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: http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/seminar.html#6

• https://drive.google.com/folderview?id=0B2JJJMzJbJcwajNXZWpzdGRTb1MtRXdRN0hrZFhiQQ&usp=sharing

TỔNG QUAN1 TẠO TẦN

SỐ HIỆU2 ỨNG DỤNG3

BBO (-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 QUANTINH 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 môitrường 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 1 và 2 chiếu tới môi trường phi tuyến

1 1 1 1- i(ω t - k z) i(ω t - k z)*

1 1 1E = 1/2.[E (z)e + E (z)e ]

với k1 = n11/c

2 2 2 2- i(ω t - k z) i(ω t - k z)*

2 2 2E = 1/2.[E (z)e + E (z)e ]

với k2 = n22/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

ex + 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, 1, 2, 21, 22, 1 + 2, |1 - 2|. Hai sóng 1, 2 tương tác với nhau và với môi trường sẽ làm phát sinh một sóng mới có tần số 3 = 1 + 2 . Sau khi sinh ra sóng 3 lại tương tác trở lại với môi trường và với 2 sóng 1, 2. Quá trình biến đổi các sóng E1(z), E2(z) , E3(z) được biểu diễn bởi các phương trình sóng :

Trong đó0 : độ điện thẩm trong chân khôngi : độ điện thẩm trong môi trường chiết suất ni (i = 0ni

2)k = k1 + k2 – k3

* iΔkz011 2 3

1

μdE (z) = iω d E (z)E (z)e

dz ε

* iΔkz022 1 3

2

μdE (z) = iω d E (z)E (z)e

dz ε

* iΔkz3 03 1 2

3

dE (z) μ = iω d E (z)E (z)e

dz ε

2 2 231 21 2 3

1 0 2 0 3 0

εε ε1 d 1 d 1 dE (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

(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 zE E z e E z e

2 2 2 2( ) ( )

2 2 2

1( ) ( )

2

i t k z i t k zE E z e E z e

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

2k k k

*011 2 3

1

( )( ) ( ) i kzdE z

i dE z E z edz

*022 1 3

2

( )( ) ( ) i kzdE z

i dE z E z edz

3 03 1 2

3

( )( ) ( ) i kzdE z

i dE z E z edz

0k

1 2 3k k k

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.

ỨNG DỤNG CỦA SỰ PHÁT TẦN SỐ

HIỆU TRONG TINH THỂ PHI TUYẾN

BBO

TẠO RA ÁNH SÁNG CÓ BƯỚC SÓNG NGẮN TỪ 0.9 μm TỚI

1.5 μm

Những đặc tính để ứng dụng

ĐỘ TRUYỀN QUA CAO: 190nm TỚI 350nm

NGƯỠNG PHÁ HUỶ CAO

ĐẶC TÍNH HOÁ HỌC TỐT

TÍNH CHẤT CƠ HỌC TỐT

CÓ TÍNH HỢP PHA TRONG VÙNG BƯỚC SỐNG RỘNG 409.6nm TỚI 3500nm