- Nonlinear optics

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Nonlinear Optics Lab

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HanyangHanyang Univ.Univ.

레이저 응용 광학의 몇 가지 원리 - Holography

- Optical memory

- Short pulse generation

- Nonlinear optics

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홀로그래피 (Holography)

Hologram : whole message

- 1948, Dennis Gabor : 홀로그래피 발명(1972년 노벨상 수상) - 1960, 미국 Michigan 대학, E. Leith, J. Upatnieks : 레이저 이용,

투과형 off-axis 홀로그램.

- 1960, 소련, Denisyuk : 반사형 홀로그램 (슬릿 이용), 밝은 실내에서도 가시화됨.

- 1970, 미국 Benton : 무지개 홀로그램 (백색광),

여러 방향의 모습을 동시 기록, 입체감이 뛰어남.

- 1977, 미국 Cross : 스테레오 홀로그램

D. Gabor

Denisyuk

Benton

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홀로그래피의 원리

1. 사진

색과 빛의 세기를 기록 Î 깊이감이 없음

2. 실물

r₁ r₂ r₃

)}

( {

exp i t k r r r

⋅ ω −

색과 빛의 세기 및 위상을 감지 Î 깊이감과 시차를 느낌

film

(4)

. .

홀로그램의 제작 및 재생 (투과형)

1. 제작

laser beam

film

mirror

2. 재생

film

mirror

기준광과 물체로부터의 반사광을 간섭시켜 그 세기를 기록하고 현상 Î 위상정보가 기록됨.

virtual image object

기준광만 비추면 홀로그램에 회절된 광에 의해 물체의 입체 허상이 보임.

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홀로그램의 종류

1. 투과형

2. 반사형

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Holography의 예

This 10x8 inch two-step full color reflection holographic stereogram of an Acura NSX was made using a single laser wavelength (647 nm), and a single high-resolution photographic plate.

Color was produced using the "In-Situ" color control technique developed by Spatial Imaging alum Julie Parker.

Data courtesy of Alias Research and Honda R&D Company.

Here is a large-scale one-step holographic stereogram.

The film measures 1 x 1 meters, and the image volume occupies approximately 1 meter of depth. This hologram was produced in conjuction with research done for General Motors Corporation in 1991. It is composed of 1000 separate exposures, and displays a 45 degree viewing angle.

- Display

(3차원 영상, 입체 TV, Head up display, …)

- Interferometry

(변형, 진동, 유속, 결함 측정, …)

- Holographic optical memory - Pattern recognition

- Diffractive optical elements(DOE) - 신용카드, 지폐(불법복제 방지)

- 광고, 장식, …

홀로그래피의 응용

금속캔의 하중에 의한 응력분포

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Capacity(Gbit/in2 )

10^-1 10

1

1980 1990 2000 2010

(Products)

PC(Phase change) MO(Magneto-Optic)

Mixed

CD ROM (650MB)

DVD ROM (4.7GB*2)

ASMO

5.25”

MO(1X)

5.25”

MO(2X)

1st DVD RAM 2.6GB*2

MAMMOS

HD DVD

~1.5GB*2

IOPM

Holography

5.25”

MO(8X) CD ROM (650MB) PD

(650MB)

2nd DVD RAM 4.7GB*2

3rd DVD RAM

~15GB*2

3D multi-layer 10²

광메모리 (optical memory)

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1. CD(compact disc), DVD Í 종이, 마이크로필름, 오디오, 비디오 테이프 자기 테이프,

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변 형 된 부 분 인 pit 와 원 상 태 그대로인 land에서의 빛의 반사도 차이를 감지 => 픽업

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CD-RW

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2. Holographic optical memory

- CD/DVD보다 수십배 기록밀도 높음 - 재료 :

광굴절 무기단결정 (Photorefractive crystal) 광굴절 고분자 (photorefractive polymer) 광변색성 고분자 (photochromic polymer)

광이성화 고분자 (Photoisomerization polymer)

홀버닝 재료 (Spectral hole burning material)

- 다중화 : 각도, 위상, 파장

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Ar⁺ ion laser

λ/2 WP

PBS

BE SLM spatial

filter

CCD reference beam

image beam

polymer shutter

λ/2 WP

camera

(PDR1) 514.5 nm

computer

Holographic data storage

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Original images and reconstructed images in PDR1 film

< Original Images > < Reconstructed Images >

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HDDS (holographic digital data storage)

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Photorefractive Crystal을 이용한 VHDDS (Volume holographic digital data storage) - IBM

Holographic data storage HM-100 -Holoplex

Input beam (signal arm)

SLM

Signal Beam

Input beam (reference arm)

Recording/Readout Head Lens of high NA

Reference Beam

Axis of disk rotation

CCD Holographic

Disk Shift

Mation

Output beam (reconstrnction arm)

z x

L θ_s

z_a

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Short pulse generation

- Q switching - Mode locking

1. Q switching

: sudden switching of the laser cavity Q from a low value to a high value

full mirror active medium output coupler

Switching method - Rotating mirror

- Electro-optic switching - Saturable absorber

Pulse width ~ 10 ns

(17)

. .

Rate equations

ν ν

c σ ν N I

ν

cg I dt

dI

−

t

= ( )

₂

2 2

21 2

2

( )

K N

I h N

dt

dN = −

_ν

− Γ +

ν ν σ

Put,

N

t

ch x I

ν

^ν

=

1 2

N y = N

, ,

τ = cg

_t

t

xy x

d y

dx = ( − 1 ) ≈ −

τ τ

y x

y

x

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. .

2. Mode locking

: locking the phases of longitudinal modes by modulating the cavity Q

Modulation method

- Acousto-optic modulation - Electro-optic modulation - Saturable absorber

Pulse width ~ 10 fs full mirror active medium output coupler modulator

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Acousto-optic modulator

: photoelastic effect에 의한 공간적인 굴절률 변조 Î 회절격자 Î 입사광 회절

PZT(piezo-electric transducer) acousto-optic cell

기준광 회절광

Electro-optic modulator

: Electro-optic effect에 의한 편광에 따른 굴절률 변조 Î 입사광의 편광변화 Î 편광기 이용

AC polarizer

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. .

) sin(

) ˆ sin(

) ,

(

_m _m _m _m _m

m

z t e E k z t

E r = ω + φ

Mode locking pulse

Electric filed of m-th longitudinal mode

where,

m L k_m ₌ π

c k_m

m = ω

,

Assume, φ

_m

= 0

Total electric field in the cavity

)}

( cos

) , ( )

( cos

) , ( 2 {

) ,

( z t

⁰

A

⁽ ⁾

z t k

₀

z ct A

⁽ ⁾

z t k

₀

z ct

E = ε

_N ⁻

− −

_N ⁺

+

where, N : number of modes

(21)

. .

Mode-locked laser system and mode locking pulse

fs Ti:sapphire laser system

Mode-locked pulse

2L/c

Pulse width : 2L/cN

∝