No linealidad de segundo orden
La polarización no lineal de segundo orden del niobato de litio µm se puede escribir como,
La matriz 2D describe el tensor de no susceptibilidad χ(2). Para niobato de µm dopado con 5% de MgO (MgO:LN) de µm a 1064 nm, d31 = 4,4 pm/V, d33 = 25 pm/V[1].
El coeficiente no lineal más alto es d₃₃=25 pm/V, lo que corresponde a interacciones paralelas al eje z, es decir, coincidencia de fase tipo 0. En otras palabras, todas las ondas interactivas deben estar e-polarizadas para lograr la máxima eficiencia de conversión. Todos nuestros cristales están diseñados para acceder a este coeficiente d₃₃. Para MgO:LN con polarización periódica, el coeficiente no lineal efectivo deff suele ser de 14 pm/V.
NOTA: Covesion puede ofrecer cristales personalizados para interacciones de tipo I o tipo II, por ejemplo, para sistemas de fotones enredados para la generación de pares polarizados ortogonalmente.
Índice de refracción
El índice de refracción dependiente de la temperatura se describe mediante la ecuación de Sellmeier:
Donde el parámetro dependiente de la temperatura f se define como,
Donde T es la temperatura en °C
y los coeficientes de Sellmeier son, un resonador óptico, también conocido como oscilador paramétrico óptico (OPO), la eficiencia se puede mejorar significativamente.
| Coeficiente de Sellmeier | 5% MgO:LN [2] | LN sin dopar [3] |
|---|---|---|
| a1 | 5.756 | 5.35583 |
| a2 | 0.0983 | 0.100473 |
| a3 | 0.2020 | 0.20692 |
| a4 | 189.32 | 100 |
| a5 | 12.52 | 11.34927 |
| a6 | 1.32E-02 | 1.5334E-02 |
| b1 | 2.860E-06 | 4.629E-07 |
| b2 | 4.700E-08 | 3.862E-08 |
| b3 | 6.113E-08 | -8.9E-09 |
| b4 | 1.516E-04 | 2.657E-05 |
Utilizando estos parámetros en la ecuación de Sellmeier, se puede calcular la variación del índice de refracción con la longitud de onda y la temperatura. La tabla a continuación muestra algunos ejemplos.
| Temperatura | 532 nm | 780 nm | 1064 nm | 1550 nm | 3500 nm |
|---|---|---|---|---|---|
| 30°C | 2.2260 | 2.1715 | 2.1496 | 2.1320 | 2.0732 |
| 100°C | 2.2485 | 2.1929 | 2.1708 | 2.1530 | 2.0938 |
| 150°C | 2.2673 | 2.2108 | 2.1884 | 2.1705 | 2.1110 |
El PPLN tiene un alto índice de refracción que resulta en una pérdida de Fresnel de aproximadamente el 14 % por superficie sin recubrimiento. Para aumentar la transmisión a través de nuestros cristales, las facetas de entrada y salida del cristal cuentan con un recubrimiento antirreflejo (AR), lo que reduce las reflexiones en cada superficie a menos del 1 %.
Transmisión
El MgO:LN y el LN presentan curvas de transmisión muy similares y son altamente transparentes entre 400 y 4000 nm . La absorción del material ocurre por debajo de 400 nm y por encima de 4000 nm, donde el PPLN aún puede utilizarse siempre que se puedan superar las pérdidas. Por ejemplo, se ha demostrado que µm [4] , aunque más comúnmente, los OPO basados en PPLN suelen operar hasta 4,5-5 µm . De manera similar, para la región UV, se ha demostrado [5] y 370 nm [6] tercer orden en MgO:PPLN.
El trabajo de Schwesyg et al. analizó las pérdidas por absorción de MgO:LN entre 300 y 2950 nm [7] . Sus datos (mostrados a continuación) proporcionan una medición precisa del coeficiente de absorción entre 400 y 800 nm. Su experimento tampoco detectó bandas de absorción mensurables entre 800 y 2000 nm .
