Tạo tần số hiệu trong tinh thể BBO

1. 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

2. 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=0B2JJJMzJbJcwajN
XZWpzdGRTb1MtRXdRN0hrZFhiQQ&usp=sharing

3. TỔNG
QUAN1 TẠO TẦN
SỐ HIỆU2 ỨNG
DỤNG3

4. 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 QUAN
TINH THỂ BBO
SỰ TRỘN 3 SÓNG

6. 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 )

7. 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 = n11/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 = n22/c

8. 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, 1, 2, 21, 22, 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 :

9. Trong đó
0 : độ điện thẩm trong chân không
i : độ điện thẩm trong môi trường chiết suất ni (i = 0ni
2)
k = k1 + k2 – k3
* iΔkz01
1 2 3
1
μdE (z)
= iω d E (z)E (z)e
dz ε
* iΔkz02
2 1 3
2
μdE (z)
= iω d E (z)E (z)e
dz ε
* iΔkz3 0
3 1 2
3
dE (z) μ
= iω d E (z)E (z)e
dz ε

10. 2 2 231 2
1 2 3
1 0 2 0 3 0
εε ε1 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     
(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

11. 1 1 1 1( ) ( )
1 1 1
1
( ) ( )
2
i t k z i t k z
E E z e E z e   
   
2 2 2 2( ) ( )
2 2 2
1
( ) ( )
2
i t k z i t k z
E 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:

12. Trong đó: E=E1+E2

13. 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   

14. *01
1 2 3
1
( )
( ) ( ) i kzdE z
i dE z E z e
dz





*02
2 1 3
2
( )
( ) ( ) i kzdE z
i dE z E z e
dz





3 0
3 1 2
3
( )
( ) ( ) i kzdE z
i dE z E z e
dz



 

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:

15. TẠO TẦN SỐ HIỆU

16. 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

17. - 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 )

18. 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 )

19. 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 )

20. 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

21. Lăng kính Pellin-Broca Gương lưỡng sắc ( dichronic mirro)

22. 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

23. 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

24. 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 %

25. 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.

26. 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

27. 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