Effetti della birifrangenza sulla guida elettromagnetica di strutture prodotte dal laser a femtosecondi

III. RISULTATI

L’immagine di microscopia a trasmissione trasversale della struttura registrata in LiNbO3 mostra regioni scure al centro della figura indicata dalle frecce in Fig. 2, lettera a). Inoltre, due linee nell’immagine longitudinale di Fig. 2 (b), vista dall’alto, indicare la registrazione di due strutture parallele.

Queste regioni scure sono correlate alla diminuzione dell’indice di rifrazione del materiale risultante dall’autofocus con potenza laser superiore alla soglia di collasso. Le regioni luminose localizzate intorno a quelle scure, derivano da cambiamenti indotti dallo stress che aumentano l’indice di rifrazione (guida d’onda di tipo II) .

Poiché il cristallo LiNbO3 è birifrangente, possono verificarsi cambiamenti nell’indice di rifrazione sia negli indici ordinari che in quelli straordinari. I cambiamenti strutturali, creati in un regime di moderata intensità di registrazione, aumentano l’indice di rifrazione straordinario mentre l’indice di rifrazione ordinario diminuisce. D’altra parte, gli effetti di assorbimento non lineare a impulsi ad alta energia causano gravi danni al materiale, riducendo entrambi gli indici di rifrazione e causando l’area scura. Inoltre, una regione birifrangente indotta da stress si forma attorno alla regione danneggiata. È stata riportata una potenza critica per la rottura in LiNbO3 di 0,3 MW corrispondente a un’energia di 0,12 µJ . Pertanto, poiché l’energia per impulso di 2 µJ utilizzata per produrre le strutture in LiNbO3 è superiore all’energia critica per la ionizzazione non lineare, si prevede che si verifichi una filamentazione causata da un equilibrio dinamico tra auto-messa a fuoco e defocalizzazione del plasma.

Fig. 3 mostra le immagini della struttura registrate in LiF catturate mediante microscopia a trasmissione. Può essere visto in Fig. 3 (a) il profilo trasversale allungato della struttura, che risulta dalla filamentazione prevista a causa del metodo di registrazione . A differenza di LiNbO3, la regione scura nel profilo longitudinale del LiF, Fig. 3 (b), presenta una singola linea corrispondente alla guida d’onda inscritta.

Nel metodo di registrazione, il raggio laser è stato lanciato sulla superficie superiore del cristallo che corrisponde anche al lato superiore delle immagini della sezione trasversale di Fig. 2 e 3.

Le immagini ricostruite che rappresentano il profilo near field del raggio che emerge dalle strutture inscritte in LiNbO3 e LiF sono mostrate in Fig. 4. Queste immagini corrispondono ai profili ottenuti controllando solo il SOP della luce incidente, e quindi, P2 è stato rimosso dal setup. La polarizzazione della luce trasmessa da P1 era nelle direzioni V o H. Gli orientamenti delle immagini in Fig. 4 (a), (b) e 4 (c), (d) sono equivalenti all’effettivo orientamento spaziale dei cristalli in Fig. 2 (a) e Fig. 3 (a), rispettivamente. In altre parole, il lato superiore delle immagini corrisponde alla superficie superiore del cristallo. Fico. 4 (a) e 4 (b), presentano nell’asse verticale un profilo allungato lungo la profondità del cristallo composto da due principali regioni di guida. Il profilo nell’asse orizzontale mostra corrisponde alla luce guidata dall’intera struttura. Tuttavia, le modifiche nel SOP della luce incidente spostano la posizione xy di queste regioni.

Le immagini ricostruite di Fig. 4 (c) e 4 (d), presenta un profilo di campo vicino per la LiF con una forma più regolare composta da una regione principale di massima intensità, quindi, una singola guida d’onda. I profili del fascio della luce guidata dalla struttura in LiNbO3 ottenuti per gli assi di trasmissione P1 e P2 a diversi orientamenti sono mostrati in Fig. 5 e 6. Per P1 alle direzioni V o H, P2 è stato modificato dalle direzioni V, 45° e H o è stato rimosso (ϕ).

Per tutte le disposizioni P1 e P2, l’intensità e la forma del profilo del fascio sono rimaste costanti come si può vedere in Fig. 5 c) e 5 d). In Fig. 5 (a), il profilo sull’asse verticale (profondità del cristallo) per P1 allineato in verticale e P2 assente (Vϕ), presenta tre picchi, mostrati anche in Fig. 4, lettera a). Peak 1, corrisponde alla guida nella regione più interna della struttura nel cristallo che subisce la maggiore diminuzione dell’indice di rifrazione dovuta alla messa a fuoco laser durante l’iscrizione. Nella regione vicino alla superficie cristallina si verifica una perdita della potenza guidata al mezzo esterno, picco 3 di Fig. 5, lettera a). Quando gli assi di trasmissione di entrambi i polarizzatori sono allineati (VV), l’intensità complessiva del segnale diminuisce ma il profilo presenta ancora i 3 picchi. Per la disposizione V45°, il segnale diminuisce ulteriormente, picco 3 quasi svanisce e il profilo mostra solo picchi 1 e 2 con circa la stessa intensità. Quando le direzioni P1 e P2 sono ortogonali (VH) viene ancora rilevato un segnale di uscita. Il picco 1 diventa meno intenso del picco 2. Pertanto, la guida si sposta verso la superficie del cristallo.

