Sestrojení autokorelátoru pro měření časové délky
femtosekundových pulsů ve střední infračervené oblasti
Konzultant: Mgr. Tomáš Popelář ([email protected]), KCHFO MFF UK
Femtosekundové pulsy jsou nedílnou součástí moderní laserové laboratoře. Kvůli jejich
malé časové délce (100 fs = 10-13s) mají i pulsy s malou celkovou energií obrovské elektrické
pole v řádech giga wattů (při energii v pulsu pouhý 1 J). Jejich využití kromě samozřejmého
studia ultrarychlých dějů v rozličných materiálech se nalézá i v realizaci a využití dějů nelineární
optiky ať už v rámci samotného experimentu, tak i k jeho přípravě. V naší laboratoři kromě dnes
už běžných femtosekundových pulsů ve viditelné a blízké infračervené oblasti generujeme záření
ve střední infračervené oblasti (3 - 10 m), což je stále docela ojedinělé.
Kvůli disperzi prostředí, ať už se jedná o vzduch či optický materiál, dochází
k prodlužování pulsů. Jelikož je důležité udržet pulsy co nejkratší, byly vyvinuty různé způsoby
jak je zase zkracovat, nicméně nejdříve je nutné zjistit jejich délku a případné prodloužení. Toho
však nelze docílit přímočaře, používá se takzvaných autokorelačních měření, kdy se měří
účinnost nějakého nelineárního jevu na vzájemném zpoždění dvou svazků.
V rámci tohoto projektu se student seznámí s problematikou femtosekundových
Gaussovských pulsů, jejich generace, popisu a využití v naší laboratoři. Praktickou částí bude
sestrojení autokorelátoru pro střední infračervenou oblast založeném na generaci druhé
harmonické frekvence v nelineárním krystalu galium selenid, změření délky pulsů a případně
zjistit vliv různých prostředí.
Schématické uspořádání autokorelátoru
Literatura
R. Boyd, Nonlinear optics, Academic press (1992)
1
Magneto-optická charakterizace nových materiálů pro spintroniku
Vedoucí: RNDr. Eva Schmoranzerová, Ph.D. ([email protected]), KCHFO
Konzultant: Mgr. Tomáš Janda ( [email protected] ), KCHFO MFF UK
Spintronika je odvětví elektroniky, v němž je k uchování a zpracování informace využit kromě
náboje nosičů také jejich magnetický moment - spin. Důležitý požadavek pro úspěšnou
implementaci spintronických součástek je kladen na materiálový výzkum, jenž má za cíl
připravit strukturu vhodnou pro externí manipulaci se spinovými momenty. Takovou strukturou
mohou být např. uměle zhotovené feromagnetické či antiferomagnetické polovodiče. Velice
silný nástroj pro magnetickou charakterizaci nově připravených systémů poskytuje magnetooptika, která prostřednictvím interakce světla s magnetickým polem v materiálu umožňuje
studovat nedestruktivním způsobem jeho magnetické vlastnosti.
Vektorový elektromagnet umožňuje měnit
vektor magnetického pole mezi pólovými
nástavcí
pomocí
změny
proudu
protékajícího jednotlivými páry cívek.
V tomto projektu se bude student podílet na sestavení univerzálního experimentálního
uspořádání, které umožní magneto-optickou detekci hysterézních smyček s co největší
variabilitou geometrie (úhel dopadu, směr magnetického pole). Zapojí se do charakterizace nově
konstruovaného vektorového elektromagnetu, v nemž bude měřit rozložení magnetického pole
mezi pólovými nástavci pomocí nové 3D Hallovské sondy, vytvořené v rámci studentského
projektu „3D mapování magnetického pole měřením Hallova jevu“, úspěšně řešeného na našem
pracovišti v předchozím roce. Student dále ověří funkčnost experimentálního uspořádání
měřením hysterézních smyček známých materiálů, jako např. feromagnetického polovodiče
GaMnAs.
Literatura:
1. Z. Rafaj: „3D mapování magnetického pole měřením Hallova jevu“, MFF UK, 2014,
studentský projekt.
2. A. K. Zvezdin, V. A. Kotov, „Modern Magnetooptics and Magnetooptical Materials“,
Institute of Physics Publishing, Bristol/Philadelphia (1997).
3. časopisecká literatura
2
Čítání fotonů emICCD kamerou
Konzultant: Mgr. Tomáš Chlouba ([email protected]), KCHFO MFF UK
Pl-MAX 4 je nejmodernější emICCD kamera, jejíž citlivost je na úrovni jednotlivých
fotonů. Kamera je k dispozici v laserových laboratořích na Katedře chemické fyziky a optiky.
