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
 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
 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.

vào ra
 Giới Thiệu Về Quang Phi
Tuyến
 Những nguồn sáng thông thường có CĐĐT yếu, E ~
103V/cm.Vậy khi ánh sáng truyền trong môi trường, các tính
chất của môi trường như: chiết suất, hệ số hấp thụ v.v.. Không
phụ thuộc vào cường độ ánh sáng → các phương trình của
trường điện từ là các phương trình tuyến tính → Quang học
tuyến tính
 Với nguồn sáng Laser thì E ~ 108 V/cm.Nên thông số quang
học của môi trường phụ thuộc vào cường độ ánh sáng, các
phương trình của trường điện từ trở thành phi tuyến → Quang
học phi tuyến
 Giới Thiệu Về Quang Phi
Tuyến
Quang phi tuyến được
mở đầu bằng phát minh
về sự tạo sóng hài bậc hai
của Peter Pranken năm
1961,một thời gian ngắn
sau khi Laser ra đờivào
năm 1960.
( Peter Pranken )
 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
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
 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.
 Giới Thiệu Về Quang Phi
Tuyến
Độ cảm phi tuyến :
- Mô men lưỡng cực trên một đơn vị thể tích hoặc độ phân cực.

Pi = Pi 0 + χ ij E j
-
Mô men lưỡng cực trên một đơn vị thể tích hoặc độ phân cực.

Pi = Pi 0 + χ ij( 1 ) E j + χ ijk
(2)
E j Ek + χ ijkl
(3)
E j Ek El + ...

χij là độ cảm tuyến tính.

=>
 Giới Thiệu Về Quang
Phi Tuyến
Độ phân cực :
0
1. Độ phận cực cố định : Pi
2. Độ phận cực bậc nhất : Pi1 = χ ij(1) E j
3. Độ phân cực bậc hai:
Pi =χ E j Ek
2 ( 2)
ijk

4. Độ phân cực bậc ba :

Pi = χ E j Ek El
3 ( 3)
ijkl
 Giới Thiệu Về Quang Phi
Tuyến
Sự phi tuyến quang học xuất hiện như thế nào ?
- Cường độ điện trường của sóng ánh sáng phải vào cỡ điện
trường nguyên tử.

Eat = e / a 2
0
e

hν a0

a0 =  2 / me 2 N

=7
Eat ≈ 2 ×10 esu
 Giới Thiệu Về Quang Phi
Tuyến
Môi trường phi tuyến tính :
 Trong phần lớn các trường hợp các tham số vĩ mô: ε, μ,
σ có thể xem như không phụ thuộc vào cường độ của
trường. Khi đó các hệ thức trên là tuyến tính → môi
trường tuyến tính.
 Khi môi trường có các tham số trên phụ thuộc vào
cường độ của trường → môi trường phi tuyến.

D =ε0ε( E )E, B = µ0 µ( H )H,

J =σ( E )E,
 Hiện Tượng Phi Tuyến
Bậc 2
~ − iω1t − iω 2 t
E (t ) = E1e + E2 e + C.C.

P ( 2ω1 ) =χ( 2 ) E12 (SHG)

P ( 2ω2 ) =χ( 2 ) E22 (SHG)
P (ω1 +ω2 ) =2 χ( 2 ) E1 E2 (SFG)
P (ω1 −ω2 ) =2 χ( 2 ) E1 E2* (DFG)
P (0) =2 χ( 2 ) ( E1 E1* +E2 E2* ) (OR)
 Hiện Tượng Phi Tuyến
Bậc 2
Độ phân cực bậc 2 là :
~ ( 2)
P (t ) = 2 χ ( 2 ) EE * + ( χ ( 2 ) E 2 e −2iωt + C.C.)

Khi đó χ (2)
là một tensơ bậc hai

2ω
ω χ ( 2)

ω
Hiện Tượng Phi Tuyến
Bậc 2
 Hiện Tượng Phi Tuyến
Bậc 2
Các hiệu ứng liên quan đến Phi Tuyến bậc 2 :
Các hiện tượng Trường tới Kết quả

