KHUẾCH ĐẠI VÀ DAO ĐỘNG

THÔNG SỐ QUANG HỌCNhóm 2:

Ngô Thị Ngân Hà

Nguyễn Hy

Hoàng Văn Chương

Hồ Hữu Quý

Trần Văn Chương

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

NỘI DUNG

I.• KHUẾCH ĐẠI DAO ĐỘNG THÔNG SỐ

II.• DAO ĐỘNG THÔNG SỐ

III.• PHÂN LOẠI DAO ĐỘNG THÔNG SỐ

IV.• SO SÁNH DAO ĐỘNG THÔNG SỐ VÀ LASER

V.• ỨNG DỤNG DAO ĐỘNG THÔNG SỐ

Nhắc lại:

SỰ TRỘN BA SÓNG

• Hai sóng kết hợp với nhau sẽ cho ra sóng thứ 3.Quá trình đó gọi là sự trộn 3 sóng.

• Sự trộn 3 sóng còn được gọi là tương tác thông số 3 sóng.Có thể phân

loại như sau:

+ Sự phát tần số tổng (SFG)

+ Sự phát tần số hiệu (DFG)

+ Sự phát sóng hài bậc hai (SGH)

+ Khuếch đại thông số(OPA)

+ Dao động thông số (OPO)

+Biến đổi giảm tần số,biến đổi tăng tần số.

I/.Khuếch đại thông số :

3

1

2

3

1

2

Chiếu vào môi trường phi tuyến bậc 2 sóng bơm sóng

3 (có cường độ mạnh) và sóng tín hiệu 1 (có cường

độ yếu). Sau khi tương tác từ môi trường phát ra

sóng 2 đồng thời sóng 1 có cường độ được

khuyếch đại.

Ba sóng trên phải thỏa điều kiện hợp pha và hợp

tần. Do có thể thay đổi 1 và 3 sao cho điều kiện

hợp tần vẫn thỏa nên có thể khuyếch đại nhiều tần

số khác nhau, gọi là khuyếch đại thông số

Điều kiện hợp pha (bảo toàn động lượng) :

3 1 2Δk = k - k - k = 0

Điều kiện hợp tần (bảo toàn năng lượng) :

3 = 1 + 2

GIẢ SỬ SÓNG BƠM 1 KHÔNG ĐỔI TỨC LÀ E3(Z) = E3(0)

= CONST. PT SÓNG THỂ HIỆN SỰ BIẾN ĐỔI CỦA 1,2

)0(3

2

1

1

021 Edbi

(2)

)()()0()( *

21

2

1*

23

1

01

1 ZEbiZEEdidZ

ZdE

(1.a)

)()()0()(

1

*

2

1

213

2

02

*

2 ZEbiZEEdidZ

ZdE

(1.b)

Tại mặt Z=0 :

)()()()(

1

2

1

*

2

1

21

2

1

*

21

2

1

2

1

2

ZEKZEbibidZ

ZdEbi

dZ

ZEd

)0(3

2

1

021

021 Ednn

K

Ở đó :

(3.a)

(3.b)

)()(

2

2

2

2

2

ZEKdZ

ZEd=> (4)

KZEiKZEZE sinh)0(cosh)0()( *

2

2

111

(5.a)

KZEiKZEZE sinh)0(cosh)0()( *

1

1

222

(5.b)

Giả sử E2(0) =0. Trong trường hợp này lời giải (5) trở thành :

KZEZE

KZEZE

22

1

1

22

22

1

2

1

sinh)0()(

cosh)0()(

(6.a)

(6.b)

Hoặc :

KZEiZE

KZEZE

sinh)0()(

cosh)0()(

*

1

1

22

11

(7.a)

(7.b)

Trường hợp KZ<<1, lời giải (7) trở thành :

222

1

1

22

2

222

1

2

1

)0()(

1)0()(

ZKEZE

ZKEZE

(8.a)

(8.b)

Sơ đồ nguyên tắc của máy phát thông số được trình bày trên hình 1.

Hình 1 : Sơ đồ nguyên tắc máy phát thông số.

