Các hệ số quang phi tuyến ( 12 10− m V/ ) d31=6.5, d32=5.0, d33=13.7, d24=7.6, d15=6.1 Chỉ số khúc xạ tại 1,064m nx=1.740, ny=1.747, nz=1.830 Chỉ số khúc xạ tại 0,532m nx=1.779, ny=1.790, nz=1.887
Type Phase Matching
Loại II
Góc ghép pha với 1,064m Tạo với trục x
0 24 trong mặt phẳng xy Độ rộng phổ 0 5.6A Độ rộng góc 20 mrad Nhiệt độ 0 25 C ~cm Walk-off Angle 1mrad( 0 0, 26 )
Ngưỡng phá hủy quang
2
450MW cm/
2.5.3 Ứng dụng của KTP
KTP là vật liệu duy nhất kết hợp các tính chất như hệ số phi tuyến cao, khơng hút ẩm. Phù hợp với các hệ laser yêu cầu cao, hiệu suất lớn và ổn định. Nó có thể được sử dụng cả trong thương mại lẫn quân sự bao gồm y tế và các hệ laser trong phịng thí nghiệm, trong cơng nghiệp bán dẫn.
29
- Bộ ghép đôi tần số cho các laser pha tạp Nd cho ánh sáng xanh lá cây hoặc ánh sáng đỏ.
- Bộ trộn tần số của laser Nd hay laser diode cho ánh sáng màu xanh lam.
- Bộ dao động thông số quang trong vùng hồng ngoại gần đến 4m .
- Bộ điều biến quang điện, chuyển mạch quang, các bộ ghép định hướng.
- Bộ dẫn sóng quang cho các thiết bị quang phi tuyến lớn, các bộ quang điện tích hợp.
- Bộ phát hiệu tần số trong vùng hồng ngoại gần.
Hình 2.4. Tinh thể KTP trong Green Laser Pointer.
2.6 Hệ phát sóng hài bậc hai
Hệ phát sóng hài bậc hai là một bước đột phá trong quang phi tuyến. Nhiều hiện tượng phi tuyến mới đã được phát hiện trong khoảng thời gian từ năm 1962 đến năm 1965, bao gồm chỉnh lưu quang học [7], sự phát tần số tổng và tần số hiệu [8], sự phát sóng hài bậc III [9], khuếch đại tham số quang học [6,10]. Khởi đầu cho thời kỳ hưng thịnh này là sự phát hiện ra hiện tượng phát sóng hài bậc hai năm 1961. [11]
Khả năng cho cường độ điện trường cao của laser Ruby chính là một thuộc tính ưu việt mà quang phi tuyến đang cần tìm. Mối liên hệ giữa cường độ laser I (năng lượng trên một đơn vị diện tích) và cường độ điện trường E là:
30 2 0 1 2 I = nc E (2.6.1)
So với tiêu chuẩn hiện đại, công suất quang học của laser Trion dù rất nhỏ nhưng vì chùm hội tụ mạnh, cường độ điện trường E cũng đủ mạnh để một nhóm nghiên cứu do Peter Franken đứng đầu tại Đại học Michigan ở Ann Arbor quan sát hiện tượng phát sóng hài bậc 2 (SHG) lần đầu tiên vào mùa hè năm 1961. Trong thí nghiệm (hình 2.5), họ dùng laser ruby bước sóng 694,3 nm chiếu vào một tinh thể thạch anh mỏng và chùm tia đầu ra được hướng tới một lăng kính để tách chùm đầu vào cịn sót lại và chùm sóng hài. Phía sau lăng kính, chùm sóng hài bậc II bước sóng 347,15 nm xuất hiện. Mặc dù hiệu suất chuyển đổi rất nhỏ khoảng 1/108, các nhà nghiên cứu vẫn quan sát được một thành phần sóng hài cường độ yếu trên kính ảnh.
