Phase matching of nonlinear processes with chirped Bragg mirrors

Abstract

Epälineaariset optiset ilmiöt ovat tärkeä osa nykyaikaista fotoniikkaa. Epälineaarisia prosesseja käytetään laajasti esimerkiksi optisessa kuvantamisessa ja koherenttien valonlähteiden valmistamisessa. Yksi tunnetuimmista epälineaarisista ilmiöistä on optinen taajuudenkahdennus (SHG). Siinä kahden samantaajuisen fotonin ja materiaalin välisen vuorovaikutuksen seurauksena syntyy fotoni, jonka taajuus on kaksinkertainen alkuperäisten fotonien taajuuteen nähden. Nanopartikkelihilat tarjoavat lupaavan keinon parantaa epälineaaristen metapintojen suorituskykyä kompakteissa rakenteissa. Niiden toiminta perustuu tietyillä aallonpituuksilla ilmeneviin resonansseihin. Näiden rakenteiden haasteena on se, että ne täyttävät yleensä vaihesovitusehdon vain kapealla spektrialueella. Tämä rajoittaa niiden käyttöä sovelluksissa, jotka edellyttävät laajakaistaista epälineaarista vastetta.

Tässä työssä tutkitaan menetelmää, jolla nanopartikkelihilan vaihesovitettua aallonpituuskaistaa voidaan laajentaa hyödyntämällä multipass-konfiguraatiota ja dispersiivisiä Bragg-peilejä. Multipass-konfiguraation etuna on, että siinä pumppulaser läpäisee epälineaarisen näytteen useita kertoja, mikä kasvattaa epälineaarisen signaalin voimakkuutta. Tässä työssä multipass-konfiguraatiota parannetaan korvaamalla perinteiset metallipeilit tämän työn aikana suunnitelluilla chirpatuilla Bragg-peileillä. Suunnitellut chirpatut Bragg-peilit tarjoavat enemmän vapautta kompensoida nanopartikkelihilan aiheuttamia vaihesiirtymiä. Chirpatut Bragg-peilit tunnetaan erinomaisista dispersio-ominaisuuksistaan, ja niiden avulla voidaan vaikuttaa valon etenemiseen niin, että vaihesovitusehto voidaan täyttää laajemmalla aallonpituusalueella.

Tämän työn tavoitteena on suunnitella ja optimoida chirpatut Bragg-peilit, joita voidaan hyödyntää multipass-konfiguraatiossa vaihesovituksen parantamiseen. Bragg-peilit koostuvat monikerroksisista dielektrisistä materiaaleista, joiden rakenteella voidaan hallita valon heijastumista ja dispersiota. Suunnittelussa hyödynnetään siirtomatriisimenetelmää (engl. transfer-matrix method), jolla voidaan analysoida ja optimoida monikerroksisista rakenteista koostuvien ohutkalvojen optisia ominaisuuksia. Optimointiprosessi suoritetaan iteratiivisesti, jolloin rakenteen parametreja muokataan ja peilien suorituskykyä arvioidaan pienimmän neliösumman menetelmää hyödyntäen.

Optimoitujen peilien ominaisuuksia tarkastellaan sekä numeerisesti että kokeellisesti. Työn tuloksissa esitellään optimointiprosessin tuottamat rakenteet sekä niiden vaikutus multipass-konfiguraation toimintaan. Lisäksi peilien suorituskykyä arvioidaan käytännön sovellusten näkökulmasta. Lopuksi esitellään esitellään valmistettujen peilirakenteiden heijastusspektrit. Tulokset osoittavat, että dispersiivisten Bragg-peilien avulla voidaan vaikuttaa nanopartikkelihilan vaihesovitukseen ja parantaa epälineaaristen prosessien hyötysuhdetta laajemmalla aallonpituuskaistalla. Tämä avaa uusia mahdollisuuksia epälineaarisen optiikan sovelluksiin, kuten optisessa kuvantamisessa ja optisessa tietojenkäsittelyssä.

Nonlinear optical phenomena are an important part of modern photonics. They are widely used, for example, in optical imaging and the generation of coherent light sources. One of the most known nonlinear phenomena is second-harmonic generation (SHG). It results from the interaction between a material and two photons of the same frequency, producing a single photon with twice the frequency of the original. Nanoparticle arrays offer a promising means to improve the efficiency of nonlinear conversion in compact structures. Their operation is based on resonance at specific wavelengths, but the challenge is that they satisfy the phase-matching condition only in specific wavelengths. This limits their use in applications that require broadband nonlinear responses.

In this work we investigate a method to extend the phase-matching bandwidth of nanoparticle arrays by using multipass configuration and dispersive Bragg mirrors. The advantage of the multipass configuration is that it allows the pump laser to interact more than once with the nanoparticle array, which enhances the nonlinear signal generation. In this thesis, the multipass configuration is improved by replacing conventional metal mirrors with chirped Bragg mirrors, designed and fabricated during this thesis. Advantageously, designed chirped Bragg mirrors provide more freedom to compensate for the phase shifts caused by the nanoparticle array. Chirped Bragg mirrors are known for their excellent dispersion properties and can be used to influence the propagation of light to meet the phase-matching condition over a wider wavelength range.

The aim of this work is to design and optimize chirped Bragg mirrors so that they can be used in a multipass configuration to improve phase matching. Bragg mirrors are composed of multilayer dielectric materials resulting in a structure that enables to control the dispersion and phase of reflected light. The transfer-matrix method is used to design and optimize the Bragg mirror structures. The optimisation process is performed iteratively, whereby the structure parameters are modified and the performance of the mirrors is evaluated on the basis of squared error minimisation.

The properties of optimised mirrors are investigated both numerically and experimentally. The optimized structures are presented, and their reflection spectra are measured, along with the impact of small fabrication errors on the resulting mirror reflectivities. In addition, the performance of the mirrors is evaluated from a practical application point of view, and finally reflection spectra of fabricated mirrors are presented. The results show that dispersive Bragg mirrors can be used to influence the phase changes caused by nanoparticle arrays and improve the efficiency of nonlinear processes over a wider wavelength range. This opens up interesting applications, such as SHG of ultrashort laser pulses, optical imaging, and optical information processing.