NGUYỄN THANH TƯỜNG VŨ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH _ NGUYỄN THANH TƯỜNG VŨ HAI SÓNG ÂM TRUYỀN VNG GĨC VỚI NHAU PHÂN BỐ CHIẾT SUẤT MÔI TRƯỜNG BIẾN ĐIỆU BỞI PHÂN BỐ CHIẾT SUẤT MÔI TRƯỜNG BIẾN ĐIỆU BỞI HAI SĨNG ÂM TRUYỀN VNG GĨC VỚI NHAU LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ KHOÁ 21 Nghệ An, 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH _ NGUYỄN THANH TƯỜNG VŨ PHÂN BỐ CHIẾT SUẤT MƠI TRƯỜNG BIẾN ĐIỆU BỞI HAI SĨNG ÂM TRUYỀN VNG GĨC VỚI NHAU Chun ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS HỒ QUANG QUÝ Nghệ An, 2015 LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS TS Hồ Quang Quý, định hướng tận tình hướng dẫn để tơi hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm khoa sau đại học, khoa vật lý thầy giáo, cô giáo giúp đỡ, giảng dạy trình học tập thực luận văn Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn quan tâm, chăm sóc động viên gia đình, đồng nghiệp bạn học viên cao học khoá 21 đồng hành, tạo điều kiện giúp tơi hồn thành tốt việc học thực luận văn TP.HCM, tháng 06 năm 2015 Tác giả MỤC LỤC Danh mục thuật ngữ viết tắt Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HIỆU ỨNG QUANG ÂM Hiệu ứng quang âm 1.1.1 Lịch sử hình thành phát triển hiệu ứng quang âm 1.1.2 Hiệu ứng quang âm Linh kiện biến điệu quang âm 13 Linh kiện quét tia quang âm 15 Khóa quang âm 17 Kết luận chương 20 CHƯƠNG 2: PHÂN BỐ CHIẾT SUẤT MƠI TRƯỜNG BIẾN ĐIỆU BỞI HAI SĨNG ÂM TRUYỀN VNG GĨC VỚI NHAU 21 Sự thay đổi chiết suất tác động hai sóng 21 Khảo sát phân bố chiết suất (RID) mặt phẳng (x,y) 22 Kết luận chương 32 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN Kí hiệu viết tắt AO AOM AOML RID GRIN Nghĩa từ viết tắt Quang âm (Acousto-optics) Linh kiện biến điệu quang âm (Acousto-optics modulator) Khoá mode quang âm (Acousto-optics mode locker) Phân bố chiết suất (Refractive index distribution) Chiết suất phân bậc (Graded index) DANH MỤC HÌNH VẼ Tên hình vẽ Hình 1.1 1.2 1.3 a Léon Nicolas Brillouin (1889-1969); b Venkata Raman (18881970), c Satyendra Nath Bose (1925-1974) Tương tác sóng âm sóng ánh sáng mơi trường Sự nén giãn phân tử môi trường tác động sóng âm Trang 9 1.4 Nhiễu xạ Raman-Nath 10 1.5 Nhiễu xạ Bragg 11 1.6 Cách tử Bragg 11 1.7 Khúc xạ Bragg 12 1.8 Biến điệu quang âm 14 1.9 Khóa quang âm 15 1.10 Hai tia lệch so với tia tới pháp tuyến cách tử 15 1.11 Quét tia sáng cách thay đổi tần số hướng sóng âm 16 1.12 Góc quét phụ thuộc vào tần số 16 1.13 Phân tích phổ âm 17 1.14 Một số kiểu khóa 18 1.15 Một số kiểu khóa 18 1.16 Khóa quang – âm x cổng 20 2.1 Môi trường quang âm tác động hai sóng âm truyền vng góc 21 2.2 Sự phân bố chiết suất (RID) Gallium Arsenide 23 2.3 Ma trận thấu kính quang –âm mơi trường 24 2.4 Một đường trịn vùng có kích thước  /   / 24 2.5 RID vùng có kích thước  /   / 25 2.6 Đồ thị biểu diễn RID tinh thể Thạch Anh I = 5MW/m2 26 2.7 Đồ thị biểu diễn RID tinh thể Gallium Phosphide I = 5MW/m2 27 2.8 Đồ thị biểu diễn RID tinh thể Germanium I = 5MW/m2 28 2.9 Đồ thị biểu diễn RID tinh thể Thạch Anh I = 2,5 MW/m2 29 2.10 2.11 2.12 Đồ thị biểu diễn RID tinh thể Gallium Phosphide I = 2,5 MW/m2 Đồ thị biểu diễn RID tinh thể Germanium I = 2,5 MW/m2 Đồ thị thể phụ thuộc biên độ biến thiên chiết suất mơi trường theo cường độ sóng âm sử dụng 30 31 32 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Quang học, âm học có lịch sử hình thành phát triển dài từ thời Hy Lạp cổ đại, trải qua thời kỳ phục hưng thời đại Ngược lại, hiệu ứng quang âm (acousto-optics) lại có tuổi đời non trẻ so với quang học âm học Khởi đầu với Brillouin, ơng dự đốn tượng nhiễu xạ ánh sáng sóng âm lan truyền môi trường tương tác, vào năm 1922 Sau đó, điều kiểm chứng thí nghiệm Debye-Sears Lucas-Biquard vào năm 1932 Nói chung, hiệu ứng quang âm thay đổi chiết suất môi trường truyền sáng diện sóng âm mơi trường Sự thay đổi này, phát qua tượng khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ giao thoa Biến điệu quang âm (acousto optics modulation) tượng vật lý, đó, chiết suất mơi trường biến điệu sóng âm để trở thành cách tử Bragg tán xạ ánh sáng Linh kiện biến điệu quang âm (AOM) sử dụng lăng kính có chiết suất thay đổi Khi đó, ánh sáng đơn sắc khúc xạ qua với góc thay đổi theo chiết suất Trong cách tử Bragg biến điệu âm, góc khúc xạ tia sáng phụ thuộc vào cường độ bước sóng sóng âm Trong linh kiện biến điệu quang âm cổ điển, sóng âm đưa vào môi trường theo chiều định (cách từ Bragg chiều), thực chất biến điệu chiết suất môi trường theo chiều Các linh kiện biến điệu quang âm sử dụng việc biến điệu độ phẩm chất (Q-switching), khóa mode (mode locking), hay biến điệu lượng chùm tia laser máy in, Bài toán đặt ra, thiết bị quang tử, việc điều khiển tín hiệu quang mặt phẳng hai chiều, tức khóa đóng mở tín hiệu N x N cổng cần thiết Khóa quang – âm x cổng Khi thay đổi tần số sóng âm theo trục x (hoặc trục y), cột đầu (hoặc dòng đầu ra) thay đổi Vì lý đó, chúng tơi định chọn đề tài “Khảo sát phân bố chiết suất môi trường biến điệu hai sóng âm truyền vng góc với nhau” Tổng quan đề tài Khảo sát phân bố chiết suất mơi trường biến điệu hai sóng âm truyền vng góc với nhằm giúp ích cho việc điều khiển tín hiệu quang mặt phẳng hai chiều thiết bị quang tử Mục tiêu nghiên cứu Khảo sát phân bố chiết suất môi trường biến điệu hai sóng âm truyền vng góc với nhau, ảnh hưởng vài tham số tần số âm (f), bước sóng âm (Λ), cường độ âm (I0) hay hệ số đặc trưng môi trường (M) lên phân bố chiết suất Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng: chiết suất môi trường truyền sáng bị biến điệu sóng âm Phạm vi: Đề tài nghiên cứu vấn đề chiết suất mơi trường