Hình 2.5. Bố trí thí nghiệm phát sóng hài bậc hai đầu tiên tại Đai học Michigan, năm 1961.
2.7 Sự hợp pha
Trong giai đoa ̣n đầu, mặc dù đã phát hiện được hiện tượng phát sóng hài bậc II, nhưng hiệu suất chuyển đổi sóng hài còn thấp. Điều này là do hiện tượng tán sắc, các sóng cơ bản và sóng hài truyền với vận tốc pha khác nhau trong tinh thể phi tuyến, và nhanh chóng mất đi sự hịa hợp với nhau. Để hiểu rõ điều này, trong biểu thức cường độ điện
31
trường của laser Ruby, chúng ta gộp vào cả thành phần phụ thuộc không gian và viết: 𝑬 = 𝑬𝜔cos(𝜔𝑡 − 𝒌𝟏𝑧) (2.7.1) trong đó k1 = n1 c
, n1 là chiết suất tại tần số . Từ phương trình, chúng ta suy ra được độ phân cực bậc II có dạng:
(2) (2) 2 2 0 cos ( 1 ) P = E t−k z (2.7.2) 2 2 0 1 1 [1 cos{2 2 }] 2 Edc t k z = + − (2.7.3) Nhưng sự phụ thuộc không - thời gian của điê ̣n trường sóng hài bậc II là cos(2𝜔𝑡 −2𝑘1𝑧), trong đó 𝑘2 = 𝑛2 2𝜔
𝑐, và số hạng này khơng khớp hồn tồn với số hạng cuối trong phương trình (2.7.3). Trên thực tế, dễ dàng thấy rằng hai sóng ngược pha nhau khi (k2 – 2k1) z = π, từ đó chúng ta định nghĩa độ dài kết hợp là:
Lcoh k2 2k1 4n2 n1
= =
− − (2.7.4) Trong vật liệu quang học điển hình, Lcoh~ 10-20m, điều này phù hợp với thí nghiệm phát sóng hài bậc II tại Đại học Michigan. Trong thí nghiệm đó, người ta thấy chỉ một phần nhỏ tinh thể thạch anh tham gia vào quá trình chuyển đổi sóng cơ bản thành sóng hài bậc II. Vì thế hiệu suất chuyển đổi thấp.
Vấn đề độ dài kết hợp đã được giải quyết nhanh chóng. Nhóm của Joe Giord-maine tại Phịng thí nghiệm Bell Telephone và nhóm Robert Terhune tại các phịng thí nghiệm nghiên cứu thuộc Ford Motor Company ở Dearborn Michigan đã đồng loạt công bố kết quả nghiên cứu về vấn đề này trong số báo New Year’s Day 1962 của tờ Physical Review Letters. Trong hai cơng trình này, các tác giả nhấn mạnh đến việc khai thác tính lưỡng chiết của tinh thể dị hướng, trong đó chùm tia cơ bản đóng vai trị là sóng thường, và chùm sóng hài đóng vai trị là sóng bất thường. Và bởi vì chiết suất của sóng bất thường phụ thuộc vào hướng truyền trong tinh thể, chúng ta có thể hiệu chỉnh góc để đạt được điều kiện:
32
( ) 1
2
ext ord
n =n , trong đó n2ext là chiết suất của tia bất thường, n1ord là chiết suất của tia
thường.
Hình 2.6. Cường độ sóng hài bậc hai là một hàm theo khoảng cách trong điều kiện hợp pha và không hợp pha (đường liền nét). Đường cong nét đứt biểu diễn quá trình giả hợp
pha.
Hình 2.6 minh họa sự cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi sóng hài bậc II nhờ vào kỹ thuật hợp pha. Đường liền nét bên dưới ứng với trường hợp chưa đạt tới điều kiện hợp pha. Ngược lại, đường liền nét bên trên (PM) cho thấy cường độ sóng hài tăng theo bình phương khoảng cách trong điều kiện hợp pha. Vì vậy, nếu độ dài kết hợp tăng từ khoảng 10m đến 1 mm, cường độ tăng lên khoảng 104 lần. Đây là điều đã làm cho sự phát sóng hài phi tuyến từ một giả thuyết trở thành hiện tượng thực tế.
