Characterization of second harmonic generation and optical spontaneous parametric down-conversion using periodically poled LiNbO3 (PPLN) crystals

Abstract

Los fenómenos no lineales de conversión de frecuencias ópticas se pueden clasificar en dos grupos: ascendentes, como el doblado y la suma de frecuencias, y descendentes, como la conversión espontánea paramétrica o la diferencia de frecuencias. El sistema desarrollado en el laboratorio está compuesto por un cristal de niobato de litio, dopado con óxido de magnesio y periódicamente polarizado, de marca Covesion, confinado en un horno que controla en forma precisa su temperatura y un láser pulsado de 1064 nm, con potencia máxima 7 W a 10 kHz (Coherent mod. Matrix 7-10). Para medir el tamaño de los haces se construyó una perfiladora de haz, mediante un obturador mecánico (chopper), adicionando un soporte giratorio en el eje del haz láser y un programa de adquisición, que permiten medir en forma rápida, práctica y económica. El primer paso fue caracterizar la fuente láser, midiendo su potencia de salida, la polarización, forma espacial y temporal, llegándose a notar la presencia de varios modos longitudinales en forma de batido y un haz astigmático. El proceso de conversión de frecuencias se da por ajuste de fases y se eligió el cuasiajuste de fases con un cristal PPLN (Periodilically Poled Lithium Niobate) de 1 cm de largo. Al variar la temperatura del cristal se midió la curva típica de ajuste de fases. Se caracterizó el proceso de doblado, midiendo su eficiencia media para distintas potencias y repeticiones alrededor de 1 W y 2 kHz, los perfiles temporales del haz infrarrojo de entrada, el verde y el infrarrojo de salida del cristal. Por último se midió la relación de tamaño de los haces para distintas potencias de entrada. Todos los datos fueron comparados con la teoría mediante simulaciones numéricas y resultados analíticos. Con otro cristal, de diferente periodicidad y 4 cm de largo, se consiguió la conversión espontánea paramétrica, creando dos ondas en el infrarrojo medio, por un único pasaje del haz de bombeo láser en el cristal. Además se observó emisión de luz en el espectro visible, que estaba compuesta de varias líneas en el rojo, el verde debido a la segunda armónica del láser de bombeo y UV dado por el triplicado del bombeo. La generación del rojo se debe a la suma de frecuencias del bombeo y las dos ondas IR (alrededor de 1,6 y 3,2 micrones) y el UV la suma con el verde. Se caracterizó la misma variando la temperatura del cristal. Palabra clave: PPLN, SHG, conversión paramétrica descendente, medición del haz láser Non-linear optical conversion phenomena can be classified into two different groups: up-conversion, like second harmonic and sum-frequency generation, and down-conversion like spontaneous parametric or difference-frequency conversion. The system developed in our lab consists of a magnesium oxide-doped periodically poled lithium niobate crystal manufactured by Covesion, enclosed in an oven with precise temperature control and a pulsed laser at 1064 nm, maximum power 7 W at 10 kHz (Coherent mod. Matrix 7-10). In order to determine the beam diameter a beam profiler was built based on a chopper, ...