Tổng tần số ω 1,ω 2 ω 3 = ω 1+ ω 2

Tạo hoạ ba bậc hai ω ω 3 = ω +ω = 2ω

Hiệu tần số ω 1,ω 2 ω 3 = ω 1- ω 2

Chỉnh lưu tần số ω ω 3= ω - ω = 0

Khuếch đại tham số (OPA) ω 3,ω 1 ω 1 khuếch đại + ω 2

ω 1 + ω 2= ω 3 giống như hiệu
tần số nhưng người ta chỉ
quan tâm đến ω 1 mà không
phải là ω 2
 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 ω 1,ω 2 ω 3 = ω 1+ ω 2
Tạo hoạ ba bậc hai ω ω 3 = ω +ω = 2ω
 Tạo Họa Ba Bậc Hai
ω2 ω2
χ ( 2) ω 3 = ω1 + ω 2
ω1 ω1
Ứng dụng : Điều chỉnh bức xạ ω2
trong vùng phổ tử ngoại ω3
ω1
Tạo Họa Ba Bậc Hai
 Tạo Tần Số Phách
ω2 ω2
χ ( 2) ω 3 = ω1 − ω 2
ω1 ω1
Ứng dụng: Photon tần số thấp,
khuếch đại trong sự hiện diện của ω2
photon tần số cao. Quá trình này được
ω1
gọi là khuếch đại tham số.
ω3
Tạo Tần Số Phách
 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.
 Hiệu ứng quang Pockels
Ứng dụng :
Bộ điều biến dọc, ngang.
Bộ điều biến phân tích quang
Bộ điều biến cừng độ …
 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
 HIỆU ỨNG KERR
Phân loại : Có hai loai hiệu ứng Kerr.
1. Hiệu ứg Kerr DC
2. Hiệu ứng Kerr AC
Ứng dụng :
 Công tắc điên quang
 Điều biến tín hiệu trong viễn thông
 Kĩ thuật đo điện trường bằng phương pháp
tiếp xúc …
 Hiện Tượng Phi Tuyến
Bậc 3
A1 A2

χ ( 3)

A3
 Dạng tổng quát của trường điện tới là :
~ A4
E (t ) = E1e −iω1t + E2 e −iω 2t + E3e −iω 3t
 Độ phân cực phi tuyến bậc ba:

P (3) (ω ) = 3χ (3) (ω = ω + ω − ω ) | E (ω ) |2 E (ω )
 Hiện Tượng Phi Tuyến
Bậc 3
 Trường quang học tới :
~
E (t ) = E (ω)e −iωt
+ C.C.
 Độ cảm phi tuyến :
χeff = χ (1) + 4π | E (ω) |2 χ ( 3)
 Độ cảm bậc ba sẽ có 22 thành phần và sự phụ thuộc tần số của chúng là :
ωi ,3ωi , (ωi +ωj +ωk ), (ωi +ωj −ωk )
( 2ωi +ωj ), ( 2ωi −ωj ), i, j , k =1,2,3

 Chiết suất : n 2 =1 +4π

χeff
 Hiện Tượng Phi Tuyến
Bậc 3
Các hiệu ứng liên quan đến Phi Tuyến bậc 3 :
Các hiện tượng Trường tới Kết quả
Bão hoà các hiệu ứng ω ω 4=ω -ω +ω =ω
tuyến tính
Boã hoà chéo nhau ω 1,ω 2 ω 4 = ω 1- ω 2+ ω 2 = ω 1
Tạo hoạ ba bậc ba ω ω 4 = ω + ω + ω = 3ω
(TGH) ω 1 , ω 2, ω 3 ω 4 = ω 1- ω 2+ ω 3
Trộn bốn sóng
Trộn bốn sóng suy biến ω , k1≠ k2≠ k3 ω 4 = ω - ω + ω = ω

Hiệu ứng Raman (hay ω ω ω S =ω -ω v ;ω A =ω +ω v

Brilloin) cưỡng bức ω tần số phân tử
v
 Tự hội tụ và tự lệch tiêu
 Chùm Laser có dạng cường độ tuân theo phân bố
Gauss. Nó có thể cảm ứng dạng chiết suất phân bố
Gauss bên trong mẫu quang phi tuyến.

χ ( 3)
Sự trộn sóng

λ
Λ=
2n0S in θ( /2 )
 Liên hợp pha quang học

Gương liên hợp pha

PCM
M

s
PCM
M
 Điều chỉnh độ lệch bằng PCM

Môi trường
gây lệch
PCM

s Môi trường
gây lệch
PCM
 Trộn 4 sóng suy biến
(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

A1 A2

χ ( 3)

A3

A4
 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
 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
 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.
Tán xạ Brillouin

Máy tán xạ Brillouy ở ĐH Hawii

 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
Tán xạ Raman

Sơ đồ máy quang phổ Raman

 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
 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 …
Ứng dụng Quang Phi
Tuyến
 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.
 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.
 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/