chuyên đề quang học chương 4 những khái niệm cơ bản về qhpt

Ngô Thị Phương Khoa Vật lí Chuyên đê Quang hoc Advanced Optics... „ Quang phi tuyên cho phép chúng ta: + thay đổi màu sắc của ánh sáng + thay đồi hình dạng trong không gian và thời gi

TS Ngô Thị Phương

Khoa Vật lí

Chuyên đê Quang hoc Advanced Optics

[1] Giáo trình quang học, Nguyễn Trân Trác — Diệp Ngọc Anh

[2] Bài tập quang học tập 2

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

[3] Hiệu ứng quang học phi tuyên, Trần Tuân — Lê Văn Hiệu

[4] Quang phi tuyên, Trần Tuan

[5] Nonlinear optics, W Boyd, 3'3 edition

[6,7 ] Tài liệu khác

T P Ngo

Chương 4: Những khái niệm cơ bản về QHPT

4.1 Mẫu dao động điện tử phi tuyên 4.2 Độ phân cực phi tuyên

4.3 Phương trình sóng trong môi trường phi tuyên 4.4 Phát sóng điều hòa bậc 2 - ứng dụng

4.5 Điêu kiện đông bộ không gian 4.6 Sóng điêu hòa bậc 2 với chùm Gauss

„ Quang phi tuyên cho phép chúng ta:

+ thay đổi màu sắc của ánh sáng

+ thay đồi hình dạng trong không gian và thời gian

+ anh sang co thé thay đồi tân số, chuyên từ đỏ sang xanh, khi truyền qua môi

trường phi tuyên

+ hai chùm sáng có thể tương tac với nhau trong cùng 1 môi trường vật chat

Chuyên đề Quang học

1 Ø® Ngô

Centrosymmetric media (inversion symmetric)

Thê năng cho dipole điện được việt lại:

parabola —_

`

actual potential

1) Môi trường có đôi xứng đảo

Giảsử E(/)=Hje ““+E„e “”+ec.c

E()—ÄE() x=Ax0)+ 42) x2) 26) v0)

Mỗi số hạng tỉ lệ voi A" can phải thỏa từng phương trình riêng lẻ

Hiệu ứng phi tuyên bậc 2 không thể xảy ra tronø

môi trường có đôi xứng đảo

1 Ø® Ngô

2) Môi trường không có đôi xứng đảo l/_—nzV(w

Noncentrosymmetric media (inversion anti-symmetric)

Thê năng của momen lưỡng cực điện:

2) Môi trường không có đôi xứng đảo

Giả sử: E()=Eje "““+E,e "“'+c.c

Môi trường không có đôi xứng đảo

Ví dụ: Nghiệm cho sóng điều hòa bậc 2 - SHG:

Second varmonie Generation - Sóng điêu hòa bậc 2

» \ , 0.@ —@.)= N (e3/m?)D _ mD Orgy y(g.)xyY(-@_) - I 1

7 j9) L(0)L(,)L(—,) N?e'^ C2Z (0,2 (8) OR

1 Ø® Ngô

Phương trình sóng trong môi trường phi tuyên

Môi trường không có từ tính M =0

x2) (—w — (U92; (], (2) Tổng tân sô

(2) (—ụu; Hiệu ứng điện-quang:

= DO phan cuc cua song 0: Pa (z,t)= P3e7 13! + C.C

Biéu dién khác: P3 = 4€odereE| E> @|

1 Ø® Ngô

Trường tác động đâu vào E, (¡ = 1,2)

E; (Z, t ) —— E;e 12! + C.C., trong do: E; — Aretfif

Độ phân cực phi tuyên được tính bởi:

Vì trường điện chỉ phụ thuộc vào chiêu z, nên có thế viết lại:

A\ Ave! (ky +k2—k3)zZ

—>

Áp dụng phép gần đúng cho biên độ biến đổi chậm

(slowly varying envelope approximation - SVEA)

d* A3 l4

dz? ` đã

E> dz — kac2 A A2e Coupled-amplitude equation

= Dieu kiện đồng pha hoàn hao:Ak = 0

= Bién độ của sóng tổng hợp tại đâu ra của môi trường phi tuyên:

ef AKL fh (ef AKL _ ) = — 1 —2ra(L~cosAkL)

Cường độ sáng phát ra của sóng tông hop w, phu thudc:

+ cường độ sáng của 2 sóng tới œ, và œ,

Chuyên đề Quang học

1 Ø® Ngô

20

Định luật bảo toàn cho photon trong quang phi tuyên

Cộng các tân số:

0, +, +6), —0, +0, =0)

nhan 2 về với h(bar)

of sig Tần sốAS ho, +ho, +n@,—no, +ho, = NO _,„ s _

Xã phát ra Thêm vào bảo toàn động lượng:

