Nghiên cứu hiệu ứng quang học phi tuyến phát hoà ba bậc hai trên vật liệu tinh thể ZnSe

A///1 til'll líìii dài:■I Nghiên cứu khá lũmg sứ dụng hiệu ứng quang phi tuyến phát tần sỏ tổng SFG và hòa ba bặc hai Si ICÌ như là một còng cụ quang phổ đế dò cấu trúc vật liệu, bề mật

ĐẠI H Ọ C Q U Ố C G I A H À N Ộ I

T R Ư Ờ N G ĐẠI H O C K H O A H Ọ C T ự N H I Ê N

Đ Ể T ẢI :

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG QUANG HỌC PHI TUYẾN

PHÁT HÒA BA BẬC HAI TRÊN VẬT LIỆU TINH THE ZnSe.

A///1 til'll líìii dài:

■I Nghiên cứu khá lũmg sứ dụng hiệu ứng quang phi tuyến phát tần sỏ tổng SFG và hòa ba bặc hai Si ICÌ như là một còng cụ quang phổ đế dò cấu trúc vật liệu, bề mật vật liệu và dao iliọn của các vật liệu quang diện tử

M ụ c ill'll trước m at:

t N ” 11 ic11 cứu lí tlmyei và thực nghiệm hiệu ứng SHG trên tinh thê ZnSe Cụ thê là:

- X â y dựng cư sớ lí [huyết cho việc ứng dụng hiệu ứng quang phi luyến SHG vào việc kháo sát cáu ll úc bé mật linh thể bán dẫn ZnSe và một số tinh thế bán dẫn khác cùng nlióm ilỏi xứng

-Kháo sái Ilụrc nghiệm một số thuộc tính CÍ1U SHG trên dơn tinh thể và đa tinh the ZnSc.+ Nglìiõn cứu tlurc nghiệm sir dụng hiệu ứng quang phi luyến SHG để nhân tần số laser, xay dựng thiết bị nhân tân số laser bàng các tinh thể phi tuyến cho pliòng thí nghiệm

2.Nội (lung nghiên cứu

-Nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm hiệu ứng quang phi iliuyến phát hòa ba bậc hai liên linli thể ZnSe.

- Kháo sát lính dối xứng quay cứa SHG phản xạ trẽn bề mặt đơn tinh thê ZnSe trong dó

-Nghiên cứu xây dựng một hệ nhân tần số laser bằng hiệu ứng quang phi tuyên SHG

-Kháo sát, xác clịnh vị trí định lurớng tối ưu của tinh thể phi tuyến đối với các bước sóng laser khác Iiliau Xây dựng dơừng cong mau cho lliiết bị dirợclắp dặt

-Thiel kc , 1 áp dãi một hệ tách bước sóng SHG bằng lăng kính Pellin-Broca

3.Các kết quà đạt điíực

+ T h u lliập cú c lùi liệu cậ p nhậ! vê k h á năiiíỊ ỨIIÍỊ dụ n g hiệu ứng q u a n g p h i tuyến SF G n h ư

là m ộ t c ô n I> I'll (Ịiicuii’ p h ô ho e d ê niỊlùên cửu bê m ật và d a o diện vật liệu.

Cìán dãy sự phát hòa ba bạc hai SHG và tàn số lổng SFG đả được phát hiện là một c ông cụ

đò sál be mặt liêt sức da năng với độ nhạy và dặc trưng bề mặt cao KT thuật này dựa trên nguyC'11 lí là trong gau đúng lưỡng cực điện, một quá trình quang học phi tuyến bậc hai kliòng (.lirực pliép trong môi irường có lâm đôi xứng nghịch dáo nhưng luôn dược phép

nê n đao diện vì ớ dó tính dối xứng bị phá vỡ Những nghiên cứu về khả nãng ứng dụng

này CÒI) rãI mỏ i m e và dòi hỏi các khảo sát khác nhau c ho từng trường hợp dôi tượng cụ

I XiÌY (lựiiii li tlmyỡì linh toán và khiítì sái SI I G p h ả n x ụ trên bê m ật d ơ n linh l h ể Z i i S t ả và linh llic lập phtù/iiíỊ kliõniỊ có d ô i xứiiíị tâm Hỏi clinnq Tínli dô i xứ ng q u a y c ủ a S H G p h ả n .\ụ Il l'll hì' null doll linh thè Z n S e d ã dự ưc k h á o sát trong dó có lính d ể n đ ó n [ị Ị>óp cù a cá

Ill'll )\ì Ị ù' m ăt

Kỹ Iluiãt kháo sát bc mặt bằng SFG cliìi yếu dựa vào ý tướng là mỏi trường bé mặt và nền nói chung có dối xứng cấu trúc khác nhau Đối với mõi trường có dối xứng nghịch dáo như lã kim loai hoặc Ge, Si đơn linh t hể , S11G và SFG bị cấm trong nén nhưng cho phép trcn bc mặt, khi dó Ún hiệu SHG và SFG hoàn toàn đặc trung cho bé mặt Đối với mối

3

trường klióng có dối xứng tâm ,tín hiệu SHG và SFG đến từ bề mặt có thể là dóng góp của

cá nền và bề mặt, nó chỉ được dùng để dò bề mặt khi đống góp của bề mặt là vượt trội lioặc lách biệt dược với dống góp cuả nền

Vật liệu bán dần ZnSe là tinh thể lập phương không dỏì xứng tâm Nhiều tính toán lí thuyết và thực nghiệm đã tiến hành như là xác định sự phụ thuộc góc tới của SHG từ nền (lối với các tổ hợp khác nhau của góc phương vị và hướng phân cực, nghiên cứu các tổ hợp các tính phân cực có thể của tia tới và ánh sáng SHG và các phương vị tinh thể mà ở

dó chi có (.king góp của bề mặt, tính toán sự phụ thuộc vào góc quay cùa cường dộ SIICi

hồ mãl (lối với các hể mặĩ chí số thấp (0 0 1), (1 1 0), (1 1 1) ,

Kéi (ịtiá kháo sát lí thuyết dối với mặt (001) cíia linh thế Zn.Se cho lliA'y đối với 3 cấu hình(1VI ’ ) (S,„-P ) (P,„-s, ) phân bố cường độ SH có dạng đỏi xứng C4v trong khi đối với

o m hình ( vSM1-S,,ul ) tín hiệu SI 1C3 là không có

Trong trường hợp cấu hình (P„,-I5,ul ) tại các góc 0,90,180 và 270“ SHG đăc trưng bề mặt là rãi nhỏ Tuy nhiên sự khác nhau về cường dộ giữa các pic mạnh và yếu là lõ rệt

I- Atic lập s ự p hụ thuộc CÍUỈ cường dộ SHG vào sự clịiih liưứiiỵ ỵiữư vectơ diện trường tia laser tới và (lịnh hướng cùa linh thể.

