Xác định điều kiện nâng cao hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai bằng laser xung ngắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH HUỲNH NGỌC LINH PHƯỢNG XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN NÂNG CAO HIỆU SUẤT PHÁT SÓNG HÒA ÂM BẬC HAI BẰNG LASER XUNG NGẮN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Nghệ An, 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH HUỲNH NGỌC LINH PHƯỢNG XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN NÂNG CAO HIỆU SUẤT PHÁT SÓNG HÒA ÂM BẬC HAI BẰNG LASER XUNG NGẮN CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÍ MÃ SỐ: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ CÔNG NHÂN Nghệ An, 2015 i Lời cảm ơn Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn TS.Lê Công Nhân - người tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, đóng góp ý kiến quí báu cho luận văn động viên suốt trình thực luận văn Đồng thời, xin cảm ơn chân thành đến thầy: PGS.TS Nguyễn Văn Phú, TS Đoàn Hoài Sơn dành thời gian đọc góp ý để luận văn hoàn thiện Tôi không quên gửi lời cảm ơn đến quý thầy Khoa Vật lý Công nghệ, Trường Đại học Vinh truyền đạt kiến thức cho suốt trình học cao học Cũng qua luận văn thạc sĩ này, muốn bày tỏ quí mến biết ơn đến bạn, anh chị tập thể lớp Quang học Khoá 21 gắn bó, hỗ trợ thời gian học tập Tân An, ngày 20 tháng năm 2015 ii Mục lục Lời cảm ơn i Mục lục ii Danh sách hình vẽ iv Danh sách bảng v Các từ viết tắt vi Mở đầu Laser tương tác với môi trường phi tuyến bậc hai 1.1 Laser 1.1.1 Lịch sử đời máy phát laser 1.1.2 Cấu tạo máy phát laser 1.2 Xung laser cực ngắn 1.2.1 Mối quan hệ thời gian xung độ rộng phổ 1.2.2 Kỹ thuật tạo xung laser cực ngắn 1.3 Tương tác xung laser với môi trường phi tuyến bậc hai 1.3.1 Độ cảm kháng bậc hai 1.3.2 Các hiệu ứng quang phi tuyến bậc hai Kết luận chương Xác định điều kiện nâng cao hiệu suất phát sóng hòa âm bậc 2.1 Thí nghiệm phát sóng hòa âm bậc hai laser Ti:sapphire 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai 2.2.1 Tinh thể lưỡng chiết 2.2.2 Điều kiện hợp pha 2.2.3 Độ hội tụ chùm sáng 2.2.4 Công suất đỉnh xung laser Kết luận chương 3 7 11 11 14 19 hai 20 21 22 23 27 29 30 32 iii Kết luận Kiến nghị 33 A Hình ảnh 34 Công trình tác giả 35 Tài liệu tham khảo 36 iv Danh sách hình vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 Phát xạ tự nhiên Phát xạ cảm ứng có buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng tán sắc Buồng cộng hưởng laser femto giây Ti:sapphire Mối liên hệ thời gian xung độ rộng phổ Biến điệu quang âm sử dụng laser khóa mode chủ động Buồng cộng hưởng gồm hấp thụ bão hòa khuếch đại Mô hình laser tự khoá mode Mô hình tạo sóng hòa âm bậc hai Biểu đồ mức lượng mô tả tạo thành sóng hòa âm bậc hai Mô hình tạo tần số tổng Mô hình tạo tần số hiệu 5 10 10 14 14 15 16 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Thí nghiệm tạo sóng hòa âm bậc hai laser femto giây Mặt phẳng tinh thể chùm tia thường Mặt phẳng tinh thể chùm tia bất thường Ellipsoid chiết suất tinh thể Sự phụ thuộc chiết suất vào phương truyền phân cực tinh thể đơn trục âm Sự phụ thuộc chiết suất vào phương truyền phân cực tinh thể đơn trục dương Sự phụ thuộc diện tích tiết diện ngang lên bề dày tinh thể Chùm Gauss hội tụ bên tinh thể phi tuyến 22 23 23 24 A.1 Thí nghiệm tạo sóng hòa âm bậc hai 34 2.6 2.7 2.8 25 26 29 30 v Danh sách bảng 1.1 Bảng giá trị K vi Các từ viết tắt ADP Ammonium Dihydrogen Phosphate BBO Beta Barium Borate DFG Difference Frequency Generation KDP Potassium Dihydrogen Phosphate SESAM Semiconductor Saturable Absorber Mirror SHG Second Harmonic Generation SFG Sum Frequency Generation Mở đầu Ngày nay, laser ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học sống Với phát triển không ngừng khoa học, loại laser rắn, lỏng, khí, bán dẫn chế tạo cách đa dạng với ánh sáng phát bao phủ khắp vùng phổ Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng mà người ta chọn bước sóng laser thích hợp Hầu hết, laser phát bước sóng định Nếu muốn thay đổi bước sóng phát từ laser cần phải can thiệp vào buồng cộng hưởng sử dụng hiệu ứng quang học phi tuyến để chuyển đổi bước sóng Về mặt kỹ thuật phương pháp thứ hai cho phép thay đổi bước sóng cách linh động không ảnh hưởng đến độ ổn định máy phát laser Trong hiệu ứng quang học phi tuyến cho phép chuyển đổi bước sóng hiệu ứng nhân đôi tần số (sóng hòa âm bậc hai) thông dụng Tín hiệu sóng hòa âm bậc hai thường tạo cách cho tia laser qua môi trường phi tuyến bậc hai, thường tinh thể lưỡng chiết Cường độ tín hiệu sóng hòa âm bậc hai phát phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: cường độ tia laser, bề dày tinh thể, hệ số phi tuyến tinh thể đặc biệt điều kiện hợp pha [1] Hiện nay, hiệu suất chuyển đổi thành sóng hòa âm bậc hai lên tới 50% sử dụng hệ laser femto giây Ti: sapphire khuếch đại [2] Khác với laser liên tục, ánh sáng đơn sắc, xung laser femto giây có độ rộng phổ định công suất đỉnh phụ thuộc vào thời gian xung Hai yếu tố ảnh hưởng lớn lên điều kiện hợp pha cường độ tín hiệu sóng hòa âm bậc hai Hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai laser xung ngắn phụ thuộc nhiều vào yếu tố kể Chính vậy, việc xác định mức độ ảnh hưởng yếu tố liên quan đến trình tạo tín hiệu sóng hòa âm bậc hai cần thiết nên chọn đề tài nghiên cứu : “Xác định điều kiện nâng cao hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai laser xung ngắn ” Mục đích đề tài tạo tượng SHG thực nghiệm phân tích yếu tố vật lý cho phép nâng cao hiệu suất SHG Nhiệm vụ nghiên cứu sử dụng nguồn laser Ti:sapphire để xây dựng thí nghiệm tạo sóng hòa âm bậc hai Bên cạnh đó, đưa điều kiện tối ưu để nâng cao hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai Nội dung nghiên cứu giới hạn vấn đề tương tác xung femto giây với tinh thể lưỡng chiết môi trường phi tuyến bậc hai Với mục đích nêu đề tài sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu đặc biệt tiến hành thí nghiệm để tạo SHG Đề tài trình bày thành hai chương Chương giới thiệu laser tương tác với môi trường phi tuyến bậc hai Chương hai trình bày chi tiết kỹ thuật tạo SHG cách sử dụng tinh thể lưỡng chiết BBO phân tích yếu tố thực nghiệm cho phép nâng cao hiệu suất chuyển đổi tín hiệu 22 Hình 2.1: Thí nghiệm tạo sóng hòa âm bậc hai laser femto giây λ/2: bước sóng; F: thấu kính hội tụ; BBO: tinh thể lưỡng chiết; BG39: kính lọc màu 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai Như vậy, việc hội tụ tia laser xung có bước sóng trung tâm khoảng 800 nm vào tinh thể BBO