Modelling of optically nonlinear and broadband circular-difference measurements

Abstract

The work presents computationally modelled optically nonlinear, detailed polarisation measurements that are used in the characterisation of thin material systems.In this work are studied the properties of thin systems with detailed nonlinear polarisation measurements, where the system response to the polarised fundamental field is recorded at the doubled frequency. Besides the strength of the nonlinear interactions, these measurements can provide detailed information on the small-scale structure of the studied systems, especially on their symmetry and chirality. In order to detect chirality, the wish is to produce polarisation states that are extinguished only by their handedness. Therefore, precise polarisation control is essential in order to prevent incorrect interpretations of symmetry.If polarisation measurements are moved into the femtosecond regime, laser light sources are spectrally extremely broadband, turning frequency doubling into a broadband sum-frequency generation process. Moreover, the performance of wave plates used as polarisation control is highly frequency-dependent, and temporally short pulses may be modified into unwanted polarisation states. In this work are computationally studied continuous circular-difference measurements. The expressions governing frequency conversion and quarter-wave plates are implemented with MATLAB®. All the analysis is done in the frequency domain.

AB3:Polarisaatiomittausten avulla voidaan tutkia materiaalien symmetriaominaisuuksia, erityisesti niiden kiraalisuutta. Koska kiraaliset aineet ovat herkkiä polarisaatiotilan kätisyydelle, valon polarisaation täsmällinen hallinta tällaisissa mittauksissa on erittäin tärkeää, sillä polarisaatiovirheet voivat johtaa virheellisiin symmetriatulkintoihin. Epälineaaristen karakterisointimenetelmien avulla tarkastellaan näytteessä muodostuneen, usein kahdennetulla taajuudella värähtelevän optisen vastekentän ominaisuuksia. Epälineaarinen vuorovaikutus liittyy näytteen symmetriaominaisuuksiin ja tällaisilla mittausmenetelmillä näytteiden perusominaisuuksia voidaan tutkia lineaarisia menetelmiä herkemmin.Tässä työssä tarkastellaan jatkuviin polarisaatiomittauksiin perustuvaa taajuudenkahdennusta. Tutkittavan materiaalinäytteen toisen kertaluvun vastetta ja siinä tapahtuvia muutoksia tarkastellaan perustaajuudella värähtelevän optisen kentän polarisaatiotilan suhteen. Polarisaation muokkaamiseen käytetään aaltolevyjä, ne ovat optisia komponentteja. Neljännesaaltolevyn avulla järjestelmän vaste voidaan mitata sekä vasen- että oikeakätiselle ympyräpolarisaatiolle. Tällöin polarisaatiomittausten perusteella voidaan tehdä johtopäätöksiä tutkittavan järjestelmän kiraalisuudesta, sillä valon kätisyyden vaihto aiheuttaa muutoksia kiraalisen järjestelmän vasteeseen. Näyte voidaan tulkita kiraaliseksi erityisesti silloin, kun oikeaja vasenkätinen ympyräpolarisaatio tuottavat erisuuret epälineaariset vasteet.