Tinh the bán (lẫn ZnSc thuộc nhóm điểm 43m, có khả năng pliál SIIG nhưng kliông có pliìi hợp pha chính xác vì không phái lưỡng chiết và tán sắc bình ihường Tuy nhiên sự khác nhau về chiết suất giữa tia cơ bản và tia SH là nhỏ nên dộ dài kết hợp dú lớn để phát

NI Ki Mặc dù vậy, SIIG trong dơn tinh thế vẫn phụ thuộc rõ lột vào sự dinh hướng cùa điện trường tia cơ bản với sự dịnh hướng của tinh thể Điẽù này dã dược khảo sát ,thông qua dó xác định được sự định hướng của linh thế để có được cường độ SHG tôí ưu

+PI 1 Ú 1 hiện và nghiên cứu dưa 1 ( 1 giải rlìíclì hiện tượng phát SH dưới dạng clot pattern và riiiịi p a te n t từ da linh tltể ZnSe khi s ử dung laser xung fe m to giây N hững ph á t liiện này

m ớ I II klui lũniỊi phàn biệt các linh th ể xuất sứ khác nhan, cho thêm lliỏiiịỊ tin về cấu trúc linh llié và cân pliái dược chít ý khi làm việc với laser Aitng cực ngắn.

Trong số các vật liệu bán dan có cấu trúc pha trộn kẽm, tinh thể ZnSe có độ nhạy quang học phi luyến cao Khi chiếu chùm laze xung 100-130ÍS qua mẫu đa tinh thể ZnSe chúng lôi dã phái hiện một số biếu hiện khác thường đối với hiệu ứng phát hoà ba bậc hai và tẩn

sỏ lổng Chùm hoà ba bạc hai hoặc tần số tổng được phát ra dưới dạng các d o m sáng phân tán ( dots pattern) có vẻ ngoài giống như các dốm sáng Laue trong nhiễu xạ tia X Ngoài

111 à vị trí clịnli hướng xác định cúa màu đa tinh thê’ ZnSe, lín hiệu hoà ba bạc hai(SH) và

um so (ỏng(Sh) còn phái ra dưới dạng vòng tròn Các thí nghiệm dã được tiên hành để tim hiếu hiện tượng trên Chúng tỏi dã phát hiện và khảo sát sự tán sắc, trạng thái phân cực và

sự mớ rộng phố do hiệu ứng tự điều biến pha (self-phase modulation) của các đố m sáng

SU Việc liến hành thí nghiệm trên các mẫu đa tinh thê ZnSe có xuât xứ chẽ lạo khác nhau cho thấy mỗi mẫu có một “do! patttern”dặc trưng riêng

Nhũng tìm liiéu lí thuyết kẽì hợp với khảo sát thực nghiệm (lã cho plicp c húng tòi tlưa ra một cách giái thích hiộn tượng này

t- X(IỴ (lựiiiỊ MỘI hệ Iiliàn lần sò laser bang hiệu ứng quang phi tuyến SIIG

Một trong các yêu cầu để có thể tãng cường khả nãng ứng dụng laser trong thực licn là ill.IV dổi bước sóng chùm laser Sử dụng hiện ứng phái hòa ha bậc hai SIICi là một trong các phương pháp khác nhau đế biến dối bước sóng laser Với mục đích đó chúng lỏi dã xây (.lựng mội hộ nhãn lán số Irén cư sứ linh thế KDP và ZnSe Những tinh thể này cần (lược clạl trẽn giá dỡ vi chính chính xác , có thể xoay dễ dàng để thay đổi định hướng của linh thế , cho cường độ SHG tối ưu Chùm laser tần số diều hưởng dược pliát ra từ

I I SCI màu có t h ế nhân dôi tần số bằng hệ nhân lần số laser này

+ l.ập dường cong xác illnh ỊỊÓC ilịuli hướng tối ưu của tinli thê’ tlieo bước sóng laser sử (lụiìiỊ

Với các bưức sóng (tàn sô') khác nhau góc phù hợp pha cùa liiệu ứng quang phi tuyốn là khác nhau Các thí nghiệm đã được tiến hành dể xác định góc dinh vị tối ưu của tinh thể KDP vói các bước sóng khác nhau phát la lừ mộl laser màu Đường cong lập được sẽ cho phép sử dung dể dàng và hiệu quá thiết bị nhân dối tần số

+ Xây tiựniỊ thiết bị (Ịiumỵ học pliân tách chùm laser cơ bàn và cliùm laser hòa ba bậc liai hằn ụ I iị ' líhii’ kinh 1’cllin-Drocíi.

I ia laser cơ bán tán sô co và tia laser SH tần sô 2co cùng di ra theo một phương Về nguyên tắc chi cán một lãng kính đế tách tia SH khỏi tia cơ bản , luy nhiên khi đó tia SH

sò di lệch khỏi plurong ban đầu Để thay đổi tần số (bước sóng) 1 aser sử dung mà không

bị tliay dổi phương dần đến thay đổi quang trục của hệ quang học đang nghiên cứu một

hộ lang kính Pellin-Broca đã dược xây dưng láp đặt

+01 hủi báo K ll (tửng trên lạp chí \'N U Jou rn a l o f Science M athem atics- P hysics V o l.19 ,N„4 I S (2003)

+01 I hio Clio kltthi học ílãiiỊỊ k í yến liội hịị I iị V ội lý C hất rắn toán quốc lần th ứ IV N úi C(H 1 /nil nụuycit 11-2003

