Волноводная фотоника и нанооптика
..pdf
где – расстояние от входной грани кристалла (ВГ) до линзы (Л); – расстояние от линзы до анализатора лазерных пучков; – фокусное расстояние линзы.
Схема экспериментальной установки №3 для формирования оптически индуцированных волноводных структур в кристалле LiNbO3:Cu представлена на рисунке
3.3.3.
Рисунок 3.3.3 – Структурная схема экспериментальной установки №3 для формирования оптически индуцированных волноводных структур в кристалле LiNbO3:Cu. Л – лазер; МО – микрообъектив; МС – микрометрический столик; НЛ – образец ниобата лития; Л – линза; АЛП – анализатор лазерных пучков
Источником излучения является YAG:Nd3+ лазер, работающий в непрерывном режиме с длиной волны света λ=532 нм. Фокусировка излучения на поверхности кристалла осуществляется путем ее совмещения с фокальной плоскостью микрообъектива (МО). Изображение на выходной грани кристалла, передаваемое линзой (Л), регистрируется АЛП, позволяющим контролировать процесс экспонирования в кристаллическом образце. Оптические волноводы формируются путем поточечного экспонирования поверхности LiNbO3 при смещении образца относительно фокусированного светового пучка. Между экспонированными областями в виде узких полосок, ориентированными в направлении оси Х, формируется оптический волновод.
3.4Порядок выполнения работы
3.4.1Перед выполнением лабораторной работы необходимо ознакомиться с теоретической частью и элементами экспериментальной установки. Студенты допускаются к работе преподавателем после ответов на контрольные вопросы.
3.4.2Включить лазер, повернув ключ на положение «ON», дождаться зеленого сигнала над кнопкой «Pumping», после чего нажать на нее. После завершения накачки установить мощность лазер на минимальный показатель «0,1 мВт». Далее можно приступать
ксборке и настройке экспериментальной установки №1.
3.4.3Определить с помощью АЛП диаметр пучка YAG:Nd3+ лазера по уровню 1/e2 от максимальной интенсивности.
3.4.4Собрать и настроить экспериментальную установку №2 и определить диаметр фокусированного экспонирующего пучка по уровню 1/e2.
3.4.5Оценить диаметр фокусированного экспонирующего пучка d по формуле:
d = |
λ |
F , |
(3.4.1) |
|
D |
||||
|
|
|
||
где D – диаметр пучка YAG:Nd3+ лазера; |
– длина волны экспонирующего излучения; |
|||
– фокусное расстояние линзы.
3.4.6Промоделировать распределение суммарной интенсивности излучения внутри кристалла при его поточечном экспонировании фокусированным пучком, используя выражения:
21
I |
(x) = I |
|
2 |
), |
0 |
exp(−(x −(n −1) l) |
|||
n |
|
|
|
(3.4.2a)
|
I |
sum |
(x) = I + I |
2 |
+... + I |
n |
, |
(3.4.2a) |
|||
|
|
|
1 |
|
|
|
|||||
где |
– интенсивность n-того пучка, |
|
|
– суммарная интенсивность, – сдвиг между |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
центрами пучков (мкм). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Оценить суммарную интенсивность |
|
, произведя нормировку и определив, тем |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
самым, |
расстояние между |
центрами |
последовательно |
перекрывающихся точек |
|||||||
(рисунок 3.4.1).
Распределение интенсивности, отн. eд. Интенсивность, отн. ед.
1.1
1 
0.9 
0.8 
I |
1 |
(x) |
0.7 |
|
|
||
I |
2 |
(x) |
|
|
|
|
|
I |
|
(x) |
0.6 |
3 |
|
||
|
|
|
|
I |
4 |
(x) |
0.5 |
|
|
||
I |
sum. |
(x) |
|
|
|
||
|
|
|
0.4 |
|
|
|
0.3 |
|
|
|
0.2 |
|
|
|
0.1 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
− 6 |
10 10 |
− 6 |
− 6 |
− 6 |
25 10 |
− 6 |
30 10 |
− 6 |
− 6 |
− 6 |
45 10 |
− 6 |
50 10 |
− 6 |
− 6 |
− 6 |
65 10 |
− 6 |
70 10 |
− 6 |
− 6 |
− 6 |
− 6 |
− 6 |
5 10 |
|
15 10 |
20 10 |
|
|
35 10 |
40 10 |
|
|
55 10 |
60 10 |
|
|
75 10 |
80 10 |
85 10 |
90 10 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ПространственнаяПространственная координата,координатаìêì |
X, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Рисунок 3.4.1 – Пример распределения суммарной интенсивности излучения ( ) внутри кристалла для фокусированного пучка с диаметром = 20 мкм по уровню 1/e2 максимальной интенсивности при расстоянии между центрами последовательно перекрывающихся точек l =15 мкм
3.4.7 Собрать и настроить экспериментальную установку №3 и приступить к экспонированию образца (время экспонирования каждой точки задается преподавателем для каждого варианта отдельно).
3.5Содержание отчета
1.Название работы, цель работы, и схемы экспериментальных установок с полным описанием работы.
2.Результаты расчетов и моделирования.
3.Результаты эксперимента по экспонированию образца.
4.Выводы.
3.6Контрольные вопросы
1.В чем заключается явление фоторефракции?
2.Как влияет обыкновенная и необыкновенная поляризация на ∆?
3.Как зависит изменение профиля показателя преломления от времени экспонирования?
4.Каковы достоинства и недостатки поточечного индуцирования волноводных структур в кристалле LiNbO3?