La figura a continuación muestra las curvas de transmisión de LN y MgO:LN medidas por Covesion, mostrando la atenuación de la transmisión para ambos materiales. La medición incluye reflexiones de Fresnel en las facetas de entrada y salida de las muestras medidas, lo que representa una pérdida de aproximadamente el 30 % debido a las reflexiones de Fresnel.
NOTA: Hay una banda de absorción de OH a 2826 nm con un coeficiente de absorción medido de 0,088 cm-1 [7].
MgO:PPLN frente a PPLN sin dopar
El PPLN sin dopar suele operarse a temperaturas de entre 100 °C y 200 °C para minimizar el efecto fotorrefractivo que puede dañar el cristal y distorsionar el haz de salida. Dado que el efecto fotorrefractivo es más intenso en el PPLN cuando hay fotones de mayor energía en la parte visible del espectro µm , es especialmente importante utilizar el cristal únicamente en el rango de temperatura recomendado.
La adición de un 5 % de MgO al niobato de litio µm aumenta significativamente la resistencia óptica y fotorrefractiva del cristal, a la vez que conserva su alto coeficiente no lineal. Con un umbral de daño más alto, el MgO:PPLN es más adecuado para aplicaciones de alta potencia. También puede operar desde temperatura ambiente hasta 200 °C, lo que aumenta significativamente la capacidad de ajuste de la longitud de onda del dispositivo. Además, en algunos casos especiales, el MgO:PPLN puede operar a temperatura ambiente sin necesidad de control de temperatura. Por ejemplo, nuestro MSHG1550-0.5-1 (1 mm de longitud) puede utilizarse para generar 780 nm a partir de un láser de fibra de femtosegundo de 1560 nm.
Manejo de potencia y umbral de daño
En Covesion, las pruebas de vida útil de nuestros cristales son un proceso continuo. Utilizando un láser de onda continua de 10 W y 1064 nm, generamos 2,2 W a 532 nm. Con una intensidad p µm p >500 kW/cm² y una temperatura de funcionamiento de 35 °C, nuestro PPLN mantuvo la potencia de salida de 2,2 W SHG durante 2000 horas, sin signos de daño en el cristal ni distorsión del haz por fotorrefracción.
El umbral de daño de MgO:PPLN o PPLN depende de la longitud de onda, así como de si la fuente es de onda continua (CW) o pulsada. En el régimen de onda continua (CW), el umbral depende de la intensidad y es menor cuando se trata de longitudes de onda visibles. Para fuentes pulsadas, el umbral de daño depende de la longitud de onda, la duración del pulso, la potencia promedio y la frecuencia de repetición. A menudo, el umbral de daño será mayor para fuentes con baja frecuencia de repetición.
Si cree que está trabajando cerca del umbral de daño, un buen consejo es probarlo en una región no polarizada del cristal. Los cristales de covesión tienen un ancho estándar de 10 mm, pero las rejillas polarizadas cubren un ancho máximo µm de aproximadamente 7 mm. Puede usar las áreas no polarizadas para comprobar cuidadosamente el daño, siempre que se encuentre dentro de la región con recubrimiento AR.
Nota: El umbral de daño en una región polarizada será menor si se generan longitudes de onda visibles. Aumente siempre la potencia p µm p gradualmente, mientras monitorea el haz para detectar distorsiones o una caída repentina de potencia.
La siguiente tabla muestra una recopilación de datos de Covesion y de clientes que muestran los umbrales de potencia o daño en diversos regímenes. Trabajamos continuamente con nuestros clientes para ampliar la información disponible sobre los umbrales de daño de los cristales.
