chuyên đề quang học chương 3 mở đầu về quang học phi tuyến

TS. Ngô Thị Phương
Khoa Vật lí
Chuyên đề Quang học
Advanced 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
2
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. 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
3
Chuyên
ChuyênChuyên

Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
Giới thiệu
Phát minh ra laser
(cường độ ánh sáng mạnh, tính đơn sắc cao…)
1960
4
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
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 chất
đối
với
1
nguồn
sáng
mạnh
5
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
đối
với
1
nguồn
sáng
mạnh

Quang
điện 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  khởi
đầu cho Quang học phi tuyến
6
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
+ 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
Giới thiệu
Sóng tới
Sóng phát ra
Phân tử
Sóng ánh sáng tác động lên phân tử
7
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
 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
Năng lượng
tăng dần
Mức năng lượng phân tử
ượng
ần
Giới thiệu
Cường độ ánh sáng mạnh hơn
 Kích thích phân tử ở trạng thái năng lượng cao hơn
Sóng phát raSóng tới
Năng lượng
photon của ánh
sáng tới
Năng lượng
photon của AS tới
Năng lượng
photon của ánh
sáng phát ra
Năng
lượ
tăng
dần
Mức năng lượng phân tử
8
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang

Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
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
9
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
+ 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 cực
Trường điện E
10
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
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
2
π
nL/
λ
(n
là
chiết
suất
của
môi
trường
)
11
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c

T. P. Ngô
•
Sóng
phát
ra
chịu
1
độ
lệch
pha
là
2
π
nL/
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 tính

Với cường độ ánh sáng mạnh, sự phân cực của môi trường phụ
thuộc vào cường độ E
12
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
hay là
Độ cảm điện
Sự trả lời
Giới thiệu
Sự phân cực
13
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học

cc
c
T. P. Ngô
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
14
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
Sự phân cực
15
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang

Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
Giới thiệu
Tính phân cực tĩnh
Số hạng
0
16
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
Ví dụ: nước ε(0) = 81
Giới thiệu
Hệ
số
khúc
xạ
Số hạng

Tính phân cực quang học
17
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
Hệ
số
khúc
xạ
Giới thiệu
Hệ
số
khúc
xạ
n
thay
đổi
tuyến
Số hạng
Hiệu ứng Pockels (1883)
18

Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
Hệ
số
khúc
xạ
n
thay
đổi
tuyến
tính với cường độ điện trường
tĩnh E
0
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
Giới thiệu
Hệ
số

khúc
xạ
n
thay
đổi
tuyến
tính
Số hạng
Hiệu ứng Kerr (1877)
19
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
Hệ
số
khúc
xạ
n
thay
đổi
tuyến

tính
với bình phương cường độ điện
trường tĩnh E
0
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
Giới thiệu
Gấp
đôi
tần
số
Số hạng
Sóng điều hòa bậc 2 (1961)
20
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
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…
Giới thiệu
Sóng điều hòa bậc 2 (1961)
21
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
Giới thiệu
Thí nghiệm đầu tiên về hiện tượng quang phi tuyến
22
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang

Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
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
23
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
Giới thiệu
Số hạng
Sóng điều hòa bậc 3 (1962)
24
Chuyên
ChuyênChuyên

Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô
Sóng điều hòa bậc 3
trên silic
Gấp ba tần số
Ứng dụng: kỉ thuật hiển vi phi tuyến, chụp ảnh 3D vật thể
trong suốt,…
Giới thiệu
25
Chuyên
ChuyênChuyên
Chuyên đ
đđ
đề Quang
QuangQuang
Quang h
hh
học
cc
c
T. P. Ngô