biến điệu hai sóng âm truyền vng góc với Nội dung nghiên cứu Chương 1: Cơ sở lý thuyết hiệu ứng quang âm 1.1 Hiệu ứng quang âm 1.2 Linh kiện biến điệu quang âm 1.3 Linh kiện quét tia quang âm 1.4 Khóa quang âm Chương 2: Phân bố chiết suất mơi trường biến điệu hai sóng âm truyền vng góc với 2.1 Sự thay đổi chiết suất tác động hai sóng 2.2 Khảo sát phân bố chiết suất mặt phẳng (x,y) Phương pháp nghiên cứu Kết hợp tổng hợp tài liệu và sử dụng phương pháp đồ thị để khảo sát CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HIỆU ỨNG QUANG ÂM Hiệu ứng quang âm 1.1.1 Lịch sử hình thành phát triển hiệu ứng quang âm Sự đời phương pháp kích thích sóng âm đơn sắc tần số cao kết hợp với nguồn ánh sáng đơn sắc mở lĩnh vực sáng tạo cho nghiên cứu ứng dụng tương tác hai sóng đơn sắc Những hiệu ứng với tham gia ánh sáng đơn sắc sóng âm đơn sắc gọi tượng quang âm Còn ngành nghiên cứu tượng quang âm học Quang học, âm học có lịch sử hình thành phát triển dài từ thời Hy Lạp cổ đại, trải qua thời kỳ phục hưng thời đại Ngược lại, hiệu ứng quang âm lại có tuổi đời non trẻ so với quang học âm học Khởi đầu với Brillouin, ơng dự đốn tượng nhiễu xạ ánh sáng sóng âm lan truyền mơi trường tương tác, vào năm 1922 Sau đó, lần điều kiểm chứng thí nghiệm hai cặp đơi nhà khoa học Debye-Sears LucasBiquard vào năm 1932 Các trường hợp đặc biệt nhiễu xạ bậc đầu tiên, góc tới định (cũng dự đoán Brillouin) quan sát Row năm 1935 Năm 1937, Raman Nath thiết kế mơ hình lý tưởng tương tác nhiều bậc nhiễu xạ Sau đó, mơ hình phát triển Pariseau với bậc nhiễu xạ vào năm 1956 20 Hình 1.16 Khóa quang – âm x cổng [1] Kết luận chương Hiệu ứng quang âm tượng thay đổi chiết suất môi trường tác động sóng âm, hệ thay đổi hướng chùm laser truyền qua Hiệu ứng ứng dụng nhiều công nghệ laser cơng nghệ thơng tin máy tính lượng tử Trong nghiên cứu trước đây, kết chủ yếu tập trung vào biến điệu chiết suất theo chiều Riêng biến điệu chiết suất hai chiều đề xuất cho khóa NxN cổng mà chưa có nghiên cứu cụ thể Trong thời gian gần đây, tác giả Hồ Quang Quý Nguyễn Văn Thịnh đề cập đến biến điệu chiết suất hai chiều môi trường quang âm ứng dụng cho mảng kìm quang học động hai chiều Để hiểu rõ vấn đề này, chương trình bày phân bố hai chiều chiết suất ảnh hưởng số tham số lên phân bố 21 CHƯƠNG 2: PHÂN BỐ CHIẾT SUẤT MƠI TRƯỜNG BIẾN ĐIỆU BỞI HAI SĨNG ÂM TRUYỀN VNG GÓC VỚI NHAU Sự thay đổi chiết suất tác động hai sóng Xét mơi trường quang âm (AOM) có độ dày d hình Hai sóng siêu âm pha truyền theo hướng x y môi trường với vận tốc, tần số bước sóng Sóng âm tạo lực căng học liên quan đến dao động phân tử dạng sóng truyền vận tốc đặc trưng môi trường (vận tốc âm thanh) Sự căng vị trí x thời gian t có biểu thức: 𝑆(𝑥, 𝑡) = 𝑆0 cos(Ω𝑡 − 2𝜋𝑥/Λ + 𝜑𝑥 ) (2.1) Với S biên độ, tần số góc, pha ban đầu Cường độ âm (W/m2) là: IS  