Jedná se o CCD kameru s dvojím zesílením (hradlovaný zesilovač světla & násobení elektronů
na CCD čipu), což jí umožňuje detekovat jednotlivé dopadající fotony. Kamera je zároveň
hradlovaná s nejmenší šířkou hradla 500 ps. Kamera tak může měřit děje odehrávající se
na subnanosekundové a nanosekundové časové škále. Kamera je umístěna na výstupu
zobrazovacího spektrografu IsoPlane.
V rámci tohoto projektu se seznámí s kamerou a s metodami měření ultraslabých
světelných signálů. Cílem projektu bude ověřit citlivost emICCD kamery, charakterizovat
vlastnosti kamery a porovnat výhody a nevýhody jednotlivých způsobů detekce fotonů.
Literatura:
1.http://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device
2. http://www.princetoninstruments.com/products/imcam/pimax/
3. P. Malý: Optika, Karolinum, Praha 2008
3
Charakterizace vydělovače femtosekundových laserových pulsů
Konzultant: Mgr. Vít Saidl ([email protected]), KCHFO MFF UK
Lasery generující ultrakrátké záblesky světla (pulsy) jsou v současné době široce
využívány ve výzkumných laboratořích po celém světě. Tato zařízení většinou generují laserové
pulsy s vysokou opakovací frekvencí (typicky desítky MHz), což ale může být v jistých
případech nevýhodné. Například, pokud je relativně pomalý odvod tepla ve studovaném
materiálu, může dojít k silnému lokálnímu zahřátí místa dopadu laserových pulsů. Řešením
tohoto problému je snížení opakovací frekvence laseru (tj. zvětšení časové vzdálenosti mezi
jednotlivými pulsy), díky čemuž se teplo generované absorpcí laserového pulsu v materiálu stačí
rozptýlit před dopadem pulsu následujícího.
V rámci tohoto projektu se řešitel podrobně seznámí s principem generování
femtosekundových laserových pulsů a zejména se způsobem, jakým je možné ze skupiny
laserových pulsů – šířících se velikou rychlostí blízko za sebou – vydělit jen některé pulsy.
Konkrétně bude provedena podrobná charakterizaci laserových pulsů vystupujících vydělovače
pulsů vyrobeného firmou Spectra Physics (model 3980), který máme k dispozici v Laboratoři
OptoSpintroniky.
Obr.: Závislost výkonu světla vystupujícího z laseru na čase. Doba trvání jednotlivých pulsů t je
mnohem menší než jejich časová vzdálenost 1/R. Ač mají pulzy relativně velký výkon Ppeak, při
měření výkonu konvenčními metodami se změří pouze průměrná velikost této veličiny Pavg. Zdroj:
http://www.semrock.com/laser-damage-threshold.aspx.
Literatura:
1. http://www.rp-photonics.com/pulse_pickers.html
2. B. E. A. Saleh, M.C, Teich: Základy fotoniky, matfyzpress, Praha 1994.
4
Charakterizace Berekova kompenzátoru
Vedoucí: RNDr. Eva Schmoranzerová, Ph.D. ([email protected]), KCHFO
Jedním ze základních vlastností světla jakožto elektromagnetického záření je jeho polarizace.
Přestože k polarizaci světla je lidské oko necitlivé, s jejími projevy se setkáváme v každodenním
životě (např. při použití polarizačních brýlí k potlačení odrazů, v LCD displejích, 3D
technologiích v kině a mnoho jiných). Ve vědeckých aplikacích nám změna polarizace světla po
průchodu či odrazu od materiálu může poskytnout cenné informace o jeho mikroskopické
struktuře. Měření takových změn, které mohou být v realitě velmi malé, je však velmi obtížný
úkol, který vyžaduje přesné definování polarizačního stavu vstupního a výstupního světelného
svazku. Jedním z optických prvků, který umožňuje vytvořit libovolný polarizační stav
(kruhovou, lineární i obecnou eliptickou polarizaci) v široké spektrální oblasti, je Berekův
kompenzátor.
Berekův kompenzátor funguje na principu natáčení osy dvojlomného krystalu vůči směru šíření
světla, čímž lze ladit vzájemné fázové zpoždění jednotlivých složek vektoru elektrického pole, a
tedy měnit polarizaci světla.
V tomto projektu se student nejprve detailně seznámí s teoretickým popisem a principy určení
polarizačního stavu světla. Ty budou poté aplikovány na charakterizaci Berekova kompenzátoru,
zejména vzhledem ke kvalitě získané lineární a kruhové polarizace, která určuje použitelnost této
komponenty v experimentech probíhajících v naší laboratoři. Zaměříme se především na
charakterizaci pro viditelné vlnové délky světla, kde v současné době chybí jiné kvalitní
širokospektrální polarizační fázové destičky pro manipulaci s polarizací. Jako zdroj světla pro
charakterizaci bude použit optický parametrický oscilátor Inspire, a student tak bude mít
možnost seznámit se také s fungováním tohoto moderního laserového systému určeného ke
generaci ultrakrátkých pulsů v extrémně široké spektrální oblasti.
