Generace 2. harmonické frekvence v nanosekundovém svazku s energií 50 J a výkonem 500 W

Abstract

Tato práce se zabývá simulováním a experimentálním ověřením generování 2. harmonické frekvence pro Yb:YAG laser (1030 nm) s energií pulsu mezi 50 a 100 J, délkou pulsu 10 ns a opakovací frekvencí 1 a 10 Hz. Zvláštní pozornost je v této práci věnována tepelným jevům, které ovlivňují účinnost konverze. Závislost efektivity konverze na teplotě nelineárního krystalu byla simulována ve vlastním programu napsaném v prostředí Matlab. Funkčnost simulačního programu byla ověřena na idealizovaném parabolickém teplotním rozložení v krystalu LBO. Následovně byl program použit pro určení konverzní účinnosti pro teplotní rozložení, které vzniklo simulací vedení tepla uvnitř nelineárního krystalu LBO v programu COMSOL. Simulace ukázaly, že velký vliv na účinnost konverze do 2. harmonické frekvence má teplotní gradient uvnitř krystalu. Experimentální ověření vlivu tepelných jevů na SHG jsme provedli při několika teplotách pícky se zasazeným LBO krystalem a pro opakovací frekvence 1 a 10 Hz. Nejprve bylo provedeno měření pro opakovací frekvenci 10 Hz. Při teplotě krystalové pícky 30 °C jsme při vstupní energii 86 J pozorovali průměrnou účinnost konverze 80,2 %. Během experimentu se krystal zahřál, čímž došlo k rozladění fázové podmínky. Po korekci teplotního rozladění vhodným natočením krystalu jsme pak získali účinnost 82,6 %. Pro teplotu krystalové pícky 50 °C se vstupní energií 80 J jsme naměřili průměrnou účinnost konverze 78,6 %. Při teplotě pícky 70 °C se vstupní energii 88 J jsme změřili průměrnou účinnost konverze 70,3 %. Při experimentech s teplotou pícky na 50 a 70 °C jsme nepozorovali změny v účinnosti konverze. Dále bylo provedeno měření pro opakovací frekvenci 1 Hz při teplotě krystalové pícky 30 °C a vstupní energii 94 J. Při tomto nastavení experimentu jsme naměřili průměrnou účinnost konverze 76,4 %. Během tohoto měření jsme také zaznamenali pokles účinnosti vlivem zahřátí krystalu.

This masters thesis explores computer simulation and experimental verification of 2nd harmonic generation for a Yb:YAG laser (1030 nm) with a pulse energy between 50 and 100 J, pulse length of 10 ns and a repetition rate of 1 and 10 Hz. A central focus of this work are thermal phenomena, which have an effect on conversion efficiency. The dependence of conversion efficiency on the temperature of the nonlinear crystal was simulated using a Matlab program, which I wrote specifically for this purpose. The functionality of the simulation program was verified on an idealized parabolic temperature distribution in a LBO crystal. The simulation program was then applied to a temperature distribution generated by a finite element method (FEM) simulation of heat conduction inside a LBO crystal, which was calculated using COMSOL. The simulations showed that the temperature gradient within the LBO crystal had a substantial effect on the conversion efficiency to the 2nd harmonic frequency. Experimental verification of the effects of thermal phenomena on SHG efficiency was conducted for several temperatures of a crystal oven containing a LBO crystal and for laser repetition rates of 1 and 10 Hz. First we conducted experiments using a laser repetition rate of 10 Hz. With the crystal oven temperature set at 30 °C and a pulse energy of 86 J, we measured an average conversion efficiency of 80.2 %. During this experiment the temperature of the crystal increased, which led to a detuning of the phase-matching condition. We made a correction to the phase-matching condition by tilting the crystal to maximize the conversion efficiency. After this correction we achieved an average conversion efficiency of 82.6 %. For a crystal oven temperature of 50 °C and a pulse energy of 80 J we achieved an average conversion efficiency of 78.6 %. For a crystal oven temperature of 70 °C and a pulse energy of 88 J we achieved an average conversion efficiency of 70.3 %. During the experiments for oven temperatures 50 and 70 °C we did not observe any significant phase-matching detune or efficiency drop. Next we performed the experiment with a laser repetition rate of 1 Hz, a crystal oven temperature of 30 °C and a pulse energy of 94 J. For this configuration we measured an average conversion efficiency of 76.4 %. During this experiment we also observed an efficiency drop due to thermal effects.