Điêu kiện đông bộ pha tương tự như

bảo toàn năng lượng và động lượng

P=e, YO E+ YOR +79 EF Foe intensity of the 2nd harmonic

E(t) « E, exp(ta@r) + HE eXp(_—I4) ——

“ Cường độ phát ra của sóng điều hòa bậc 2:

EO = — 1 [eae d° Eo + ¡2 SIH “(AK1/2)

= Chiéu dai lién két (coherence length):

xác định “chiều dài” tinh thể lớn nhất phù hợp cho việc tao ra SHG

(khoảng chia cách giữa đỉnh trung tâm và bậc 0 thứ 1 của hàm sinc)

decreasing peak signal with

Chùm tia SHG sáng hơn xảy ra sự đồng pha

3

Bảo toàn năng lượng: 6 in > Cc 2 out

Môi trường

phi tuyên

2 photon đỏ 1 photon xanh

2n(@) == n(2ø)-^2

n(2@) = n(o)

KHONG THE XAY RAI!!!

Do diéu kién tan sac anh sang

trong tinh thé thường

Vật liệu lưỡng chiết: vật liệu có 2 chiét suat tương ứng với 2

sự phân cực: đó là chiêt suât “thường” và “bât thường”

Sử dụng loại vật liệu này, ta có thé thỏa

mãn được điêu kiện đông pha

Tân số bước sóng lân lượt:

- Z0: phần cực thường

-@: phan cuc bat thường

n,(2@) = n,(@)

/7„ phù thuộc vào góc truyền sóng ợ Frequency

—> quay tinh thê lưỡng chiêt

> xác định chính xác điều kiện dé di chuyên lên xuống †

cách tương đôi với đường màu xanh

Ki hiéu tensor: dijk — 5 Xijk

° Độ phân cực phi tuyên:

Pi(@ + œm) =eg 3 3 24ijkEj(ạ) Ek(@mn)

Jk (nm)

¢ Song tong hop @,: w3 = @;, +2

sóng tổng hợp œ.: LÍz(3)_ đài dạy 33, da das dao _

Ey(@1)Ey(2)

Ey(@\ )Ez(@2) + Ez(@|)Ey(@2)

Ex (@)Ez(@2) + Ez(@|) Ex(@2)

Chuyén dé Quang hoc | Ex(@1)Ey(@2) + Ey(@1) Ex (@2)_

1 Ø® Ngô

Ap 1 dién thé vao tinh thê làm thay đồi chiêt suât môi trường và gây ra

Sự phát sóng tông hợp với chùm tia có tân sô băng 0

¬:e+> CựC xung lượng

Néu V = V,, phân cực xung

— lượng chuyên sang trạng

thái trực giao với ban đâu

Ỷ

, 2

Hiện tượng Pockels: sự tương tác quang phi tuyên lá )

Trong đó E2 -* E(œ) E(œ = 0)

TP Ngo

(°) P9) có thê tăng bằng cách giảm a,

cho tới khi Z, tro thành lớn đáng kê so với /

Ge- and P-doped

silica glass fiber

s„ đo định hướng của phân tử tại bê mặt lỏng

° nghiên cứu mặt phan cach ;

vd: Si trên chat cach điện

Kính hiễn vi quang phi tuyên

Ứng dụng: than kinh học, quang tử

sinh học, chụp ảnh vật liệu sinh học

Chuyên đề Quang học

1 Ø® Ngô

43

9 um, IR visualization SHG of CO, lasers, OPO with 3 - 12 um output SHG of CO and CO, lasers, DFM with output in 7 - 16 um CdSe

DFM with tunable output up to 25 um

IR visualization, DFM, OPO

DFM with output in 15 - 30 um

= Optical parametric oscillators — 3

= Optical computing i ES,

Ứng dụng của hiệu ứng phi tuyên

image restoration by phase

conjugation

+ Severely distorted laser beams can be corrected for distortions in passing through imperfect optics

¢ High power amplifiers often distort laser beams

— the distortions can be corrected by double passing the amplifier using a phase conjugate mirror

Distorting amplifier Phase conjugate

mirror

Chuyén dé Quang hoc

1 Ø® Ngô

Optical Parametric Oscillators

Converts the pump wave into two coherent light waves with longer wavelengths

¢ Applications: Light detection and ranging (LIDAR), High-resolution

spectroscopy, Medical research, Environmental monitoring, Display technology, and Precision frequency metrology

Optical Computing

¢ Optical Techniques can provide a number of ways of

extending the information processing capability of electronics

e Large quantities of data can be generated from different

resources and powerful computer is required to process them

¢ Just electronics are not enough for this and therefore OPTICS

can provide some solutions

¢ Digital Optical computer requires the use of

nonlinear optics

1 Ø® Ngô

Future Scope

¢ The field of Nonlinear Optics today has grown into a vast enterprise with a

considerable potential for technological applications

¢ The nonlinear optical (NLO) materials needed for optimized components ,

however, have not yet been realized

¢ New nonlinear optical materials and devices are in various stages of