Nghiên cứu điều kiện tối ưu để có hiệu suất phát sóng hài bậc hai cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Thanh Thủy NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU ĐỂ CÓ HIỆU SUẤT PHÁT SÓNG HÀI BẬC HAI CAO Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử (hướng ứng dụng) Mã số: 604403 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NG ƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Lê Thị Quỳnh Anh Tp.Hồ Chí Minh – 2011  Luận văn Thạc sĩ Vật lý 2 LỜI CẢM ƠN *** Trước hết cho tôi gởi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Vật lý trường ĐH. Khoa Học Tự Nhiên cùng các thầy cô đã tham gia giảng dạy lớp Quang Học Ứng Dụng và lớp Vật lý Vô Tuyến và Điện Tử (hướng Ứng Dụng) K18 vì những kiến thức quý báu mà quý thầy cô đã truyền đạt. Kính gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Lê Thị Quỳnh Anh – người đã trực tiế p hướng dẫn tôi trong việc thực hiện luận văn tốt nghiệp. Xin cảm ơn phòng thí nghiệm Vật Lý Ứng Dụng, khoa Vật Lý Ứng Dụng đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi thực hiện tốt luận văn. Cuối cùng tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến bố mẹ, gia đình và bạn bè đã luôn ở bên cạnh động viên, khích lệ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.  Luận văn Thạc sĩ Vật lý 12 MỞ ĐẦU Laser là một trong những phát minh khoa học quan trọng nhất của thế kỷ XX. Từ phát minh lý thuyết bức xạ cảm ứng của Einstein năm 1917, đến quan sát thực nghiệm bức xạ cảm ứng của Fabricant, giáo sư trường Đại học năng lượng Moskva năm 1940, đã là cơ sở để Maiman, nhà vật lý học người Mỹ phát minh ra máy khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cảm ứng. Tháng 2 năm 1960, Maiman đã chế tạo ra laser ruby, laser đầu tiên trên thế giới và 4 tháng sau tức tháng 6 năm 1960, Javan đã chế tạo ra laser khí He – Ne. Từ đó đã dấy lên một cao trào nghiên cứu chế tạo laser ở các bước sóng khác nhau và ứng dụng của chúng. Cho tới nay các loại laser rắn, lỏng, khí, bán dẫn được chế tạo mang tính công nghiệp có bước sóng phủ hầu hết các dải sóng. Bức xạ laser đã được ứng dụng trong các ngành khoa học, công nghệ và y tế. Trong đó ứ ng dụng quan trọng nhất của laser phải kể đến là thông tin cáp quang. Một số laser có thể phát ở nhiều bước sóng khác nhau như: o Laser màu quét bước sóng chủ yếu trong vùng khả kiến và hồng ngoại gần, công suất nhỏ. o Các laser rắn kiểu dao động như Alexandrite, Ti: Sapphire, phát bước sóng trong vùng hồng ngoại gần. o Laser bán dẫn phát bước sóng trong vùng khả kiến và hồng ngoại gần. Bên cạnh những laser kể trên, còn có một ph ương pháp rất hiệu quả để biến đổi bức xạ của một laser ở bước sóng cố định (thường là laser Nd: YAG) thành bức xạ laser có bước sóng thay đổi trong một vùng phổ rộng từ hồng ngoại đến tử ngoại. Đó là phương pháp dùng các hiệu ứng tương tác phi tuyến quang học. Dải phổ của bức xạ laser do các hiệu ứng quang phi tuyến tạo ra là dải phổ rộng nhất trong các bức xạ laser hiện