22
4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 Исследование характеристик фотонных волноводных элементов,
оптически индуцированных в фоторефрактивном кристалле LINBO3
4.1Введение
Цель работы: экспериментальное исследование оптически сформированных фотонных волноводных элементов в фоторефрактивном кристалле LiNbO3.
4.2Описание экспериментальных установок
Схема экспериментальной установки №1 для определения диаметра зондирующего светового пучка представлена на рисунке 4.3.1.
He-Ne
λ=633 нм
Л |
АЛП |
X Y
Z
Рисунок 4.3.1 – Структурная схема экспериментальной установки №1 для определения диаметра зондирующего светового пучка. Л – лазер; АЛП – анализатор лазерных пучков
Схема экспериментальной установки №2 для зондирования экспонированных областей параллельным пучком представлена на рисунке 4.3.2.
He-Ne |
Коллиматор |
|
|
ВП |
|
|
λ=633 нм |
|
МС |
|
|
||
|
|
|
|
|
||
Л |
|
Ф |
НЛ |
|
Л |
АЛП |
X Y |
|
|
|
d |
|
f |
|
|
|
|
|
Z
Рисунок 4.3.2 – Структурная схема экспериментальной установки №2 для зондирования экспонированных областей параллельным пучком. Л – лазер; Ф – световой фильтр; К – коллиматор; МС – микрометрический столик; НЛ – образец ниобата лития; АЛП – анализатор лазерных пучков
Далее следует процесс зондирования сформированных волноводных структур. Источником излучения является He-Ne лазер с длиной волны λ=633 нм и выходной мощностью P≈1 мВт. Световая картина на выходной грани образца фиксируется анализатором лазерных пучков (АЛП), который позволяет определить размеры сформированной волноводной структуры в поперечном и продольном направлениях. Для точного определения размеров экспонированных областей, необходимо, чтобы АЛП выдавал изображение в масштабе 1:1. Настройку необходимого масштаба можно осуществить, воспользовавшись формулой тонкой линзы:
1 |
+ |
1 |
= |
1 |
. |
(4.3.1) |
|
|
|
||||
d |
|
f |
|
F |
|
|
где – расстояние между выходной плоскостью кристалла (ВП) и линзой (Л); – расстояние от линзы до анализатора лазерных пучков; – фокусное расстояние линзы.
23
4.3Порядок выполнения работы
4.4.1 Включить He-Ne лазер. Собрать экспериментальную установку №1. Определить диаметр зондирующего пучка по уровню 1/e2 максимальной интенсивности , как показано на рисунке 4.4.1.
Рисунок 4.4.1 – Пример оценки диаметра зондирующего пучка при помощи АЛП
4.4.2 Выполнив пункт 4.4.1, собрать и настроить экспериментальную установку №2. Приступить к зондированию экспонированных областей на поверхности кристалла.
4.4.3 Оценить, как показано на рисунке 4.4.2 , поперечные и продольные размеры волноводной структуры вс и вс, отдельно определить ширину экспонированных областейэо и волноводной области во, где 2эо + во = вс.
эо |
эо |
во |
|
||
|
вс |
|
|
|
вс
Рисунок 4.4.2 – Пример оценки поперечных и продольных размеров волноводной структуры
4.4.4Оценить изменение показателя преломления в кристалле LiNbO3 по соотношению (3.2.1) для волн с обыкновенной и необыкновенной поляризацией.
4.4.5Определить глубину экспонированных областей эо, прозондировав экспериментальный образец с торца.
4.4.6Составить таблицу со следующими характеристиками волноводной структуры:
ширина экспонированной области эо, ширина волноводной области во, длина и ширина волноводной структуры вс и вс, глубина экспонированных областей эо, показатель преломления экспонированных и волноводной областей эо, во.
24
4.4Содержание отчета
1Название работы, цель работы, и схемы экспериментальных установок с полным описанием работы.
2Результаты зондирования волноводных структур с оценкой поперечных и продольных размеров.
3Результаты оценки изменения показателя преломления ∆ в LiNbO3.
4Таблица с характеристиками волноводной структуры.
5Выводы.
4.5Контрольные вопросы
1.В чем заключается явление фоторефракции?
2.Запишите выражение для изменение показателя преломления среды при ∆ обыкновенной и необыкновенной поляризации внешнего излучения.
3.Какому виду должна соответствовать поляризация при экспонировании и зондировании кристалла и почему?
4.Как зависит изменение профиля показателя преломления от времени экспонирования?
25
Список рекомендуемой литературы
1 Петров, М. П. Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике / М.П. Петров, С. И. Степанов, А. В. Хоменко. – С.Пб.: Наука, 1992. – 320 с.
2Сидоров, Н. В. Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны / Н. В. Сидоров, Т. Р. Волк, Б. Н. Маврин, В. Т. Калинников. – М.: Наука, 2003. – 255 с.
3Ярив, А. Оптические волны в кристаллах / А. Ярив, П. Юх. – М.: Мир, 1987. –
616 с.
4Шандаров, В. М. Основы физической и квантовой оптики / Шандаров, В. М. – Томск: ТУСУР, 2005. – 258 с.
5Ландсберг, Г. С. Оптика. Учебное пособие: для вузов / Г. С. Ландсберг – 6 изд., стереот. – M.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 848 с.
6Герасимов, Ф. M. Современные дифракционные решетки / Ф. M. Герасимов // Оптико-механическая промышленность. – 1965. – № 10. – C. 33.
7Стурман, Б. И. Фотогальванический эффект в средах без центра симметрии и родственные явления / Б. И. Стурман, В. М. Фридкин. – М.: Наука, 1992. – 208 с.
26