Il profilo del fascio nell’asse orizzontale, Fig. 5 (b), presenta un picco intenso 5, corrispondente all’intensità combinata dei tre picchi (1, 2 e 3) mostrati nell’asse verticale. Per le disposizioni Vϕ e VV, si osserva un lobo laterale 4 che svanisce per V45° e VH. I profili orizzontale e verticale ottenuti sperimentalmente per Vϕ, Fig. 5 (c) e 5 (d), sono ricostruiti attraverso l’aggiunta dei profili ottenuti per configurazioni VV e VH. Ogni regione anisotropica della struttura prodotta dal laser a femtosecondi ha una particolare birifrangenza. Pertanto, per una luce incidente polarizzata linearmente, ogni regione di guida propaga i componenti del campo nelle direzioni dei suoi assi di birifrangenza. Di conseguenza, la forma del profilo del fascio cambia per diversi orientamenti dell’asse di trasmissione P2.

In Fig. 6 (a), il profilo del fascio ottenuto per la configurazione Hϕ mostra anche tre picchi. Tuttavia, a differenza del profilo ottenuto per Vϕ, i picchi 2 e 3 sono i più intensi. In questo caso, la luce si propaga preferenzialmente nelle regioni di guida quasi alla superficie del cristallo. Per le configurazioni H45° e HH, il picco 1 scompare. Per l’alta tensione, i picchi 1 e 2 hanno approssimativamente la stessa ampiezza e il picco 3 scompare. Pertanto, la parte più interna della struttura prodotta nelle guide di cristallo preferenzialmente luce linearmente polarizzata in direzione verticale. D’altra parte, la regione quasi alla superficie guida preferenzialmente luce linearmente polarizzata in direzione orizzontale. Inoltre, la perdita della luce si verifica preferenzialmente per la polarizzazione orizzontale.

Il profilo della trave sull’asse orizzontale, Fig. 6 (b), mostra il picco 5 che corrisponde all’intensità combinata dei tre picchi nell’asse verticale (Fig. 6, lettera a)). In questo caso, il lobo laterale 4 diminuisce per HV e HH e svanisce solo per V45°.

Per la luce incidente polarizzata linearmente in senso orizzontale, il profilo del fascio ottenuto senza P2 viene ricostruito mediante l’aggiunta dei profili per HV e HH, come mostrato in Fig. 6 c) e 6 d).

Profili del fascio di Fig. 7 e 8 rivelano la birifrangenza indotta della struttura inscritta nel cristallo di fluoruro di litio. Come si può vedere, la guida è ottenuta anche per le direzioni ortogonali degli assi di trasmissione P1 e P2, disposizione VH.

Fig. 7 (a), mostra il profilo del fascio sull’asse verticale composto da due picchi principali. Poiché il picco 2 è il più intenso, la guida si verifica preferenzialmente nella regione della struttura inscritta vicino alla superficie del cristallo per le configurazioni Vϕ, VV e V45°. Tuttavia, per VH, la guida si verifica nella regione più interna del cristallo. Nell’asse orizzontale, il profilo del fascio per Vϕ, VV e V45 ° mostra un picco pronunciato 4 con un lobo laterale 3. Per il lobo VH 3 svanisce e il picco 4 si sposta a destra. Il profilo del fascio per Vϕ viene ricostruito aggiungendo i profili VV e VH (Fig. 7 (c) e 7 (d)) come si è verificato con LiNbO3.

Fig. 8 (a) presenta il profilo del fascio ottenuto con configurazioni Hϕ, HH e H45°. Per H there ci sono due lobi laterali, 1 e 3. Per HH e H45 ° lobo 1 svanisce, ma c’è qualche guida corrispondente al lobo 3. Profili all’asse orizzontale, Fig. 8 (b), esibiscono il picco intenso 5 con due lobi laterali, 4 e 6 per tutte le disposizioni di P1 e P2. Per l’alta tensione in entrambi gli assi, il picco 2 si divide in due picchi. Anche il profilo del fascio per Hϕ viene ricostruito aggiungendo i profili HV e HH (Fig. 8 c) e 8 d).