Desenho e Construção de um Ampli�cadorParamétrico Óptico

October 15, 2016

Aluna: Larissa Lubiana Botelho RA: 117564

Orientador: Pr. Dr. Lazaro Aurélio Padilha Junior

Índice:

1. Resumo.

2. Introdução.

3. Ampli�cador paramétrico óptico: Resultados e discussão.3.1. Luz branca: importância e parâmetros signi�cativos.

4. Conclusão.

5. Bibliogra�a.

1 Resumo

A óptica não-linear é um ramo da física que estuda a interação de luz intensa emateriais. A densidade de momentos de dipolo (ou polarização) dos materiais,depende não-linearmente da intensidade do campo elétrico incidente. Esta áreatêm se demonstrado de fundamental importância para o desenvolvimento dediversas áreas, entre elas podemos citar a espectroscopia, que com o advento doslasers de alta potência, experienciou um grande avanço, tornando o estudo dereações químicas e fenômenos eletrônicos em materiais cristalinos e molecularesuma realidade.

Este trabalho visa o desenho e a construção e um ampli�cador paramétrioóptico (OPA, na sigla em inglês), que se resume, de maneira simpli�cada, emuma fonte de luz, que por meio de ampli�cação paramétrica, emite compri-mentos de onda variados a partir de um laser com comprimento de onda �xo.Esta característica fez com que o OPA, assim como diversas outras de técni-cas de conversão de frequência óptica não-linear (NLO, na sigla em inglês) se

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tornasse ubíquo em pesquisas cientí�cas e industriais. Para tanto, a geraçãode luz branca (WLG, na sigla em inglês), também conhecida como geração desupercontínuo, é de fundamental importância por sua capacidade de gerar luzem diversos comprimentos de onda a partir de uma fonte de laser de frequência�xa. Um estudo sistemático da WLG em um cristal de sa�ra é realizado nestetrabalho, investigando como parâmetros físicos (duração temporal e potênciado feixe de laser que incide no cristal de sa�ra) afetam este fenômeno.

2 Introdução

A descoberta do segundo harmônico, por Franken et al. em 1961, é comumentetomado como o início do campo conhecido como óptica não-linear, que consisteno estudo de fenômenos que ocorrem devido à mudanças nas propriedades ópti-cas causadas pela presença de luz intensa. A não linearidade destes fenômenosestá relacionada com o fato de que a resposta de um material em relação a umcampo elétrico aplicado é não linear com a intensidade deste.

Podemos expandir a dependência da polarização (densidade de momentosde dipolo) de um material, P(t), com o campo elétrico aplicado, E(t), em umasérie de potências,

P (t) = ε0

[χ(1)E(t) + χ(2)E(t) + χ(3)E(t) + ...

]= P1(t)+P2(t)+P3(t)+... (1)

Onde χ1, χ2, χ3 são, respectivamente, a susceptibilidade linear, a suscep-tibilidade óptica não-linear de segunda e de terceira ordens. E P2, P3 são aspolarizações não-lineares de segunda e terceira ordens, respectivamente. Aqui,por simplicidade, os campos P(t) e E(t) foram tomados como quantidades es-calares. Além disso, note que foi considerado que a polarização, P(t), dependeapenas instantaneamente do valor de E, portanto, é também assumido que assusceptibilidades não-lineares são constantes.

Desta forma, para campos poucos intensos, é possível desprezar os termos dealtas ordens e �car apenas com a primeira ordem, correspondente à óptica linear.No entanto, para feixes muito intensos, não é possível desprezar os termos demaior ordem da Equação (1), o que caracteriza o regime conhecido como ópticanão-linear.

Fenômenos de óptica não-linear se demonstraram e se demonstram uma fer-ramenta ubíqua para o avanço do conhecimento de química, física e biologia.Foi por meio da espectroscopia resolvida na escala de femtosegundo que Zewailet al. demonstrou a existência de um estado de transição em reações quími-cas, e mais recentemente, com a utilização de espectroscopia resolvida na escalade attosegundos, foi possível acompanhar e estudar, em tempo real, fenômenoseletrônicos em materiais cristalinos e moleculares.

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3 Ampli�cador paramétrico óptico

3.1 Resultados e discussão

Geração de luz branca: importância e parâmetros signi�cativos

A luz branca possui um amplo espectro, e por esta característica, se torna umaimportante ferramenta espectroscópida para o estudo de diversos materiais e éuma parte fundamental do aparato a ser montado, o OPA.

Na maior parte dos meios existe um pico de potencia que pode ser encontradoacima do qual o pulso é transformado em um continuo de luz branca. Uma formapela qual é possível se obter tamanha intensidade é através do fenômeno de self-focusing no qual toda a intensidade do feixe (que varia radialmente, uma vezque o feixe é gaussiano) é concentrada em um único ponto, i.e., o material secomporta como uma lente convergente.

Um processo óptico de terceira ordem pode ser escrito como

P (3)(t) = ε0χ(3)E(t)3 (2)

Sabendo que

E(t) = εcos(ωt) (3)

E utilizando a relação cos3ωt = 14cos3ωt+

34cosωt, obtemos

P (3)(t) =1

4ε0χ

(3)ε(3)cos3ωt+3

4ε0χ

(3)ε(3)cosωt (4)

Analisando separadamente cada termo da Equação (4), é possível perceberque o primeiro é referente à geração de terceiro harmônico (saída de um feixecom frequência 3ω a partir de um feixe com frequência ω). O segundo termoda Equação (4) explicita uma contribuição não linear ao índice de refraçãoexperimentado por um feixe de uma dada frequência ω.

