1
Trờng đại học vinh

nguyễn văn định
KHO ST HIU NG LNG N NH
QUANG HC TRONG MễI TRNG CdSe
Cể CU TRC TUN HON
Luận văn thạc sĩ VậT Lý
nGHệ aN - 2013
2
Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học vinh

KHO ST HIU NG LNG N NH
QUANG HC TRONG MễI TRNG CdSe
Cể CU TRC TUN HON
Chuyên ngành: quang học
Mã số: 60.44.01.09
Luận văn thạc sĩ vật lý
Ngời hớng dẫn khoa học: ts.nguyễn văn phú
nGHệ aN - 2013
3
LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn, giúp đỡ của Thầy giáo -
Tiến sĩ Nguyễn Văn Phú. Qua đây tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và
kính trọng của mình đến Tiến sĩ Nguyễn Văn Phú, thầy đã tận tình chỉ bảo,
hướng dẫn, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình hoàn thành luận
văn.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa Vật lý,
Khoa Đào tạo Sau đại học Trường đại học Vinh, những người đã truyền thụ
cho tác giả những kiến thức bổ ích trong quá trình học tập, dẫn dắt tác giả

những hiện tượng quan trọng trong quang học và được quan tâm nghiên cứu
cả về mặt lý thuyết cũng như thực nghiệm.
5
Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng sự kết hợp giữa tính phi tuyến
(nonlinearity) và sự hồi tiếp (feedback) là hai nhân tố bắt buộc để có hiệu ứng
lưỡng ổn định. Hai nhân tố này hoàn toàn có thể thiết lập được trong quang
học. Khi tín hiệu quang học đi ra từ một môi trường phi tuyến được lái trở lại
và sử dụng nó để điều khiển khả năng truyền ánh sáng của chính môi trường,
nhờ đó đặc trưng lưỡng ổn định sẽ xảy ra [1].
Nghiên cứu về hiệu ứng lưỡng ổn định đã đưa đến những ứng dụng to
lớn trong thực tiễn, chẳng hạn ứng dụng để chế tạo các mạch logic, các
transistor, các bộ nén xung và các phần tử nhớ quang hay các yếu tố để xử lý
các tín hiệu dùng trong các máy tính quang học có tốc độ cực nhanh hay các
cổng quang học trong hệ thống thông tin cáp quang ngày nay…mà hoạt động
của chúng cùng dựa trên một cơ sở chung là hiệu ứng lưỡng ổn định quang
học [1]
Trong quá trình truyền dẫn bằng hệ thống thông tin quang, thiết bị
lưỡng ổn định quang học đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập một hệ
thống truyền toàn quang. Các linh kiện quang tử với tốc độ đáp ứng cao và
kích thước gọn nhẹ đã góp phần làm thay đổi phương thức truyền dẫn thông
tin truyền thống bằng cáp đồng trục. Nhờ đó, một khối lượng thông tin khổng
lồ bao gồm các tín hiệu hình ảnh, tín hiệu âm thanh được xử lý và truyền đi
một cách đồng thời.
Sự có mặt của các linh kiện này đã đưa đến một tương lai đầy hứa hẹn
cho thế hệ máy tính lượng tử khi đó các cổng điện tử, khóa điện tử và phần tử
nhớ điện tử trong máy tính điện tử hiện thời được thay bởi các linh kiện
quang tương ứng.
Khảo sát ảnh hưởng của các tham số đầu vào đến hiệu ứng lưỡng ổn
định là một trong những hướng nghiên cứu đang rất được quan tâm với mục
6

HỌC VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN QUANG
1.1. Môi trường phi tuyến.
Chiết suất của nhiều vật liệu quang học ngoài sự phụ thuộc vào bước
sóng còn phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng truyền qua nó, khi đó chiết
suất của môi trường trở thành chiết suất phi tuyến. Trong phần này chúng ta
sẽ khảo sát biểu diễn toán học của chiết suất phi tuyến và nghiên cứu các quá
trình vật lý dẫn tới hiệu ứng này.
Khi chùm ánh sáng đơn sắc có cường độ lớn rọi vào môi trường, chiết
suất của môi trường có thể biểu diễn bởi công thức [1] :
n = n
0

