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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HOC KHOA HỌC T ự NHIÊN
ĐỂ TẢI:
NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG QUANG HỌC PHI TUYẾN
PHÁT HÒA BA BẬC HAI TRÊN VẬT LIỆU TINH THE ZnSe.
MẢ SỐ: QT-03-06
CIIỦ TRÌ ĐỀ TÀI : TS. Nguyễn Thế Bình
CÁC CẢN DỒ TIIAM GIA: CN. Phạm Minh Hải
NCS. Hoàng Chí Hiếu
Hà nội 2004
Ũ Ĩ Í I Q L
1
BÁO CÁO TÓM TẮT
Đế tin :
NGH IÊN CỨU HIỆU ỨNG Q UA NG HỌC PHI TUYẾN
PHÁT H ÒA BA BẬC HAI TR ÊN VẬT LIỆU TIN H T HE ZnSe.
Mã số: QT-03-06
(1111 TRÌ ĐỂ TAI : TS. Nguyễn Thế Bình
CÁC CÁN BỎ TIIAM GIA: CN. Phạm Minh Mái
CN. Hoàng Chí Hiếu
1.Mục ticu clé tài:
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.
Mục ill'll trước mat:
t N” 11 ic11 cứu lí tlmyei và thực nghiệm hiệu ứng SHG trên tinh thê ZnSe. Cụ thê là:
- Xây 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
I Nội đung I:
-Cluián bị cơ sớ lí lliuvủì và llụrc nghiệm cho viộc nghiên cứu dò bề mặt và giao diện bằng
SI IG và SI-Xi.
-Thu Ihãp số liệu tổng quan về khả năng sử dụng hiệu ứng SHG và SFG như là mốt cỏn£;
L U qiiiing phổ hoc đẽ kháo dò bể mặt , dao diện vật liệu quang diện tử.
2
-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
có tính dến dóng góp của cả nén và bề mặt vật liệu
- Kháo sát sự phụ thuộc của cường độ SHG vào sự định hướng của điện trường ánh sáng
tới doi với các Irục cúa dơn linh thế ZnSe
- Kháo sát một số thuộc tính cùa SHG trên đa tinh thể ZnSe trong thang thời gian femto
giày.
4-Nội dung 2:
-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
+ Thu lliập cúc lùi liệu cập nhậ! vê khá năiiíỊ ỨIIÍỊ dụng hiệu ứng quang phi tuyến SFG như
là một cônI> I'll (Ịiicuii’ phô hoe dê niỊlùên cửu bê mật và dao diện vật liệu.
Cìán dãy sự phát hòa ba bạc hai SHG và tàn số lổng SFG đả được phát hiện là một công 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
nên đao diện vì ớ dó tính dối xứng bị phá vỡ. Những nghiên cứu về khả nãng ứng dụng

này CÒI) rãI mỏi me và dòi hỏi các khảo sát khác nhau cho từng trường hợp dôi tượng cụ
I XiÌY (lựiiii li tlmyỡì linh toán và khiítì sái SIIG phản xụ trên bê mật dơn linh lhểZiiStả và
linh llic lập phtù/iiíỊ kliõniỊ có dôi xứiiíị tâm Hỏi clinnq . Tínli dôi xứng quay của SHG phản
.\ụ Il l'll hì' null doll linh thè ZnSe dã dựưc kháo sát trong dó có lính dển đón [ị Ị>óp cùa cá
Ill'll )\ì Ị ù' măt
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 thể , 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 ), (110), (111) ,
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
om 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 sự phụ 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.
+PI1Ú1 hiện và nghiên cứu dưa 1(1 giải rlìíclì hiện tượng phát SH dưới dạng clot pattern và
riiiịi patent từ da linh tltể ZnSe khi sử dung laser xung fem to giây. Những phát liiện này
mớ I II klui lũniỊi phàn biệt các linh thể 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 dom 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
4
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 đốm 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 chúng 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.ISCI màu có th 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 Iiị' 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 Journal o f Science M athematics- Physics V ol.19
,N„4 I S (2003)
+01 Ihio Clio kltthi học ílãiiỊỊ kí yến liội hịịIiị Vội lý Chất rắn toán quốc lần thứ IV Núi
C(H 1 /nil nụuycit 11-2003
5
4. Tình hình sir dụng kinh phí
Tổng kinh phí dược cấp : 10 triệu
-Tién diện nước : 400 000 d
-Quán lí phí : 400 000 đ
-llỗ trợ dào lạo và NCK11 300 000 đ
-Time mướn : ] 000 OOOcì
-Chi Mghiẹp vụ chuyên môn: 6 ooơ 000 d
-I lọi imliị, hội iháo, cõng tác phí,