5

4 Tình hình sir dụng kinh phí

Tổng kinh phí dược cấp : 10 triệu

-llỗ trợ dào lạo và NCK11 300 000 đ

-Chi Mghiẹp vụ chuyên môn: 6 ooơ 000 d

-I lọi imliị, hội iháo, cõng tác phí,

Đã nhận và lliông qua chứng từ dáy dủ với phòng lài vụ

T s Nguyễn T h ế Bình

Objective and matter of the study

Most of techniques applied to study surfaces or interfaces (e.g CARS, SRG, RF, I.II), PAS, PTDS ) suffer either insufficient surface sensitivity or difficulty to discriminate against bulk contribution to the signal In recent years Optical second Inimionic generation (S1IG) and sum frequency generation (SFG) have been proven to be extremely versatile as surface probe, with excellent surface sensitivity and specificity These techniques arc based on the principle that under electric dipole approximation a soconil order nonlinear oplical process is not allowed in a medium with inversion symmetry hut at surfaces or interfaces, the symmetry is broken and the second order processes are always allowed They have found many applications in various disciplines and opened up interesting new areas of research in surface science However in

c ompound semiconductors such as ZnSe ,GaAs a bulk contribution to SHG is present,

li is therefore necessary to establish a method by which the surface and bulk contributions can be separated so that surface SMC) can become a useful method for studying c ompound somicoiuluclors surfaces

7

Amo ng several semiconductors materials of zinc blend structure, ZnSe shows a high

nonlinear susceptibility and is chosen as typical material to study In the other hand, ZnSe

has many applications in practice ZnSe material is a wide band gap II-VI semiconductor

suitable for the development of blue diode lasers Polycrystalline ZnSe is also suited as

nonlinear elements for autocorrelation measurements on short infrared laser pulses

Our matter of study is summarised as follows:

+IYep;wing basic theory for photonic probes of surface and intersurface by SHG and SFCi

+lixpei'imenUil and theoretical studies oi'SHG ill ZnSe crystals:

- Studying theory of surface SHG in singlecrystalline ZnSe

Invc.ligiiling 111C dependence of SIICJ intensity an llic orientation of the input electric

licit! and the orientation of the crystal

-Investigating properties of SHG and SFG from polycrystalline ZnSe in femtosecond time

-Preparing basic theory to observe the suiface-reflcction S1IC) on the surface of

singlecryslalline ZnSe The rotation-angle dependence of the surface-reflection SHG from

s ingl ed yslalline ZnSe was studied The calculations showed a four-fold symmetry of

the surface SHG intensity distribution for 3 configurations (Pj„-Pl,ut) (Pin'S ,U|) (S,n- P m()

mciinwliile for (S,n-S,lul) the SH intensity is forbiden Il ’s a good agreement with

experimental results

- Dci cmi inmg (lie dependence of the SIIG intensity on the angle between electric field

;iikI crystal axis Wlicn llic input electric field propagated along the [110] direction and

ihe single crystalline ZnSe was rotated about this crystal axis, the SHG oulput showed

periodic variation of intensity For a polyciystalline ZnSe sample there is no influence of

the orientation of the electric field on the S1IG signal

- Investigating and giving an explanation for SIIG doi and ling patterns from

p ol y ay s la ll in e ZnSe ill femtosecond lime scale The second harmonic generation (SIIG)

and sum frequency generation (SFG) of polycrystalline ZnSe were studied in a

femtosecond lime scale Beside SHG and SFG dot patterns 111 polycrystalline ZnSe we

found SFG ring pattern and the optimal orientation of the ZnSe crystal to obtain SFG ring pallern We also discovered the dispersion and the spectral broadening of the SH dot paltcm by scll'-phase-moduliilion effect Studies of llie SH dots patterns of' several polycrystalline ZnSe samples showed a characteristic SH dot pattern for each sample.

- Designed and developed a laser frequency doubling system by SHG This device can be used lor tunable dye laser lo give u v tunable wavelengths For this purpose, we had studied to give llic wavelcngth-dcpcndcncc of the crystal orientation lor m ax i mu m SIIG intensity A wavelength separator consisting of Pellin -Broca prisms was also designed and developed to separate SHG signal from fundamental beam

Kcsultb ill cilucalion:

0 2 B.Sc students

01 M.Sc students (being in (he study )

Pub li ca ti ons :

1/Nguyeu The Binh VNU Journal of Science V o l 19, N 4, 1-8(2003)

2/Nguyen The Binh Proceeding of the 4th National Conference on Solid state Physics, Nui Coc.Thai nguyen, 11(2003) ( to be published)

9

MỤC LỤC

M ớ (làu ỉ ỉ

1 Dò b ế m ậ t và giao diện bằ n g S H G 15

2.Kli(i(> sát S H G p h ả n x ạ trên tin h t h e Z n S e 17

.ì.K liáo sát S IIG tru yến qua tin h t h e Z n S e 2 /

3 1 SI ICi trôn đơn linh thể ZnSe 21

3.2 SI IG trẽn da linh thể ZnSe 22

3.3 SI 1G bới xung femto giây trẽn tinh thể ZnSe 23

■4 X â y (lụng liệ Iiháti tấn s ố laser bằng h iệu ứ ng q u a n g p h i tu yế n S Ĩ I G 25

4 1 Kháo sát định hướng tối ưu cúa tinh thế với bước sóng laser khác n ha u 26

1.2 L;i|) ilạl hệ tách chùm lia bảng hệ lũng kính Pellin-Broca 27

5 K ết h u m 28

6 L ò i cám ư n 29

7.T ài liệu tliain k h ả o 29

8 P h ụ lụ c 30

- 01 Bài báo đảng trên tạp chí Journal of Science VNU V o l 19 N|, 4,

1-8 (2003)

-01 Bài báo cáo Hội nghị Vật liệu toàn quốc lần IV, núi Cốc Thái Nguyên

1 I -(2003)

MỞ ĐẦU

Sự tie’ll bộ của khoa liọc bề mặt vật liệu phụ thuộc chủ yếu vào khả năng xác định thuộc tính cúti bề mặl và giao diện Từ láu nhiều công cụ phân tích bể mặt đã được phát (l ien Iilur C ] u a i i g phổ học tán xạ , nhiẽu xạ diên tứ, quang diện, quang phổ kê Auger, khôi phổ k ẽ g ó p phán tìm hiểu sự hấp phụ và tái cấu tạo bề mặt Tuy nhiên những dụng cụ này tlmờng giới hạn với những thí nghiệm irong điều kiên chân không cao khác xa với 11lực le c á t | >hán ứ n g li oá l i ụ c d ơ ự c lli ực liiCn I i o n g Iiliuiiỵ d i é u k í c n 1 ÍU k l u í c n h a u

