Optimising a z-scan experiment with an acousto-optic modulator: Reducing thermal effects and improving beam stability

Abstract

In dieser Arbeit wurde ein vorhandenes Z-Scan Experiment umgebaut und optimiert. Z-Scan Experimente sind eine Standard Methode um nicht lineares Verhalten in optischen Medien zu charakterisieren. Bei der Verwendung von gepulsten Lasern mit mehr als einigen zehn Kilohertz Pulsen treten thermische Effekte auf, die minimiert werden müssen. Das kann mit einem optischen Chopper erreicht werden. Im Laufe dieser Arbeit wurden mehrere optische Elemente in das Z-Scan Experiment eingeführt, beziehungsweise ausgetauscht, um das Experiment schneller einzustellen und den Strahlengang zu stabilisieren. Außerdem wurde getestet, ob der vorhandene optische Chopper mit einem akusto-optischen Modulator (AOM) ersetzt werden kann. Dadurch konnte getestet werden, wie sich Änderungen in der Chopper Frequenz auf die thermischen Effekte in der Probe auswirken. Außerdem erlaubt der AOM ein einfacheres Einstellen des Experiments zu Beginn einer neuen Messreihe. Die Experimente zeigten, dass der AOM in einem System mit bewegbarem Spiegel gut als Chopper verwendet werden kann. Solange die Belichtungszeit der Probe einen Grenzwert unterschreitet, haben Änderungen in der Chopper Frequenz und Belichtungszeit geringere Auswirkungen auf die thermischen Effekte, als äußere Veränderungen wie die Labortemperatur. Der AOM ist dennoch günstiger als der zuvor verwendete mechanische Chopper, da das Experiment schneller aufgebaut werden kann und vielseitiger wird, da weitere Variablen gemessen werden können. Außerdem ermöglicht der AOM neue Messmethoden ohne das Experiment umbauen zu müssen. Zusätzlich wurden mehrere Python Programme geschrieben, die die gemessenen Daten von zwei verschiedenen Z-Scan Methoden auswerten und vergleichen.

This thesis presents a redesign and enhancement of an existing z-scan setup, focusing on improving beam stability and minimising thermal effects. Z-scan experiments are commonly employed for characterising higher order nonlinearities in thin samples using laser beams. However, the use of pulsed lasers with repetition rates exceeding several tens of kilohertz introduces thermal effects that require careful management, typically through the incorporation of optical choppers. This study investigates the feasibility of integrating an acousto-optic modulator (AOM) into a setup requiring movable mirrors. Additional optical components were incorporated to facilitate quicker and more precise alignment. Experimental results demonstrate that utilising a movable mirror on a stage yields a sufficiently stable beam path to accommodate an AOM without necessitating readjustment after mirror movements. Moreover, replacing the previously employed optical chopper with an AOM allows for exploring the effects of minor variations in laser beam chopping frequency on the thermal effects during z-scan measurements. This substitution also streamlines pre-experiment calibrations. It showed, that variations in chopping frequency and sample illumination time exhibit subtle impacts on thermal effects, with noticeable changes observed only when the sample illumination duration surpasses a certain threshold. However, the influence of different chopper settings on thermal effects is found to be minimal compared to fluctuations arising from external factors such as laboratory temperature variations across different days. Nevertheless, the AOM proves to be advantageous compared to the previously utilised mechanical chopper, as it expedites experiment setup and enhances versatility by allowing for measurement of additional variables. Furthermore, the AOM facilitates novel measurement methods without necessitating extensive experiment reconfiguration. Overall, this thesis demonstrates that the integration of an AOM into a z-scan setup facilitates the straightforward examination of the effects of various chopper settings on thermal characteristics, while also expediting alignment procedures. Additionally, the development of multiple Python programs during this study enables automated analysis of z-scan measurements.