111 an bao cao 1 9UU uuo d
Đã nhận và lliông qua chứng từ dáy dủ với phòng lài vụ
XÁC NHẬN CỦA 13CN KIIOA
(Kí và ghi lõ họ lẽn)
pc ìs/rs Bạch Thành Cõng
XÁC N1ỈẬN CỦA Nil À TRUỜNG
CHỦ TRÌ ĐÊ TÀI
(Kí và ghi lõ họ lên)
T.s Nguyễn Thế Bình
6
BRIEF REPORT
Title : STUDY OF THE SECOND HARMONIC GENERATION
IN ZnSe CRYSTAL
Code : QT 03-06
Coordinator: Nguyen The Iỉinh
Kr\ implementors: Pham Minli Hai
Hoang Chi llieii
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
compound 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 compound
somicoiuluclors surfaces.
7
Among 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
scale.
+ Studying IO develop a laser frequency-doubling device by SHG for the laboratory.
Main results:
- Collecting update experimental and theoretical results on the field of surface probes by
Slid and SFG
-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
singled 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-Pm()
mciinwliile for (S,n-S,lul) the SH intensity is forbiden. Il ’s a good agreement with
experimental results.
- Dcicmiinmg (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
polyayslalline 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
8
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 maximum 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:
02 B.Sc students
01 M.Sc students (being in (he study )
Publications:
1/Nguyeu The Binh. VNU Journal of Science Vol.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 bế mật và giao diện bằng SH G

.
15
2.Kli(i(> sát SH G phản xạ trên tinh th e Z n S e 17
.ì.Kliáo sát SIIG truyến qua tinh th 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 Xây (lụng liệ Iiháti tấn s ố laser bằng hiệu ứng quang ph i tuyến SĨIG 25
4. 1 Kháo sát định hướng tối ưu cúa tinh thế với bước sóng laser khác nhau

26
1.2 L;i|) ilạl hệ tách chùm lia bảng hệ lũng kính Pellin-Broca 27
5. Kết h u m 28
6.Lòi cám ưn
.

29
7.Tài liệu tliain k h ả o 29
8.Phụ lục

.

30
-01 Bài báo đảng trên tạp chí Journal of Science VNU Vol.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)
10
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]uaiig phổ học tán xạ , nhiẽu xạ diên tứ, quang diện, quang phổ kê Auger, khôi
phổ kẽ góp 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 cát |>hán ứng lioá liục dơực lliực liiCn Iiong Iiliuiiỵ diéu kícn 1ÍU kluíc nhau.
'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 chế vật lí cho quá trình tán xạ Raman 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 6 G liên dế 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 trong 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. Nhờ 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 tuyến 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
12
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/cm2 , thời gian xung ~10pico giây, tiết diện tác dụng A~linm2 (
ứng với xung laze 100j.iJ và dòng 10mJ/ cm2 giả lliiết là lliấp hơn ngưỡng làm hỏng bé
mặl) và với dộ nhạy phi tuyến bể mặt hiệu dụng -lO' 15 esu ( giá trị điển hình cho đơn lớp
phim tứ) tính toán cho thây cuờng độ tín hiệu là lũ' 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.
Monochrommator
M