'l ừ kin có laze, kĩ thuậl quang phố học laze dã phát triển để dò sát bề mặt Ví dụ, lán

xạ Hainan kết liợp đổi Stock (coherent anti-stokes Raman scattering, CARS), tán xạ Raman cưỡng bức(slimulated Raman scattering gain , SRG) dùng đê till! phổ của các dơn lớp phân lú lon hoá nhiều pliolon (muitiphotcm ionization, Ml) và luiỳnh quang cộng hướng (resonant fluorescence, RF) đã đươc ứng dụng đế khảo sát sự tái phân bố năng lượng của phân tứ phún xạ và tán xạ từ hể mặt Phún xạ cam ứng laze (laser induced ilesorplion, LID) Cjuang phổ học quang âm(pliotoacoustic spectroscopy ,PAS), quang pliổ học quang nhiệt ( phoiothermal deflection spectroscopy, PTDS) cũng dã dược dùng <Jế nghiên cứu các chất hấp phụ và (rạng thái bề mặt Elippsominelry và quang phố học phán

xạ cũng dã được ứng dụng nghiên cứu bể mặt giao diện Tuy nhiên hầu hết các kĩ thuật này lioặc là không đú độ nhạy bề mặt hoặc khó khăn trong việc loại trừ dóng góp của nền (hulk) vào tín hiệu

Cìẩn dây, sự phát hoà ba quung học bậc hai (SHG) và phát tần số tổng (SFG) đã tỏ ra là một cõng cụ dò sát bể mặt hết sức đa năng với độ nhạy và đặc tiưng bề mặt cao Những kĩ Ilniậl này dựa trên nguyên lí là Irong gần đúng lưỡng cực điện, một quá trình quang học phi luyến bậc hai kliôtìg dược phép trong mỏi trường có đối xứng nghịch dào nhưng luôn (lược pliép (IVI1 hề mặt hoặc giao diện vì ở dó tính dối xứng hị phá vỡ

Phán xạ quang học phi tuyến từ bề mật lần đầu liên dưực nghiên cứu lí ihuyếl bỏi Bloembcrgen từ 1962 Lí thuyết và quan sát tliực nghiệm lioà ba bậc hai do phản xạ từ các mõi Irường băt đắng hướng và vật liệu có dối xứng tâm dã sớm được còng bổ từ những năm 70 Mặc tlù vậy khả năng ứng dụng của SHG đế dò sát bề mặt ít được chú ý Một bước ngoặt quail trọng dó là khi tìm hiểu cơ c h ế vật lí cho quá trình tán xạ Ra ma n lăng

1 1

Lường bé mặt (surface-enhanced Raman scattering, SF.RS)[M.Moskovits,J Chem.Phys 73,3023,(1980)1 người ta đã nhận ra rằng hiệu ứng trường cục bộ tăng cường bề mặt có the làm cho SBRS cũng như SHG bề mặt có độ nhạy dò dưới đơn lớp Ị C.K Chen, Pliys.Rev.Lett 46,1983] Những phát hiện sau này đã kêt luận SHG từ một đơn lớp bề mặt trẽn hầu liêì tất cả các bề mặt và giao diện hoàn toàn có thể dò dược thậm chí không cần làng cường trường cục bộ Từ dó SIIG trớ thành còng cụ nghiên cứu bề mặt Với sự dóng góp cũ a laze diều Inrớng bước sóng, SHG dược phát triển thành một cóng cụ quang phổ học bỏ mặt, chẳng hạn có thổ dò dược cấu trúc diện lứ của một dơn lớp chất màu Klintluniin 6G liên d ế thạch anh Nhược diểin chính của SHG thể hiện khi cần tìm hiểu dạc II ưng phan tứ Đè dò các phân tứ hấp phụ trẽn bé mật cán khảo sát SHG ớ vùng hổng ngoại trong khi khổng có nhân quang điện dộ nhạy cao t rong vùng hồng ngoại.

Hạn che này dược khác phục băng cách dùng hiệu ứng SFG vùng hồng ngoại- nhìn ihíiy ( IVSI U- infrared-visible sum-lrequency generalion) IVSFG là một quá trình quang học phi tuyến bạc hai Irong đó hai tia laze tới , một có tần số hổng ngoại (0, , một có tần số nhìn Iliãy Ci)j, lifting lác với nhau và phát ra một tín hiệu có tàn số tổng co =0), +(02 trong vùng phố nhìn tháy Giỏng như SHG, IVSFG có độ nhạy dưới đơn lớp và có đặc thù bề mạl cao Tín hiệu SI G lừ bé mật giao diện sẽ dược tăng cường cộng hướng nếu (1), tiến gần tới một dịch chuyến duo động phân tử trên bề mặt hoặc giao diện Nh ờ laze hồng ngoai tán số diều hưởng, kĩ thuật này là lí tưởng đối với quang phổ học dao động bề mặt Thí nghiệm chứng minh đáu tiên được thực hiện năm 1987 bới X.D Zhu, Y.R Shen khi thu phổ đao dòng của dơn lớp phân tử chất màu trẽn bể mặt tliuỷ tinh Cường độ cộng hướng sẽ dược tăng cường hơn nữa bàng cộng hướng điện tử khi tần số laze nhìn thấy 0>2 gan với một dịch chuyến điện tứ tiên bề mặt giao diện ( DR VISFG- doubly resonant SFG) 13ill'll lliiẽn cưừng dô cúa DR VISFG llieo tán số là một hàm tương tự như proíile phổ Riiman của phân lử, một công cụ khảo sát hiệu quả mặt thế năng của trạng thái điện

lử phàn tứ SFCi dã được ứng dụng thành công để nghiên cứu các cấu trúc dao động bề nựil và dỏng hoc trên các bề mặt giao diện khác nhau Là một quá trình phi t uyến bâc hai Sl-Xì rát nhạy với tlịnli hướng cực ti ung bình của của các nguyên tử hoặc phân tử trẽn giao diện Là một quá trình quang học kết hợp , tín hiệu SFG lối ra có định hướng cao và do

dó có thê do từ xa , lức thời ( in situ) trong những mõi trường không thể đến gần Nó có thế áp dụng đối với hầu hết các giao diện, đặc biệt cả những giao diện bị lấp khôn" thể liếp cíỊii băng các cồng cụ phân tích bề mât [hỏng thường dựa trên tán xạ của các hạt có

khối lưựng Ngoài ra nhờ xung laze cưc ngắn, SFG cho phép nghiên cứu động học bề mật

và các phán ứng với phân giải thời gian dưới pico giây, độ nhạy phân từ cực ki cao

