Tạo tần số hiệu trong tinh thể BBO

TẠO TẦN SỐ HIỆU TRONG BBO
GVHD: NGUYỄN THANH LÂM
SVTH:
PHAN THỊ MỸ TIÊN 1113585
NGUYỄN THANH TÙNG 1113483
NGUYỄN ĐẮC MINH QUÂN
HuỲNH ANH LUÂN 1113244

MỘT SỐ THÔNG TIN CẦN THIẾT
•
Tài liệu quang phi tuyến:
/>20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/seminar
.html#6
•
/>0B2JJJMzJbJcwajNXZWpzdGRTb1MtRXdRN0hrZF
hiQQ&usp=sharing
BBO (β-BaB2O4)
•
độ truyền qua cao, ngưỡng phá
huỷ cao
•
Tính chất hoá học,cơ học tốt
•
Có tính hợp pha trong vùng
bước sóng rộng
⇒ Dùng trong phát sóng hài bậc 2
từ 190nm- 1780nm
1. TỔNG QUAN
TINH THỂ BBO
SỰ TRỘN 3 SÓNG

Để laser màu phát được bước sóng ngắn hơn :

Tín hiệu ra của laser phải có tần số gấp đôi

Tần số tín hiệu ra của laser phải được tăng lên khi qua 1 môi
trường phi tuyến nào đó

Tạo ra ánh sáng có bước sóng ngắn
 ứng dụng sự phát tần số hiệu trong tinh thể phi tuyến BBO ( β-
BaB2O4 )
SỰ TRỘN 3 SÓNG LÀ GÌ?
Khảo sát 2 sóng đơn sắc tần số ω1 và ω2 chiếu tới môi
trường phi tuyến
1 1 1 1
- i(ω t - k z) i(ω t - k z)
*
1 1 1
E = 1/2.[E (z)e + E (z)e ]
với k1 = n1ω1/c
2 2 2 2
- i(ω t - k z) i(ω t - k z)
*
2 2 2
E = 1/2.[E (z)e + E (z)e ]
với k2 = n2ω2/c
PT đl II Newton biểu diễn chuyển động của điện tử
trong môt trường phi tuyến do tác động của trường
quang học tổng hợp của 2 sóng trên là :
{ }

1 1 1 1 2 2 2 2
- i(ω t - k z) i(ω t - k z) - i(ω t - k z) i(ω t - k z)
2 2 3 * *
0 1 1 2 2
e
x + ω x + Ax + Bx + = 1/2.[E (z)e + E (z)e ] + 1/2.[E (z)e + E (z)e ]
m
&&
Giải phương trình vi phân trên ta tìm được x(t) có chứa các
tần số dao dộng sau : 0, ω1, ω2, 2ω1, 2ω2, ω1 + ω2, |ω1 -
ω2|. Hai sóng ω1, ω2 tương tác với nhau và với môi trường
sẽ làm phát sinh một sóng mới có tần số ω3 = ω1 + ω2 . Sau
khi sinh ra sóng ω3 lại tương tác trở lại với môi trường và
với 2 sóng ω1, ω2. Quá trình biến đổi các sóng E1(z), E2(z) ,
E3(z) được biểu diễn bởi các phương trình sóng :
Trong đó
ε0 : độ điện thẩm trong chân không
εi : độ điện thẩm trong môi trường chiết suất ni (εi = ε0ni2)
∆k = k1 + k2 – k3
* iΔkz
0
1
1 2 3
1
μ
dE (z)
= iω d E (z)E (z)e
dzε
* iΔkz
0

2
2 1 3
2
μ
dE (z)
= iω d E (z)E (z)e
dzε
* iΔkz
3 0
3 1 2
3
dE (z)μ
= iω d E (z)E (z)e
dzε
2 2 2
3
1 2
1 2 3
1 0 2 0 3 0
ε
ε ε
1 d 1 d 1 d
E (z) = E (z) = - E (z)
ω dz μ ω dz μ ω dz μ
     
 ÷  ÷  ÷
 ÷  ÷  ÷
     
Quá trình phi tuyến được biểu diễn bởi 3
phương trình trên được gọi là sự trộn 3 sóng.