nay. Ngoài ra, nhờ các ưu điểm của laser Nd: YAG hiện đại, bức  Luận văn Thạc sĩ Vật lý 13 xạ laser có bước sóng thay đổi dựa trên hiệu ứng quang phi tuyến này có thể được phát ở chế độ xung hay liên tục với công suất lớn. Trong các hiệu ứng tương tác phi tuyến quang học, khi để ý đến công suất, tương tác phi tuyến ba sóng được chú ý hơn các hiệu ứng phi tuyến bậc cao khác do độ cảm phi tuyến bậc hai của vật liệu lớn hơn nhiều bậc so với độ cảm phi tuyến bậ c ba hoặc các bậc cao hơn. Tương tác thông số phi tuyến ba sóng tổng quát là hiện tượng phát sinh khi cho hai sóng tần số ω 1 , ω 2 đi vào môi trường phi tuyến bậc hai, trong môi trường sẽ xuất hiện sóng có tần số ω 3 . Các sóng này luôn thỏa mãn định luật bảo toàn năng lượng: các tần số liên hệ với nhau theo biểu thức ω 1 + ω 2 = ω 3 hay ω 3 = ω 1 – ω 2 . Trường hợp đầu ta có sự phát tần số tổng, trường hợp sau là sự phát tần số hiệu. Trong trường hợp phát tần số tổng nếu ω 1 = ω 2 thì ω 3 = 2ω 1 = 2ω 2 ta có trường hợp đặc biệt: nhân đôi tần số hay sự phát sóng hài bậc hai (SHG). Dù được phát hiện đầu tiên trong các hiệu ứng tương tác phi tuyến, hiện nay SHG vẫn được chú ý nghiên cứu rộng rãi do khả năng ứng dụng phổ biến của nó và những vấn đề chưa được giải quyết trọn vẹn. SHG cho phép biến đổi bước sóng laser từ hồng ngoại xa (laser CO 2 ) sang hồng ngoại gần, từ hồng ngoại gần (laser Nd: YAG) sang khả kiến và từ khả kiến (laser màu) sang tử ngoại. Đặc biệt, SHG của các laser quét bước sóng như laser màu, laser Alexanderite hay Ti: sapphire tạo ra các nguồn bức xạ quét trong một vùng phổ rộng. Các bức xạ ở chế độ xung hoặc liên tục có thể điều chỉnh bước sóng này được dùng cho nhiều mục đích khác nhau đặc biệt là trong quang phổ laser. Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứ u điều kiện tối ưu để có hiệu suất cao đối với trường hợp phát sóng hài bậc hai của laser Nd:YAG 1064nm dùng tinh thể phi tuyến KTP.  Luận văn Thạc sĩ Vật lý 3 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 BẢNG KÍ HIỆU VIẾT TẮT 3 DANH MỤC BẢNG 4 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6 MỞ ĐẦU 10 Chương I: TỔNG QUAN VỀ QUANG PHI TUYẾN 14 1.1 Sự lan truyền sóng điện từ trong tinh thể dị hướng 14 1.1.1 Tinh thể dị hướng 14 1.1.2 Sự lan truyền sóng điện từ trong tinh thể dị hướng 14 1.2 Lý thuyết về sự tương tác của ba sóng quang học (TWM) 18 1.2.1 Sự phát tần số tổng (SFG) 21 1.2.2 Sự phát tần số hiệu (DFG) 20 1.3 Sự phát sóng hài bậc hai (SHG) 20 1.3.1 Hiệu suất phát sóng hài bậc hai 20 1.3.2 Sự hợp pha 22 1.4 Laser Nd:YAG 23 1.5 Tinh thể phi tuyến 24 1.5.1 Tinh thể đơn trục (UC) 26 1.5.2 Tinh thể lưỡng trục (BC) 27 Chương II: SỰ HỢP PHA TRONG TINH THỂ PHI TUYẾN 30 2.1 Tinh thể đơn trục 30 2.1.1 Tính chất của tinh thể đơn trục 30 2.1.2 Sự hợp pha cộng tuyến trong tinh thể đơn trục 35 2.2 Tinh thể lưỡng trục 38 2.2.1 Tính chất của tinh thể lưỡng trục 38 2.2.2 Sự hợp pha cộng tuyến trong tinh thể lưỡng trục 41  Luận văn Thạc sĩ Vật lý 4 Chương III: THỰC NGHIỆM 45 3.1 Lập chương trình tính góc hợp pha theo bước sóng 45 3.2 Mô tả thiết bị 48 3.2.1 Nguồn laser 48 3.2.2 Thấu kính hội tụ 48 3.2.3 Tinh thể phi tuyến 49 3.2.4 Kính lọc 50 3.2.5 Hệ thu nhận ánh sáng 50 3.3 Đo hiệu suất chùm SHG 53 3.3.1 Đo cường độ chùm sáng cơ bản (1064nm) 53 3.3.2 Đo cường độ chùm sáng SHG 54 3.4 Đo cường độ SHG phụ thuộc vào vị trí của thấu kính 55 3.5 Đo cường độ SHG phụ thuộc vào góc quay theta (θ) 55 3.6 Đo cường độ SHG phụ thuộc vào góc quay phi (φ) 56 3.7 Đo cường độ SHG phụ thuộc vào vị trí X 56 3.8 Đo cường độ SHG phụ thuộc vào vị trí Y 57 3.9 Kết quả thực nghiệm 57 3.9.1 Đo cường độ chùm cơ bản (1064nm) 57 3.9.2 Đo cường độ SHG 59 3.9.3 Đo cường độ SHG phụ thuộc vào vị trí của thấu kính 62 3.9.4 Đo cường độ SHG theo góc quay theta 63 3.9.5 Đo cường độ SHG theo góc phi 65 3.9.6 Đo cường độ SHG theo trục X và Y 67 KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71 DANH MỤC CÔNG TRÌNH 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74  Luận văn Thạc sĩ Vật lý 6 DANH MỤC BẢNG Kí hiệu Chú thích bảng Trang Bảng 1.1 Giá trị và vị trí cực đại của hàm 2 2 sin x x 22 Bảng 1.2 Bảng đặc tính của tinh thể KTP 28 Bảng 2.1 Công thức tính toán góc hợp pha trong tinh thể lưỡng trục theo phương truyền trong các mặt phẳng chính. [19] 41 Bảng 3.1 Sự phụ thuộc của cường độ chùm sáng 1064nm vào số chỉ milivolt kế. 56 Bảng 3.2 Sự phụ thuộc của cường độ chùm sáng 532nm vào công suất laser. 58 Bảng 3.3 Hiệu suất, cường độ các chùm sáng 1064 nm và 532 nm phụ thuộc công suất laser và chiều dài tinh thể KTP. 60 Bảng 3.4 tỉ số hiệu suất SHG khi sử dụng tinh thể KTP có chiều dài 5mm và 2m. 61 Bảng 3.5 Công suất SHG khi thay đổi vị trí thấu kính. 61 Bảng 3.6 Cường độ SHG thay đổi theo góc theta với tinh thể KTP có chiều dài 5mm. 62 Bảng 3.7 Cường độ SHG thay đổi theo góc theta với tinh thể KTP có chiều dài 2mm 62  Luận văn Thạc sĩ Vật lý 7 Bảng 3.8 Công suất SHG thay đổi theo góc φ đối với tinh thể KTP có chiều dài 5mm 64 Bảng 3.9 Cường độ SHG theo góc φ đối với tinh thể KTP có chiều dài 2mm. 65 Bảng 3.10 Cường độ SHG thay đổi theo trục X đối với tinh thể KTP(5mm) 66 Bảng 3.11 Cường độ SHG thay đổi theo trục X đối với tinh thể KTP(2mm) 67 Bảng 3.12 Cường độ SHG thay đổi theo trục Y đối với tinh thể KTP(5mm) 69 Bảng 3.13 Cường độ SHG thay đổi theo trục Y đối với tinh thể KTP(2mm) 69  Luận văn Thạc sĩ Vật lý 8 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Ký hiệu Chú thích hình vẽ Trang Hình 1.1 Mối quan hệ giữa HDE    ,, và k  14 Hình 1.2 Sơ đồ sự trộn ba sóng 16 Hình 1.3 Sơ đồ sự phát tần số tổng 19 Hình 1.4 Sơ đồ sự phát tần số hiệu 19 Hình 1.5 Sơ đồ sự phát sóng hài bậc hai 20 Hình 1.6 Biểu diễn sự phụ thuộc của cường độsóng hài bậc hai theo /2kL .[8] 21 Hình 1.7 Sơ đồ năng lượng của laser Nd:YAG bốn mức. 1: quá trình bơm; 2, 4: dịch chuyển nhanh không phát xạ; 3: phát laser 23 Hình 1.8 Ellipsoid chiết suất của tinh thể (a): đẳng hướng; (b): đơn trục; (c): lưỡng trục 25 Hình 1.9 Hai trục quang học của tinh thể lưỡng trục. 27 Hình 1.10 Tinh thể KTP 29 Hình 2.1 Mặt phẳng chính của tinh thể   kZ và chùm tia thường.