chương 3 - make by ngo thi phuong

TS. Ngô Thị Phương

Khoa Vật lí

Chuyên đề Quang họcAdvanced Optics

[1] Giáo trình quang học, Nguyễn Trần Trác – Diệp Ngọc Anh

[2] Bài tập quang học tập 2

– Tổ Vật lí đại cương – k. Lý - ĐHSP Tp.HCM

[3] Hiệu ứng quang học phi tuyến, Trần Tuấn – Lê Văn Hiếu

Tài liệu tham khảo

[3] Hiệu ứng quang học phi tuyến, Trần Tuấn – Lê Văn Hiếu

[4] Quang phi tuyến, Trần Tuấn

[5,6,7…] Tài liệu khác

2ChuyênChuyênChuyênChuyên đđđđề QuangQuangQuangQuang hhhhọccccT. P. Ngô

Nội dung môn học

Chương 1: Hiện tượng tán sắc ánh sáng

Chương 2: Phân cực ánh sáng

Chương 3: Mở đầu về quang học phi tuyến

3.1 Giới thiệu

3.2 Sự phân cực

Chương 4: Những khái niệm cơ bản về QHPT


Giới thiệu

Phát minh ra laser(cường độ ánh sáng mạnh, tính đơn sắc cao…)

1960


Ngành học mới?

Giới thiệu

Quang học phi tuyến tính

� Laser trong quang phổ học+ Tính đơn sắc cao � giải quyết bài toán cấu trúc mỏng+ Mật độ năng lượng cao � các phương pháp quang phổ mới+ …

nghiên cứu sự trả lời/ đáp trả của 1 nguyên tử/vật chấtđối với 1 nguồn sáng mạnh


đối với 1 nguồn sáng mạnh

Quangđiện tử

+ thiết bị thu phát hình ảnh+ máy đọc đĩa nén và video+ màn hình phẳng tinh thể lỏng, tivi …+ máy in laser; máy đọc mã vạch+ cáp quang; hệ viễn thông cáp+ máy định vị laser, máy kết nối vệ tinh…

Đôi dòng lịch sử…• 1960: Townes phát minh ra laser

• 1961: Franken et al. quan sát được sóng điều hòa bậc 2 (SHG)

• 1962:

+ Terhune et al. quan sát được sóng điều hòa bậc 3 (THG)

+ Nicolaas Bloembergen phát triển lí thuyết về quang phi tuyến � khởiđầu cho Quang học phi tuyến


+ Woodbury et al. lần đầu chứng minh được tán xạ cưỡng bức Raman

+ Armstrong et al. công thức hóa các mối liên hệ đối xứng hoán vị tổngquát trong quang phi tuyến

• 1973: Hasegawa et al. lần đầu tiên đoán lí thuyết về tổng hợp solitontrong sợi quang

• 1976: Gibbs et al. chứng minh và giải thích optical bistability

• 1980: Mollenauer et al. công nhận sự tổng hợp soliton trong sợi quang

Giới thiệu

Sóng tới Sóng phát ra

Phân tử

Sóng ánh sáng tác động lên phân tử


� làm phân tử chuyển động và phát ra 1 sóng khác giao thoa với sóng tới

Năng lượngphoton của ánhsáng tới

Năng lượng photon của ánh sáng phátra

Năng

lượ

ngtă

ngdầ

n

Mức năng lượng phân tử

ượ

ngần

Giới thiệu

Cường độ ánh sáng mạnh hơn

� Kích thích phân tử ở trạng thái năng lượng cao hơn

Sóng phát raSóng tới

Năng lượngphoton của ánh

sáng tới

Năng lượngphoton của AS tới

Năng lượngphoton của ánh

sáng phát ra

Năng

lượ

tăng

dần

Mức năng lượng phân tử


Màu sắc mới!!!

Phân tử

Giới thiệu

� Quang học tuyến tính

+ Phản xạ, khúc xạ, hấp thụ

KHÔNG có sự thay đổi tính chất của môi trường hoặc ánh sáng

� Quang học phi tuyến tính


+ Hiệu ứng bậc 2- hiệu ứng điện quang (hiệu ứng Pockels)- sóng điều hòa bậc 2 (SHG)- …

+ Hiệu ứng bậc 3- hiệu ứng Kerr- …

CÓ sự thay đổi tính chất của môi trường hoặc ánh sáng

Giới thiệu

Vật chất Sự phân cựcTrường điện E


Moment lưỡng cực p

Giới thiệu� Nhắc lại quang học tuyến tính (cường độ E yếu)

• Cùng tần số phát ra• α không phụ thuộc vào cường độ sóng tới• Sóng phát ra chịu 1 độ lệch pha là 2πnL/λ (n là chiết suất của môi trường)


