Quang Học Phi Tuyến - Giáo viên hướng dẫn :PGS.TS Trần Thị Tâm - Nhóm thực hiện : 1. Kiều Bá An 2. Trịnh Đình Khuyến 3. Lương Văn Thoại 4. Ngô Đức Thuận
Quang Học Phi Tuyến
- Giáo viên hướng dẫn :PGS.TS Trần Thị Tâm- Nhóm thực hiện :1. Kiều Bá An2. Trịnh Đình Khuyến3. Lương Văn Thoại4. Ngô Đức Thuận
Nội Dung
Giới thiệu về Quang Phi Tuyến Những hiện tượng Phi Tuyến bậc hai Hiệu ứng Pockels và Kerr Những hiện Tượng Phi Tuyến bậc ba Tán xạ Ramam và Brellouin Ứng dụng Quang Phi Tuyến
Giới Thiệu Về Quang Phi Tuyến
Câu hỏi vui :
Có thể thay đổi màu của ánh sáng đơn sắc không ?
Đáp án : Mời các bạn theo dõi.
ravào
Giới Thiệu Về Quang Phi Tuyến
NhNhữngững nguồn sáng thông th nguồn sáng thông thườngường có CĐĐT yếu, E ~ có CĐĐT yếu, E ~ 103V/cm.Vậy khi ánh sáng truyền trong môi trư103V/cm.Vậy khi ánh sáng truyền trong môi trườngờng,, các tính chất của môi trường như: chiết suất, hệ số các tính chất của môi trường như: chiết suất, hệ số hấp thụ v.v.. Không phụ thuộc vào cường độ ánh hấp thụ v.v.. Không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng sáng các phương trình của trường điện từ là các các phương trình của trường điện từ là các phương trình tuyến tính phương trình tuyến tính Quang học tuyến tínhQuang học tuyến tính
Với nguồn sáng Laser thì E ~ 108 V/cm.NênVới nguồn sáng Laser thì E ~ 108 V/cm.Nên thông thông số quang học của môi trường phụ thuộc vào cường số quang học của môi trường phụ thuộc vào cường độ ánh sáng, các phương trình của trường điện từ trở độ ánh sáng, các phương trình của trường điện từ trở thành phi tuyến thành phi tuyến Quang học phi tuyếnQuang học phi tuyến
Giới Thiệu Về Quang Phi Tuyến
Quang phi tuyến được Quang phi tuyến được mở đầu bằng phát minh mở đầu bằng phát minh về sự tạo sóng hài bậc hai về sự tạo sóng hài bậc hai của Peter Pranken năm của Peter Pranken năm 1961,một thời gian ngắn 1961,một thời gian ngắn sau khi Laser ra đờivào sau khi Laser ra đờivào năm 1960.năm 1960.
( Peter Pranken )
Giới Thiệu Về Quang Phi Tuyến
Định Nghĩa : Quang học phi tuyến là một phân ngành của quang học, nghiên cứu về sự tương tác phi tuyến tính của ánh sáng với môi trường.
Một khi cường độ ánh sáng đạt đến một mức giới hạn nào đó, ta có thể quan sát được những tương tác phi tuyến tính liên quan chủ yếu đến sự biến đổi phi tuyến của vectơ phân cực P của môi trường theo cường độ điện trường E của ánh sáng
Giới Thiệu Về Quang Phi Tuyến
Chúng ta có thể điều
khiển “n” bằng chính ánh sáng hoặc điều khiển một chùm tia bằng chùm tia khác. Tính chất môi trường thay đổi Có nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa học
Giới Thiệu Về Quang Phi Tuyến
Vậy : Câu trả lời cho câu hỏi trên là có thể thay đổi màu sắc của ánh sáng đơn sắc nhờ chùm tia Laser.
Giới Thiệu Về Quang Phi Tuyến
Độ cảm phi tuyến :- Mô men lưỡng cực trên một đơn vị thể tích hoặc độ phân cực.
jijii EPP 0
- Mô men lưỡng cực trên một đơn vị thể tích hoặc độ phân cực.