gVs S0 (2.2) Với g khối lượng riêng [9] Hình 2.1 Môi trường quang âm tác động hai sóng âm truyền vng góc Tương tự sóng siêu âm truyền theo phương x, sóng theo phương y gây căng vị trí y thời gian t: S ( y, t )  S0cos(t  2 y /    y ) (2.3) Do hai sóng giao thoa với nhau, từ phương trình (2.1) (2.3) căng toạ độ (x, y) thời gian t: S ( x, y, t )  S0 cos(t  2 x /   x )  cos(t  2 y /    y )  (2.4) 22 Xét hai sóng pha x   y  đồng thời tần số sóng âm bé nhiều so với tần số sóng ánh sáng, đó, đáp ứng mơi trường sóng âm chậm nhiều so với đáp ứng mơi trường sóng laser phương trình (2.4) bỏ qua thành phần gắn với tần số sóng âm rút gọn sau: S ( x, y)  S0 cos(2 x / )  cos(2 y / ) (2.5) Sự căng S ( x, y) gây thay đổi chiết suất môi trường, tương tự hiệu ứng Kerr, thay đổi chiết suất mơ tả sau: n  x, y     n3 S ( x, y ) (2.6) Với  số quang đàn hồi, n chiết suất mơi trường AOM khơng có sóng âm Khi đó, mơi trường có chiết suất : n  x, y   n  n0 cos  2 x /    cos  2 y /   (2.7) Biên độ: n0 g n3 S0 MI s (2.8) Với: M g n6 gVs3 (2.9) Dựa vào biểu thức (2.7) đến (2.9) khảo sát phân bố chiết suất mặt phẳng môi trường ảnh hưởng tham số tần số cường độ sóng âm hệ số đặc trưng M lên phân bố Khảo sát phân bố chiết suất (RID) mặt phẳng (x,y) Chúng ta khảo sát phân bố chiết suất tinh thể Gallium Arsenide (GaAs) có: Hệ số đặc trưng: M = 104.10-15 m2/W Chiết suất n = 3,375 (với bước sóng ánh sáng 1,15 μm) Cường độ sóng siêu âm IS = MW/m2 23 Tần số sóng siêu âm FS = 350.106 Hz Thay vào (2.8), độ thay đổi chiết suất ∆n0 ≈ 5.10-4 Sự phân bố chiết suất (RID) mặt phẳng (x,y) với sóng siêu âm có tần số Fs = 350.106 Hz với vận tốc Vs = 5340 m/s [11] thể hình 2.2 (đơn vị x y Λ = 15,26 𝜇𝑚) Có thể thấy GaAs xuất ma trận 2D đường trịn vùng có kích thước  / 2  / , có RID giống (hình 2.3) Ở đường trịn (hình 2.4), chiết xuất đạt đến giá trị cực đại n = 3,371 phần trung tâm giá trị cực tiểu n = 3,37 phần rìa vịng trịn Điều có nghĩa đường trịn mơi trường vừa đề cập trở thành mơi trường có chiết suất phân bậc (GRIN) Vì thế, mơi trường GRIN gọi thấu kính quang âm ∆n0 Hình 2.2 Sự phân bố chiết suất (RID) Gallium Arsenide 24 Hình 2.3 Ma trận thấu kính quang –âm mơi trường Hình 2.4 Một đường trịn vùng có kích thước  / 2  / 25 ∆n0 Hình 2.5 RID vùng có kích thước  / 2  / Từ phuơng trình 2.7, ta sử dụng đồ thị khảo sát phân bố chiết suất số loại vật liệu như: Thạch Anh (SiO2), Gallium Phosphide (GaP) Germanium (Ge) Sử dụng sóng siêu âm có tần số f = 550 MHz cường đồ I = 5MW/m2 cho loại vật liệu ta thu được: Thạch Anh: Tinh thể Thạch Anh có hệ số M = 1,56.10-15 m2/W, chiết suất n = 1,46 Sóng siêu âm truyền Thạch Anh có vận tốc Vs = 5960 m/s [11] Từ ta xác định chiết xuất có biên độ ∆n0 ≈ 6,25.10-5 Phân bố chiết suất (RID) tinh thể Thạch Anh biểu diễn qua đồ thị hình 2.6 26 ∆n0 ∆n0 Hình 2.6 Đồ thị