[19] 30  Luận văn Thạc sĩ Vật lý 9 Hình 2.2 Mặt phẳng chính của tinh thể   kZ và chùm tia bất thường. 31 Hình2.3 Tọa độ cực mô tả tính chất khúc xạ của tinh thể đơn trục ( k ) là chiều truyền ánh sáng, Z là trục quang học,  và  là góc cực). [19] 31 Hình 2.4 Sự phụ thuộc của chiết suất vào phương truyền và sự phân cực (bề mặt chiết suất) trong tinh thể đơn trục âm (a) và tinh thể đơn trục dương (b). [19] 32 Hình 2.5 Cách bố trí véc tơ sóng   k và véc tơ chùm ()s trong môi trường đẳng hướng (a) và môi trường bất đẳng hướng tinh thể đơn trục âm (b) và tinh thể đơn trục dương (c) [19] 33 Hình 2.6 Xác định góc cắt đối với tinh thể đơn trục. [19] 34 Hình 2.7 Sự hợp pha loại I (ooe) trong tinh thể đơn trục âm đối với chiết suất (a) và véc tơ sóng (b) trong góc phần tư thứ nhất của mặt phẳng XZ (YZ). [19] 35 Hình 2.8 Sự hợp pha cộng tuyến và phi cộng tuyến loại I (ooe) đối với tinh thể đơn trục âm. [19] 36 Hình 2.9 Sự hợp pha cộng tuyến loại I (ooe), loại II (eoe) và hợp pha không cộng tuyến loại II trong tinh thể đơn trục âm. [19] 37 Hình 2.10 Sự phụ thuộc của chiết suất vào phương truyền của ánh sáng và sự phân cực (chiết suất bề mặt) trong tinh thể lưỡng trục dưới mối liên hệ giữa các giá trị chiết suất chính: a) X YZ nnn, X YZ nnn. [19] 39 [...]...   3 (1.34) 1.3.2 Sự hợp pha Theo (1.32) thì hiệu suất phát sóng hài bậc hai (công suất phát sóng hài bậc hai) cực đại khi: 2  1 1   sin 2  kL   sin  2 kL   2     1  lim 2 k  0  1 kL  1   kL    2   2  k  0 2 k   k 2 Điều kiện này gọi là điều kiện đồng bộ về không gian, khi đó công suất lối ra của sóng hài bậc hai sẽ tỉ lệ với bình phương độ dài của tinh thể:... z   i 4 dE1  z E 2 z e i k1  k 2  k 4  Trong đó: ω4 = ω1 – ω2  dz (1.25) 1.3 Sự phát sóng hài bậc hai (SHG) Hình 1.5 Sơ đồ sự phát sóng hài bậc hai Sự phát sóng hài bậc hai là trường hợp đặc biệt của sự phát tần số tổng, khi đó hai sóng đưa vào có tần số 1   2   và sóng thu được có tần số 2 Khi đó (1.19) được viết lại: 0 dE 2  z  2  2i dE z e ikz  2 dz (1.26) Biểu thức... là một tinh thể dị hướng có thể truyền qua các sóng phân cực thẳng theo một trong hai hướng vuông góc với nhau Hai sóng này có hai chiết suất khác nhau n’ và n’’ Hướng của dòng năng lượng bây giờ vuông góc với mặt sóng Luận văn Thạc sĩ Vật lý 18   1.2 Lý thuyết về sự tương tác của ba sóng quang học (TWM) Hình 1.2 Sơ đồ sự trộn ba sóng Đưa vào môi trường phi tuyến bậc hai hai sóng đơn sắc tần số ω1,... được: E 2   z   i 0 2 d E 0 ze  2 ikz 2 1  sin  kz  2  1 kz 2 (1.27) Điện trường điều hòa tại mặt ra của tinh thể là: E 2   L   i 0 2 d E 0 Le  2 Luận văn Thạc sĩ Vật lý ikL 2 1  sin  kL  2  1 kL 2 (1.28) 23   1.3.1 Hiệu suất phát sóng hài bậc hai Cường độ sónghài bậc hai: I 2  1  2 2 E 2  L  2 0 Với E 2 L  2 (1.29)  2  0 d 2 L2 E  o    2 4  1... với hai tiết diện tròn này là hai trục quang học của tinh thể Vì