Từ tính toán lý thuyết sơ bộ có thể đánh gia được cường độ tín hiệu SFG bể mặt cũng nlur xác định (lirợc loại laze thích hợp cần sử dụng Ví clụ xéi 1 rường liựp cường tlộ hai tiu tới 1, ~ I2 ~ 10J W / c m2 , thời gian xung ~10pico giây, tiết diện tác dụng A ~ l i n m2 ( ứng với xung laze 100j.iJ và dòng 10mJ/ c m2 giả lliiết là lliấp hơn ngưỡng làm hỏng bé mặl) và với dộ nhạy phi tuyến bể mặt hiệu dụng - l O' 15 esu ( giá trị điển hình cho đơn lớp phim tứ) tính toán cho thây cuờng độ tín hiệu là l ũ ' plioton/ xung Với dộ ổn liệ do thấp hơn 0 1 pholon/ xung la có tỷ số tín hiệu trên ồn cao hơn 10fi

Trẽn hình 1 phác hoạ một sơ đổ bố trí thí nghiệm điển hình về IVSFG Hai tia laze tới gặp nhau liên bề mặt giao diện Với góc giữa hai tia nhỏ hơn 10" gần đúng có thể xem là can hình hai lia tới dồng trục Đo dồng thời cả tín hiệu SH và SF sẽ ]à hữu ích vì tín hiệu

SH nhay với cấu trúc điện tử bề mặt còn tín hiệu SF cho thông tin về các thuộc dao dộng

bề mặt Cá hai tín hiệu SG và SF lối ra đều có tính định hướng cao do sự phù hợp của các Ihành plum vcctơ sóng song song với bé mặt giao (liện Đế giảm nhiều nén (lo tán xạ hoặc huỳnh quang người la dùng lọc không gian Kính lọc giao thoa hoãc quang phổ kế được

sử dụng dè dò lọc lựa tín liiẽu lối ra và king cường lỷ số tín hiệu trên ồn

Mộl trong những mục tiêu của đề tài là tìm hiểu lý thuyêt , thu thập các số liệu tliực nghiệm , nghiên cứu các khả năng ứng dụng hiệu ứng quang phi tuyên phát tần số tổng SFG và hòa ba bác hai SHG sử dụng hiệu ứng SFG và SHG như là một công cụ quang phổ (iế dò cấu trúc vật liệu, bể mặt và dao diện của các vật liệu quang điện tử.

Vậi liệu dược chọn làm dối lượng nghiên cứu cụ thể là ZnSe

Nlũrng năm gán dãy người ta quan tâm nhiều đẽn hợp chất bán dẫn vùng cấm rộng II-VI

t h e biẹt \i\ / i i S c ill) thuộc lính diện phái quang của I1Ó trong laze iliocle phát ánh sáng Xitnl) blue-J!rcen.các tliiết bị này được chế tạo hằng cách nuôi ghép trên đ ế GaAs Việc iliay ihế Ga As bàng ZnSe có thể làm giám nồng dộ khuyết tạt vù làm tăng thời gian sông thiếl bị, cái thiện thuộc tính laze dựa trên cơ sờ ZnSe Các quan sát gần đây cho thấy diode laze ZnSe/ZnCdSe nuôi trẽn đ ế ZnSe có tốc độ tăng trưởng khuyết tật nhỏ hơn nliithi so với các lớp nuổi trẽn đ ế G a A s Điẻu quan trong là phải tạo ra được các đ ế ZnSe chái lương cao, có bề mặt trật tự xác định SHC chính là một công cụ thích hợp đế nghiên cứu ilối tượng này

Ngoài la SI Kỉ trên da linli thế ZnSe còn có nhiều đặc tính rất thích hợp cho phép đo tự lilting quail Umlocondutioii measurement) tlìmg liong các họ (lo xung laser cực ngắn (uulocon'dalor)

lỉiệu ứng SHG còn là một phương pháp thuận tiện dê’ biến dổi tẩn số bức xạ laser Để liếp càn dược với nhiều ứng dụng khác nhau các laser trong phòng thí nghiệm cần có nhiên hước sóng (tần số) thay dổi Trẽn cơ sớ những nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng quang phi luyến cluíng tỏi đặt ra một mục tiêu nữa là tiến hành thí nghiệm xây dựng một

họ nhãn tán số bức xạ laser hoàn chỉnh có lliể sir dụng dế nhân tần số trong vùng khả kiến

và hổng ngoại đi kèm với các laser màu và laser hồng ngoại hiện nay

Tàt cá những lìm hiếu, khảo sát lí lliuyết và thực nghiệm này là cơ sớ để m ò ra một hướng nghiên cứu lâu dài : dó !à nghiên cứu các khả năng ứng dụng hiệu ứng quang phi luyến SIICì và SFG như một công cụ quang phổ học

x' 1 la lcnxơ do cám phi tuyến bậc hai Đó là một tenxư bậc ba gồm 27 yếu tố.