...3210 lkj)(
ijklkj)(
ijkj)(
ijii EEEχEEχEχPP...3210 lkj
)(ijklkj
)(ijkj
)(ijii EEEχEEχEχPP
=> ij là độ cảm tuyến tính.
Giới Thiệu Về Quang Phi Tuyến
Độ phân cực : 1. Độ phận cực cố định :
2. Độ phận cực bậc nhất :
3. Độ phân cực bậc hai:
4. Độ phân cực bậc 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
Giới Thiệu Về Quang Phi Tuyến
Sự phi tuyến quang học xuất hiện như thế nào Sự phi tuyến quang học xuất hiện như thế nào ??
- Cường độ điện trường của sóng ánh sáng phải - Cường độ điện trường của sóng ánh sáng phải vào cỡ điện trường nguyên tử.vào cỡ điện trường nguyên tử.
20/ aeEat
220 / mea
esu102 7atE
N
a0
e
h
Giới Thiệu Về Quang Phi Tuyến
Môi trường phi tuyến tính :Môi trường phi tuyến tính : Trong phần lớn các trường hợp các tham số vĩ mô: Trong phần lớn các trường hợp các tham số vĩ mô: εε, , μμ, ,
σσ có thể xem như không phụ thuộc vào cường độ của có thể xem như không phụ thuộc vào cường độ của trường. Khi đó các hệ thức trên là tuyến tính → trường. Khi đó các hệ thức trên là tuyến tính → môi môi trường tuyến tínhtrường tuyến tính..
Khi môi trường có các tham số trên phụ thuộc vào Khi môi trường có các tham số trên phụ thuộc vào cường độ của trường → cường độ của trường → môi trường phi tuyếnmôi trường phi tuyến..
)E,(J
)H,(B)E,(D 00
E
HE
Hiện Tượng Phi Tuyến Bậc 2
..)(~
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
- Trường ánh sáng tới :
- Độ phân cực phi tuyến chứa những số hạng sau :
Hiện Tượng Phi Tuyến Bậc 2
Độ phân cực bậc 2 là :
)C.C.(2)(~ 22)2(*)2()2( tieEEEtP
)2(
2
Khi đó 2) là một tensơ bậc hai
Hiện Tượng Phi Tuyến Bậc 2
Hiện Tượng Phi Tuyến Bậc 2
Các hiện tượngCác hiện tượng Trường tớiTrường tới Kết quảKết quả
Tổng tần số
Tạo hoạ ba bậc haiTạo hoạ ba bậc hai
1 , 2
3 = 1 + 2
3 3 = = + + = = 22
Hiệu tần sốHiệu tần số
Chỉnh lưu tần số
11 , , 22
33 = = 1 1 - - 22
3 = - = 0
Khuếch đại tham số (OPA) 3 , 1
1 khuếch đại + 2
1 + 2= 3 giống như hiệu tần số nhưng người ta chỉ quan tâm đến 1 mà không phải là 2
Các hiệu ứng liên quan đến Phi Tuyến bậc 2 :Các hiệu ứng liên quan đến Phi Tuyến bậc 2 :
Tạo Họa Ba Bậc Hai
Định Nghĩa : đó là hiện tượng một sóng sáng đi vào một tinh thể phi tuyến sẽ phát ra một sóng sáng có tần số gấp đôi.
Tạo họa ba bậc hai được tìm ra bởi P.A.Frankin, A.E.Hill, C.W.Peters và G.Weinreich ở đại học Michigan, Ann Arbor vào năm 1961, sau một năm kể từ khi sáng chế ra laser Ruby
Tổng tần số 1 , 2 3 = 1 + 2
Tạo hoạ ba bậc haiTạo hoạ ba bậc hai 3 3 = = + + = =
22
Tạo Họa Ba Bậc Hai
Ứng dụng : Điều chỉnh bức xạ trong vùng phổ tử ngoại
1
2)2(
13
2
1
2213
Tạo Họa Ba Bậc Hai
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.
1
2)2(
2
1213
13
2
Tạo Tần Số Phách
Hiệu ứng quang Pockels
Định nghĩa: Hiệu ứng Pockels là một hiệu ứng vật lý ở môi trường lưỡng chiết trong trường điện không đổi và chiết suất n(E) tỉ lệ với điện trường áp vào.