Projekt bude řešen v Laboratoři Optospintroniky, a tématicky navazuje na studentskou práci
„Kouzlo polarizace“, řešenou úspěšně na témže pracovišti v minulém roce.
Literatura:
1. E. Hecht: „Optics“, Addison Wesley, San Francisco (2002)
2. manuál k Berekovu kompenzátoru
3. studentský projekt, J. Schusser: „Skryté kouzlo polarizace“, MFF UK (2014)
5
Měření délky infračervených femtosekundových laserových pulzů
pomocí metody FROG
Konzultant: Mgr. Jan Salava ([email protected]), KCHFO MFF UK
Ultrakrátké laserové pulsy se používají v materiálovém výzkumu jako mocný nástroj
studia rychlých procesů a nelineárních jevů. Pro správnou interpretaci získaných údajů, je třeba
znát co nejpřesněji parametry použitých pulzů. Hlavními charakteristickými vlastnostmi
ultrakrátkých pulzů jsou jejich spektrum a časový průběh intenzity světla. V případě
femtosekundových pulzů nelze délku pulzu změřit přímo zejména kvůli pomalé odezvě
standardních detektorů, resp. jejich elektroniky, na tak krátkých časových škálách. V poslední
době se rozvinulo několik nových metod, s jejichž pomocí lze kompletně rekonstruovat průběh
elektromagnetického pole daného pulzu.
Cílem projektu bude pomocí metody FROG (frequency resolved optical gating) změřit
délku infračervených femtosekundových pulzů. Tato metoda, spočívající v měření spekter pulzů
na druhé harmonické frekvenci generovaných dvěma identickými pulzy s různým zpožděním,
nám pomůže změřit délku IČ pulzů vycházejících z optického parametrického zesilovače
TOPAS.
Literatura:
1. http://frog.gatech.edu/
2. P.. O’Shea et al. Practical issues in ultra-short-pulse measurements with ‘GRENOUILLE’.
Appl. Phys. B 79, 683–691 (2004).
.
6
Vzájemná synchronizace laserových a magnetických pulsů
Konzultant: Mgr. Tomáš Janda ([email protected]), KCHFO MFF UK
Klasickým nástrojem pro studium a manipulaci s magneticky uspořádanými látkami je
magnetické pole. V nedávné době ale bylo zjištěno, že pro tento účel je možné využít také krátké
světelné záblesky (tzv. ultrakrátké laserové pulsy). V některých feromagnetických látkách se
totiž tyto optické pulsy projevují jako velice krátké pulsy magnetického pole, které – za vhodně
zvolených experimentálních podmínek – mohou dokonce změnit orientaci magnetických
momentů ve studované látce. To je velice zajímavé zejména pro informační technologie, protože
právě orientace magnetizace je využívána pro ukládání logických "0" a "1" v pevných discích
počítačů. Praktická implementace tohoto jevu by pak následně mohla vést ke zvýšení rychlosti
záznamu dat až o několik řádů. V současné době je ale tento výzkum teprve v úplném počátku.
Studium rychlosti překlápění orientace magnetizace pomocí laserových pulsů je značně
komplikovaná úloha, protože je nutné – mimo jiné – vždy před dopadem laserového pulsu
připravit magnetizaci v předem definovaném stavu, ze kterého je následně laserovým pulsem
vychylována. Pro provádění těchto experimentů by tedy bylo velice užitečné, pokud by se
podařilo synchronizovat magnetické pole využívané pro nastavení počátečního stavu studované
látky a dopadající laserové pulsy. Za tímto účelem byl do Laboratoře OptoSpintroniky zakoupen
nový proudový zdroj napájení elektromagnetu a v rámci tohoto projektu bude provedena jeho
charakterizace. Cílem tohoto projektu je zjistit, jak nejrychleji je možné v používaném
elektromagnetu periodicky měnit magnetické pole a jakým způsobem je možné ho frekvenčně a
fázově synchronizovat s femtosekundovymi pulsy generovanými laserem.
Obr. Schematické znázornění překlápění směru magnetizace (M) pomocí laserového pulsu [2].
Literatura:
1. http://physics.mff.cuni.cz/kchfo/ooe/vyzkum/opto-spintronika
2. P. Němec a kol., Nature Physics 8, 411-415 (2012).
3. N. Tesařová a kol., Nature Photonics 7, 492-498 (2013).
7
Download

Nabídka témat studentských projektů