O projeto de doutorado tem como objetivo estudo e montagem de um sistema laser que gere feixe laser de comprimento de onda sintonizável continuamente, com intervalo espectral na região infravermelho (IV) próximo e médio. O trabalho foi dividido em três partes: (i) laser de Nd:YAG @1064nm, (ii) aplicação deste sobre uma cavidade ressonante OPO e (iii) simulação de cavidades laser em anel. O laser de Nd:YAG foi montado e aprimorado a partir de outro laser desenvolvido anteriormente, o qual foi transformado em fonte polarizada pela inserção de um elemento óptico no seu interior. Em comparação com o laser não polarizado, ele apresentou potência de saída com valores relativamente altos, com um máximo de 30W, e melhora do fator de qualidade do feixe de M2<1,3 mais próximo do valor ideal igual a 1 e assim próximo do modo TEM00, adequado para aplicações de transferência de energia. A aplicação do laser Nd:YAG polarizado sobre uma cavidade OPO linear (meio ativo: cristal de Niobato de Lítio dopado 5%MgO:LiNbO3 com alternância de polarização, conhecido pela sigla PPLN) foi bem sucedida, por ter sido observado seu funcionamento pela geração em seu meio ativo dos feixes (λS, λC) sinal e complementar sintonizados continuamente, mostrando que valores de potência e fator de qualidade foram adequados e suficientes para ser testado em um OPO. Foi mensurada na saída potencia de 1W para o feixe complementar, onde a eficiência de inclinação da curva mostrou valores de 20,8% e 23,4% para bombeio pulsado (temperaturas do cristal TC=100°C/150°C), e o valor de 11,1% (TC=150°C) para bombeio contínuo. A aplicação da técnica knife-edge no feixe complementar (TC=150°C/rede periódica do cristal Λ0=31,59m/ λC=2470nm) resultou em fator de qualidade do feixe de M2=5,75(165). Foi realizada simulação numérica, visando estudo e planejamento de duas cavidades em anel simétricas, com sintonização contínua dos feixes de interesse na saída. A primeira contém um cristal PPLN como meio ativo, onde ocorre Oscilação Paramétrica, gerando feixe na região espectral do IV médio. A segunda cavidade possui dois cristais, que são PPLN e Triborato de Lítio (LiB3O5 conhecido pela sigla LBO), onde ocorrem na ordem Oscilação Paramétrica e Geração de Segundo Harmônico, gerando feixe na região espectral entre visível e IV próximo. Foram obtidos dois conjuntos de valores de dimensões para as cavidades, usando base teórica e condições de contorno apropriadas ao realizar os cálculos necessários, fixadas as informações sobre os respectivos componentes ópticos, onde o feixe de bombeio @1064nm focalizado no centro do cristal PPLN possui valor de cintura de feixe pouco maior que 50 μm. O laser de Nd:YAG @1064nm polarizado desenvolvido possui montagem simples e custo baixo de seus componentes, reduzindo o custo do sistema laser final onde foi aplicado, comparado com outros sistemas laser sintonizáveis. Deseja-se estudar o desenvolvimento destes para um modelo de frequência única, usando-o como fonte de bombeio para geração de feixes com largura de linha estreita, visando aplicação em espectroscopia. / The purpose of this doctoral project is the study and mounting of a continuously tunable wavelength laser system generating beams in the near and to middle infrared (IR) spectral region. This work was divided into 3 parts: (i) fundamental mode, polarized Nd:YAG @1064nm laser, (ii) its use in a resonant OPO cavity and (iii) ring cavity laser simulations. A continuous Nd:YAG @1064nm laser was mounted and developed, based on an already tested setup, with the added feature of a polarized beam at the exit. Compared with the non-polarized laser source, it presented high output power, with maximum value of 30W, and an improvement of the beam quality factor such that M2<1,3, close to the ideal value of 1. The application of this polarized Nd:YAG laser as a pump source for a linear Optical Parametric Oscillator (OPO) was successful, generating tunable Signal and Idler beams (λS, λC) inside the active media (5%MgO:LiNbO3; doped periodically-poled Lithium Niobate crystal, or PPLN). For the idler beam, a maximum power of 1,1W was measured, and 3 slope efficiency values were obtained of 20,8% (TC=100°C) and 23,4% (TC=150°C) for the pulsed pump source, and the value of 11,1% (TC=150°C) for the CW pump source. The knife-edge technique applied in the idler beam (TC=150°C, crystal periodic grating Λ0=31,59m, λC=2470nm) resulted in a beam quality factor of M2=5,75(165). Numerical simulations were performed, aiming at the study and planning of 2 symmetrical ring-cavities to generate continuous tunable beams at their exits. The first cavity contains a PPLN crystal as active media, where Parametric Oscillation occurs generating two beams in the mid IR spectral region. The second cavity contains two crystals inside it, a PPLN for the OPO and a Lithium Triborate (LiB3O5 known as LBO) for Second Harmonic Generation (SHG), with the beam of interest being in the near IR spectral region. The polarized Nd:YAG @1064nm laser shows a simple setup and uses low cost components, reducing the final laser system price, compared with other tunable laser systems. The next steps involve research and development of a single frequency laser pump source, to generate single frequency beams in the projected OPO ring cavities for future applications in spectroscopy.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-05062017-094748 |
| Date | 27 March 2017 |
| Creators | Lopez, Marcio André Prieto Aparicio |
| Contributors | Wetter, Niklaus Ursus |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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