| J o cáu v u t l i / đ ọ c ù m phi lu y e n I,(ỉ vù diộii Irưừng E rol , E ul2 <JỒU lù v c c l o t ư c n é n từ ị).l ( 1)

suy ra = 0 trong trường hợp môi trường có đối xứng tâm

Nếu ta kháo sát hề mặt của một môi trường có đối xứng tâm hoặc giao diện giữa hai mối trường đối xứng tâm thì sẽ lổn tại một lớp mỏng mà ở đó tính đối xứng nghich đào bị phá

vỡ Mặc dù độ dày của vùng này phụ thuộc vào bản chất của vật liệu nhưng có thể dựilium nhiều nliất là vài dơn lớp phân tử nghĩa là vào cỡ 10 Ả Vì kkhoảng cách này nhỏ soVÓI bước sóng kháo sái ( 1 0 ’- I 0 4 Ă) nên ta có thổ mỏ hình hóa sự phát SIIG và SFG như liên limit 1

z

M õ i IrườiiịỊ 1e

M ó i I n í ừ n y 2

e 2

H ì n h 2: Sơ đổ SFCì bể mái

15

Trong sơ đồ này giao diện được xem là một lớp mỏng có tính phân cực phi tuyên bậc hai irượi tiêu trong mỏi trường bao quanh Đế đặc trưng cho hiệu ứng phi tuyên hề mặt người

ta ilưa ra dại lượng dộ cám phi tuyến bề mặt Xs'2) Itèn quan đến độ phân cực phi tuyên

l \ trẽn inột đơn vị diện tích tạo bới điện trường trên bề mặt khảo sát

Dáy là mõ hình 3 lóp trong <JÓ lớp có độ phân cực phi tuyến kẹp ở giữa với hằng số điện mói í:' liên giao (liện (z=0) Điện trường bơm có thể viết dưới dạng:

I'"" cxp i(k"" X) với k ‘"'là vcc lơ sóng cúa chùm tia bơm tán số (ủ, = COI , (1)2

I)ọ pluìn cực phi luyến cảm ứng trôn bé mặt cho bới công thức :

P(X.I) - p s (7.) fi(z) cxp i(kn „ X - fit) (2)Trong dó : k n , là vectơ sóng mò tà sự biển thiên trong không gian của độ phân cực phi tuyên (lên hề mặt ,

và (lộ lớn của veclơ dộ phân cực phi tuyến P sn tính theo độ cảm phi tuyến bể mặt là:

l ' s“ = x‘21 ( íì) K“ ' E “ 2 (4)Trong lọa độ Đê-cac có tliẽ viết :

(5)trong dó tổng dược lấy theo chi số lặp lại

Bức xạ phát ra bới quá trình phi tuyến này sẽ truyền cả vào môi trường 1 và 2 Hướng của sóng bức xạ sẽ phụ thuộc vào hai hệ thức Thứ nhất đó là hệ thức bảo toàn môirien (3) dối với các thành phân song song cúa vectơ sóng trên bé mặt TỊiứ hai là hộ thức tán sác đối với bức xạ phi tuyến truyển vào các môi trường l và 2:

I lệ thức này được xem là khái quát hóa của dịnh luật Snell Đỏi với trường hợp phát SHG với một chùm tia bơm tần số 03và góc tới U<J ta có:

(8)

Nếu bó qua tán sắc £(G))=£(2o)) thì ỡ 2 m = ỡ , u

Biếu tliức tín hiệu SFG có thể nhận được bằng cách giải phương trình Maxwell đối với lliànli phần pliân cực phi tuyến (2) Kết qua cường (Jộ tín hiệu SPíỉ ỏ láu số Í2 là :

e u e" ' là các veciơ phân cực đã hị chuyến đổi ở giao diện

Đối với các vạt liệu có dối xứng tâm SFG của nén là bị cám trong gần đúng lưỡng cực iliụn Iicn L Ó ihé b ỏ lỊtia

2 KI) ao sát lính đối xứng quay của SHG phản xạ trên bề mặt đơn tinh

Bài toán sẽ trớ nên phức tạp hơn nhiều trong trường hợp mỏi trường nền (bulk) không có dối xứng tâm và sẽ đóng góp SHG vào tín hiệu lối ra bên cạnh SHG của bể mặt Người ta

dà nghiên cứu nhiều biện pháp khác nhau đổ phân tách hai thành phẩn này sao cho SHG

bé mặt vẫn có thể là công cụ để dò bề mặt Chang và Bloembergen []] đã thào ra sự phụ (11IIộc vào góc tới của thành phần SHG nển đối với các tổ hợp khác nhau của góc phương

vị và lính plúm cục Slehlin và các cộng sự[2] đã nghiên cứu các tổ hợp khả dĩ cùa tính phàn cực của ánh sáng tới và SH với các định vị của tinh thể sao cho chỉ quan sát thấy SHG bổ mặt dối với một số bề mặt chỉ số thấp (001), (110) và (11 l) Sipe,Moss và Van Diicl [3] dã phát tiiến một lí thuyết về sự phụ thuộc vào góc quay của cường độ SHG bề mặt từ các tinh thể lập phương có đối xứng tâm Chikashi Yamada và T Kimura[4] đã đưa

la lí thuyết tính toán SHCi bề mặt cho tinh thể lập phương khống đối xứng tâm , có độ cám phi luyến bậc hai khá lớn là Ga As Sử dụng lí thuyết này chúng tôi dã khảo sát sự phụlluioc vào góc quay cúa cường tlộ S1IG bổ mặt lừ tinh tlic ZiiSc (lliuộc nhóm diếm 4 3m)

Mội tập hợp các vec tơ đơn vị (s,k,z) cho chùm sáng tới được xác định như sau:

s, k nám Irên mặi linh ihể, tưưng ứng vuông góc và song song với mặt pháng tới và z =z’

C " v > = E £ ; r £ W ’- £ r (11)

Trong đó i,l,m chạy qua s,k và 7

Các thành phần diện trường của tia cơ bản đến mỏi trường được phân thành các thành phẩn phân cực loại s và p.:

Es = E0 , ,ts , Ek = f, E0 ,, tp , E, = f, Eo p tp ( 12)

ứ đíiy ls và t là các l)ệ số Frcsnel ; fc và fs dưực xác dịnh sao cho nếu chiết suất n

là Iluíc thì fc và |'s đơn giản là cosin và sin của góc khúc xạ

Tương tự trường hòa ba bậc hai phát ra hời độ phân cực phi tuyến (11) cũng được phản làm các thành phần phân cực loại s và p:

E \u,) = A Q L ơ P m

E ự uì = [F(/Ị(2w1 - F j f lú)\ (13)

ở dây Q=2ci) /c là dộ [ớn vec (ơ sóng của ánh sáng SH (trong không gian tự do).