O índice de refração, na presença da não�linearidade (causada pela altaintensidade do feixe) pode ser escrito comon = n0 + n2I, onde n é o índice derefração usual, n2 é a constante óptica que caracteriza a contribuição da não-linearidade óptica e é proporcional à χ(3) e I é a intensidade da onda incidente,que é proporcional à ε2.

O processo de self-focusing ocorre graças ao índice de refração dependente daintensidade. Ele pode ocorrer quando o feixe possui uma distribuição transversalde intensidade não uniforme e passa por um meio cujo n2 é positivo; então todaa intensidade é focada em um único ponto, ou seja, o material se comportacomo uma lente convergente. Este processo aumenta a intensidade incidente nomaterial em um dado ponto, possibilitando a geração do supercontínuo.

A primeira etapa da construção do OPA foi composta pelo alinhamento doaparato para a geração da luz branca, bem como o estudo sistemático de comoa potência do laser e a duração temporal do pulso in�uenciam na geração desta.

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Na Figura 1, é possível observar o esquema da montagem experimental uti-lizada para fazer o estudo da geração da luz branca e na Figura 2 é possível veruma foto da montagem.

Figura 1: Esquema montagem experimental para geração de luz branca. E1 eE2: espelhos; I: íris; F: �ltros de densidade neutra; L1 e L2: lentes com 100 mmde comprimento de foco (c.f.); S: cristal de sa�ra para a geração de WLG; D:espectrômetro.

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Figura 2: Foto da montagem experimental para WLG.

Uma vez concluída a montagem do aparato acima, foram feitos espectrospara o estudo da geração de luz branca e como a duração do pulso e a potênciado laser a afetam. Uma foto da luz branca gerada, pode ser observada na Figura3

Primeiramente foi feito o espectro total da luz branca, como pode ser obser-vado na Figura 4, abaixo.

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Figura 3: Foto da luz branca gerada.

Figura 4: Espectro da WLG, com feixe incidente de 1,140 mW de potência.

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É possível ver na �gura que o espctro possui uma região de 500nm até 650nmque é aproximadamente um platô. Além disso, é possível observar que existeuma região desde 700 nm até o infravermelho que possui uma grande intensidadede geração, como pode ser observado em maiores detalhes nos grá�cos da Figura5.

Figura 5: Detalhes do espectro de WLG, com feixe incidente de 1,140 mW depotência.

Desta forma, é possível utilizar a luz gerada em qualquer comprimento deonda entre aproximadamente 500nm até 850nm.

Foi então estudado qual a in�uência da potência para a geração do super con-tínuo. Para tanto, �ltros de densidade neutra com densidades óptcias diferentesforam colocados antes do cristal.

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Figura 6: Superposição de espectros de WLG feitos para três potências difer-entes: 0,920mW, 0,1140mW e 1,1540mW, para �ltros de 0,3ND, 0,2ND e sem�ltro, rrespectivamente.

Note que para 0,920 mW não ocorre WLG, i.e., não há potência su�cientepara a WLG. Para 1,140 mW e 1,540 mW acontece a geração de luz branca.Note que para 1,540 mW existe um aumento da intensidade da luz gerada paracomprimentos de onda entre 600 a 750 nm e uma diminuição da intensidade para850 a 900nm, no entanto, o aumento, bem como a diminuição de intensidade,não são signi�cativos, e não ocorre a geração de novos comprimentos de onda.Desta forma, considerando que quanto maior a potência, mais próximo do limiarde queima é colocado o cristal, a potência de aproximadamente 1,140 mW foiescolhida para WLG.

Por �m, foi realizado um estudo de como a duração temporal do feixe delaser que incide do cristal de sa�ra afeta a WLG, como pode ser observado noespectro da Figura 7.

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Figura 7: Espectro da WLG para diferentes durações temporais do pulso delaser que incide no cristal de sa�ra.

Como pode ser obsevardo na Figura 7 acima, existe uma relação entre aduração temporal do feixe de laser que incide no cristal de sa�ra e a WLG,uma vez que, ao variar o mesmo, não houve mais geração de supercontínuo. Arelação entre a duração temporal do pulso e a geração de luz branca ainda seráexplorada com mais detalhes.

4 Conclusão

Este relatório apresenta os avanços feitos para a construção de um OPA. A gera-ção de luz branca foi realizada com sucesso, uma vez que esta é estável e possuiamplo espectro, possibilitando seu uso no OPA. Como próximos passos, pode-mos citar o estudo mais detalhado da relação entre a duração temporal do pulsode laser que incide no cristal e a geração do supercontínuo e o prosseguimentoda montagem do OPA.

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Comentários:

Meu orientad-or concorda com o expressado neste relatório parcial e deu a se-guinte opinião: o relatório está bom e vejo que a aluna tem se aprofundado noassunto.

Horário:18:00-20:00h

Referências

[1] Baskin, S. J.; Zewail, A. H. Freezing atoms in motion: principles of fem-tochemistry and demonstration by laser stroboscopy. Journal of ChemicalEducation, Vol. 78, No 6, p.737-751, Jun 2001.

[2] BOYD, R. W. Nonlinear optics, Terceira edição, AP, 2008.

[3] Brodeur, A.;Chin, S. L. Ultrafast White-Light Continuum Generation andself-focusing in transparent condensed media. J.Opt. Soc. Am. B, Vol. 16,No 4, p.637-650, Apr 1999.

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Nonlinear_optics; Acessado em 12 de outu-bro de 2016.

[5] A. L. Cavalieri; N. Müller; Th. Uphues; V. S. Yakovlev; A. Baltuska; B.Horvath; B. Schmidt; L. Blümel; R. Holzwarth; S. Hendel; M. Drescher;U. Kleineberg; P. M. Echenique; R. Kienberger; F. Krausz; U. Heinzmann.Attosecond spectroscopy in condensed matter. Nature, Vol. 449, p.1029-1032, Sep 2007

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