Là hiệu ứng Quang tuyến tính.
Hiệu ứng quang Pockels
Ứng dụng :
Bộ điều biến dọc, ngang.
Bộ điều biến phân tích quang
Bộ điều biến cừng độ …
HIỆU ỨNG KERR
Định nghĩa: là một hiệu ứng vật lý xảy ra trên một số vật liệu trong suốt, trong đó chiết suất thay đổi dưới tác động của điện trường bên ngoài. Chiết suất trong hiệu ứng Kerr tỷ lệ thuận với bình phương của cường độ điện trường ngoài.
=> Cũng là hiệu ứng Quang Tuyến Tính
HIỆU ỨNG KERR
Phân loại : Có hai loai hiệu ứng Kerr.1. Hiệu ứg Kerr DC2. Hiệu ứng Kerr ACỨng dụng : Công tắc điên quang Điều biến tín hiệu trong viễn thông Kĩ thuật đo điện trường bằng phương pháp
tiếp xúc …
Hiện Tượng Phi Tuyến Bậc 3
tititi eEeEeEtE 321321)(
~ tititi eEeEeEtE 321
321)(~
Dạng tổng quát của trường điện tới là :Dạng tổng quát của trường điện tới là :
Độ phân cực phi tuyến bậc ba:
)(|)(|)(3)( 2)3()3( EEP )(|)(|)(3)( 2)3()3( EEP
)3(A1 A2
A3
A4
Hiện Tượng Phi Tuyến Bậc 3
Trường quang học tới :
C.C.)()(~ tieEtE C.C.)()(~ tieEtE
Độ cảm phi tuyến :
)3(2)1(eff |)(|4 E
)3(2)1(eff |)(|4 E
eff2 41 n eff
2 41 n Chiết suất :
Độ cảm bậc ba sẽ có 22 thành phần và sự phụ thuộc tần số của chúng là :Độ cảm bậc ba sẽ có 22 thành phần và sự phụ thuộc tần số của chúng là :
3,2,1,,),2(),2(
)(),(,3,
kjijiji
kjikjiii
3,2,1,,),2(),2(
)(),(,3,
kjijiji
kjikjiii
Hiện Tượng Phi Tuyến Bậc 3
Các hiện tượngCác hiện tượng Trường tớiTrường tới Kết quảKết quả
Bão hoà các hiệu ứng tuyến tính
4 = - + =
Boã hoà chéo nhauBoã hoà chéo nhau
Tạo hoạ ba bậc ba (TGH)
Trộn bốn sóng
11 , , 22
1 , 2 , 3
44 = = 1 1 - - 2 2 + + 2 2 = = 1 1
4 = + + = 3
44 = = 1 1 - - 2 2 + + 3 3
Trộn bốn sóng suy biến
, k1 k2 k3 4 = - + =
Hiệu ứng Raman (hay Brilloin) cưỡng bức
S = - v ; A = + v
v tần số phân tử
Các hiệu ứng liên quan đến Phi Tuyến bậc 3 :Các hiệu ứng liên quan đến Phi Tuyến bậc 3 :
Tự hội tụ và tự lệch tiêuTự hội tụ và tự lệch tiêu
Chùm Laser có dạng cường độ tuân theo Chùm Laser có dạng cường độ tuân theo phân bố Gauss. Nó có thể cảm ứng dạng chiết phân bố Gauss. Nó có thể cảm ứng dạng chiết suất phân bố Gauss bên trong mẫu quang phi suất phân bố Gauss bên trong mẫu quang phi tuyến.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
PCM
M
PCMs
Điều chỉnh độ lệch bằng PCMĐiều chỉnh độ lệch bằng PCM
PCMMôi trường gây lệch
PCMs Môi trường
gây lệch
Trộn 4 sóng suy biến Trộn 4 sóng suy biến (DFWM)(DFWM)
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
)3(A1 A2
A3
A4
Tán xạ Raman & Brellouin
Tán xạ Brillouin: bao gồm sóng âm, sự dịch chuyển tần số nhỏ
Tán xạ Raman : dao động phân tử các phonon quang học, dịch chuyển lớn hơn
Quá trình Raman & Brellouin
Trộn các dao động cơ học bằng chùm ánh sáng trong môi trường phi tuyến
Mechanical var. : khoảng cách nội nguyên tử trong phân tử hoặc mật độ trong chất rắn hoặc lỏng
Phổ tần số của ánh sáng bị thay đổi trong khi phonon được phát ra hoặc hấp thụ
Tán xạ Brillouin
“n” là hàm của cường độ, hiệu ứng Debye-Sears (sóng âm tán xạ ánh sáng với sự dịch chuyển Doppler )
Rồi sự phân cực điện tử tạo ra sự biến đổi áp lực
Ánh sáng có thể bơm một sóng âm Sau đó nó bị tán xạ trở lại với tần số hơi khác
chút ít.