cho phép tạo tia tín hiệu có bước sóng quanh 400 nm thông qua hiệu ứng "nhân đôi tần số" hay gọi "sóng hòa âm bậc hai" Hiện nay, nghiên cứu SHG đạt hiệu suất chuyển đổi lên tới 50% cách kết hợp tính chất phi tuyến bậc hai tinh thể xung laser femto giây có công suất đỉnh cực cao, tạo hệ laser khuếch đại [2] Hiệu suất nhân đôi tần số phụ thuộc vào thông số thể mối quan hệ I2ω (L) = 8ω |χ(2) |2 2 sin(∆kL/2) I (0)L ( ) ω n2ω n2ω εo c3 ∆kL/2 (2.1) Trong đó, L bề dày tinh thể ∆k = 2kω − k2ω mức độ không hợp pha Theo phương trình 2.1 cường độ tín hiệu SHG tỷ lệ thuận với bình phương cường độ xung laser với bình phương bề dày tinh thể hợp pha ∆k = thỏa mãn Sự hợp pha đảm bảo chiết suất n(ω) = n(2ω) Trong thực tế, chiết suất thay đổi theo bước sóng chưa có môi trường đơn chiết suất thỏa mãn điều kiện Tuy nhiên vấn đề hợp pha thực sử dụng tinh thể lưỡng chiết 23 2.2.1 Tinh thể lưỡng chiết Trong số đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất quang tinh thể chiết suất đại lượng phản ánh rõ nét tương tác môi trường ánh sáng lan truyền Dựa vào phân bố chiết suất tinh thể theo phương khác mà người ta chia tinh thể phi tuyến thành loại: tinh thể lưỡng chiết (hay tinh thể đơn trục) tinh thể lưỡng trục Đồng thời để biểu diễn phân bố chiết suất tinh thể với bán trục nằm theo phương trục tinh thể khái niệm "Ellipsoid" xuất Một ellipsoid có phương trình dạng tổng quát sau: x2 y2 z2 + + =1 n2x n2y n2z Hình 2.2: Mặt phẳng tinh thể chùm tia thường Hình 2.3: Mặt phẳng tinh thể chùm tia bất thường Trong tinh thể lưỡng chiết có phương đặc biệt gọi trục quang học (trục z) Còn mặt phẳng chứa trục z véc tơ sóng gọi mặt phẳng Khi chùm sáng vào có phương phân cực (phương véc tơ dao động) vuông góc với mặt phẳng 24 chùm sáng gọi chùm tia bình thường (o-beam) (hình2.2), chùm sáng có phương phân cực nằm mặt phẳng gọi chùm tia bất thường (e-beam) (hình2.3) Sự khác số chiết suất chùm tia thường chùm tia bất thường gọi lưỡng chiết ∆n Giá trị ∆n dọc theo trục z đạt giá trị cực đại theo hướng vuông góc với trục z Chỉ số chiết suất chùm tia thường bất thường mặt phẳng vuông góc với trục z xác định giá trị số chiết suất kí hiệu tương ứng no ne Tuy nhiên chiết suất chùm tia bình thường không phụ thuộc vào phương phân cực chùm tia bất thường Còn số chiết suất sóng bất thường hàm theo góc phân cực θ trục z véc tơ k, xác định phương trình: ne (θ) = n0 + tan2 (θ) + (n0 /ne )2 tan2 (θ) (2.2) Từ phương trình 2.2 ta thấy: no (θ) = n0 , ne (θ = 00 ) = no , ne (θ = 900 ) = ne , ∆n(θ = 00 ) = 0, ∆n(θ = 900 ) = ne − no , ∆n(θ) = ne (θ) − no Hình 2.4: Ellipsoid chiết suất tinh thể a) Tinh thể đẳng hướng b) Tinh thể lưỡng chiết c) Tinh thể lưỡng trục Nếu xảy trường hợp no > ne , ta có tinh thể đơn trục âm Các tinh thể đơn trục âm thường gặp KDP, ADP, BBO Ngược lại no < ne , ta có tinh thể đơn trục dương, ví dụ tinh thể ZnGeP2 , CO(N H2 )2 Dễ dàng thấy trường hợp tiết diện ellipsoid theo mặt cắt mặt phẳng (Oxy) đường tròn Trục Oz vuông góc với đường tròn gọi trục quang học Vì tồn trục quang học nên tinh thể loại gọi tinh thể đơn trục (hình2.4b) 25 Ngoài tinh thể lưỡng chiết chiết suất không phụ thuộc vào bước sóng mà phụ thuộc vào hướng phân cực chùm sáng truyền đến tinh thể Do phụ thuộc số chiết suất lên phương