Polalizer
PMT
PMT
Sample
Ilình 1: Sơ đổ bò trí Ilií nghiệm
13
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
the biẹt \i\ /iiSc 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 đế 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 đế ZnSe có tốc độ tăng trưởng khuyết tật nhỏ hơn
nliithi so với các lớp nuổi trẽn đếGaAs . Điẻu quan trong là phải tạo ra được các đế 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 mò 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.
14
1. Dò be mặt và giao diện bàng SH(r
Hịệu ứng quang phi tuyến phát tần sô' tổng SFG được mô tả bời độ phân cực plii
luyến l,w .
Trong dó : Q=(I), + co,; Ii“' và E“ 2 là các thành phần diện trường của ánh sáng tới tần số
(O, , (I), lương ứng . Sự phát hòa ba bậc hai SHG là trường hợp đặc biệt cùa SFCi ứng với
(0, = (I), = (I) và Ỉ2=2(I).
x' 1 la lcnxơ do cám phi tuyến bậc hai . Đó là một tenxư bậc ba gồm 27 yếu tố.
|Jo cáu vutli/ đọ cùm phi lu yen I,(ỉ vù diộii Irưừng Erol , Eul2 <JỒU lù vcclo tưc nén 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 dự
ilium nhiều nliất là vài dơn lớp phân tử nghĩa là vào cỡ 10 Ả. Vì kkhoảng cách này nhỏ so
VÓI bước sóng kháo sái (10’- I04 Ă) nên ta có thổ mỏ hình hóa sự phát SIIG và SFG như
liên limit 1.
\'n = xl2,(^).E“'E“2.
( 1)
z
Mõi IrườiiịỊ 1
e.
Mói Iníừny 2
e 2
Hình 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) - ps (7.) .fi(z) .cxp i(kn„. X - fit). (2)
Trong dó : kn , là vectơ sóng mò tà sự biển thiên trong không gian của độ phân cực phi
tuyên (lên hề mặt ,
k"„ = k“'„ + k“í// (3)
và (lộ lớn của veclơ dộ phân cực phi tuyến Psn 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 :
kn . kn = £( Q).(Q/c)2. (6 )
Các pi (3) và (6 ) áp dụng cho bất ké sơ đồ kích thích nào. Các chùm kích thích khống
nhài thiết phái đồng trục hoặc nằm trẽn cùng mặt phảng tới. Trườg hợp thông thường khi
cá hai tia bơm cùng Iiảin trong mặt pháng tới, vectơ sóng SF cũng nằm trong mật phắng
này. Kí hiệu các góc tới tương ứng bằng 0
sill 0 “ = ~ s i n ớ wl + ^ r s\nO"’2 (7 )
k k n
16
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 0 3 và góc tới U<J ta có:
( 8 )
Nếu bó qua tán sắc £(G))=£(2o)) thì ỡ 2m = 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 :
eu .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), (1 10) 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 phụ
lluioc vào góc quay cúa cường tlộ S1IG bổ mặt lừ tinh tlic ZiiSc (lliuộc nhóm diếm 4 3m).
sill- Oũ
c' tJ£,(Q)£-,(fi>, )ei(úĩĩ )
thế ZnSc.
17
DT/ 2 02
2.1 Thành phần SHG từ nền.
Đối với tinh thể loại zinc-blende như là ZnSe ten xơ độ cảm phì tuyến bậc 2 chỉ có một
lliành phân [5]:
y<2> = v<i> = v<;> = v<« = ỵMí = X™ (10)
A \yz A V’V /V £jrv ^ x-y A* >-*" ^
ớ dây (x,y,z) ứng với các trục chính của tinh thể ([100],[010],[001]). Trên hình 3 mô tả

LÚC trục nùy.
z
Ilình 3: Mô hình khảo sát tính dói xứng quay cùa SHG bề mặt.
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’
là pháp tuyến bề mặt.
■V
x' sinợ> -COSẹ 0
x'
k
= Ro
y'
=
COSỘO sin^ 0
y'
z
7'
0 0
1
z'
ớ (My (p là góc giữa k và x' ,góc phương vị. Các yếu tố len xơ X được viết trong tọa độ
(s,k,z). Độ phân cực phi tuyến bậc 2 đối với mặt tùy ý của tinh thể dưới tác dụng của tia
laser tới có góc phương vị (p là:
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, .Eop .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.

18
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 ơP m
Eựuì = [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+2w) 1 là độ dài phù hợp pha hiệu dụng với w và w là thành phần-z của
các vcc tơ sóng ánh sáng SII và cơ bàn nrơng ứng. Các hệ số A„ và Ap 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“ EI,#. (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:
E ^ \ , = - F P ^ \ (15)
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
1U V 1VJ

