon hasonlóak, ahogy az a 2. ábrán is látható. (Az ábra nem feltétlenül a legjobban illeszkedő jelalakokat mutatja be, valószínűleg még ennél is jobb egyezés is elérhető.) Ezen egyes jelalakok autokorrelációja is nagyon hasonlónak adódik, így az autokorrelátoros mérésből általában nem lehet megmondani, hogy pontosan melyik jelalakkal is van dolgunk.
Megjegyzés
Ez egy új mérés a Fizika Laboratórium 5 tárgyon belül. Amennyiben a leírás alapján valami még nem érthető, úgy kérjük, hogy azt a mérésvezetőnél jelezzék, hogy a mérésleírást szükség szerint bővíthessük.