Ngày 10 tháng 04 năm 1962, Armstrong, Bloembergen, Ducuing và Pershan (ABDP) ở Đại học Harvard gửi một bài báo đến tạp chí Physical Review và cơng trình này đã có tác động sâu rộng đến lĩnh vực quang phi tuyến vào thời điểm đó. Một trong những nội dung quan trọng trong bài báo chuyên đề này là đề xuất một phương pháp hợp pha
33
khác, và phải qua 25 năm sau ý tưởng này mới trở thành hiện thực. Và hiện nay kỹ thuật này được gọi là “giả hợp pha”, một kỹ thuật được các nhà nghiên cứu xem là giải pháp hoàn hảo cho vấn đề hợp pha. Ý tưởng khá đơn giản. Tại cuối độ dài liên kết đầu tiên của quá trình phát sóng hài, điê ̣n trường sóng hài đã đạt giá tri ̣ tối đa, pha của nó và pha của độ phân cực sóng hài lệch nhau 180°, và sự tương tác giảm dần.Vì vậy, để hiệu suất tương tác vẫn như cũ, người ta đảo ngược dấu của độ phân cực phi tuyến bằng cách đảo ngược các mảnh tinh thể. Điều này cho phép sóng hài tiếp tục tăng thêm dọc theo một độ dài liên kết khác, sau đó chúng ta lại lật ngược mảnh tinh thể tiếp theo. Và quá trình này cứ tiếp diễn như thế.
Khó khăn chính ở đây là chiều dài liên kết thường chỉ khoảng 10-20 𝜇𝑚, do đó chúng ta phải chế tạo những tấm tinh thể có bề dày một phần trăm milimet, nên phải mất một khoảng thời gian dài kỹ thuật giả hợp pha mới được triển khai thực hiện. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều phương pháp nuôi tinh thể, đặc biệt, một kỹ thuật được gọi là tạo cực tuần hồn, sử dụng điện trường thúc đẩy sự hình thành các tấm tinh thể ngược nhau. Nhờ vào kỹ thuật này, ý tưởng ABDP mới trở thành hiện thực.
Các đường đứt nét (QPM) trong hình 2.6 so sánh giả hợp pha và hợp pha lưỡng chiết, cho thấy cường độ SHG tăng theo kiểu từng bậc. Độ cao của bâ ̣c tăng theo khoảng cách, điều này do cường độ quang học tăng theo bình phương cường độ điện trường. Nếu vẽ theo cường độ điện trường, độ cao của các bước sẽ như nhau.
34
Chương 3.
MÔ PHỎNG HỆ GREEN LASER POINTER BẰNG PHẦN MỀM ZEMAX.
Ở phần chương 3 này, hệ Green Laser Pointer được lựa chọn để mô phỏng nhằm giúp hiểu rõ hơn cấu tạo quang học của hệ Green Laser Pointer, cách sử dụng phần mềm Zemax mô phỏng một hệ quang học và các biểu đồ phân tích chùm sáng của phần mềm Zemax.
3.1 Dụng cụ thực nghiệm
- Laser sử dụng để mơ phỏng là Green Laser Pointer (laser xanh lục) có bước sóng 532 nm. Đây là laser bán dẫn mode Gauss hoạt động ở chế độ liên tục. (Hình 3.1)
- Phần mềm mô phỏng: phần mềm quang học Zemax 2008. (Hình 3.2)
35
Hình 3.2. Biểu tượng phần mềm Zemax.
3.2 Tiến trình thực nghiệm 3.2.1 Bảng nhập liệu
Khi mở phần mềm Zemax 2008 sẽ thấy giao diện như sau:
36