BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN THỊ TIÊU NƯƠNG KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG HỌC TRONG TINH THỂ CHẤT KEO CỦA MƠI TRƯỜNG CĨ CẤU TRÚC TUẦN HỒN PHI TUYẾN MỘT CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÝ VINH, 12/20123 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN THỊ TIÊU NƯƠNG LỜI CẢM ƠN Luận văn 8/2011 hướng dẫn khoa học Tiến sĩ Nguyễn Văn Phú Tác giả xin trân trọng bày tỏ kính trọng, lịng biết ơn chân thành sâu sắc thầy giáo hướng dẫn, thầy tận tình dẫn dắt, bảo, quan tâm, động viên giúp đỡ tác giả từ bước suốt thời gian hoàn thành luận văn Đối với tác giả, học tập nghiên cứu hướng dẫn thầy niềm hạnh phúc lớn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy giáo khoa Vật lý anh/chị học viên lớp, người có đóng góp, ủng hộ quý báo thiết thực cho tác giả suốt thời gian làm luận văn, dành cho tác giả cổ vũ động viên nhiệt tình sống học tập Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn tới Ban Giám hiệu, Ban Chủ nhiệm Khoa Vật lý, phòng đào tạo sau đại học trường Đại Học Vinh tạo điều kiện tốt để tác giả hồn thành nhiệm vụ BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT LOĐ lưỡng ổn định quang học BSW độ rộng lưỡng ổn định quang học DFBS cấu trúc phản hồi phân bố au đơn vị MỤC LỤC Trang Mục lục……………………………………………………………………………… Danh mục chữ viết tắt………………………………………………………… Lời mở đầu…………………………………………………………………………1 Chương I: Các mơi trường có cấu trúc tuần hồn tuyến tính phi tuyến tính……4 1.1 Mơi trường tuần hồn tuyến tính……………………………… ………… 1.2 Môi trường phi tuyến hiệu ứng lưỡng ổn định quang học… ………… 1.2.1.Mơi trường có cấu trúc tuần hoàn phi tuyến………………….…………….9 1.2.2 Hiệu ứng lưỡng ổn định quang học………………………………….…… 13 1.3 Môi trường tinh thể chất keo…………….…………………………………20 1.4 Kết luận chương 1…………………………………………….………… 23 Chương II: Khảo sát đặc trưng LOĐQ môi trường tinh thể chất keo có cấu trúc tuần hồn phi tuyến chiều………………………………………… 24 2.1 Hệ phương trình kết hợp phi tuyến……………………………………… 24 2.2 Các đặc trưng LOĐQ môi trường tinh thể chất keo có cấu trúc tuần hồn phi tuyến chiều…………………………………………………………26 2.2.1 Phép chuyển quang học LOĐQ tinh thể chất keo……………… 27 2.2.2 Đường cong LOĐQ trường hợp cộng hưởng không cộng hưởng 29 2.2.3 Ảnh hưởng vài tham số cấu trúc lên đặc trưng ……………………31 2.2.3.1 Ảnh hưởng chiều dài hoạt chất………………………………………31 2.2.3.2 Ảnh hưởng chu kỳ cách tử………………………………………… 32 2.2.3.3 Sự phụ thuộc cường độ xạ truyền qua vào cường độ tới……….34 2.3 Kết luận chương……………………………………………………………36 Kết luận chung…………………………………………………………………….37 Tài liệu tham khảo……………………………………………………………… 38 LỜI MỞ ĐẦU Như biết hiệu ứng lưỡng ổn định quang học biết đến từ năm 70 kỷ 20 [6] Tính lưỡng ổn định quang học (LOĐQ) lần quan sát Natri năm 1976 [6], đến trở thành tượng quan trọng quang học quan tâm nghiên cứu mặt lý thuyết thực nghiệm Các kết nghiên cứu cho thấy kết hợp tính phi tuyến quang hồi tiếp điều kiện gây tượng LOĐQ Và hiệu ứng LOĐQ có ứng dụng to lớn thực tiễn, chẳng hạn ứng dụng để chế tạo mạch logic phần tử nhớ quang hay yếu tố để xử lý tín hiệu dùng máy tính quang học có tốc độ cực nhanh hay cổng