Giới thiệu quang học phi tuyếnGiới thiệu quang học phi tuyến

Nguyễn Thanh LâmNguyễn Thanh Lâmwww.mientayvn.comwww.mientayvn.com

Email: thanhlam1910_2006@yahoo.comEmail: thanhlam1910_2006@yahoo.com

Nội dungNội dung

1.1. Giới thiệuGiới thiệu

2.2. Bản chất của quang phi tuyếnBản chất của quang phi tuyến

3.3. Những hiện tượng phi tuyến bậc haiNhững hiện tượng phi tuyến bậc hai

4.4. Những hiện tượng phi tuyến bậc baNhững hiện tượng phi tuyến bậc ba

5.5. Vật liệu quang phi tuyếnVật liệu quang phi tuyến

6.6. Ứng dụng của quang phi tuyếnỨng dụng của quang phi tuyến

Giới thiệuGiới thiệu

Câu hỏi:Câu hỏi:

Có thể thay đổi màu Có thể thay đổi màu của ánh sáng đơn sắc của ánh sáng đơn sắc khôngkhông??

Trả lời:Trả lời:

Không nếu không có Không nếu không có

ánh sáng Laseránh sáng Laser

ra

NL

O s

am

ple

vào

Phát xạ cảm ứng, MASER và Phát xạ cảm ứng, MASER và LASERLASER

(1916) Khái niệm phát xạ cảm ứng (1916) Khái niệm phát xạ cảm ứng Albert Albert EinsteinEinstein

(1928) Quan sát thấy hiện tượng hấp thụ âm hoặc (1928) Quan sát thấy hiện tượng hấp thụ âm hoặc phát xạ cảm ứng gần bước sóng cộng hưởng, phát xạ cảm ứng gần bước sóng cộng hưởng, Rudolf Walther LadenburgRudolf Walther Ladenburg

(1930) Không cần hệ vật lí luôn luôn ở trạng thái (1930) Không cần hệ vật lí luôn luôn ở trạng thái cân bằng nhiệt, cân bằng nhiệt, Artur L. SchawlowArtur L. Schawlow

h

E1

E2

Hấp thụE1

E2h

Phát xạ tự phát

E1

E2hh h

Phát xạ cảm ứng

LASER(MASER)

Khuếch đại ánh sáng (sóng cực ngắn) bằng

sự phát bức xạ cảm ứng

MaserMaser

Có 2 nhóm nghiên cứu về Maser vào những năm 50

Alexander M. Prokhorov và Nikolai G. Bassov (viện Lebedev ở Matxcova)

Charles H. Townes, James P. Gordon và Herbert J. Zeiger (đại họcColombia)

Trái sang phải: Prokhorov, Townes và Basov tại viện Lebede (Giải Nobel năm 1964 Nobel vật lí (Giải Nobel năm 1964 Nobel vật lí cho sự xây dựng “Nguyên lí Maser-Laser”) cho sự xây dựng “Nguyên lí Maser-Laser”)

Townes (trái) và Gordon (phải) và maser amoniac do họ tạo ra tại đại học Colombia

LASERLASER

(1951) (1951) V. A. FabrikantV. A. Fabrikant ““A method for the application of A method for the application of electromagnetic radiation (ultraviolet, visible, infrared, and electromagnetic radiation (ultraviolet, visible, infrared, and radio waves)radio waves)” patented in Soviet Union.” patented in Soviet Union.

(1958) (1958) Townes Townes andand Arthur L. Schawlow Arthur L. Schawlow, “, “Infrared and Infrared and Optical Masers,Optical Masers,” Physical Review” Physical Review

(1958) (1958) Gordon GouldGordon Gould definition of “ definition of “LaserLaser” as “” as “Light Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationAmplification by Stimulated Emission of Radiation””

(1960) (1960) Schawlow Schawlow andand Townes Townes U. S. Patent No. 2,929,922 U. S. Patent No. 2,929,922

(1960) (1960) Theodore MaimanTheodore Maiman Invention of the first Invention of the first Ruby LaserRuby Laser (1960) (1960) Ali JavanAli Javan The first The first He-Ne LaserHe-Ne Laser