biểu diễn RID tinh thể Thạch Anh I = 5MW/m2 Ta nhận thấy chiết suất cực đại tinh thể Thạch Anh n=1,46013 chiết suất cực tiểu n=1,45991 Gallium Phosphide: 27 Tinh thể Gallium Phosphide có hệ số M = 44.10-15 m2/W, chiết suất n = 3,3 Sóng siêu âm truyền Gallium Phosphide có vận tốc Vs = 6300 m/s [11] Từ ta xác định chiết xuất có biên độ ∆n0 ≈ 3,32.10-4 RID tinh thể Gallium Phosphide biểu diễn đồ thị hình 2.7 ∆n0 ∆n0 Hình 2.7 Đồ thị biểu diễn RID tinh thể Gallium Phosphide I = 5MW/m2 28 Ta nhận thấy chiết suất cực đại tinh thể Gallium Phosphide n = 3,3007 chiết suất cực tiểu n = 3,2997 Germanium: Tinh thể Germanium có hệ số M = 180.10-15 m2/W, chiết suất n = Sóng siêu âm truyền Germanium có vận tốc Vs = 5500 m/s [11] Ta có biên độ ∆n0 ≈ 6,7.10-4 Phân bố chiết suất tinh thể Germanium biểu diễn đồ thị hình 2.8 ∆n0 ∆n0 Hình 2.8 Đồ thị biểu diễn RID tinh thể Germanium I = 5MW/m2 29 Ta nhận thấy chiết suất cực đại tinh thể Germanium n = 4,0013 chiết suất cực tiểu n = 3,9988 Vẫn với Thạch Anh (SiO2), Gallium Phosphide (GaP), Germanium (Ge) Gallium Arsenide (GaAs), ta thay đổi cường độ sóng siêu âm thành I = 2,5 MW/m2 Khảo sát phân bố chiết suất, ta thu kết sau: Thạch Anh: Ta xác định chiết xuất Thạch Anh lúc có biên độ ∆n0 ≈ 4,4.10-5 ∆n0 ∆n0 Hình 2.9 Đồ thị biểu diễn RID tinh thể Thạch Anh I = 2,5 MW/m2 30 Ta nhận thấy chiết suất cực đại tinh thể Thạch Anh n = 1,46009 chiết suất cực tiểu n = 1,45994 Gallium Phosphide: Chiết xuất Gallium Phosphide lúc có có biên độ ∆n0 ≈ 2,35.10-4 Sự phân bố chiết suất tinh thể Gallium Phosphide biểu diễn đồ thị hình 2.10 ∆n0 ∆n0 Hình 2.10 Đồ thị biểu diễn RID tinh thể Gallium Phosphide I = 2,5 MW/m2 31 Ta nhận thấy chiết suất cực đại tinh thể Gallium Phosphide n = 3,3005 chiết suất cực tiểu n = 3,2998 Germanium: Lúc này, chiết xuất Germanium có biên độ ∆n0 ≈ 6,7.10-4 Sự phân bố chiết suất tinh thể Germaniumđược biểu diễn qua đồ thị hình 2.11 ∆n0 ∆n0 Hình 2.11 Đồ thị biểu diễn RID tinh thể Germanium I = 2,5 MW/m2 32 Ta nhận thấy chiết suất cực đại tinh thể Germanium n = 4,0010 chiết suất cực tiểu n = 3,9991 Từ công thức công thức 2.8, ta khảo sát phụ thuộc biên độ biến thiên chiết suất môi trường Gallium Arsenide (GaAs), Thạch Anh (SiO2), Gallium Phosphide (GaP) Germanium (Ge) theo cường độ sóng âm sử dụng Hình 2.12 Đồ thị thể phụ thuộc biên độ biến thiên chiết suất môi trường theo cường độ sóng âm sử dụng Từ hình 2.12, nhận thấy, biên độ dao động chiết suất khơng phụ thuộc vào cường độ sóng âm mà cịn phụ thuộc vào đặc trưng mơi trường Kết luận chương Từ khảo sát phân bố chiết suất thực loại vật liệu khác tác dụng sóng siêu âm với cường độ khác nhau, ta nhận thấy ta có hai yếu tố làm thay đổi phân bố chiết suất (RID) vật liệu tần số cường độ sóng âm Tần số sóng âm làm thay đổi chu kỳ lặp (thay đổi bước sóng sóng âm mơi