3

Tinh thể phi tuyến

3 1

2

0

1

1

3

2

1

r

r

r

0

1

1

3

2

1

r

r

r

Sơ đồ thí nghiệm đẩu tiên (1962) của Ax . Manob C.A. được

trình bày như hình sau :

Bức xạ bơm 3 là sóng hài bậc hai ( =0.53m) của bức xạ laser thủy

tinh Nd ( =1.06m) qua tinh thể KDP-1.Nếu bức xạ bơm 3 được

chiếu vào bản KDP-2 theo phương có góc lệch d =570, thì hệ sẽ phát

sóng hài với 2 =1=3/2 , vì đối với nó cả hai điều kiện trên đều thỏa

mãn

L1 23 1 23

3

1.06 1.06

0.53 0.53

R1

R2

KDP-1

KDP-2Kính hấp thụ

33221

0

1 ee nnn

332

0

211 ee nnn

00 khi

00

Nều quay KDP-2 thì 1 bị dập tắt, nhưng điều kiện trên sẽ thỏa

mãn hệ thức sau :

Lser CaWO4:Nd3+

Lớp điện môi phản xạ

LiNbO3-1

T1

LiNbO3-2

T2

1.0589 0.529

303

1022 1 2

03 2

Năm 1965, Wang C và Racette đã điều hưởng tần số bằng

phương pháp biến đổi nhiệt độ của tinh thể phi tuyến LiNbO3

(Lithium nicobate). Hệ số quang d của LiNbO3 lớn hơn khoảng 11

lần d của KDP.Bức xạ bơm có bước sóng 0.53m là sóng hài

bậc hai của bức xạ laser. Sơ đồ thí nghiệm được trình bày như

hình sau :

46 50 54 58 62

1.00

1.04

1.16

1.12

1.08

0C

, m

Sự phụ thuộc độ dài sóng phát vào nhiệt độ T2

II:DAO ĐỘNG THÔNG SỐ QUANG HỌC

Điều hưởng tần số trong dao động thông số quang học

1 + 2 = 3

n11 + n22 = n33

Dao động thông số ở chùm tia có tần số 𝜔1 và 𝜔2 mà

𝜔1 + 𝜔2 =𝜔3 .Để công suất phát sóng cực đại đối với 𝜔1 và

𝜔2 điều kiện đồng bộ pha phải được thỏa mãn.Do đó ta có:

Tóm lại

Tinh thể phi tuyến được đặt vào hệ cộng hưởng quang học thì thông số sẽ được khuếch

đại,tạo nên sự dao động đồng thời của cả 2 sóng tần số.Ngưỡng của dao động này

tương ứng điểm có độ khuếch đại thông số cân bằng với độ mất mát của 2 sóng nêu

trên.

Từ cặp phương trình sóng của sự phát sóng hài bậc hai

ta viết lại như sau :

)()()(

3

*

1

1

01

1 ZEZEdidZ

ZdE

)()( 2

1

3

01

3 ZEdidZ

ZdE

ji

jj eAE

Giả thiết (∆k=0), ta có thể viết :

j = 1, 3

Thế vào các pt trên ta được :

ieAAdi

dZ

dA31

1

01

1

ieAdi

dZ

dA 2

1

3

01

3

13 2

Ta xem A1 trong biểu thức thứ 2 là không đáng kể, ta có :

ieLAdiALA 2

1

3

0133 )0()(

Số hạng thứ hai trong biểu thức trên đặc trưng cho sự thay đổi trường bơm

tương ứng với dao động thông số của sóng tín hiệu,nó tương đương với sự

mất mát cực đại của cđ sóng bơm

Cường độ sóng tín hiệu đạt cực đại khi

1ie

2

1

3

0133 )0()( LAdiALA

Lúc đó :

4

1

2

3

02

13

2

1

3

01

2

3

2

3 )0(2)0()( ALdALAdALA

Ta dùng hệ thức Manley-Rowe để tìm sự liên quan giữa cđ sóng bơm lối

vào với cđ sóng bơm lối ra và cđ sóng tín hiệu lối ra

2

1

0

1

1

1

2

3

0

3

3

2

3

0

3

3

1)1()(

1)0(

1ArLAA

2

1

3

11

2

3

2

3 )1(2)0()( ArALA

Hoặc

Từ 3=1+2=2 và các biểu thức trên ta được biều thức :