L.„ = ( W + 2 w) 1 là độ dài phù hợp pha hiệu dụng với w và w là thành phần-z của các vcc tơ sóng ánh sáng S I I và cơ bàn nrơng ứng Các hệ số A„ v à A p dộc lâp với góc quay Iilurng phụ thuộc vào góc tới và tần số thông qua chiết suất

2.2 Thành phần SHG bề mạt

Dôi với các bề mặt có một tính đối xứng nào đó thì chỉ còn vài yếu tố ten xơ là khác kliong Nói cluing các trục dôi xứng không Irùng với các trục chính cúa tinh thể Đối với mặt (OOI) có hai mặl phang đối xứng gương vuông góc với nhau nằm llieo các hướng lệch 45" với Irục x[ 100] và y [010] Gọi giao tuyến cúa các mặt pliáng này với bé mặt linh the

là ị và 1| Trong lọa dộ (4, TỊ, z) theo (5) ta có độ phân cực phi tuyến bề mặt là

l V = X ' ỉW 2 t l>).En “ E I,# (14)Thành phán diện lnrờiig SI ỉ phái ra bới tlộ phan cực pin tuyến này cũng được phan thành các thành phần loại s và p:

Với i:(2(0) là hằng số' diện mõi đối với tần số 2(0

Kết quá kháo sát lí thuyết đối với mặt (001) của tinh thể ZnSe cho thấy phân bố cường độ

SI ICÌ với đóng góp chỉ của nền có dạng như trên hình 4a

Đối vói 3 cấu hình (P,„-P„U| ) (Sin-P„ul ) (Pin-S„u, ) phân bố cuờng độ SH có dạng đối xứng

Cj, trong khi dối với cấu liình ( S,n-S,,ul ) tín hiệu SHG là không có

Nếu tính đến clộ cảm phi tuyến bề mặt cho trường hợp yếu tố ten xơ bề mặt x <2)s ^ =-0 04 thì phân hố cường độ SH có dạng như trên hình 4b Trong trường hơp cấu hình (p -P_ ) khi dó lại các góc 0,90,180 và 270" SHG đặc trưng bể mặt là rất nhỏ Tuy nhiên sự khác nhau vé cường (lộ giữa các pic mạnh VÌ1 yếu là rõ rệt

19

3 Kháo sát một sỏ thuộc tính của SHG trong tinh thể ZnSe

3.1 SHG trên đơn tinh thể ZnSe

Nlut dã phân tích ở trẽn , độ phân cực phi tuyến gây nên SHG được xác định bời tenxơ ílộ cám phi luyến và dược viết dưới dạng:

Với x % k “ ■ Các yếu tố ten xơ d 1Jk được gọi là hệ số độ cảm phi tuyến bậc hai hay

là hệ số SHG

Vi trong biếu thứcC 16) I£j“ E k“ = E Jk“ E j “ nên các hệ số này tuân theo h ệ thức đối xứng:

d 1Jk Dicu này làm giùm sò yc’u lở' độc lập trong ten xơ SIIG từ 27 yếu tó xuống còn

18 và cho phép kí hiệu vắn tắt như sau:

d' 1Jk =djm Với m = 1 2 3 4 5 6

Dạng của len xơ SHG và đặc biệt là số yếu lố độc lập d ịm không trượt tiêu phụ thuộc vào nhóm điếm đói xứng cùa tinh thể Vì là một ten xơ cực ,bặc lẻ nên ten xơ SHG trượt tiêutrong linh lliế cỏ dôi xứng tâm Tinh thể ZnSe lliuộc nhóm điếm đối xứng 4 3m nên dânđốn các yếu tỏ không trượt tiêu là: d M - d25 = d36

Cìiái phương ni nh Maxwell cho môi trường phi tuyến ta dược biểu thức m m ô tá sự phái hòa ba bậc hai Cống suất SHU cị)(2o)) cho bới tia cơ bán cổng suất <ị>((ứ) trên dộ dày L của dơn linh thế phi tuyến không hấp thụ là:

<t>(2(0)= 2 { i 'l2c'0 2{ct)2[cIimỴ / ( [ / ĩ " ] V w) } x L ì s in ì (A k L /2 Ịệ { ũ ))] 2 / A (18)

A là liõì điện chùm lia cơ bán Do tán sắc trong môi irường liên nói c hung ầ k í 0

Phương trình (18) chỉ ra rằng công suất SHG biến thiên tuần hoàn theo độ dài L SHG phát ra Irên mặt Z1 sau khi truyền dến một mặt nào đó ví dụ Z2, sẽ không cùng pha với

SI Kì phát ra trên mặt Z2 Điểu này dẫn đến giao thoa và dược mô tả bời hệ thức:

Độ dài kết hợp là kích thước dộ dài tinh thể cực đại gây nên SHG.

Trường hợp Ak =0 được gọi là có sự phù hợp pha chính xác (exact phase mattching) Điểunày (lược tlnrc liiện nếu môi trường có n(co) = n (2 o) .Khi đó cường độ SHG tí lệ với L2.Dó’ có sự phù hạp pha môi trường phải là lưỡng chiết hoặc có tán sắc dị thường

Tinh thế bán dẫn ZnSe thuộc nhóm điểm 43m, không đối xứng tâm nên có khả năng phát

SI Ki Iilurng không có phù liựp pha cliíuh xác vì không phái lưỡng chiết và tán sắc bình thường Tuy Iihiẽn sự khác nhau về chiết suất giữa tia cơ bản và tia SH là nhỏ nên độ dài kel hợp clú lớn dế phái SHG Các nghiên cứu [6] cho thây ZnSe có các thông số sau:

clu [ \0 -'2v - 'm \ «10.6,» A»

Mặc dù không có phù hợp pha chính xác nhưng SHG trong đơn tinh thể phụ thuộc nhiều vào sự định hướng của điện trường tia cơ bản với sự định hướng của tinh thể Cần phủi klúio sát xác dị nil sự định hướng của tinh thể để có dược SHG tỏí ưu

Khi cho tia laser truyén dọc theo hướng [110J của đơn tinh thể ZnSe và xoay tinh thể quanh irục này, cường dộ SHG thay đổi rõ rệt Kết quá trên hình 5a dược thưc hiện với laser C 02 bước sóng 10,6|jm , xung 100ns, năng lượng xung 300mJ, tinh thế ZnSe độ dày 3mm Cường độ SHG biến thiên tuần hoàn khi xoay tinh thể quanh trục là phương truyến cùa tia lới