Tán xạ Brillouin
Máy tán xạ Brillouy ở ĐH Hawii
Tán xạ Raman
Khoảng cách nội nguyên tử trong phân tử bị thay đổi khi đám mây electron dịch chuyển vị trí
Liên quan đến những trạng thái dao động của phân tử
Ở đây biến là vi mô trong khi trong Brillouin là vĩ mô
Tán xạ Raman
Sơ đồ máy quang phổ Raman
Ứng dụng Quang Phi Tuyến
Nghiên cứu chiết suất phi tuyến dẫn đến chế tạo các vật liệu phi tuyến có nhiều ứng dụng trong kĩ thật, biến đổi tính chất của nhiều vật liệu như sợ nanô phi tuyến, kim cương phi tuyến (do BBO) chế tạo …
Kim cương PT do BBO chế tạo
Ứng dụng Quang Phi Tuyến
Hiệu ứng phi tuyến như Tán xạ Raman & Brellouin có nhiều ứng dụng quan trọng như như nhận biết các chất (laser Ramam ), tạo cơ sở cho nghiên cứu về lính vực quang tử …
Tạo cơ sở cho việc nghiên cữu khoa học ứng dụng …
Ứng dụng Quang Phi Tuyến
Lưu Ý Quang Phi Tuyến là một lĩnh rộng và đến nay vẫn còn
được nghiên cứu.Vì vậy trong khuôn khổ một bài tiểu luận nên chúng tôi không thể đền cập hết các vấn đề.Chúng tôi sẽ gợi ý cho các bạn nghiên cữu tiếp các vấn đề sau nếu các bạn quan tâm đến nó :
1. Mô tả phương pháp sóng của tương tác phi tuyến
2. Lí thuyết cơ học lượng tử của một độ cảm quang phi tuyến
3. Nguồn gốc phân tử của đáp ứng phi tuyến
4. Biến cố cảm ứng quang học và hấp thụ photon
5. Quang học phi tuyến cừng độ mạnh và cực mạnh.
Kết Luận
Nghiên cữu về Quang Phi Tuyến cần nhỡ những vấn đề sau :
1. Định Nghĩa QPT :Nghiên cứu về sự tương tác phi tuyến tính của ánh sáng với môi trường.
2. Sự phi tuyến bậc 2 , 3 và các hiệu ứng liên quan đến nó.
3. Hiệu ứng điện quang Pockels và Kerr.
4. Tán xạ Ramam và Brellouin.
Tài Liệu Tham Khảo[1].Tài liệu nghiên cữu của lớp cao học Đà Nằng.
[2].Tài liệu của lớp cao học ĐHKHTN TP.Hồ Chí Minh.
[3].http://vi.wikipedia.org/wiki/Quang_h%E1%BB%8Dc_phi_tuy
%E1%BA%BFn.[4].http://dictionary.bachkhoatoanthu.gov.vn/default.aspx?...
[5]. http://people.na.infn.it/~marrucci/labpage/index.htm
[6].GT Quang Học của Nguyễn Trần TRác –Diệp Ngọc Anh.
[7].N.Bloembergen, Nonlinear optics (Nobel prize 1981), 1977
[8].http://www.mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Sach/Qu ang%20hoc20phi%20tuyen/Cap_nhat/Cap_nhat.html
[9] Một vài hình ảnh tại http://images.google.com.vn/