Maiman Maiman và Laser và Laser ruby đầu ruby đầu tiêntiên

Ali Javan vàAli Javan vàLaser He-Ne Laser He-Ne đầu tiênđầu tiên

Tính chất của chùm LaserTính chất của chùm Laser

Một chùm Laser Một chùm Laser có cường độ lớncó cường độ lớn Có tính kết hợpCó tính kết hợp Có sự phân kì thấpCó sự phân kì thấp Có thể được nén trong khoảng thời Có thể được nén trong khoảng thời

gian vài femto giâygian vài femto giây

Ứng dụng của Laser Ứng dụng của Laser

(Những năm 1960) (Những năm 1960) “Lời giải đang tìm cho một vấn đề”“Lời giải đang tìm cho một vấn đề”

(Hiện tại) (Hiện tại) Y học, Nghiên cứu, Siêu thị, Giải trí, công Y học, Nghiên cứu, Siêu thị, Giải trí, công nghiệp, Quân sự, Truyền thông, Nghệ thuật, Công nghiệp, Quân sự, Truyền thông, Nghệ thuật, Công nghệ thông tin, …nghệ thông tin, …

Sự khởi đầu của quang phi Sự khởi đầu của quang phi tuyếntuyến

Quang phi tuyến Quang phi tuyến được mở đầu bằng được mở đầu bằng phát minh về sự phát minh về sự tạo sóng hài bậc tạo sóng hài bậc hai một thời gian hai một thời gian ngắn sau khi Laser ngắn sau khi Laser ra đờira đời..

((Peter FrankenPeter Franken và và các cộng sự 1961các cộng sự 1961))

2. Bản chất của quang phi 2. Bản chất của quang phi tuyến tuyến

Khi cường độ của Khi cường độ của ánh sáng tới môi ánh sáng tới môi trường vật chất trường vật chất tăng, đáp ứng tăng, đáp ứng của môi trường của môi trường không còn tuyến không còn tuyến tính nữatính nữa

Cường độ đầu vào

Đầu ra

Đáp ứng của môi trường quang Đáp ứng của môi trường quang họchọc

Đáp ứng của môiĐáp ứng của môi

trường quang họctrường quang học

với trường điện từvới trường điện từ

tới là các momentới là các momen

lưỡng cực cảm lưỡng cực cảm ứngứng

trong môi trườngtrong môi trường

h

hh

h

Độ cảm phi tuyếnĐộ cảm phi tuyến

Dạng tổng quát của độ phân cực Dạng tổng quát của độ phân cực

lkj)(

ijklkj)(

ijkj)(

ijii EEEχEEχEχPP 3210 lkj)(

ijklkj)(

ijkj)(

ijii EEEχEEχEχPP 3210

Momen lưỡng cực trên một đơn vị thể tích hoặc độ phân cực

jijii EPP 0 jijii EPP 0

Độ phân cực phi tuyếnĐộ phân cực phi tuyến

Độ phân cựcĐộ phân cực

cố địnhcố định Độ phân cựcĐộ phân cực

bậc nhất:bậc nhất: Độ phân cực Độ phân cực

bậc haibậc hai Độ phân cựcĐộ phân cực

bậc babậc ba

jiji EP )1(1 jiji EP )1(1

kjijki EEP )2(2 kjijki EEP )2(2

lkjijkli EEEP )3(3 lkjijkli EEEP )3(3

Sự phi tuyến quang học xuất Sự phi tuyến quang học xuất hiện như thế nào hiện như thế nào

Cường độ trường điện Cường độ trường điện của sóng ánh sáng của sóng ánh sáng phải vào cỡ trường phải vào cỡ trường điện nguyên tửđiện nguyên tử

N

a0

e

h20/ aeEat

220 /mea

esu102 7atE

Tương tác quang phi tuyếnTương tác quang phi tuyến Điện trường của chùm LaserĐiện trường của chùm Laser

Độ phân cực phi tuyến bậc hai Độ phân cực phi tuyến bậc hai

C.C.)(~ tiEetE

)C.C.(2)(~ 22)2(*)2()2( tieEEEtP

2)2(

Sự phi tuyến bậc hai Sự phi tuyến bậc hai Trường ánh sáng tớiTrường ánh sáng tới

Độ phân cực phi tuyến chứa những số hạng Độ phân cực phi tuyến chứa những số hạng sausau

..)(~

21

21 CCeEeEtE titi ..)(~

21

21 CCeEeEtE titi

(OR) )(2)0(

(DFG) 2)(

(SFG) 2)(

(SHG) )2(

(SHG) )2(

*22

*11

)2(

*21

)2(21

21)2(

21

22

)2(2

21

)2(1

EEEEP

EEP

EEP

EP

EP

(OR) )(2)0(

(DFG) 2)(

(SFG) 2)(

(SHG) )2(

(SHG) )2(

*22

*11

)2(

*21

)2(21

21)2(

21

22

)2(2

21

)2(1

EEEEP

EEP

EEP

EP

EP

1

2)2(

1

2213

Sự tạo tần số tổngSự tạo tần số tổng

13

2Ứng dụng:Điều chỉnh bức xạ trong vùng phổ tử ngoại.

