Thạc Sĩ Nghiên cứu điều kiện tối ưu để có hiệu suất phát sóng hài bậc hai cao

MỞ ĐẦU
Laser là một trong những phát minh khoa học quan trọng nhất của thế kỷ XX. Từ phát minh lý thuyết bức xạ cảm ứng của Einstein năm 1917, đến quan sát thực nghiệm bức xạ cảm ứng của Fabricant, giáo sư trường Đại học năng lượng Moskva năm 1940, đã là cơ sở để Maiman, nhà vật lý học người Mỹ phát minh ra máy khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cảm ứng. Tháng 2 năm 1960, Maiman đã chế tạo ra laser ruby, laser đầu tiên trên thế giới và 4 tháng sau tức tháng 6 năm 1960, Javan đã chế tạo ra laser khí He – Ne. Từ đó đã dấy lên một cao trào nghiên cứu chế tạo laser ở các bước sóng khác nhau và ứng dụng của chúng. Cho tới nay các loại laser rắn, lỏng, khí, bán dẫn được chế tạo mang tính công nghiệp có bước sóng phủ hầu hết các dải sóng. Bức xạ laser đã được ứng dụng trong các ngành khoa học, công nghệ và y tế. Trong đó ứng dụng quan trọng nhất của laser phải kể đến là thông tin cáp quang. Một số laser có thể phát ở nhiều bước sóng khác nhau như:
o Laser màu quét bước sóng chủ yếu trong vùng khả kiến và hồng ngoại gần, công suất nhỏ.
o Các laser rắn kiểu dao động như Alexandrite, Ti: Sapphire, phát bước sóng trong vùng hồng ngoại gần.
o Laser bán dẫn phát bước sóng trong vùng khả kiến và hồng ngoại gần.
Bên cạnh những laser kể trên, còn có một phương pháp rất hiệu quả để biến đổi bức xạ của một laser ở bước sóng cố định (thường là laser Nd: YAG) thành bức xạ laser có bước sóng thay đổi trong một vùng phổ rộng từ hồng ngoại đến tử ngoại. Đó là phương pháp dùng các hiệu ứng tương tác phi tuyến quang học. Dải phổ của bức xạ laser do các hiệu ứng quang phi tuyến tạo ra là dải phổ rộng nhất trong các bức xạ laser hiện nay. Ngoài ra, nhờ các ưu điểm của laser Nd: YAG hiện đại, bức nxạ laser có bước sóng thay đổi dựa trên hiệu ứng quang phi tuyến này có thể được phát ở chế độ xung hay liên tục với công suất lớn. Trong các hiệu ứng tương tác phi tuyến quang học, khi để ý đến công suất, tương tác phi tuyến ba sóng được chú ý hơn các hiệu ứng phi tuyến bậc cao khác
do độ cảm phi tuyến bậc hai của vật liệu lớn hơn nhiều bậc so với độ cảm phi ntuyến bậc ba hoặc các bậc cao hơn.
Tương tác thông số phi tuyến ba sóng tổng quát là hiện tượng phát sinh khi cho hai sóng tần số ω1, ω2 đi vào môi trường phi tuyến bậc hai, trong môi trường sẽ xuất hiện sóng có tần số ω3. Các sóng này luôn thỏa mãn định luật bảo toàn năng lượng: các tần số liên hệ với nhau theo biểu thức ω1 + ω2 = ω3 hay ω3 = ω1 – ω2. Trường hợp đầu ta có sự phát tần số tổng, trường hợp sau là sự phát tần số hiệu. Trong trường hợp phát tần số tổng nếu ω1 = ω2 thì ω3 = 2ω1 = 2ω2 ta có trường hợp đặc biệt: nhân đôi tần số hay sự phát sóng hài bậc hai (SHG). Dù được phát
hiện đầu tiên trong các hiệu ứng tương tác phi tuyến, hiện nay SHG vẫn được chú ý nghiên cứu rộng rãi do khả năng ứng dụng phổ biến của nó và những vấn đề chưa được giải quyết trọn vẹn. SHG cho phép biến đổi bước sóng laser từ hồng ngoại xa (laser CO2) sang hồng ngoại gần, từ hồng ngoại gần (laser Nd: YAG) sang khả kiến và từ khả kiến (laser màu) sang tử ngoại. Đặc biệt, SHG của các laser quét bước sóng như laser màu, laser Alexanderite hay Ti: sapphire tạo ra các nguồn bức xạ quét trong một vùng phổ rộng. Các bức xạ ở chế độ xung hoặc liên tục có thể điều chỉnh bước sóng này được dùng cho nhiều mục đích khác nhau đặc biệt là trong quang phổ laser.
Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu điều kiện tối ưu để có hiệu suất cao đối với trường hợp phát sóng hài bậc hai của laser Nd:YAG 1064nm dùng tinh thể phi tuyến KTP.

MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
BẢNG KÍ HIỆU VIẾT TẮT 3
DANH MỤC BẢNG 4
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ . 6
MỞ ĐẦU 10
Chương I: TỔNG QUAN VỀ QUANG PHI TUYẾN . 14
1.1 Sự lan truyền sóng điện từ trong tinh thể dị hướng 14
1.1.1 Tinh thể dị hướng . 14
1.1.2 Sự lan truyền sóng điện từ trong tinh thể dị hướng . 14
1.2 Lý thuyết về sự tương tác của ba sóng quang học (TWM) 18
1.2.1 Sự phát tần số tổng (SFG) . 21
1.2.2 Sự phát tần số hiệu (DFG) . 20
1.3 Sự phát sóng hài bậc hai (SHG) . 20
1.3.1 Hiệu suất phát sóng hài bậc hai . 20
1.3.2 Sự hợp pha . 22
1.4 Laser Nd:YAG 23
1.5 Tinh thể phi tuyến . 24
1.5.1 Tinh thể đơn trục (UC) 26
1.5.2 Tinh thể lưỡng trục (BC) . 27
Chương II: SỰ HỢP PHA TRONG TINH THỂ PHI TUYẾN . 30
2.1 Tinh thể đơn trục 30
2.1.1 Tính chất của tinh thể đơn trục 30
2.1.2 Sự hợp pha cộng tuyến trong tinh thể đơn trục . 35
2.2 Tinh thể lưỡng trục . 38
2.2.1 Tính chất của tinh thể lưỡng trục . 38
2.2.2 Sự hợp pha cộng tuyến trong tinh thể lưỡng trục 41
Chương III: THỰC NGHIỆM 45
3.1 Lập chương trình tính góc hợp pha theo bước sóng . 45
3.2 Mô tả thiết bị 48
3.2.1 Nguồn laser 48
3.2.2 Thấu kính hội tụ . 48
3.2.3 Tinh thể phi tuyến 49
3.2.4 Kính lọc 50
3.2.5 Hệ thu nhận ánh sáng . 50
3.3 Đo hiệu suất chùm SHG . 53
3.3.1 Đo cường độ chùm sáng cơ bản (1064nm) 53
3.3.2 Đo cường độ chùm sáng SHG . 54
3.4 Đo cường độ SHG phụ thuộc vào vị trí của thấu kính . 55
3.5 Đo cường độ SHG phụ thuộc vào góc quay theta (θ) 55
3.6 Đo cường độ SHG phụ thuộc vào góc quay phi (φ) . 56
3.7 Đo cường độ SHG phụ thuộc vào vị trí X 56
3.8 Đo cường độ SHG phụ thuộc vào vị trí Y 57
3.9 Kết quả thực nghiệm 57
3.9.1 Đo cường độ chùm cơ bản (1064nm) 57
3.9.2 Đo cường độ SHG . 59
3.9.3 Đo cường độ SHG phụ thuộc vào vị trí của thấu kính 62
3.9.4 Đo cường độ SHG theo góc quay theta . 63
3.9.5 Đo cường độ SHG theo góc phi . 65
3.9.6 Đo cường độ SHG theo trục X và Y 67
KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN . 71
DANH MỤC CÔNG TRÌNH . 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 74