2
2
n E+
%
(1.1)
trong đó, n
0
là chiết suất của môi trường khi được chiếu bởi chùm sáng có
cường độ yếu và
2
n
là chỉ số khúc xạ bậc 2 (còn gọi là hằng số quang mới).
Biểu thức (1.1) cho thấy chiết suất của môi trường này tăng lên theo sự tăng
của cường độ. Dấu ngoặc nhọn bao quanh
2
E
%
biểu diễn trung bình theo thời

0

( )
2
2
2
ω
En
+
(1.4)
Công thức (1.1) và (1.4) mô tả sự thay đổi của chiết suất của môi trường
phi tuyến dưới tác dụng của chùm sáng có cường độ lớn.
Dưới tác động của trường ánh sáng có cường độ lớn các hiệu ứng phi
tuyến sẽ xẩy ra khi ánh sáng đi qua môi trường. Mỗi hiệu ứng phi tuyến gắn
với một thành phần phân cực bậc cao của môi trường. Hiệu ứng Kerr gắn với
thành phần phân cực bậc ba sau đây [1]:
P
NL
(
ω
) = 3
χ
(3)
(
ω
=
ω
+
ω
-

) + 3
χ
(3)
( )
2
ω
E
E(
ω
)
eff
χ
≡
E(
ω
) (1.6)
Trong đó
χ
eff
là độ cảm hiệu dụng của môi trường:
χ
eff
=
χ
(1)
+ 3
χ
(3)
|E(
ω

2
ω
E
(1.9)
Khai triển công thức (1.9) và bỏ qua số hạng vô cùng bé bậc cao của
2
)(
ω
E
ta
được:
n
0
2
+ 4n
0
( )
2
2
ω
En
= (1 + 4π
χ
(1)
) + (12π
χ
(3)
( )
2
ω

của chùm yếu với biên độ E(
ω
’). Độ phân cực phi tuyến tác động đến sóng
có dạng:
P
NL
(
ω
’) = 6χ
(3)
(
ω
’ =
ω
’ +
ω
-
ω
)
( )
2
ω
E
E(
ω
’) (1.13)
Chú ý hệ số suy giảm bằng 6 trong trường hợp này bằng 2 lần trường
hợp chùm đơn trong phương trình (1.5). Thật ra với trường hợp 2 chùm, hệ số
suy giảm bằng 6 nếu
ω

2
2
ω
En+
(1.14)
Ở đây:
0
)3(
(weak)
2
6
n
n
πχ
=
(1.15)
Như vậy, một sóng mạnh làm cho chiết suất của một sóng yếu cùng tần
số tăng lên gấp đôi so với chiết suất của riêng nó. Hiệu ứng này được biết như
là tính trễ của sóng yếu.
Một cách khác biểu thị mối quan hệ của chiết suất vào cường độ là
phương trình:
n = n
0
+ n
2
I (1.16)
ở đây I là cường độ trung bình theo thời gian của trường quang
I =
π
2

Từ (1.12) và (1.19), chúng ta tìm được n
2
quan hệ với
χ
(3)
theo công thức:
n
2
cn
2
0
2
12
π
=
χ
(3)
(1.20)
Ta thấy rằng sự thay đổi chiết suất dù là rất nhỏ, song với sự thay đổi
này cũng có thể dẫn đến thay đổi hiệu ứng quang học phi tuyến. Trên cơ sở
các hiệu ứng đó, vấn đề mà chúng tôi quan tâm ở đây là hiệu ứng lưỡng ổn
định quang học. Do đó lựa chọn môi trường Kerr với hệ số phi tuyến hợp lý
đưa vào hệ quang và tạo hiệu ứng phản hồi ngược (feedback) ta sẽ nhận được
một linh kiện lưỡng ổn định toàn quang (All-optical BistableDevice). Các hệ
quang này chủ yếu là các giao thoa kế hoặc là cấu trúc các lớp sắp xếp theo
chu kỳ [1].
1.2. Nguyên lý ổn định quang học
1.2.1 Hiệu ứng lưỡng ổn định quang học
Chiết suất của nhiều vật liệu quang học phụ thuộc vào cường độ của ánh
sáng truyền qua nó, khi đi qua môi trường thì nó gây ra nhiều hiệu ứng phi

chuyển theo nhánh dưới cho đến khi giá trị I
vao
đạt đến I
vao
= I
2
, khi đó dòng
truyền qua I
ra
sẽ nhảy lên nhánh trên của đồ thị. Vào thời điểm I
ra
đang nằm ở