Ứng dụng:Điều chỉnh bức xạ trong vùng phổ tử ngoại.

Ứng dụng:Photon tần số thấp, khuếch đại trong sự hiện diện của photon tần số cao . Quá trình này được gọi là khuếch đại tham số.

Ứng dụng:Photon tần số thấp, khuếch đại trong sự hiện diện của photon tần số cao . Quá trình này được gọi là khuếch đại tham số.

2

1

1

2)2(

2

1213

Sự tạo tần số pháchSự tạo tần số phách

13

2

Sự kết hợp pha Sự kết hợp pha

)2(

2

•Bởi vì môi trường quang học (hoặc quang phi tuyến)có tính tán sắc, tín hiệu cơ bản và tín hiệu hài có vận tốc truyền khác nhau bên trong môi trường.• Tín hiệu sóng hài được tạo ra tại những điểm khác nhau giao thoa tăng cường lẫn nhau.

•Bởi vì môi trường quang học (hoặc quang phi tuyến)có tính tán sắc, tín hiệu cơ bản và tín hiệu hài có vận tốc truyền khác nhau bên trong môi trường.• Tín hiệu sóng hài được tạo ra tại những điểm khác nhau giao thoa tăng cường lẫn nhau.

Thí nghiệm tạo sóng hài bậc Thí nghiệm tạo sóng hài bậc haihai

Chúng ta có thể dùng Chúng ta có thể dùng buồng cộng hưởng để buồng cộng hưởng để tăng hiệu suất của quá tăng hiệu suất của quá trình tạo sóng hài bậc trình tạo sóng hài bậc hai.hai.

Sự phi tuyến bậc baSự phi tuyến bậc ba

Khi dạng tổng quát của trường điện tới có dạng Khi dạng tổng quát của trường điện tới có dạng sau,sau,

Độ cảm bậc ba sẽ có 22 thành phần và sự phụ Độ cảm bậc ba sẽ có 22 thành phần và sự phụ

thuộc tần số của chúng làthuộc tần số của chúng là

tititi eEeEeEtE 321321)(

~ tititi eEeEeEtE 321

321)(~

3,2,1,,),2(),2(

)(),(,3,

kjijiji

kjikjiii

3,2,1,,),2(),2(

)(),(,3,

kjijiji

kjikjiii

Chiết suất phụ thuộc cường độChiết suất phụ thuộc cường độ

Trường quang học tớiTrường quang học tới

Độ phân cực phi tuyến bậc baĐộ phân cực phi tuyến bậc ba

C.C.)()(~ tieEtE C.C.)()(~ tieEtE

)(|)(|)(3)( 2)3()3( EEP )(|)(|)(3)( 2)3()3( EEP

)(|)(|)(3)()( 2)3()1(TOT EEEP )(|)(|)(3)()( 2)3()1(TOT EEEP

Độ phân cực toàn phần có thể được viết là

Người ta có thể định nghĩa một độ cảm hiệu dụng

)3(2)1(eff |)(|4 E

)3(2)1(eff |)(|4 E

Chiết suất có thể được định nghĩa theo cách thông thường

eff2 41 n eff

2 41 n

Bằng cách định nghĩa

Innn 20 Innn 20

ở đây

20 |)(|2

E

cnI

20 |)(|2

E

cnI

)3(20

2

2

12 cn

n )3(

20

2

2

12 cn

n

Cơ chếCơ chế nn2 2 (cm(cm22/W)/W) (esu)(esu) Thời gian đáp ứng Thời gian đáp ứng (giây)(giây)

Phân cực điệnPhân cực điện 1010-16-16 1010-14-14 1010-15-15

Định hướng phân tửĐịnh hướng phân tử 1010-14-14 1010-12-12 1010-12-12

Điện giảoĐiện giảo 1010-14-14 1010-12-12 1010-9-9

Hấp thụ nguyên tử Hấp thụ nguyên tử bão hòabão hòa 1010-10-10 1010-8-8 1010-8-8

Hiệu ứng nhiệtHiệu ứng nhiệt 1010-6-6 1010-4-4 1010-3-3

Hiệu ứng chiết Hiệu ứng chiết quangquang RộngRộng RộngRộng Phụ thuộc cường Phụ thuộc cường