truyền ánh sáng bên tinh thể lưỡng chiết (mặt chiết suất) kết hợp mặt cầu bán kính n0 (đối với chùm tia thường) elip tròn xoay với bán trục ne n0 (đối với chùm tia bất thường) Theo hướng trục z mặt cầu elip tiếp xúc với Quan sát hình 2.5 ta thấy tinh thể đơn trục âm hình elip nằm mặt cầu , tinh thể đơn trục dương mặt cầu nằm hình elip (hình 2.6) Đặc biệt chiết suất không phụ thuộc phương truyền ánh sáng trường hợp phương truyền vuông góc với mặt phẳng Oxy, mặt phẳng nx = ny = nz , phương trình dạng tổng quát trở thành: x2 y z2 + + =1 n20 n20 n2e Hình 2.5: Sự phụ thuộc chiết suất vào phương truyền phân cực tinh thể đơn trục âm.[8] Vì tinh thể lưỡng chiết có chiết suất phụ thuộc vào cường độ ánh sáng, hướng phân cực ánh sáng chiếu vào, cụ thể phụ thuộc vào véc tơ sóng k Nếu ánh sáng chiếu vào tinh thể quang trục tinh thể vuông góc với mặt tinh thể tia sáng qua tinh thể không tách thành hai tia, đồng thời tia thường tia bất thường trùng có vận tốc Do để xảy tượng lưỡng chiết ta phải quay tinh thể cho trục quang học nghiêng góc so với mặt tinh thể tia sáng qua tinh thể tách thành hai tia, tia bất thường 26 Hình 2.6: Sự phụ thuộc chiết suất vào phương truyền phân cực tinh thể đơn trục dương.[8] không vuông góc với mặt sóng Hoặc quay tinh thể để trục quang học song song với mặt tinh thể chùm ánh sáng vuông góc với mặt tia sáng qua tinh thể bị tách thành hai tia, tia thường tia bất thường trùng có vận tốc khác Hợp pha tinh thể lưỡng chiết xảy trường hợp sau Trường hợp đầu tiên, sóng trộn có phân cực giống nhau, phát xạ tần số tổng phân cực theo hướng vuông góc, trường hợp gọi hợp pha loại Khi tinh thể đơn trục âm hợp pha xảy dạng: no1 ω1 + no2 ω2 = ne3 ω3 hay gọi hợp pha "ooe" Còn tinh thể đơn trục dương thì: ne1 ω1 + ne2 ω2 = no3 ω3 ("eeo") Hợp pha loại hai xảy sóng trộn phân cực vuông góc với Cụ thể tinh thể đơn trục âm xảy ra: ne1 ω1 + no2 ω2 = ne3 ω3 , viết tắt "eoe" tinh thể đơn trục dương thì:no1 ω1 + ne2 ω2 = no3 ω3 gọi hợp pha "oeo" Nhờ tính chất bật tinh thể phi tuyến nên thí nghiệm dùng tinh thể BBO Tinh thể BBO đặc điểm tinh thể phi tuyến BBO có đặc điểm tinh thể đơn trục âm có dãy hợp pha vùng bước sóng rộng từ 410nm đến 2100nm, hệ số phi tuyến lớn, ngưỡng phá hủy cao, có tính chất hóa học học tốt, Do đặc tính băng thông nhiệt rộng, ngưỡng phá hủy cao khả hấp thụ thấp nên BBO phù hợp tốt cho biến đổi tần số phát xạ laser công suất đỉnh cao trung bình Đồng thời dãy phổ rộng giúp cho điều kiện hợp pha dễ xảy đặc biệt vùng hồng ngoại BBO thích hợp cho việc tạo sóng hòa âm laser xung ngắn laser Ti:sapphire Đặc biệt hai điều kiện hợp pha loại I loại II thực tinh thể BBO 27 2.2.2 Điều kiện hợp pha Từ phương trình (1.5) điều kiện hợp pha ∆k ảnh hưởng đến hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai Phát hòa âm bậc hai trường hợp không hợp pha ∆k = Tinh thể phi tuyến có bề dày L, đầu vào tinh thể có tọa độ z = đầu tinh thể có tọa độ z = L, xảy trường hợp ∆k = biên độ sóng hòa âm bậc hai thay đổi cách tuần hoàn theo khoảng cách Bên cạnh hàm sin hàm tuần hoàn với chu kì 2π nên biên độ sóng hòa âm bậc hai hàm tuần hoàn theo z với chu kì z = 4π/∆k Do giá trị cực đại biên độ sóng hòa âm bậc hai đạt độ dài tinh thể: Lc = 2π/∆k với Lc độ dài kết hợp Tiếp theo ∆k = L