2

1

1

00

31

1

3

0

32

1)(

12

)0(2

Ld

r

Ld

AA

Vì

2

3

0

33

3

33

2

1

0

11

0

1

)0(2

1

122

1)1(

AI

I

IIArI

n

n

t

21

2

13

2

12

3

0

03

)1(

2

1

Ld

rnnI n

Cường độ ngưỡng của bơm là :

02

1 A

Thay vào các pt trên, ta tìm được Cường độ sóng tín

hiệu ở lối ra là :

Trong đó Là cđ sóng bơm ở lối vào

Kết quả trên tìm được trong trường hợp suy biến

2=1. n2=n1 và r2 = r1

đối với dao động thông số, nên

ĐIỀU HƯỞNG TẦN SỐ TRONG DAO ĐỘNG THÔNG SỐ:

Xét dao động thông số gồm 3 sóng và

Thỏa mãn điều kiện:

: sóng bơm (pump wave)

: sóng tín hiệu (signal wave)

: sóng đệm (idler wave)

ni phụ thuộc vào nhiệt độ tinh thể, hướng tinh thể, điện trường…

2 31

1 + 2 = 3

n11 + n22 = n33

3

21

Trong hệ cộng hưởng có chiều dài L có chứa tinh thể phi tuyến, tần số các sóng 1

và 2 phải thỏa mãn cá hệ thức sau:

Xét sự thay đổi ni theo sự định hướng của tinh thể

Ln

cN

1

11

Ln

cN

2

22

Xét trường hợp ni thay đổi theo sự định hướng của tinh thể.

Giả sử, sóng 1 và 2 là tia thường, tương ứng với chiết suất

n10 và n20 còn sóng 3 là tia bất thường, n3 phụ thuộc góc θ

của tia sáng lập với quang trục. Ban đầu, biểu thức thỏa mãn

điều kiện hợp pha là:

2020101033 nnn

Giả sử tinh thể quay một góc Δθ khi đó n3 thay đổi, để thỏa mãn

điều kiện hợp pha thì 1, 2, n1, n2 thay đổi theo.

12

22020

11010

22020

11010

33030

33

nnn

nnn

nnn

Điều kiện hợp pha trở thành

Bỏ qua các số hạng bậc hai ΔnΔ, ta được: 2202201101103303 nnnnnn

2010

2201103311

nn

nnn

Vì n3 là hàm của θ, còn n1, n2 chỉ phụ thuộc tần số, nên ta có:

1

1

11

10

nn

2

2

22

20

nn

0

3

3

nn

Thay các biểu thức vi phân trên vào (3.3.21), ta được:

(3.3.24)

220

3102010

33

1

nnnn

n

Ct (3.3.24) biểu diễn sự biến đổi tần số 1 theo góc θ tạo bởi sóng bơm với trục của tinh thể.

Dùng biểu thức:

Và

Ta được:

2

2

2

0

2

2

sincos1

ee nnn

dxxx

d

32

21

2

0

23

33

33

112sin

2

nn

nn

e

Cuối cùng ta được biểu thức biểu diễn sự thay đổi của tần số sóng phát ra 1 theo góc θ:

(3.3.25)

2

220

1

3

102010

2

0

2

3

303

1

33

112sin

2

1

nnnn

nnn

e

III.PHÂN LOẠI DAO ĐỘNG THÔNG SỐ QUANG HỌC

OPOSRO

DRO

phân loại thông số quang học

phân loại thông số quang học

1. SRO(Singly Resonant Oscillator)

a.Khái niệm- Nếu BCH chỉ cho 1 sóng dao động, ta có máy phát dao động thông số cộng hưởng đơn(là

cộng hưởng tại một trong hai tín hiệu hoặc các bước sóng đệm, nhưng không cho cả hai.)

Singly-resonant oscillator (SRO)

Signal

Idler

Pump

31

2

b.Ưu, nhược điểm của SRO

- Đối với làn sóng không cộng hưởng, lưỡng sắc gương cộng hưởng hoặc một số quang

học phân cực dẫn đến tổn thất cộng hưởng cao, do đó có rất ít thông tin phản hồi quang.