Régimen | Intensidad máxima/ densidad | ¿Daño? | Notas |
|---|---|---|---|
| CW | 500 kW/cm2 | norte | 1064 nm, 10 W, SHG (Covesion) |
| CW | 500 kW/cm2 | norte | 1560 nm, 30 W, (Universidad Nacional Australiana)[8]) |
| CW | 200 kW/cm2 | norte | 532 nm, 2,2 W (desde 1064 nm SHG) (Covesion) |
| ns | 100 MW/cm2 o 2 J/cm2 | Y | 1064 nm, período de ~30 µm , paso único, 10-20 ns, 21 Hz (Covesion) |
| PD | 100 MW/cm2 | norte | OPO de 1060 nm, 20 ps, 115 MHz, 24 W (ORC Southampton,[9]) |
| PD | 1,5 GW/cm2 | norte | OPG de 1064 nm para MIR: 7 ps, 400 Hz |
| PD | 1,8 MW/cm2 | Y | OPO de 530 nm, 20 ps, 230 MHz, 500 mW, (ORC Southampton,[10]) |
| PD | 7,5 MW/cm2 | Y | OPO de 530 nm, 20 ps, 230 MHz, 1 W->100 mW cortado, (ORC Southampton,[10]) |
| PD | 468 MW/cm2 | norte | 1064 nm, 7 ps, 17 W, 80 MHz, (Universidad Nacional de Singapur)[11]) |
| fs | 4 GW/cm2 | Y | 1550 nm, 200 fs, 200 mW, 80 MHz, SHG |
Mecanismos de daño
El efecto fotorrefractivo
En condiciones de alta intensidad, LiNbO3 y MgO:LiNbO3 son propensos al efecto fotorrefractivo, que es un cambio inducido ópticamente en el índice de refracción. (NB: El umbral es más alto para MgO:LiNbO3).
En una región de alta intensidad óptica, los electrones se liberan como portadores libres y luego se redistribuyen en una zona de menor intensidad óptica. Esto provoca una variación espacial del índice de refracción dentro del material, que puede observarse como distorsiones del haz. Esto puede provocar daños permanentes en el cristal. Sin embargo, en ciertas circunstancias ( µm , si los efectos son leves, el daño puede revertirse calentando el cristal a 200 °C durante un par de horas para permitir que todos los portadores de carga se redifundan.
Si está trabajando cerca del umbral de daño, se recomienda que opere a temperaturas altas entre 150 y 200 °C.
Absorción infrarroja inducida por el verde
La Absorción Infrarroja Inducida por Verde, o GRIIRA, es un efecto en el que la presencia de luz verde permite la absorción de infrarrojos. Esto provoca un calentamiento local que puede compensar la temperatura de coincidencia de fase de la interacción, pero también puede dañar los cristales.
El mecanismo de GRIIRA se origina en la creación de polarones a partir de defectos cristalinos, como iones de Nb que ocupan sitios de iones de Li (conocidos como defectos antisitio) e impurezas de iones de Fe. El dopado de µm de niobato de litio con MgO reduce la aparición de GRIIRA, ya que permite que los iones de Mg reemplacen los defectos antisitio de Nb.
La absorción de IR debida a la luz azul también ocurre por los mismos mecanismos y se conoce como BLIIRA (absorción infrarroja inducida por azul).
Referencias
1. Compact blue-green lasers”, WP Risk, TR Gosnell y AV Nurmikko, Cambridge University Press, 2003
2. Gayer et al., Applied Physics B 91, 343-348 (2008)
3. DHJundt, Optics Letters V.22 N.20 p.1553-1555 (1997)
4. MA Watson et al., Optics Letters, vol. 27, n.º 23, págs. 2106-2108, (2002)
5. RT White et al., Applied Physics B: Lasers and Optics, 77(6-7), 547-550 (2003)
6. J. Kim, et al., 2013 IEEE Photonics Society S µm mer Topical Meeting Series (págs. 183-184) (2013)
7. JR Schwesyg et al., Avances en materiales ópticos, AIThE3, (2011)
8. SS Sané et al., Optics Express, vol. 20, n.º 8, págs. 8915-9, (2012)
9. F. Kienle et al., Optics Express, vol. 18, n.º 8, págs. 7602-10, (2010)
10. F. Kienle et al., Journal of the Optical Society of America B, vol. 29, n.º 1, pág. 144, (2011)
11. PK Upputuri y H. Wang, Applied Physics B, vol. 112, n.º 4, págs. 521-527, (2013)
