Vật lý - Chương 4: Vật liệu phi tuyến

1Chương 4: Vật liệu phi tuyến 4.1 Giới thiệu lịch sử: Năm 1960, khi laser được phát minh, đã xuất hiện nhiều lĩnh vực nghiên cứu mới, đặc biệt là những nghiên cứu các hiệu ứng quang học trong môi trường khác nhau theo cường độ ánh sáng. Những hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng phi tuyến. Năm 1961, Franken, Hill, Peter, Weinreich lần đầu tiên đã quan sát được sự phát sóng hài bậc hai bằng cách chiếu bức xạ của laser ruby lên tinh thể thạch anh. Trên cơ sở nghiên cứu lí thuyết người ta đã đưa ra những yêu cầu cho một 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 thu được rất nhỏ. 2Bước phát triển lớn thứ hai là sự khám phá đồng thời về điều kiện đồng bộ pha của Maker và Giornaine (kết quả này được đăng trên báo).Cả hai ông đều dùng tinh thể ADP và từ đó gián tiếp thu được hệ số biến hoán của công suất đối với sóng hài bậc hai (eSHG). Ta thấy rằng trong thí nghiệm của Franken tín hiệu thu được rất nhỏ do hai nguyên nhân sau: • Độ phi tuyến của thạch anh nhỏ. • Sự phát sóng hài bậc hai đó có sự không phù hợp về pha giữa trường bơm và trường điều hòa. Một vài vật liệu có hệ số phi tuyến cao thì không “birefringent”.Vì vậy giá trị của 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 vật liệu “birefringent” với hệ số phi tuyến cao. 3Một yêu cầu khá rõ ràng được thừa nhận ngay từ đầu là tinh thể phải có tính chất quang vượt trội.Do đó, cần phải phát triển vật liệu mới theo hướng tạo ra vật 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 tin của vật liệu.Vài ví dụ: Winchell and WInchell, Dana and Ford, Larsen and Berman Một vài phương pháp khác được đưa vào nghiên cứu vật liệu phi tuyến khi Miller đề xuất “emprical rule”: ông chú ý đến sự tương đồng giữa độ phân cực tuyến tính và độ phân cực phi tuyến.Trước đó đã có những cố gắng dùng những 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). 4Cùng thời điểm với Miller những nổ lực nghiên cứu tính chất của niobate được tiến hành ở phòng thí nghiệm Bell và kết quả của nỗ lực này là đã nghiên cứu được tính chất của Litiniobate: Litiniobate xuất hiện, nó có những nét đặc biệt mà vật liệu thông thường vào thời 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 pha trong 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 trong vùng thấy được và hồng ngoại gần. Tuy nhiên, tinh thể này có hiệu ứng “damage effect”. 5 Damage effect: •Trong Litiniobate: Litiniobate sẽ bị machenic damage khi chiếu vào nó ánh sáng laser khí sóng liên tục (công suất thấp). • Trong các vật liệu khác: machenic damage chỉ xảy ra khi bị chiếu ánh sáng laser 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.Trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua hiệu ứng này nhưng trong vài trường hợp khác nó 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 được nguyên 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: barium sodium niobate, feroelectric niobate, 64.2 Đánh giá tính chất của vật liệu phi tuyến Sự nghiên cứu tinh thể bằng giao thoa kế Twyman-Green biểu diễn quang lộ của ánh sáng như sau: Ở 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 trực giao với trục đối xứng chính (c axis), ta thấy thay đổi theo sự phân cực của ánh sáng chiếu vào. Từ điều kiện của sự phù hợp pha cho rằng: đối với SHG thì chiết suất của vật liệu đối với sóng điều hòa bậc hai của một sự phân cực bất kì và sóng cơ bản của sự phân cực trực giao thì bằng nhau.Từ đó ta có: (1) (2) (3) 0 ( ) L optl n x dx  optl 0 0 0 ( ) ( , ) L optl n x dx   0 (2 ) ( , 2 ) L e e optl n x dx   0 ( ) (2 )eopt optl l   7Ta thêm vào điều kiện sau (4) Phương trình này rất quan trọng Đặc biệt trong ferroelectric niobate, chiết suất phụ thuộc rất mạnh vào thành phần hóa học của tinh thể.Mặc khác, có rất nhiếu quá trình phát triển tinh thể có khuynh hướng thay đổi thành phần cấu tạo. Ví dụ: Litiniobate được phát triển dựa trên phương pháp Czochralski: Từ hỗn hợp nóng chảy của Li2O và Nb2O5 trong Stoichiometric or other quantities. “Other quantities” được chọn vì khi tinh thể được tạo ra từ một Stoichiometric nóng chảy của LiNbO3.Tinh thể sẽ phát triển theo hướng không tạo ra thật chính xác LiNbO3 mà nó khác nhau một lượng nhỏ từ thành phần cấu tạo. Chú ý rằng thành phần tinh thể thay đổi dọc theo chiều dài của nó khi nó phát triển, cũng có trường hợp nó có thể thay đổi ngang mặt cắt của nó vì dao động nhiệt (local fluctuation temperater) có thể làm thay đổi sự phát triển của tinh thể.Do đó thành phần tinh thể thì không giống nhau và chiết suất cũng có thể thay đổi từ điểm này đến điểm khác trong thể tích. Sự phù hợp pha của niobate rất nhạy với nhiệt độ. ' ' 0 ' 0 0 ( , ) ( , 2 ) ;0 L L en x dx n x dx L L      8Dụng cụ thường dùng để đo SHG: Nguồn sáng: • Laser Heli-Neon (1.15 hoặc 1.08 m) • Laser Nd:YAG hoạt động ở bước sóng 1.06 m • Thiết bị quan sát SHG: pen recorder Do nhiệt độ của tinh thể bị thay đổi theo nhiệt độ của sự phù hợp pha.Nếu phần thay đổi của sự phù hợp pha ở những nhiệt độ khác nhau bởi sự thay đổi thành phần tinh thể thì đỉnh trung tâm của SHG được mở rộng và giảm chiều cao. Bảng số liệu cung cấp tính chất của tinh thể phi tuyến thì thường được thêm vào thuật ngữ là độ dài tương tác, nó có thể nhỏ hơn hoặc bằng độ dài của tinh thể theo hướng của travelling-wave interaction. Năng lượng của điều hòa bậc hai trong tinh thể lí tưởng thay đổi theo: Ở đó là độ lệch pha, nó như là hàm của nhiệt độ hoặc góc giữa hướng quan sát với trục chính và L là độ dài của tinh thể. 2 2 1 . 2sin 1 . 2 k L k L                k 9• Chúng ta có thể điều chỉnh nhiệt độ để thay đổi chiết suất được dùng để tạo ra sự phù hợp pha. • Ta có thể định nghĩa khoảng nhiệt độ là khoảng nhiệt độ giữa những điểm half-power của đường cong của năng lượng điều hòa bậc hai chống lại nhiệt độ. • Khoảng nhiệt độ đó có thể quan hệ với đặc tính của tinh thể bởi phương trình sau: (5) Với là độ dài tương tác hiệu dụng. Từ đây giá trị của hệ số có thể được tính toán từ phương trình (5). Độ dài hiệu dụng thu được trực tiếp từ thí nghiệm đo độ rộng khoảng nhiệt độ bởi quan hệ sau: (6)      0 0.89 2 2e eff T n n l T T               effl  L T exp . eff T L l T    T