CMHK)5
I(F,„ - lJOUt)
0 uoos
1(S,„ - p

)
0.0005
I(S,„ - P J
90 1 HO 270 360
0 90 180 270 360
0.0005
1<P,„ - S,J
0.0005
I(P,„ - s„ J
3a 3b
Hinli 4: Sự phụ tluiộc vào góc quay của cường độ SHG lừ bé mat (001) của tinh thể ZnSe.
Góc tới ũ =60". hước sóng ánh sáng lới 532nm.
a- Chỉ lính đến dò cám phi tuyến cùa nén riêng của nển
b- Tính tliẽm độ cám phi tuyến bể mặt với x'2'sík =-0,04. =-0,04
20
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 d1Jk được gọi là hệ số độ cảm phi tuyến bậc hai hay
là hệ số SHG
Vi trong biếu thứcC 16) I£j“ Ek“ = EJk“ Ej“ . nên các hệ số này tuân theo hệ thức đối xứng:
d1Jk 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 dịm 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 tiêu
trong linh lliế cỏ dôi xứng tâm. Tinh thể ZnSe lliuộc nhóm điếm đối xứng 4 3m nên dân
đốn các yếu tỏ không trượt tiêu là: dM - d25 = d36
Cìiái phương ninh Maxwell cho môi trường phi tuyến ta dược biểu thức mmô 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"]Vw) } x L ì s in ì (A kL /2Ịệ{ũ))]2 /A (18)
A là liõì điện chùm lia cơ bán. Do tán sắc trong môi irường liên nói chung ầk 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:
(16)
jk - 11 22 33 23 31 12
32 13 21
(17)
Trong dó Ak = [k(2(ủ) - 2k(co)\ = 4^r(n2" - «" )/ Ẫữ = 4ĩĩAn/ Ảa
(19)
I 2 sirr(zU7,/2) - (2 /A k)1 sin 2 ịA kL /2 ) (
I lai pic giao thoa kể nhau dược phân cách bới độ dài 1 gọi là độ dài kết hợp.
(20)
I tĩ 2 n Ã0 1
Ak k(2(0) - 2k(co) An n 2'" - n'°
( 21)
21
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). Điểu
này (lược tlnrc liiện nếu môi trường có n(co) =n(2o) .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»
ZnSe
78 ±29 2,4825 2,4028 0,0257 206
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 C02 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. vể 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 chúng đối
với diện trường của tia cơ bản và định hướng của các hạt đơn tinh thể với nhau.
Đa linh thế ZnSe chế 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
22
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.Ttl , D.Ttl
(a) (b)
Hình 5 : Sự phu thuộc cùa cường dô SIIG vào góc giữa diên trường tia cơ bản và dịnh hướng
của linh ihế irong các tnrờng hựp : a-Đơn tinh Ihể ZnSe b-Đa tinh thể ZnSe
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 lộng 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 chế 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 bố 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 SKì và SHG phát ra dưới dạng các đốm 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 ADI\ 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 /nSc [III) 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 ình (>:
ti- SI Ki íhrỡi ilíiniỉ cúc cluím iihiiỊ plìủtì lún
l>-\ 'ònỵ li on SI G (5t>Vnin) bén canh cúc clníin siuiịỊ Slti Ịiliãi ru lừ (lu linh ilicZnSe
('■ 1 'íi/iíỊ tròn SHG (618nm) phát 1(1 lừ (lon tinli rhẽ ZnSe
24
Góc côn cúa hình nón tạo bới hình Iròn và điếm lối ra cúa tín hiệu SHG trẽn bé
mặt linh thể là 44°. Vòng tròn SHG chỉ xuất hiện trong phạm vi 6" xung quanh vị trí tối ưu
nói Ilẽn. Các vòng tròn SHG và SFG này chỉ xuất hiện khi công suất laser lớn hơn một giá
(l ị xác clịnli và phụ ihuộc rất mạnh vào công suất tia laser tới (tia cơ bản).
Chúng tỏi dã tiến hành tìm hiểu nhiều lí thuyết của các tác giả khác nhau , rà soát
lại các nghiên cứu từ trước dến nay về SHG trên tinh ihể ZnSe. Các kết quả nghiên cứu
chi tiết và giái thích được trình bày trong báo cáo hội nghị vật lí chất rắn toàn quốc lần IV
Thái nguyên, 11-2003( xem phụ lục).
4. Xây dựng hệ nhân tần sỏ laser bằng hiệu ứng quang phi tuyến.
Đẽ mớ rộng khả nâng ứng dụng của laser trong nhiều lĩnh vực khác nhau người ta
can thay dổi hước sóng ( tần số quang học) của tia laser . Một mục ticu cùa đề tài là
nghiên cứu xây dựng một hệ biến dổi tẩn số laser trong vùng hồng ngoại và khả kiến.
Tinh llìế ZnSe là một vật liệu quang phi tuyến thích hợp để nhân tần số trong vùng hồng
ngoại bàng hiệu ứng SI ỈG. Các laser hồng ngoại thường có bước sóng cố định hoặc thay
(lổi trong vùng phổ hẹp. Đế có được tia laser hồng ngoại bước sóng biến đổi dược người ta
llnrờng dùng hiôu ứng quang phi tuyến như máy phát thông số OPO, máy khufi'ch dại
lliồiig sỏ OPA và hiệu ứng phát hòa ba bậc hai SHG Để nhân tần số laser màu trong

vùng khá kiến chúng tôi chọn tinh thể KDP . Laser màu là loại laser có bước sóng điều
hướng dược trong một vùng phổ rộng. Nếu được nhân dõi tẩn số ta sẽ có chùm laser tử
ngoại diều hướng bước sóng. Điêù này sẽ mớ rộng khả năng ứng dụng của laser màu ví dụ
lie nghiên cứu phổ huỳnh quang vật liệu bán dần
Các thiết kế và thí nghiệm đã được tiến hành. Việc đầu tiên là phải có tinh thể phi tuyến
Ihícli hợp, nghiên cứu các (.lịnh hướng của tinli thế cho cường độ SIIG lối ƯU, khảo sát sự
phụ lluiộc cúa vị trí tối ưu vào bước sóng. Các thiết bị quang học bổ trợ để tách tần số
laser Sl 1, do dạc đánh giá chát lượng chùm tia cũng dã được thiết kế và lắp đặt.
Kết cỊtiá là dã xây dựng một hệ nhân tần số laser tại phòng thí nghiệm như mục tiêu dề
lài tIặI ra.
25