trường) cường độ số đặc trưng làm thay đổi biên độ biến đổi chiết suất 33 KẾT LUẬN Luận văn trình bày tổng quan hiệu ứng quang âm, ứng dụng dụng linh kiện quang âm khác Từ tạo tảng lý thuyết, làm sáng tỏ cần thiết việc khảo sát tượng trường hợp có hai sóng âm truyền vng góc trình bày chương II Chúng tơi đề xuất cấu hình biến điệu chiết suất mơi trường hai sóng âm truyền vng góc với Biểu thức mơ tả phụ thuộc chiết suất vào bước sóng (tần số), cường độ sóng âm hệ số đặc trưng môi trường dẫn Chúng thực khảo sát phân bố chiết suất bốn môi trường cụ thể Thạch Anh (thủy tinh nóng chảy nồng độ cao), Gallium Arsenide, Gallium Phosphide Germanium Kết cho thấy với môi trường khác cho ta biên độ biến điệu chiết suất khác Từ lựa chọn mơi trường tối ưu cho ứng dụng, tức biên độ biến thiên lớn tốt Đồng thời, chu kỳ phân bố chiết suất cịn phụ thuộc vào bước sóng sóng âm, tức phụ thuộc vào biên độ sóng âm, đại lượng điều khiển từ bên Hơn nữa, biên độ biến điệu phụ thuộc vào cường độ sóng âm, đại lượng điều khiển từ bên ngồi Do đó, tăng biên độ biến điệu chiết suất mơi trường cách tăng cường độ sóng âm sử dụng mơi trường có hệ số đặc trưng thấp 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồ Quang Quý, Chu Văn Lanh, Đoàn Hoài Sơn, Mai Văn Lưu (2013), Cơ sở quang tử học, Đại học Quốc gia Hà Nội [2] Hồ Quang Quý (2007), Quang phi tuyến ứng dụng, ĐHQG Hà Nội [3] Trần Bá Chữ (2002), Laser quang phi tuyến, NXB Đại học quốc gia Hà Nội [4] N Đại Hưng, P.Văn Thích (2005), Thiết bị Linh kiện Quang học, Quang phổ, Laser NXB Đại học quốc gia Hà Nội [5] D J McCarron (2007), A Guide to Acousto-Optic Modulators [6] Adrian Korpel, Marcel Dekker (1988), Acousto-optics, Wiley [7] L N Magdich (1989), Acousto-optic Devices and Their Applications, CRC Press [8] Wild.G, Hinckley.S (2007), Fibre Bragg Grating Sensors for Acoustic Emission and Transmission Detection Applied to Robotic NDE in Structural Health Monitoring, ECU Publications [9] Bahaa E A Saleh, Malvin Carl Teich (2007), Fundamentals of Photonics, 2nd Edition, Wiley [10] Clifford R Pollock, Michal Lipson (2003), Integrated Photonics, Springer [11] A Korpel (1988), Acousto-Optics, Marcel Dekker.Inc, New york ... sát phân bố chiết suất môi trường biến điệu hai sóng âm truyền vng góc với nhau, ảnh hưởng vài tham số tần số âm (f), bước sóng âm (Λ), cường độ âm (I0) hay hệ số đặc trưng môi trường (M) lên phân. .. phân bố chiết suất Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng: chiết suất môi trường truyền sáng bị biến điệu sóng âm Phạm vi: Đề tài nghiên cứu vấn đề chiết suất môi trường biến điệu hai sóng âm truyền. .. phân bố 21 CHƯƠNG 2: PHÂN BỐ CHIẾT SUẤT MƠI TRƯỜNG BIẾN ĐIỆU BỞI HAI SĨNG ÂM TRUYỀN VNG GĨC VỚI NHAU Sự thay đổi chiết suất tác động hai sóng Xét mơi trường quang âm (AOM) có độ dày d hình Hai