- Biên độ và tần số ở lối ra ổn định.

Singly resonant

Threshold ~ 100s mW

phân loại thông số quang học

2. DRO(DOUBLY RESONANT OSCILLATOR)

A.KHÁI NIỆM

- NẾU BCH (BUỒNG CỘNG HƯỞNG) CHO 2 SÓNG DAO ĐỘNG, TA CÓ MÁY PHÁT DAO ĐỘNG THÔNG SỐ CỘNG

HƯỞNG KÉP

phân loại thông số quang học

Pump

Idler

Signal3 1

2

B.ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA DRO- CÔNG SUẤT BƠM NGƯỠNG THẤP HƠN NHIỀU .

- VIỆC ĐIỀU CHỈNH RẤT PHỨC TẠP: KHI NHIỆT ĐỘ TINH THỂ HOẶC BƠM BƯỚC SÓNG ĐƯỢC THAY

ĐỔI, TÍN HIỆU VÀ ĐỆM TRẢI QUA CÁC BƯỚC SÓNG NHẢY, VÀ ĐIỀU CHỈNH THƯỜNG LÀ KHÔNG

ĐƠN ĐIỆU.

Doubly resonant

Threshold ~ 10s mW

LASER

Nguyên lý

Electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử.

Bước sóng (màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức.

Mức năng lượng Quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân.

Electron ở bên ngoài. electron ở phía trong

Tác động vật lý

hay hóa học:

mức năng lượng thấp

mức năng lượng cao

Phát xạ

Hấp thụ

Phát xạ kích thích

Tính chất

- Độ định hướng cao:

- Tính đơn sắc rất cao:

- Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser (coherence):

LASER

Bộ Dao Động Thông Số Quang Học

Một nguồn sáng laser Hiện tượng khuếch đại thông số trong một tinh thể phi tuyến

tia laser đầu vào

(sóng bơm) với tần số ωp

Tổng số tần số sóng đầu ra bằng tần số sóng đầu vào: ωs+ ωi = ωp.

sóng tín hiệu (signal)

sóng mang (idler)

khi OPO suy biến, ωs+ ωi = ωp/2.

ĐIỂM CHUNG CỦA TIA LASER VÀ OPO

Laser và OPO là cả hai nguồn bức xạ kết hợp khi bơm có đủ năng lượng.

LASER: Hệ thống bơm tạo ra mật độ đảo từ đó tạo ra độ khuếch đại thông qua phát

xạ kích thích.

Hệ thống phụ thuộc vào cường độ bơm.

Pump

DAO ĐỘNG THÔNG SỐ QUANG HỌC (OPO)

Hệ thống bơm không tạo ra mật độ đảo, tức là môi trường trong suốt.

Hệ thống bơm phụ thuộc vào biên độ bơm.

Pump (0)

Signal (1)

Idler (2)

LASER VÀ OPO

Laser

• Sóng phát ra bị hấp thụ mạnh.

Hơn nữa laser là phần rất quan

trọng trong bơm quang học.

• Hệ thống bơm phụ thuộc vào

cường độ bơm.

Thông số quang

• OPOs, vật liệu là trong suốt cho

tín hiệu và sóng đệm. Khi có 1

máy bơm, thì nó sẽ khuếch đại

nhưng không có mật độ đảo.

• Ngoài ra hệ thống phụ thuộc vào

độ dịch pha, và biên độ.

LASER VÀ OPO

Laser

• Bước sóng phát xạ của hầu hết

các laser có thể được điều chỉnh

chỉ trong một phạm vi hẹp.

• Nhiều tia laser hoạt động với

nguồn bơm không gian rời rạc.

Thông số quang

• Nhiều dao động tham số cung

cấp khả năng điều chỉnh bước

sóng với phạm vi điều chỉnh rất

rộng

• Một dao động tham số đòi hỏi sự

gắn kết không gian tương đối

cao máy bơm của nó.

So sánh với laser

- Hoạt động với nguồn bơm không kết

hợp.

- Bước sóng phát xạ của hầu hết các chỉ có

thể được điều chỉnh trong một phạm vi

hẹp. - Yêu cầu thỏa điều kiện hợp pha

Điều kiện hợp pha xác định các bước sóng dao

động.