Từ đó ta có :
2 (3) 3
0
2 4 P E dE E
ε χ χ
= + + +
(1) (2) (3)
P P P P
= + + +
Độ phân cực phi tuyến P:
ứng với các quá trình quang tuyến tính, quang tuyến tính bậc 2 và quang tuyến tính bậc 3
1 1 1 1
( ) ( )
1 1 1
1
( ) ( )
2
i t k z i t k z
E E z e E z e
ω ω
− − −
∗
 
= +
 
2 2 2 2
( ) ( )
2 2 2
1
( ) ( )

2
i t k z i t k z
E E z e E z e
ω ω
− − −
∗
 
= +
 
Xét hai sóng phẳng đơn sắc đi vào môi trường phi tuyến bậc
II, ta biểu diễn các sóng này:
Tính độ phân cực phi tuyến bậc hai:
Trong đó: E=E1+E2
Phát sóng hài bậc hai ω+ ω= 2ω
Mối quan hệ giữa biên độ của trường sóng hài và sóng cơ bản
Hiệu suất phát sóng hài bậc hai cực đại khi:
0k
∆ =
2
k k k
ω ω ω
+ =
*
0
1
1 2 3
1
( )
( ) ( )
i kz

dE z
i dE z E z e
dz
µ
ω
ε
∆
=
*
0
2
2 1 3
2
( )
( ) ( )
i kz
dE z
i dE z E z e
dz
µ
ω
ε
∆
=
3 0
3 1 2
3
( )
( ) ( )
i kz

dE z
i dE z E z e
dz
µ
ω
ε
− ∆
=
0k
∆ =
r
1 2 3
k k k
+ =
r r r
Mối quan hệ giữa biên độ của 3 sóng là
Hiệu suất tạo tần số tổng đạt cực đại khi:
TẠO TẦN SỐ HIỆU
Sự phát tần số hiệu ( DFG )
•
- Sóng bơm ( ω3 ) cường độ mạnh tương tác
với sóng tín hiệu ( ω1 ) cường độ yếu  tạo ra
sóng ω2 = ω3 - ω1
•
- Đồng thời cường độ sóng ω1 có thể được
tăng cường khi góc hợp pha phù hợp
- Để có sự phát tần số hiệu  có điều kiện hợp pha
VD : laser màu ( 422,3 nm ) phát ra bước sóng 700
nm ở góc hợp pha 27,14o
laser màu ( 694,7 nm ) phát ra bước sóng 2 μm

ở góc hợp pha 20,05o
 Để tạo ra ánh sáng có bước sóng ngắn
DFG giữa laser màu ( hoạt chất 6G : 490 – 625 nm )
và laser Nd:YAG ( 1064 μm )
Molecular formula
C28H31N2O3Cl
Molar mass 479.02 g/mol
Density 1.26 g/cm3
Bột Rhodamine 6G trong dung dịch
methanol, phát ra bức xạ vàng khi
chiếu laser xanh.
DFG giữa laser màu ( hoạt chất 6G : 490 – 625 nm ) và laser Nd:YAG ( 1064 μm )
Laser màu
( hoạt chất 6G : 490 – 625 nm )
DFG giữa laser màu ( hoạt chất 6G : 490 – 625 nm ) và laser Nd:YAG ( 1064 μm )
Laser Nd:YAG ( 1064 μm )
Nd :YAG ( 1% Nd )
- Công thức :
Y2.97Nd0.03Al5O12
-
Khối lượng của Nd : 0.725%
-
Số nguyên tử Nd trong 1 đvtt
: 1.38×1020 /cm3
- Bước sóng phát ra : 1064 nm
-
Chuyển mức năng lượng :
4F3/2 → 4I11/2
Nd : YAG Laser Rod ( yttrium
aluminium garnet pha tạp

neodymium )
Thực nghiệm cho quá trình DFG
Kích thước chùm laser màu : 2,4 mm
Kích thước chùm laser Nd : YAG 2,1 mm
Kích thước chùm IR ra : 7 mm
Lăng kính Pellin-Broca Gương lưỡng sắc ( dichronic mirro)
Sự hợp pha giữa laser màu và laser Nd : YAG
Khi qua tinh thể BBO :
-
ứng với góc hợp pha 22,78o :
Laser Nd : YAG được gấp đôi
-
ứng với góc hợp pha 30,30o :
phát ra IR ở 368,7 nm
Để phù hợp với điều kiện hợp pha :
•
Laser màu : phân cực thẳng
•
Laser Nd : YAG phân cực ngang
•
Tinh thể BBO dài 10 mm, cao 6.5mm ( dọc theo trục truyền
của tia bất thường ) và rộng 5 mm ( theo trục thường ) – phủ
lớp chống phản xạ MgF2 ( cho phản xạ thấp nhất ở 615 nm )
và được cắt theo góc 28.5o
Kết quả
- Laser màu ( 42 mJ ở 564 nm )
- Laser Nd:YAG ( 33 mJ – 1064
μm )
 Phát ra IR ( 4.5 mJ )  hiệu
suất lượng tử 23 %

Kết luận
- DFG trong tinh thể BBO ( từ laser màu và laser Nd : YAG ) cho phát ra IR
năng lượng cao trong vùng 0.9 μm - 1.5 μm. Hiệu suất lượng tử 23 %.
- Có thể tăng hiệu suất :

Thay đổi kích thước chùm tia.

Phủ lớp chống phản xạ lên các thiết bị quang để tăng sự phát xạ IR

Tách phần phát xạ của laser Nd : YAG lên trước khi dùng để bơm cho
laser màu.