Bài giảng Chương 4: Vật liệu phi tuyến

Bài giảng Chương 4: Vật liệu phi tuyến giới thiệu lịch sử; đánh giá tính chất của vật liệu phi tuyến. Bài giảng phục vụ cho các bạn chuyên ngành Vật lý và những bạn quan tâm tới lĩnh vực này, mời các bạn tham khảo.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Chương 4: Vật liệu phi tuyến Chương 4: Vật liệu phi tuyến 4.1 Giới thiệu lịch sử:Năm 1960, khi laser được phát minh, đã xuất hiện nhiều lĩnh vực nghiêncứu mới, đặc biệt là những nghiên cứu các hiệu ứng quang học trong môitrường khác nhau theo cường độ ánh sáng. Những hiệu ứng này đượcgọi là hiệu ứng phi tuyến.Năm 1961, Franken, Hill, Peter, Weinreich lần đầu tiên đã quan sát đượcsự phát sóng hài bậc hai bằng cách chiếu bức xạ của laser ruby lên tinhthể thạch anh.Trên cơ sở nghiên cứu lí thuyết người ta đã đưa ra những yêu cầu chomột vật liệu phi tuyến như sau:• Không đối xứng tâm.• Tinh thể phải trong suốt đối với những tần số tham gia tương tác.Khi Franken thực hiện thí nghiệm đầu tiên quan sát SHG thì tín hiệu thuđược rất nhỏ. 1Bước phát triển lớn thứ hai là sự khám phá đồng thời về điều kiện đồng bộpha của Maker và Giornaine (kết quả này được đăng trên báo).Cả hai ôngđều dùng tinh thể ADP và từ đó gián tiếp thu được hệ số biến hoán củacông suất đối với sóng hài bậc hai (eSHG).Ta thấy rằng trong thí nghiệm của Franken tín hiệu thu được rất nhỏ do hainguyên nhân sau:• Độ phi tuyến của thạch anh nhỏ.• Sự phát sóng hài bậc hai đó có sự không phù hợp về pha giữa trườngbơm và trường điều hòa.Một vài vật liệu có hệ số phi tuyến cao thì không “birefringent”.Vì vậy giá trịcủa những vật liệu đó trong ứng dụng quang phi tuyến là hữu hạn.Do đó,hầu hết công việc phát triển vật liệu đã tập trung nỗ lực để phát triển vậtliệu “birefringent” với hệ số phi tuyến cao. 2Một yêu cầu khá rõ ràng được thừa nhận ngay từ đầu là tinh thể phải có tínhchất quang vượt trội.Do đó, cần phải phát triển vật liệu mới theo hướng tạo ravật liệu đơn tinh thể có tính chất quang tốt.Thông tin của vật liệu được sắp xếp thành bảng rất tiện lợi để xem thông tincủa vật liệu.Vài ví dụ: Winchell and WInchell, Dana and Ford, Larsen andBerman…Một vài phương pháp khác được đưa vào nghiên cứu vật liệu phi tuyến khiMiller đề xuất “emprical rule”: ông chú ý đến sự tương đồng giữa độ phân cựctuyến tính và độ phân cực phi tuyến.Trước đó đã có những cố gắng dùngnhững lí thuyết có sẵn để tiên đoán hệ số phi tuyến nhưng không thành công.Miller’s emprical rule đại diện sự xác nhận đầu tiên của requirement-namely(vật liệu sẽ có chiết suất cao nếu có độ phi tuyến lớn). 3Cùng thời điểm với Miller những nổ lực nghiên cứu tính chất của niobate đượctiến hành ở phòng thí nghiệm Bell và kết quả của nỗ lực này là đã nghiên cứuđược tính chất của Litiniobate:Litiniobate xuất hiện, nó có những nét đặc biệt mà vật liệu thông thường vàothời ấy như ADP, KDP không có được.• Nó “nonhydrocopic”, cứng, mài nhẵn dễ dàng.• Ổn định với “machenic shock”, không quá kích thích bởi nhiệt.• Quan trọng nhất là nó có hệ số phi tuyến lớn như KPD.• Hơn nữa, bằng cách thay đổi nhiệt độ, có thể đạt được sự phù hợp phatrong mặt x-y của tinh thể.• Chiết suất dường như thay đổi từ đầu vào đến đầu ra của tinh thể.Ta thấy rằng Litiniobate như là vật chất lí tưởng cho tương tác phi tuyến trongvùng thấy được và hồng ngoại gần.Tuy nhiên, tinh thể này có hiệu ứng “damage effect”. 4 Damage effect:•Trong Litiniobate: Litiniobate sẽ bị machenic damage khi chiếu vào nó ánh sánglaser khí sóng liên tục (công suất thấp).• Trong các vật liệu khác: machenic damage chỉ xảy ra khi bị chiếu ánh sánglaser vào với công suất rất cao (khoảng vài MW/cm2 ).Hiệu ứng này biểu thị như là tia sáng làm thay đổi chiết suất trong tinh thể.Trongnhiều trường hợp có thể bỏ qua hiệu ứng này nhưng trong vài trường hợp khácnó thể hiện rất rõ ràng.Hiện tượng này có thể dùng cho việc tạo ảnh ba chiều.Nhiều lí thuyết được đặt ra để giải thích hiệu ứng này và người ta đã tìm ra đượcnguyên nhân chủ yếu của hiệu ứng này là do có sự pha lẫn sắt trong vật liệu.Sau Litiniobate thì nhiều vật liệu khác được nghiên cứu và phát triển như: bariumsodium niobate, feroelectric niobate,… 5 4.2 Đánh giá tính chất của vật liệu phi tuyếnSự nghiên cứu tinh thể bằng giao thoa kế Twyman-Green biểu diễn quang lộcủa ánh sáng như sau: L lopt   n( x)dx 0Ở đó n(x) là hàm chiết suất theo hướng x.Nếu ta quan sát tinh thể một trục theo bất cứ hướng quan sát nào mà trựcgiao với trục đối xứng chính (c axis), ta thấy lopt thay đổi theo sự phân cựccủa ánh sáng chiếu vào.Từ điều kiện của sự phù hợp pha cho rằng: đối với SHG thì chiết suất củavật liệu đối với sóng điều hòa bậc hai của một sự phân cực bất kì và sóng cơbản của sự phân cực trực giao thì bằng nhau.Từ đó ta có: L l ()   n 0 ( x, )dx 0 opt (1) 0 L l (2)   ne ( x, 2)dx e opt (2) 0 0 e lopt ()  lopt (2) (3) 6Ta thêm vào điều kiện sau L L  n ( x, )dx   n e ( x, 2) dx 0 ; 0  L  L (4) 0 0Phương trình này rất quan trọn ...