- Yêu cầu sự kết hợp tương đối cao với máy bơm.

- Điều chỉnh bước sóng với phạm vi rất rộng.

vùng khả kiến; viễn, cận hồng ngoại.

Laser: Dao động thông số:

Điều chỉnh bước sóng bằng cách thay đổi các điều

kiện hợp pha.

ví dụ: thay đổi nhiệt độ tinh thể, định hướng tinh

thể, điện trường, chiết suất,…

ỨNG DỤNG OPA

Do sự suy hao trên đường truyền trong sợi quang làm cho tín hiệu bị giảm khi truyền đi xa

Để khắc phục tình trạng này, người ta đã khuếch đại sóng tín hiệu trong sợi quang, nhằm tăng

công suất của tín hiệu quang trên đường truyền

Hệ số khuếch đại G = Pout/Pin = PL/Pin

(PL là khuếch đại trên chiều dài đường dây)

Khuếch đại tín hiệu bằng cách trộn 3 sóng:

Sử dụng nguồn bơm laser cường độ lớn chiếu vào môi

trường phi tuyến của sợi quang, kết hợp với sóng tín

hiệu → trộn các sóng → có sự truyền năng lượng từ

sóng bơm sang sóng tín hiệu

Cơ chế:

Khi sóng bơm có cường độ lớn chiếu vào

môi trường phi tuyến, do bức xạ tự phát →

xuất hiện nhiều sóng có tần số khác nhau

trong môi trường, nhưng chỉ sóng nào thỏa

mãn điều kiện đồng bộ pha với sóng tín

hiệu vào thì sẽ được khuếch đại

Tần số sóng ra:

Sử dụng hệ công thức Manley – Rowe

cho công suất

Từ hệ thức: → phần công suất bơm biến thành công suất

của sóng tín hiệu

Ngoài các ứng dụng chính làm bộ khuếch đại trên đường

truyền quang, OPA còn được sử dụng trong các bộ chuyển đổi

bước sóng giúp giải quyết các vấn đề tắc nghẽn bước sóng

trong các bộ kết nối chéo quang trong mạng WDM (wavelength

– division multiplexed).

ứng dụng dao động thông số quang học OPO

Các lĩnh vực ứng dụng tiềm năng của OPO rất đa dạng:

Trong quang phổ học và nhiều ứng dụng khoa học

khác có thể dùng OPO để che vùng phổ rất rộng

và cung cấp kết quả đầu ra thu hẹp độ rộng vạch

phổ và công suất cao.( cái này kiếm hình dùm nha

c không kiếm được chả bik lấy hình nào)

Một ứng dụng quân sự chung là thế hệ

của băng thông rộng ánh sáng năng

lượng cao trong vùng 3-5μm làm mù

tên lửa tìm nhiệt khi chúng tấn công

máy bay.

Trong đời sống nó còn được ứng dụng làm màn

hình chiếu kĩ thuật số.

Cũng không bik tìm hình nào tương ứng

ỨNG DỤNG CỦA DĐ TSQH (OPO) OPOs rất có lợi cho quang phổ và nhiều ứng dụng khoa học khác để che phủ

vùng phổ rộng, và để cung cấp đầu ra bề rộng hẹp và công suất lớn.

ỨNG DỤNG CỦA DĐ TSQH (OPO) Một ứng dụng phổ biến trong quân sự là tạo ra 1 dãy rộng ánh sáng có năng

lượng cao trong khu vực từ 3-5 μm để không nhìn thấy nhiệt tên lửa khi họ

tấn công máy bay.

OPO là 1 phần của nguồn năng cao RDB được sử dụng ví dụ như màn hình

chiếu kỹ thuật số.

ỨNG DỤNG CỦA DĐ TSQH (OPO)

TÌM HIỂU THÊM VỀ RDB Nguồn RDB là 1 nguồn sáng phát ra đồng thời phát ra ánh sáng màu đỏ,

xanh lá cây và xanh dương.

Cám ơn các bạn

đã quan tâm theo dõi

Cám ơn các bạn

đã quan tâm theo dõi

THANK YOU