quang học hệ thống thông tin cáp quang mà ngày [2, 7, 8] Các hệ LOĐQ thể vai trị nhiều chức logic thực tế Để điều khiển điều kiện làm việc, thiết bị LOĐQ dùng phần tử nhớ, transistor, phân liệt, hạn chế, mạch logic, phát sinh dao động tín hiệu hỗn loạn, nén xung…Trong đánh giá ứng dụng LOĐQ, đề tài đề cập điều khiển LOĐQ để hệ LOĐQ chuyển từ trạng thái ổn định sang trạng thái ổn định khác Hai trạng thái ổn định gọi cách tương ứng với mức logic, “0” “1” Do điều khiển LOĐQ cường độ ánh sáng tới yếu tố định việc đánh giá tính hữu ích q trình quang học Tính hữu ích chức có ý nghĩa tạo cấu hình với mật độ cao thiết bị thế, ứng dụng thiết bị vào mục đích thực tế cần thiết Hiện nay, phát triển vật lý công nghệ cấu trúc phản hồi phân bố DFBS khoa học vật liệu quang tử, vấn đề nghiên cứu LOĐQ hoạt động cấu trúc phản hồi phân bố DFBS tập trung nghiên cứu mặt lý thuyết thực nghiệm [310] Các kết nghiên cứu cho thấy hiệu ứng LOĐQ xuất hầu hết môi trường rắn, lỏng vật liệu bán dẫn DFBS Trong cơng trình [8] tác giả khảo sát thực nghiệm hiệu ứng LOĐQ DFBS với mơi trường phi tuyến tuần hồn cấu tạo tinh thể chất keo Các kết nghiên cứu cho thấy có phép chuyển quang học hiệu ứng LOĐQ ánh sáng tới có cường độ tới hạn Tuy nhiên, [8] kết khảo sát ảnh hưởng tham số cấu trúc (chiều dài hoạt chất, chu kỳ cách tử) hay cường độ ánh sáng tới lên đặc trưng LOĐQ môi trường tinh thể chất keo chưa công bố Vì việc nghiên cứu ảnh hưởng lên đặc trưng LOĐQ môi trường phi tuyến chiều góp phần hồn chỉnh tranh LOĐQ Với mục đích đó, luận văn xem môi trường cấu tạo tinh thể chất keo phân bố hồi tiếp phi tuyến để đặt vấn đề nghiên cứu “Khảo sát đặc trưng lưỡng ổn định quang học tinh thể chất keo mơi trường có cấu trúc tuần hoàn phi tuyến chiều” Xuất phát từ phương trình Maxwell, chúng tơi dẫn hệ phương trình kết hợp phi tuyến môi trường phi tuyến chiều để mô tả đặc trưng LOĐQ tinh thể chất keo Trong mơ hình chiều tinh thể chất keo chúng tôi, tham số khảo sát chiều dài hoạt chất, chu kỳ cách tử phụ thuộc cường độ xạ truyền qua vào cường độ ánh sáng tới Gần hệ phương trình liên kết phi tuyến áp dụng cho mơ hình tinh thể chất keo hai chiều, ba chiều hay nhiều chiều Ngoài phần mở đầu, kết luận danh mục tài liệu tham khảo, nội dung luận văn trình bày hai chương Ở chương I, nghiên cứu phương pháp lựa chọn bước sóng thơng qua q trình phản xạ Bragg, đồng thời trình bày tổng quan mơi trường tuần hồn tuyến tính mơi trường có cấu trúc tuần hồn phi tuyến tính chất chúng hiệu ứng LOĐQ môi trường phi tuyến để làm sở định hướng cho nghiên cứu Ở chương II, chúng tơi dẫn hệ phương trình kết hợp phi tuyến mô tả đặc trưng LOĐQ tinh thể chất keo theo mơ hình đề xuất luận văn Chúng khảo sát đặc trưng LOĐQ tinh thể chất keo có cấu trúc tuần hồn phi tuyến chiều Các kết nghiên cứu từ thực nghiệm đề cập chương để so sánh với kết tìm từ nghiên cứu phương pháp lý thuyết Với đặc tính ưu việt này, tinh thể chất keo nghiên cứu để đưa vào ứng dụng nghiên cứu khoa học Cuối phần kết luận chung nêu lên kết mang tính khoa học thực tiễn mà luận văn thu CHƯƠNG I CÁC MƠI TRƯỜNG CĨ CẤU TRÚC TUẦN HỒN TUYẾN TÍNH VÀ PHI TUYẾN TÍNH Trước đây, đến thập