3.2 SH(Ỉ trên đa tinh thè ZnSe

Vặi liệu đa tinh thể được cấu tạo bời vô -Số các hạt dơn tinh thể nhỏ Sự định hướng của các dơn tinh thể này là ngầu nhiên trong đa tinh thể v ể nguyên tắc để xác định SHG trung bình phát ra từ các vi dơn tinh thể này ta phải xét đến sự định hướng của c húng đối với diện trường của tia cơ bản và định hướng của các hạt đơn tinh thể với nhau

Đa linh thế ZnSe c h ế tao bang phương pháp CVD, gổin nlũrng hạt đơn linh thể nhỏ kích ihtróc gần hằng nhau vào cỡ 50-70 |.im [7], Kích thước này là nhò hơn độ dài kết hơp 1

Du đó sự đóng góp của chúng vào SHG trong đa tinh thế chi còn phụ thuộc vào sư định Inrớng của cluing Do sự định hướng này là ngẫu nhiên nên khi xoay da tinh thể quanh trục là phương truyền cúa tia laser tới , cường độ SHG hầu như không dổi và có dạng như liên hình 5b Việc cường độ SIIG hầu như không phụ thuộc định hướng cùa tinh thể làm

cho da linh the ZnSe trở thành một vật liệu phi tuyến thích hợp cho plicp đo tự lương quan Irong autocorrelalor và <Jễ dàng thiết kế dể nhàn tần số bằng SHG khi cẩn thiết.

Cương độ tương đối

' P T tl , D.Ttl

H ì n h 5 : Sự p h u t h u ộ c c ù a c ư ờ n g d ô S I I G v à o g ó c g i ữ a d i ê n t r ư ờ n g tia c ơ b ả n và d ị n h h ư ớ n g

c ủ a l inh i hế i r o n g c á c t n r ờ n g h ự p : a - Đ ơ n t i nh I hể Z n S e b - Đ a t inh t hể Z n S e

3.3 SH(Ỉ tạo bời xung femto giây trên tinh thể ZnSe.

Trong số các vật liệu bán dẫn có cấu trúc pha trộn kẽm, tinh thể ZnSe có độ nhạy quang học phi luyến cao Khi chiếu chùm laze xung 100-130fs qua mẫu đa tinh thể ZnSe cluing (ỏi dã phát hiện inộl sổ hiểu hiện khác Ihường dối với hiệu ứng phát lioà ba bậc hai

và lẩn số lổng Chùm lioà ba bậc hai hoặc tần số tổng được phát ra dưới dạng các đốm sáng phân tán ( dots pattern) có vẻ ngoài giông như các đốm sáng Laue trong nhiễu xạ tia X Ngoài ra ớ vị trí (lịnh lurớng xác dinh của mẫu đa tinh thể 7,nSe, tín hiệu hoà ba bậc hai (SI I) và lần số tống (SF) còn phát ra dưới dạng vòng tròn Các thí nghiệm đã được tiến liànli dô tìm hiếu hiện lượng trên Chúng tôi dã phát hiện và kháo sát sự tán sắc, trạng thái pliiìn cực và sự mớ l ộng phổ do hiệu ứng tự diều biến pha (self-phase modulation) của các tlốin sáng Sl 1 Viỗc tiến hành thí nghiêm liên các mãu đa tinh thể ZnSe có xuất xứ ch ế tạo khác nhau cho thấy mỗi mẩu có một “dot paltterrTđặc trưng riêng

23

Hiệu ứng phát hòa ba bậc hai và tần số tổng trên đơn linh thể ZnSe với các xung laser Iiano giây và pico giây dã dược nghiên cứu và công b ố khá nhiều Tuy nhiên ,những cõng bô" ve hiệu ứng này trên da tinh ihc ZnSe với xung laser fcmio giây còn ít Hiện lương S K ì và SHG phát ra dưới dạng các đ ốm sáng phân tán ( dot pattern đã được chúng lỏi cong bố |8] nhưng chưa có dược giải thích đầy dii Sau dó chúng tôi đã liến hành nhiều llií nghiệm nhăm lìm hiếu ,giải thích hiên tượng này Khi sử dụng hai tia cơ bản không tlóng Irục và thay dổi định lnrớng của mầu da tinh thẻ ZnSe chúng tòi dã phái hiện thêm

sự pluíl lần sò tống SFG dưới dạng tlường Iròn ( ring pattern) bên cạnh dot pattern ( hình

6) Sự pliál hòa ba bậc hai dưới dạng vòng tròn dã dược biết dến và giải thích rõ đối với hilling linh ilió lưóng cliicl ilơii liục Iiliu các (inli tlic quang liục plú luyến A D I \ KDI*.IÌBO.Ị9] Trong khi dó, dơn tinh thê ZnSe Ihuộc nhóm điếm 4 3m, không phải lưỡng chiết, khống có sự plùi hợp pha dầy dú cho hiệu ứng quang phi tuyến phát hòa ba bậc hai Hơn thê' , những vòng tròn SFG này lại quan sát được trên đa tinh thể ZnSe Để tìm hiểu rõ hơn, chúng tỏi dã thay mẩu đa tinh thể hằng mẫu dơn tinh thể ZnSe và chỉ khảo sát sự pliál [lòa ba bậc hai SI1G Kết quá rất lluì vị là ớ một vị Irí dị nil hướng Ihícli hợp của dơn (inh thú / n S c [ I I I ) dã xuất hiện vòng tròn hòa ba bậc hai (SHG ling pattern)

Vị III ilịnh htrớng lối ưu của linli tliê nhận ílirợc ứng với góc quay 15" quanh trục lỉiáng tiling so với vị Irí ban đầu cliiếu tỉa laser vuông góc với bề mặt tinh thể

f

h

■ ' • :.v X

H ìn h (>:

ti- SI Ki íhrỡi ilíiniỉ cúc cluím iihiiỊ plìủtì lún

l>-\ 'ònỵ li on SI G (5t>Vnin) bén c a n h cúc clníin siuiịỊ S l t i Ịiliãi ru lừ (lu linh i l ic Z n S e

('■ 1 'íi/iíỊ tròn S H G ( 6 1 8 n m ) p h á t 1(1 lừ (lon tinli rhẽ ZnSe