tinh thể có hai trục quang học nên được gọi là tinh thể lưỡng trục Hình 1.9 Hai trục quang học của tinh thể lưỡng trục Tinh thể KTP (KTiOPO4: Potassium Titanyl Phosphate) là tinh thể lưỡng trục, nó được dùng thông dụng nhất trong sự phát sóng hài bậc hai Tinh thể KTP thuộc nhóm điểm mm2 Tinh thể KTP gồm có hai loại F_KTP và H_KTP, loại... loại H_KTP được tạo ra trong điều kiện nhiệt độ và áp suất rất cao (900 atm) Tinh thể F_KTP dùng cho Luận văn Thạc sĩ Vật lý 30   phát sóng hài bậc hai loại II thường được cắt với góc   900 ,   240 ở 24oC Nếu thay đổi nhiệt độ hoạt động thì góc hợp pha sẽ tăng và độ tăng chỉ khoảng 2oC Do đó ta phải lưu ý nhiệt độ hoạt động của tinh thể trước khi cắt tinh thể Tinh thể KTP có những tính chất quan trọng... dùng trong sự phát sóng hài bậc hai là tinh thể KDP Tinh thể KTP thường được cắt trong mặt phẳng XZ, còn đối với mặt phẳng XY và YZ thì ít được sử dụng vì hệ số quang phi tuyến trong mặt phẳng này khá nhỏ Ngoài ra yếu tố giá cả cũng góp phần giúp tinh thể KTP được sử dụng rộng rãi trong sự phát sóng hài bậc hai ngày nay Góc Pm (hợp pha) trong θ = 900, φ = 23.50 mặt phẳng XZ Hệ số SHG hiệu dụng deff... trường phi tuyến ngoài hai sóng dao động có tần số ω1, ω2 còn xuất hiện thêm một sóng dao động với tần số ω3 khác tần số ban đầu Sóng mới sinh này lại tác động trở lại hình thành nên quá trình trộn ba sóng Điện trường thu được sau khi qua môi trường phi tuyến sẽ có tần số: 0, 21 , 2 2 , 1   2 , 1   2 1.2.1 Sự phát tần số tổng (SFG) Hình 1.3 Sơ đồ sự phát tần số tổng Sự phát tần số tổng là trường... 1/2     (2.5) Hình 2.6 Xác định góc cắt đối với tinh thể đơn trục [19] 2.1.2 Sự hợp pha cộng tuyến trong tinh thể đơn trục Để đáp ứng điều kiện hợp pha trong tương tác ba sóng, các sóng phân cực khác nhau có thể được sử dụng - Nếu các sóng trộn có sự phân cực giống nhau, phát xạ tần số tổng sẽ phân cực theo hướng vuông góc, trường hợp này gọi là sự hợp pha loại I e +Trong tinh thể âm: k 01  k 02... hiệu Luận văn Thạc sĩ Vật lý (1.22) 22   Sự phát tần số hiệu là trường hợp điện trường thu được có tần số 1   2 , khi đó một cách tương tự : E4   1 * E 4  z e i 4t  k 4 z   E 4  z e i 4t  k 4 z  2  (1.24) Ta cũng làm tương tự như sự phát tần số tổng, kết quả thu được: 0 dE 4 z   i 4 dE1  z E 2 z e i k1  k 2  k 4  Trong đó: ω4 = ω1 – ω2  dz (1.25) 1.3 Sự phát sóng hài . ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Thanh Thủy NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU ĐỂ CÓ HIỆU SUẤT PHÁT SÓNG HÀI BẬC HAI CAO Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử (hướng ứng dụng). là trong quang phổ laser. Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứ u điều kiện tối ưu để có hiệu suất cao đối với trường hợp phát sóng hài bậc hai của laser Nd:YAG 1064nm dùng tinh thể phi tuyến. suất lớn. Trong các hiệu ứng tương tác phi tuyến quang học, khi để ý đến công suất, tương tác phi tuyến ba sóng được chú ý hơn các hiệu ứng phi tuyến bậc cao khác do độ cảm phi tuyến bậc hai