biến đổi công suất phát sóng hòa âm bậc hai qua loạt điểm cực đại, điểm cách độ dài kết hợp Lc Khi công suất lối giảm nhanh Điều kiện hợp pha không thực chất có tán sắc thường ( tức chiết suất tăng theo tần số) trường hợp k2 > 2k1 Phát hòa âm bậc hai trường hợp hợp pha ∆k = sin( ∆kL ) Trường hợp ∆k = thành phần ( ∆kL2 )2 (1.5) sẽ: ( sin ∆2kL sin2 x ) → limx→0 = ∆kL x (2.3) Điều kiện gọi điều kiện đồng không gian, cường độ lối sóng hòa âm bậc hai tỉ lệ với bình phương độ dài tinh thể: I2 ∼ L2 Dẫn đến hiệu suất phát sóng hòa âm phụ thuộc vào chiều dài tinh thể Nếu tinh thể có độ dài lớn hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai cao ngược lại độ dài tinh thể ngắn hiệu suất phát sóng hòa âm nhỏ Để điều kiện hợp pha xảy ta phải quay phần hai bước sóng để góc tạo tia laser với trục quang học tinh thể (góc θ) thỏa mãn điều kiện hợp 28 2ω ω 2ω pha: ∆k = tức 2kω = k2ω , n2ω e = no Đối với tinh thể đơn trục âm ne < no ω điều kiện n2ω e (θ) = no thỏa mãn θ = θd hay θ = π − θd với θ góc tạo hướng truyền tia tới trục quang học θd góc tạo hướng truyền hai tia với trục quang học tinh thể Nói cách khác, điều kiện hợp pha xảy trường hợp hai tia tia bình thường, tia hòa âm bậc hai tia bất thường hướng truyền hai tia hợp với trục quang học tinh thể góc θd Điều kiện ω n2ω e (θd ) = no viết dạng: [ n2ω e (θd ) ]2 = [ ] nωo (2.4) Mặt khác ta có chiết suất môi trường cho công thức sau: cos2 (θ) sin2 (θ) = + n2e (θ) n2o n2e (2.5) Từ (2.4, 2.5), góc thỏa mãn điều kiện hợp pha θd là: sin2 (θd ) = −2 (nωo )−2 − (n2ω o ) −2 − (n2ω )−2 (n2ω e ) o (2.6) Kết luận: điều kiện hợp pha đạt được, góc θ thỏa mãn điều kiện phương trình (2.6) hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai đạt cực đại Trường hợp góc θ thay đổi hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai giảm : eSHG sin( 21 ∆kL) = ∆kL (2.7) Riêng trường hợp góc hợp pha θ = 90o , góc lưỡng chiết không, tức hiệu ứng dịch chuyển lượng sóng theo tiết diện ngang 29 2.2.3 Độ hội tụ chùm sáng Khi thỏa mãn điều kiện hợp pha, hiệu suất tạo sóng hòa âm bậc hai phụ thuộc độ tụ chùm tia laser chiếu vào tinh thể Độ hội tụ chùm tia xác định thông qua công suất vào (P) chùm laser diện tích tiết diện ngang (A) vùng tương tác ánh sáng vật liệu Trường hợp công suất vào không thay đổi độ tụ chùm tia phụ thuộc vào diện tích tiết diện ngang Để nâng cao hiệu suất SHG chùm tia phải hội tụ vào diện tích A nhỏ lúc mật độ hạt photon đơn vị diện tích lớn dẫn đến cường độ chùm sáng bề mặt tinh thể lớn Ngược lại chùm tia vào hội tụ tinh thể chiếm diện tích lớn, mật độ hạt đơn vị diện tích nhỏ cường độ sáng yếu hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai không cao Độ hội tụ chùm sáng vào tinh thể phụ thuộc vào thấu kính hội tụ đặt trước tinh thể Thấu kính có tiêu cự ngắn khả hội tụ chùm tia mạnh D = 1/f Tiêu cự thấu kính dài kích thước điểm hội tụ tinh thể lớn Kết cường độ chùm sáng giảm Bên cạnh độ hội tụ phụ thuộc vào bề dày tinh thể L Nếu kích thước tinh thể phi tuyến không giới hạn giá trị lớn L cho diện tích A giới hạn chùm nhiễu xạ Tinh thể mỏng, L xác định tinh thể chùm tia hội tụ diện tích A nhỏ, hình 2.7a Ngược lại với tinh thể dày chùm sáng hội tụ diện tích A lớn, hình 2.7b Hình 2.7: Sự phụ thuộc diện tích tiết