Gii thiu quang hc phi tuyn Nguyn Thanh

Giới thiệu quang học phi tuyến Nguyễn Thanh Lâm www. mientayvn. com Email: thanhlam 1910_2006@yahoo. com

Nội dung 1. 2. 3. 4. 5. 6. Giới thiệu Bản chất của quang phi tuyến Những hiện tượng phi tuyến bậc hai Những hiện tượng phi tuyến bậc ba Vật liệu quang phi tuyến Ứng dụng của quang phi tuyến

Giới thiệu Câu hỏi: Có thể thay đổi màu của ánh sáng đơn sắc không? Trả lời: Không nếu không có ánh sáng Laser NLO sample vào ra

Phát xạ cảm ứng, MASER và LASER n n n (1916) Khái niệm phát xạ cảm ứng Albert Einstein (1928) Quan sát thấy hiện tượng hấp thụ âm hoặc phát xạ cảm ứng gần bước sóng cộng hưởng, Rudolf Walther Ladenburg (1930) Không cần hệ vật lí luôn ở trạng thái cân bằng nhiệt, Artur L. Schawlow

Hấp thụ E 2 E 1 Phát xạ tự phát E 2 E 1 Phát xạ cảm ứng

Khuếch đại ánh sáng (sóng cực ngắn) bằng sự phát bức xạ cảm ứng LASER (MASER)

Maser Có 2 nhóm nghiên cứu về Maser vào những năm 50 n n Alexander M. Prokhorov và Nikolai G. Bassov (viện Lebedev ở Matxcova) Charles H. Townes, James P. Gordon và Herbert J. Zeiger (đại học. Colombia)

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

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

LASER n n n (1951) V. A. Fabrikant “A method for the application of electromagnetic radiation (ultraviolet, visible, infrared, and radio waves)” patented in Soviet Union. (1958) Townes and Arthur L. Schawlow, “Infrared and Optical Masers, ” Physical Review (1958) Gordon Gould definition of “Laser” as “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (1960) Schawlow and Townes U. S. Patent No. 2, 929, 922 (1960) Theodore Maiman Invention of the first Ruby Laser (1960) Ali Javan The first He-Ne Laser

Maiman và Laser ruby đầu tiên

Ali Javan và Laser He-Ne đầu tiên

Tính chất của chùm Laser Một chùm Laser n có cường độ lớn n Có tính kết hợp n Có sự phân kì thấp n Có thể được nén trong khoảng thời gian vài femto giây

Ứng dụng của Laser n n (Những năm 1960) “Lời giải đang tìm cho một vấn đề” (Hiện tại) Y học, Nghiên cứu, Siêu thị, Giải trí, công nghiệp, Quân sự, Truyền thông, Nghệ thuật, Công nghệ thông tin, …

Sự khởi đầu của quang phi tuyến Quang phi tuyến được mở đầu bằng phát minh về sự tạo sóng hài bậc hai một thời gian ngắn sau khi Laser ra đời. (Peter Franken và các cộng sự 1961)

2. Bản chất của quang phi tuyến Đầu ra Khi cường độ của ánh sáng tới môi trường vật chất tăng, đáp ứng của môi trường không còn tuyến tính nữa Cường độ đầu vào

Đáp ứng của môi trường quang học với trường điện từ tới là các momen lưỡng cực cảm ứng trong môi trường

Độ cảm phi tuyến Momen lưỡng cực trên một đơn vị thể tích hoặc độ phân cực Dạng tổng quát của độ phân cực

Độ phân cực phi tuyến n n Độ phân cực cố định Độ phân cực bậc nhất: Độ phân cực bậc hai Độ phân cực bậc ba

Sự phi tuyến quang học xuất hiện như thế nào Cường độ trường điện của sóng ánh sáng phải vào cỡ trường điện nguyên tử e a 0 N

Tương tác quang phi tuyến n Điện trường của chùm Laser n Độ phân cực phi tuyến bậc hai

Sự phi tuyến bậc hai n Trường ánh sáng tới n Độ phân cực phi tuyến chứa những số hạng sau

Sự tạo tần số tổng Ứng dụng: Điều chỉnh bức xạ trong vùng phổ tử ngoại.

Sự tạo tần số phách 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.

Sự kết hợp pha • 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 hai n Chúng ta có thể dùng buồng cộng hưởng để tăng hiệu suất của quá trình tạo sóng hài bậc hai.

Sự phi tuyến bậc ba n n Khi dạng tổng quát của trường điện tới có dạng sau, Độ cảm bậc ba sẽ có 22 thành phần và sự phụ thuộc tần số của chúng là

Chiết suất phụ thuộc cường độ n Trường quang học tới n Độ phân cực phi tuyến bậc ba

Độ phân cực toàn phần có thể được viết là Người ta có thể định nghĩa một độ cảm hiệu dụng Chiết suất có thể được định nghĩa theo cách thông thường

Bằng cách định nghĩa ở đây

Giá trị chiết suất phi tuyến điễn hình Cơ chế n 2 (cm 2/W) (esu) Thời gian đáp ứng (giây) Phân cực điện 10 -16 10 -14 10 -15 Định hướng phân tử 10 -14 10 -12 Điện giảo 10 -14 10 -12 10 -9 Hấp thụ nguyên tử bão hòa 10 -10 10 -8 Hiệu ứng nhiệt 10 -6 10 -4 10 -3 Hiệu ứng chiết quang Rộng Phụ thuộc cường độ

Độ cảm phi tuyến bậc 3 của một số vật liệu Vật liệu 1111 Thời gian đáp ứng Không khí 1. 2× 10 -17 CO 2 1. 9× 10 -12 2 Ps Ga. As (khối nhiệt độ phòng) 6. 5× 10 -4 20 ns Cd. Sx. Se 1 -x pha thủy tinh 10 -8 30 ps Ga. As/Ga. Al. As (MQW) 0. 04 20 ns Thủy tinh quang học (1 -100)× 10 -14 Rất nhanh

Những quá trình phát sinh do chiết suất phụ thuộc cường độ 1. 2. 3. Tự hội tụ và tự lệch tiêu Trộn sóng Trộn 4 sóng suy biến và liên hợp pha quang học

Tự hội tụ và tự lệch tiêu n Chùm Laser có dạng cường độ tuân theo phân bố Gauss. Nó có thể cảm ứng dạng chiết suất phân bố Gauss bên trong mẫu quang phi tuyến.

Sự trộn sóng

Liên hợp pha quang học n Gương liên hợp pha PCM M s M PCM

Điều chỉnh độ lệch bằng PCM Môi trường gây lệch s Môi trường gây lệch PCM

Liên hợp pha quang học là gì Sóng tín hiệu Sóng liên hợp pha

Trộn 4 sóng suy biến (DFWM) A 1 A 2 A 3 A 4 • Tất cả 3 chùm tia tới A 1, A 2 và A 3 nên được xuất phát từ một nguồn kết hợp. • Chùm thứ 4 A 4, sẽ có pha, độ phân cực, và hướng truyền giống như A 3. • Cường độ của A 4 có thể lớn hơn A 3

Cơ sở toán học 4 sóng tương tác Sự phân cực phi tuyến Dạng tương tự như liên hợp phacủa A 3

Giải thích toàn kí DFWM A 1 A 2 A 3 A 4 Nhiễu xạ Bragg từ những cách tử cảm ứng động