độđộ

)3(1111

Giá trị chiết suất phi tuyến điễn hình

Vật liệuVật liệu 1111 1111 Thời gian Thời gian đáp ứngđáp ứng

Không khíKhông khí 1.2×101.2×10-17-17

COCO22 1.9×101.9×10-12-12 2 Ps2 Ps

GaAs (khối nhiệt GaAs (khối nhiệt độ phòng)độ phòng) 6.5×106.5×10-4-4 20 ns20 ns

CdSCdSxxSeSe1-x1-x pha thủy pha thủy tinhtinh

1010-8-8 30 ps30 ps

GaAs/GaAlAs GaAs/GaAlAs (MQW)(MQW) 0.040.04 20 ns20 ns

Thủy tinh quang Thủy tinh quang họchọc (1-100)×10(1-100)×10-14-14 Rất nhanhRất nhanh

Độ cảm phi tuyến bậc 3 của một số vật liệu

Những quá trình phát sinh do Những quá trình phát sinh do chiết suất phụ thuộc cường độ chiết suất phụ thuộc cường độ

1.1. Tự hội tụ và tự lệch tiêuTự hội tụ và tự lệch tiêu

2.2. Trộn sóngTrộn sóng

3.3. Trộn 4 sóng suy biến và liên Trộn 4 sóng suy biến và liên hợp pha quang học hợp pha quang học

Tự hội tụ và tự lệch tiêuTự hội tụ và tự lệch tiêu Chùm Laser có dạng cường độ tuân Chùm Laser có dạng cường độ tuân

theo phân bố Gauss. Nó có thể cảm theo phân bố Gauss. Nó có thể cảm ứng dạng chiết suất phân bố Gauss ứng dạng chiết suất phân bố Gauss bên trong mẫu quang phi tuyến.bên trong mẫu quang phi tuyến.

)3(

Sự trộn sóngSự trộn sóng

/2)Sin(2 0

n /2)Sin(2 0

n

Liên hợp pha quang họcLiên hợp pha quang học

Gương liên hợp phaGương liên hợp pha

M

M

PCM

PCMs

Điều chỉnh độ lệch bằng Điều chỉnh độ lệch bằng PCMPCM

PCMMôi trường gây lệch

PCMs Môi trường

gây lệch

Liên hợp pha quang học là Liên hợp pha quang học là gìgì

C.C.),(~ ti

ss eEtrE C.C.),(~ ti

ss eEtrE rikss

seAE .sε̂

rikss

seAE .sε̂

Sóng tín hiệu

Sóng liên hợp pha

C.C.),(~ * ti

sc erEtrE C.C.),(~ * ti

sc erEtrE

Trộn 4 sóng suy biến Trộn 4 sóng suy biến (DFWM)(DFWM)

)3(

A1 A2

A3

A4

•Tất cả 3 chùm tia tới A1, A2 và A3 nên được xuất phát từ một nguồn kết hợp.•Chùm thứ 4 A4, sẽ có pha, độ phân cực, và hướng truyền giống như A3.

•Cường độ của A4 có thể lớn hơn A3

•Tất cả 3 chùm tia tới A1, A2 và A3 nên được xuất phát từ một nguồn kết hợp.•Chùm thứ 4 A4, sẽ có pha, độ phân cực, và hướng truyền giống như A3.

•Cường độ của A4 có thể lớn hơn A3

Cơ sở toán họcCơ sở toán học

..)().(~ ).( CCerAtrE trki

iii ..)().(

~ ).( CCerAtrE trkiii

i

4 sóng tương tác

Sự phân cực phi tuyến

)).((*321

)3(*321

)3(NL 32166 trkkkieAAAEEEP )).((*

321)3(*

321)3(NL 32166 trkkkieAAAEEEP

Dạng tương tự như liên hợp phacủa A3

Dạng tương tự như liên hợp phacủa A3

Giải thích toàn kí DFWMGiải thích toàn kí DFWM

)3(

A1 A2

A3

A4

Nhiễu xạ Bragg từ

những cách tử cảm ứng động

Nhiễu xạ Bragg từ

những cách tử cảm ứng động