diện ngang lên bề dày tinh thể a) Tinh thể mỏng b)Tinh thể dày Cụ thể xét trường hợp chùm Gauss lan truyền qua tinh thể phi tuyến, hình 2.8, với z0 = kω02 = πnω02 π ω0 bán kính cổ chùm 2z0 khoảng cách hai mặt 30 sóng có độ cong cực đại tiết diện ngang hai lần tiết diện ngang chùm, xem không thay đổi bên tinh thể Nếu L > 2z0 tiết diện chùm tăng hiệu suất SHG giảm Hiệu suất đạt cực đại L ∼ 2z0 tức L = ( πnω02 ) λ xem điều kiện hội tụ đồng tiêu Hình 2.8: Chùm Gauss hội tụ bên tinh thể phi tuyến.[8] 2.2.4 Công suất đỉnh xung laser Hiệu suất SHG đạt cực đại yêu cầu điều kiện hợp pha thỏa mãn, độ hội tụ chùm sáng mạnh phụ thuộc vào công suất đỉnh xung laser Công suất đỉnh xung laser cao cường độ chùm tia laser mạnh Để đạt điều cần sử dụng xung laser có lượng giới hạn khoảng thời gian ngắn để đạt công suất đỉnh lớn Công suất đỉnh xung laser phụ thuộc vào lượng ban đầu khoảng thời gian phát xung Điều kiện lượng ban đầu không đổi nhỏ để công suất đỉnh xung laser cao ta phải rút ngắn thời gian phát xung Khi co ngắn thời gian phát xung công suất đỉnh lớn Ví dụ lượng xung 1mJ phát khoảng 10fs công suất đỉnh đạt 100GW Những xung có công suất đỉnh cao tạo laser khóa mode Ngoài công suất đỉnh phụ thuộc vào hình dạng khoảng thời gian xung Cụ thể xung soliton có dạng sech2 công suất đỉnh tính sau: Pp = 0.88 Eτpp Còn xung dạng Gauss, số 0.88 31 thay 0.94 Tóm lại công suất đỉnh xung laser đóng vai trò quan trọng việc nâng cao hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai Do để đạt công suất đỉnh lớn cần sử dụng laser phát xung cực ngắn laser có công suất trung bình thấp công suất đỉnh cao toàn lượng tập trung khoảng thời gian ngắn 32 Kết luận chương Trong chương trình bày chi tiết qui trình kỹ thuật tạo sóng hòa âm bậc hai laser femto giây tinh thể lưỡng chiết BBO Khi cho xung laser femto giây có bước sóng 800nm qua tinh thể BBO, trình tương tác xung laser với môi trường phi tuyến bậc hai sóng hòa âm bậc hai tạo có bước sóng 400nm có tần số gấp đôi tần số xung laser Sau trình bày vấn đề kỹ thuật tạo sóng hòa âm bậc hai, tiến hành phân tích định tính yếu tố thực nghiệm cho phép nâng cao hiệu chuyển đổi tín hiệu Qua đó, nhận thấy xung laser có công suất đỉnh cao chiếu vào tinh thể lưỡng chiết xảy điều kiện hợp pha độ tụ chùm sáng bề mặt tinh thể cao hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai đạt hiệu Bên cạnh yếu tố tiêu cự thấu kính hội tụ, bề dày tinh thể, góp phần ảnh hưởng đến hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai 33 Kết luận Kiến nghị Trong nghiên cứu tổng hợp lý thuyết laser xung ngắn hiệu ứng quang học phi tuyến bậc hai Thí nghiệm tạo tín hiệu nhân đôi tần số laser femto giây triển khai thử nghiệm phòng thí nghiệm Điện tử Quang tử học Chi tiết cách vận hành thí nghiệm trình bày với sơ đồ nguyên lý Do giới hạn điều kiện hạ tầng phòng thí nghiệm nên nghiên cứu không sâu vào khảo sát thực nghiệm Mặc dù vậy, đánh giá yếu tố cho phép nâng cao hiệu suất phát sóng hoà âm bậc hai thông qua mối liên hệ biến số mô hình lý thuyết quan sát trình điều chỉnh thí nghiệm Thông qua kết nghiên cứu, nhận thấy tín hiệu sóng hoà âm bậc hai tạo tinh thể BBO phụ thuộc vào hai yếu tố là: hợp pha mật độ quang Theo nhận định thí nghiệm tạo sóng hòa âm bậc hai laser