Chương 3 - Make by Ngo Thi Phuong

1. TS. Ngô Thị Phương
Khoa Vật lí
Chuyên đề Quang học
Advanced Optics

2. Tài liệu tham khảo
[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
[4] Quang phi tuyến, Trần Tuấn
[5,6,7…] Tài liệu khác
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
2

3. 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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
3

4. Giới thiệu
1960
Phát minh ra laser
(cường độ ánh sáng mạnh, tính đơn sắc cao…)
Ngành học mới?
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
4

5. Giới thiệu
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
+…
Quang học phi tuyến tính
nghiên cứu sự trả lời/ đáp trả của 1 nguyên tử/vật chất
đối với 1 nguồn sáng mạnh
Quang
điện tử
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
+ 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…
5

6. 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
đầu cho Quang học phi tuyến
khởi
+ 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 tổng
quát trong quang phi tuyến
•
1973: Hasegawa et al. lần đầu tiên đoán lí thuyết về tổng hợp soliton
trong 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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
6

7. Giới thiệu
Sóng ánh sáng tác động lên phân tử
Sóng tới
Sóng phát ra
Năng lượng
tăng dần
Phân tử
làm phân tử chuyển động và phát ra 1
sóng khác giao thoa với sóng tới
Năng lượng
photon của ánh
sáng tới
Năng lượng photon
của ánh sáng phát
ra
Mức năng lượng phân tử
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
7

8. Giới thiệu
Cường độ ánh sáng mạnh hơn
Năng lượng
photon của AS tới
Năng lượng
photon của ánh
sáng tới
Năng lượ
ượng
tăng dần
ần
Kích thích phân tử ở trạng thái năng lượng cao hơn
Năng lượng
photon của ánh
sáng phát ra
Sóng tới
Sóng phát ra
Phân tử
Màu sắc mới!!!
Mức năng lượng phân tử
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
8

9. 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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
9

10. Giới thiệu
Trường điện E
Vật chất
Sự phân cực
Moment lưỡng cực p
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
10

11. 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)
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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
11

12. Giới thiệu
Quang học phi tuyến tính
Với cường độ ánh sáng mạnh, sự phân cực của môi trường phụ
thuộc vào cường độ E
Độ cảm điện
Sự trả lời
hay là
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
12

13. Giới thiệu
Sự 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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
13

14. Sự phân cực
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
14

15. Sự phân cực
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
15

16. Giới thiệu
Tính phân cực tĩnh
Số hạng
0
Ví dụ: nước ε(0) = 81
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
16

17. Giới thiệu
Tính phân cực quang học
Số hạng
Hệ số khúc xạ
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
17

18. Giới thiệu
Hiệu ứng Pockels (1883)
Số hạng
Hệ số khúc xạ n thay đổi tuyến
tính với cường độ điện trường
tĩnh E0
Ứng dụng: thiết bị điện quang (electro-optic devices), ngắt
mạch 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
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
18

19. Giới thiệu
Hiệu ứng Kerr (1877)
Số hạng
Hệ số khúc xạ n thay đổi tuyến tính
với bình phương cường độ điện
trường tĩnh E0
Xảy ra trong môi trường đẳng hướng
như: khí, chất lỏng, chất rắn
Ít được sử dụng hơn hiệu ứng Pockels vì phải định hướng bằng
điện thế rất mạnh
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
19

20. Giới thiệu
Sóng điều hòa bậc 2 (1961)
Số hạng
Gấp đôi tần số
Peter Franken et al. vào năm 1961 đã thu được sóng điều hòa bậc
2 (347,1 nm) trên nền thạch anh với hiệu suất là 10-4
Ứng dụng: chụp ảnh tế bào cơ, bề mặt vật thể…
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
20

21. Giới thiệu
Sóng điều hòa bậc 2 (1961)
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
21

22. 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…
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
22

23. Giới thiệu
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
23

24. Giới thiệu
Sóng điều hòa bậc 3 (1962)
Số hạng
Gấp ba tần số
Sóng điều hòa bậc 3
trên silic
Ứng dụng: kỉ thuật hiển vi phi tuyến, chụp ảnh 3D vật thể
trong suốt,…
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
24

25. Giới thiệu
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
25

26. Giới thiệu
Hiệu ứng Kerr quang học
Môi trường xảy ra
hiệu ứng Kerr
Số hạng
Thanh chắn
Đầu ra
Hệ số khúc xạ phụ
thuộc vào cường
độ sáng: n = n(I)
Tia sángvới I Không hội tụ Mất mát I
nhỏ
lớn
vì
Thời gian
Đầu ra
(n có dạng
)
Sự tự hội tụ?
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
Xung với I Hội tụ bởi
lớn
hiệu
ứng
Kerr
Mất mát I
nhỏ
Thời gian
26

27. Giới thiệu
Sự tự hội tụ (auto-focalisation)
Chùm tia “chuẩn trực” dưới dạng cường độ hình Gauss truyền trong môi
trường không tuyến tính sẽ xuất hiện hiệu ứng Kerr quang học
Chùm tia hội tụ nếu n2 > 0 (sự tự hội tụ)
-
Chùm tia phân kỳ nếu n2 < 0 (sự không hội tụ )
Môi trường không tuyến tính
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
27

28. 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 mở rộng thông số (parametric amplification)
Phi tuyến bậc 3
- Hiệu ứng Kerr
- Self and cross-phase modulation
- Four-wave mixing
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
28

29. Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
29

30. Hết chương 3
Chuyên đề Quang học
c
T. P. Ngô
30