• Sóng phát ra chịu 1 độ lệch pha là 2πnL/λ (n là chiết suất của môi trường) và độc lập với cường độ sóng tới• Sự phân cực “tuyến tính” gây ra bởi trường E:

là hằng số điện môi trong chân không

là độ cảm điện tuyến tính của môi trường, liên hệ với n bởi

là tensor nếu đó là môi trường dị hướng

Giới thiệu

� Quang học phi tuyến tínhVới cường độ ánh sáng mạnh, sự phân cực của môi trường phụthuộc vào cường độ E


hay là

Độ cảm điệnSự trả lời

Giới thiệuSự phân cực


Quang học cổ điển

Quang phi tuyến bậc 2� Môi trường tinh thể không có đối xứng đảo

Quang phi tuyến bậc 3� Môi trường tinh thể có đối xứng đảo

Sự phân cực


Giới thiệuTính phân cực tĩnh

Số hạng 0


Ví dụ: nước ε(0) = 81

Giới thiệu

Hệ số khúc xạ

Số hạng

Tính phân cực quang học


Hệ số khúc xạ

Giới thiệu

Hệ số khúc xạ n thay đổi tuyến

Số hạng

Hiệu ứng Pockels (1883)


Hệ số khúc xạ n thay đổi tuyếntính với cường độ điện trườngtĩnh E0

Ứng dụng: thiết bị điện quang (electro-optic devices), ngắtmạch quang học, biến điệu quang học.

- dễ dàng điều khiển việc ngắt, biến điệu các tín hiệu ánh sáng

- hạn chế những dòng điện “dư” trong các quá trình điện tử

Giới thiệu

Hệ số khúc xạ n thay đổi tuyến tính

Số hạng

Hiệu ứng Kerr (1877)


Hệ số khúc xạ n thay đổi tuyến tínhvới bình phương cường độ điệntrường tĩnh E0

Xảy ra trong môi trường đẳng hướngnhư: khí, chất lỏng, chất rắn

Ít được sử dụng hơn hiệu ứng Pockels vì phải định hướng bằngđiện thế rất mạnh

Giới thiệu

Gấp đôi tần số

Số hạng

Sóng điều hòa bậc 2 (1961)


Gấp đôi tần số

Peter Franken et al. vào năm 1961 đã thu được sóng điều hòa bậc2 (347,1 nm) trên nền thạch anh với hiệu suất là 10-4

Ứng dụng: chụp ảnh tế bào cơ, bề mặt vật thể…

Giới thiệuSóng điều hòa bậc 2 (1961)


Giới thiệu

Thí nghiệm đầu tiên về hiện tượng quang phi tuyến


Nguồn sáng: laser Ruby (λ = 694,3 nm) Mẫu thí nghiệm: tinh thể thạch anh

Sóng điều hòa bậc 2 thu được ở bước sóng 347,1 nm

� mở rộng phổ của laser về phía ánh sáng xanh, UV…

Giới thiệu


Giới thiệu

Số hạng

Sóng điều hòa bậc 3 (1962)


Sóng điều hòa bậc 3 trên silic

Gấp ba tần số

Ứng dụng: kỉ thuật hiển vi phi tuyến, chụp ảnh 3D vật thểtrong suốt,…

Giới thiệu


Giới thiệuHiệu ứng Kerr quang học

Hệ số khúc xạ phụ

Môi trường xảy rahiệu ứng Kerr

Thanh chắn

Đầu ra

Số hạng


Sự tự hội tụ?

Hệ số khúc xạ phụthuộc vào cườngđộ sáng: n = n(I)

vì

(n có dạng )Thời gian

Thời gian

Mất mát I nhỏ

Hội tụ bởihiệuứngKerr

Không hội tụ

Xung với I lớn

Tia sángvới I nhỏ

Mất mát I lớn

Đầu ra

Giới thiệu

Chùm tia “chuẩn trực” dưới dạng cường độ hình Gauss truyền trong môitrường không tuyến tính sẽ xuất hiện hiệu ứng Kerr quang học

Sự tự hội tụ (auto-focalisation)

- Chùm tia hội tụ nếu n2 > 0 (sự tự hội tụ)

- Chùm tia phân kỳ nếu n2 < 0 (sự không hội tụ )


Môi tr ường không tuy ến tính

Nội dung môn học

Giới thiệu

- Sự phân cực

Phi tuyến bậc 2- Sóng điều hòa bậc 2 (second harmonic generation - SHG)

- Sự ghép pha (phase matching)- Sự ghép pha (phase matching)

- Sự mở rộng thông số (parametric amplification)

Phi tuyến bậc 3- Hiệu ứng Kerr

- Self and cross-phase modulation

- Four-wave mixing


Hết chương 3


chương 3 - make by ngo thi phuong

Documents