xung ngắn tinh thể lưỡng chiết dễ thực thí nghiệm mà cường độ sáng tín hiệu đầu thể phi tuyến rõ ràng, tỷ lệ thuận với bình phương cường độ sáng tín hiệu đầu vào Chính mà thí nghiệm nên triển khai rộng rãi phòng thí nghiệm quang học để sinh viên dễ nắm bắt khái niệm lĩnh vực quang học phi tuyến 34 Phụ lục A Hình ảnh Hình A.1: Thí nghiệm tạo sóng hòa âm bậc hai Thí nghiệm tạo tín hiệu hòa âm bậc hai tinh thể BBO, phòng thí nghiệm Điện tử Quang tử học, Hà Nội 35 Công trình tác giả Huynh Ngoc Linh Phuong, Bui Yen Duy, Le Cong Nhan Improving ef- ficiency of second-harmonic generation with femtosecond Ti:sapphire laser pulses The th International Conference on Photonics and Applications, Da Nang, August 2014 Bùi Yến Duy, Huỳnh Ngọc Linh Phượng, Nguyễn Thị Thu Ngân, Nguyễn Ngọc Hiếu, Lê Công Nhân Supercontinuum generation by femtosecond laser and photonic crystal fibers Journal of Science and Technology, Duy Tan University, 2014 36 Tài liệu tham khảo [1] C Rulliere Femtosecond Laser Pulses Springer, 2010 [2] Vitaly Krylov and Alexander Rebane Second-harmonic generation of amplified femtosecond ti:sapphire laser pulses Optics letters, 20, 1995 [3] Lê Công Nhân Laser kĩ thuật đo quang phổ Tài liệu tham khảo, 2012 [4] URL http://www.newastro.com/newastro/book/C2/images/FWHM.jpg [5] Orazio Svelto Principles of Laser, 5th Springer, 2010 [6] F.Trager (Ed) Handbook of Laser and Optics Springer, 2007 [7] Cao Long Vân, Đinh Xuân Khoa, and M.Trippenbach Cơ sở quang phi tuyến Nhà xuất Giáo dục, 2003 [8] Trần Tuấn Lê Văn Hiếu Hiệu ứng quang học phi tuyến Nhà xuất ĐHQG Thành phố Hồ Chí Minh, 2006 [...]... trình bày các hiệu ứng phi tuyến bậc hai như: tạo sóng hòa âm bậc hai, tạo tần số tổng, tạo tần số hiệu, 20 Chương 2 Xác định điều kiện nâng cao hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai Tạo tín hiệu sóng hòa âm bậc hai [1, 5] là kỹ thuật thường được sử dụng trong các hệ thống thí nghiệm quang học phi tuyến nhằm chuyển đổi màu sắc hay bước sóng của tia laser Về mặt vật lý thì tạo sóng hòa âm bậc hai là trường... của sóng hòa âm bậc hai sẽ tỉ lệ với bình phương độ dài của tinh thể: I2 ∼ L2 Dẫn đến hiệu suất phát sóng hòa âm phụ thuộc vào chiều dài tinh thể Nếu tinh thể có độ dài càng lớn thì hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai càng cao và ngược lại nếu độ dài tinh thể càng ngắn thì hiệu suất phát sóng hòa âm càng nhỏ Để điều kiện hợp pha xảy ra thì ta phải quay bản một phần hai bước sóng để góc tạo bởi tia laser. .. đến hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai Như vậy, việc hội tụ tia laser xung có bước sóng trung tâm khoảng 800 nm vào tinh thể BBO cho phép tạo ra tia tín hiệu có bước sóng quanh 400 nm thông qua hiệu ứng "nhân đôi tần số" hay còn gọi là "sóng hòa âm bậc hai" Hiện nay, các nghiên cứu về SHG đã đạt được hiệu suất chuyển đổi lên tới 50% bằng cách kết hợp tính chất phi tuyến bậc hai của các tinh thể và xung. .. độ rộng nhất định Thời gian xung và độ rộng phổ có sự liên hệ với nhau thông qua nguyên lý bất định về thời gian - năng lượng, ∆t∆ν ≥ 1/2 [1] Chính vì vậy mà kỹ thuật tạo tín hiệu nhân 21 đôi tần số bằng nguồn laser xung ngắn cũng có những điểm khác biệt so với nguồn laser liên tục 2.1 Thí nghiệm phát sóng hòa âm bậc