Quang Học Phi Tuyến (KBA)

45
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

description

ĐỀ NGHỊ BẠN NÀO CÓ SỦ DỤNG TÀI LIỆU THÌ ĐỀ TÊN TÁC GIẢ.CHỐN MỌI HÌNH THỨC ĂN CẮP BẢN QUYỀN

Transcript of Quang Học Phi Tuyến (KBA)

Page 1: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 2: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 3: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 4: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 5: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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 )

Page 6: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 7: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 8: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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.

Page 9: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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.

Page 10: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 11: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 12: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 13: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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 :

Page 14: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 15: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

Hiện Tượng Phi Tuyến Bậc 2

Page 16: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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 :

Page 17: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 18: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

Tạo Họa Ba Bậc Hai

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

1

2)2(

13

2

1

2213

Page 19: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

Tạo Họa Ba Bậc Hai

Page 20: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 21: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

Tạo Tần Số Phách

Page 22: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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.

Page 23: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

Hiệu ứng quang Pockels

Ứng dụng :

Bộ điều biến dọc, ngang.

Bộ điều biến phân tích quang

Bộ điều biến cừng độ …

Page 24: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 25: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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 …

Page 26: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 27: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 28: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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 :

Page 29: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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(

Page 30: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

Sự trộn sóngSự trộn sóng

/2)Sin(2 0

n /2)Sin(2 0

n

Page 31: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

Liên hợp pha quang họcLiên hợp pha quang học

Gương liên hợp phaGương liên hợp pha

M

PCM

M

PCMs

Page 32: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

Điều chỉnh độ lệch bằng PCMĐiều chỉnh độ lệch bằng PCM

PCMMôi trường gây lệch

PCMs Môi trường

gây lệch

Page 33: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 34: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 35: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 36: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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.

Page 37: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

Tán xạ Brillouin

Máy tán xạ Brillouy ở ĐH Hawii

Page 38: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 39: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

Tán xạ Raman

Sơ đồ máy quang phổ Raman

Page 40: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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

Page 41: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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 …

Page 42: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

Ứng dụng Quang Phi Tuyến

Page 43: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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.

Page 44: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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.

Page 45: Quang Học Phi Tuyến (KBA)

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/