niên đầu kỷ 20 nghĩ mơi trường quang học có tính chất tuyến tính Những tính chất tuyến tính tập trung vào khẳng định sau: Các đặc trưng quang học chiết suất, hệ số hấp thụ không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng; Nguyên lý chồng chất xem nguyên lý quang học cổ điển; Tần số ánh sáng thay đổi q trình truyền lan mơi trường quang học; Ánh sáng tác động tương hổ lẫn Hai chùm ánh sáng vùng nhỏ mơi trường khơng tác động lên nhau, hay nói cách khác ánh sáng khơng thể khống chế ánh sáng Tuy nhiên phát triển laser năm 1960 cho phép khả kiểm chứng đặc trưng ánh sáng môi trường cường độ lớn nhiều so với trước Nhiều thí nghiệm cho thấy mơi trường có tính chất phi tuyến sau: Chiết suất môi trường tốc độ ánh sáng môi trường thay đổi theo độ lớn cường độ ánh sáng; Nguyên lý chồng chất bị phá vỡ; Tần số ánh sáng thay đổi truyền qua môi trường từ màu đỏ (red) đến xanh da trời (blue) Ánh sáng khống chế ánh sáng photon tương tác với Tính tuyến tính hay tính phi tuyến môi trường ánh sáng truyền qua thân ánh sáng Nghĩa tính chất phi tuyến khơng có ánh sáng truyền chân không Chỉ môi trường vật chất phi tuyến ánh sáng tác dụng với ánh sáng Như có mặt ánh sáng mạnh mơi trường làm thay đổi tính chất mơi trường, ánh sáng khác Sau giới thiệu môi trường cách cụ thể 1.1 Mơi trường tuần hồn tuyến tính Xét mơi trường điện mơi, đặc trưng mơi trường điện mơi có ánh sáng truyền qua mô tả quan hệ chặt chẽ véc tơ mật độ phân cực véc tơ điện trường Có thể xem véctơ phân cực đầu hệ, véc tơ điện trường đầu vào Hệ thức tốn học mơ tả quan hệ hàm véc tơ xác định đặc trưng mơi trường: (1.1) Trong số điện môi chân không, độ cảm điện mơi trường Mơi trường gọi tuyến tính phương trình tuyến tính Mơi trường tuyến tính đặc trưng quan hệ tuyến tính P trình bày hình 1.1 E Hình 1.1 Quan hệ P-E mơi trường tuyến tính Độ lớn mật độ phân cực tích mơ men phân cực riêng gây điện trường ngồi có độ lớn biên độ E mật độ mô men lưỡng cực riêng N Quan hệ E tuyến tính E nhỏ Hiện tượng giải thích nhờ mẫu Lorentz Trong mẫu , r độ chuyển dịch vị trí khối lượng m mang điện tích e, tác động lực điện -eE Khi lực đàn hồi tỉ lệ thuận với độ chuyển dịch, tức thỏa mãn định luật Hooke, độ chuyển dịch cân r tỉ lệ thuận với E; P tỉ lệ thuận với E môi trường tuyến tính Một chất khác đáp ứng môi trường với ánh sáng phụ thuộc mật độ N vào trường quang Khi điện trường ánh sáng sử dụng nhỏ nhiều so với trường tinh thể trường nguyên tử, hội tụ ánh sáng, hiệu ứng phi tuyến yếu không xảy Khi quan hệ P E gần tuyến tính trường hợp yếu Trong trường hợp phân tích hàm quan hệ P E theo dãy Taylor xung quanh giá trị E = 0: (1.2) Và sử dụng vài số hạng bậc thấp Các hệ số , đạo hàm bậc nhất, bậc hai bậc ba P theo E E=0 Các hệ số số đặc trưng môi trường Số hạng thứ tuyến tính gắn với trường yếu Rõ ràng , độ cảm tuyến tính liên quan với số điện môi chiết suất xác định hệ thức Số hạng thứ hai mô tả phi tuyến 10 Chiết suất phi tuyến n2 phụ thuộc cường độ ánh sáng tới, liên hệ với độ cảm phi tuyến bậc ba theo công thức: n2 = 12πχ(3)/n0 Chúng ta giả sử trường lan truyền cấu trúc có dạng: (2.2) A(z) B(z) biên độ sóng tới sóng phản xạ tương ứng Xem n1