hai bằng laser Ti:sapphire Thí nghiệm phát sóng hòa âm bậc hai bằng laser femto giây... e ) o (2.6) Kết luận: khi điều kiện hợp pha đạt được, góc θ thỏa mãn điều kiện phương trình (2.6) thì hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai đạt cực đại Trường hợp góc θ thay đổi thì hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai sẽ giảm và : eSHG sin( 21 ∆kL) = 1 ∆kL 2 (2.7) Riêng trường hợp góc hợp pha θ = 90o , góc lưỡng chiết bằng không, tức không có hiệu ứng dịch chuyển năng lượng của sóng theo tiết diện ngang... phi tuyến đầu tiên được quan sát khi laser xuất hiện Trong hiệu ứng này, một sóng bơm có tần số ω tạo ra một tín hiệu ở tần số 2ω khi lan truyền trong môi trường phi tuyến bậc hai [5, 6], hình 1.9 Hình 1.9: Mô hình tạo sóng hòa âm bậc hai. [1] Hình 1.10: Biểu đồ mức năng lượng mô tả sự tạo thành sóng hòa âm bậc hai Ta giải thích quá trình tạo sóng hòa âm bậc hai bằng cách xét tương tác theo quan điểm... biên độ của sóng hòa âm bậc hai thay đổi một cách tuần hoàn theo khoảng cách Bên cạnh đó hàm sin là hàm tuần hoàn với chu kì 2π nên biên độ sóng hòa âm bậc hai là hàm tuần hoàn theo z với chu kì z = 4π/∆k Do đó giá trị cực đại của biên độ sóng hòa âm bậc hai đạt được tại độ dài tinh thể: Lc = 2π/∆k với Lc là độ dài kết hợp Tiếp theo ∆k = 0 và L biến đổi thì công suất phát sóng hòa âm bậc hai sẽ đi qua... ω1 + ω2 và điều kiện hợp pha là k3 = k1 + k2 Hiệu ứng này được gọi là quá trình nâng cao tham số tần số Điều kiện hợp pha này xác định hướng của chùm tần số được nâng lên và xác định véc tơ pha trung tâm của nó Trường hợp 2: Tần số của xung bơm lớn hơn tần số của xung tín hiệu ω1 < ω2 Trường hợp này cũng có hai quá trình: a) Tương ứng với trường hợp nâng cao tham số tần số ở quá trình thứ hai mô tả... BBO thích hợp cho việc tạo sóng hòa âm của laser xung ngắn như laser Ti:sapphire Đặc biệt hai điều kiện hợp pha loại I và loại II đều có thể thực hiện được ở tinh thể BBO 27 2.2.2 Điều kiện hợp pha Từ phương trình (1.5) thì điều kiện hợp pha ∆k ảnh hưởng đến hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai Phát hòa âm bậc hai trong trường hợp không hợp pha ∆k = 0 Tinh thể phi tuyến có bề dày L, tại đầu vào của tinh... và chùm tín hiệu b)Trường hợp còn lại là một photon với tần số góc ω2 bị huỷ trong khi hai photon được tạo ra, một với tần số tín hiệu ω1 , một với tần số mới ω3 , để đảm bảo ω2 = ω1 + ω3 và thỏa mãn k2 = k1 + k3 Trường hợp này được gọi là khuếch đại tham số quang học bởi tín hiệu yếu 14 1.3.2 Các hiệu ứng quang phi tuyến bậc hai Tạo sóng hòa âm bậc hai Tạo sóng hòa âm bậc hai (SHG) là hiệu ứng quang ... bậc hai như: tạo sóng hòa âm bậc hai, tạo tần số tổng, tạo tần số hiệu, 20 Chương Xác định điều kiện nâng cao hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai Tạo tín hiệu sóng hòa âm bậc hai [1, 5] kỹ thuật... xác định mức độ ảnh hưởng yếu tố liên quan đến trình tạo tín hiệu sóng hòa âm bậc hai cần thiết nên chọn đề tài nghiên cứu : Xác định điều kiện nâng cao hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai laser. .. gian xung Hai yếu tố ảnh hưởng lớn lên điều kiện hợp pha cường độ tín hiệu sóng hòa âm bậc hai Hiệu suất phát sóng hòa âm bậc hai laser xung ngắn phụ thuộc nhiều vào yếu tố kể Chính vậy, việc xác