13
nhánh trên của đường cong vào - ra, muốn trở về nhánh dưới thì cường độ I
vao
phải giảm xuống thấp hơn một giá trị tới hạn khác I
1
< I
2
. Như vậy một đường
cong trễ đã được xác lập. Ngoài hai giá trị tới hạn I
1
, I
2
thì hệ là ổn định quang
học [1].
1.2.2 Nguyên lý ổn định quang học
Hai nhân tố quan trọng cần thiết để chế tạo linh kiện lưỡng ổn định

[1].
Rõ ràng hệ này có đặc trưng lưỡng ổn định. Với cường độ vào nhỏ (I
vào
< I
1
) hoặc lớn (I
vào
> I
2
), mỗi giá trị vào chỉ ứng với một giá trị đầu ra. Trong
vùng trung gian I
1
< I
vào
< I
2
mỗi giá trị vào ứng với 3 giá trị ra, trong đó 2
giá trị của cường độ ở nhánh trên và nhánh dưới là các giá trị ổn định và giá
trị trung gian ở nhánh giữa là không ổn định được biểu thị bởi đường nét đứt
(trên đoạn I
1
- I
2
trên hình 1.4c là giá trị không ổn định). Nếu một thăng
giáng hoặc một nhiễu loạn nhỏ nào đó được thêm vào ở đầu vào sẽ làm cho
trạng thái đầu ra của hệ chuyển lên nhánh trên hoặc nhánh dưới của đồ thị.
)(
ra
ra
IT


DEF#
16
giảm nhỏ của I
ra
cũng gây ra sự giảm đột ngột của hàm truyền T(I
ra
) , do đó có
sự chuyển tiếp từ P xuống trạng thái ổn định nhánh dưới [1].
Như ta đã nghiên cứu ở trên, tính lưỡng ổn định có được nhờ quá trình
chuyển pha loại II trong quá trình vật lý. Sự chuyển pha trong các thiết bị
lưỡng ổn định điện - quang và quang - quang dựa trên sự thay đổi chiết suất
do cường độ mạnh của trường ngoài. Sự thay đổi chiết suất này dựa trên hiệu
ứng phi tuyến xẩy ra trong môi trường phi tuyến có độ cảm phi tuyến bậc ba.
Hiệu ứng thay đổi chiết suất này còn gọi là hiệu ứng Kerr và môi trường có
tính chất trên gọi là môi trường phi tuyến kiểu Kerr mà ta đã khảo sát ở phần
trên [1].
1.3 Một vài linh kiện lưỡng ổn định quang học
Một số giao thoa kế có chứa môi trường Kerr gọi là giao thoa kế phi
tuyến và chúng hoạt động như một linh kiện lưỡng ổn định.
Giao thoa kế Fabry-Perot phi tuyến tạo bởi hai gương quang học M
1
và
M
2
có hệ số phản xạ R
1
và R
2
tương ứng, đặt cách nhau một khoảng d. Giữa

I
2
 7&
J
α
17
Giao thoa kế Mach-Zehnder phi tuyến với môi trường phi tuyến tuân
theo hiệu ứng quang học Kerr trong một nhánh (hình 1.7). Môi trường phi
tuyến có độ dày d chiết suất tuyến tính n
0
và hệ số chiết suất phi tuyến n
2
đặt
giữa hai bản chia P
1
và P
2
có hệ số phản xạ 50% tương ứng (nhánh thứ nhất).
Hai gương M
1
và M
2
có hệ số phản xạ 100% đặt giữa hai bản chia (nhánh thứ
hai). Ánh sáng vào sau khi được chia bởi bản chia P
1
đi vào 2 nhánh có cường
độ như nhau. Trong nhánh thứ nhất ánh sáng truyền thẳng qua môi trường phi
tuyến tới bản chia P
2
, trong nhánh còn lại sau khi phản xạ bởi 2 gương M

++=
δ
λ
π
rara
In
d
IT
2
0
2cos
2
1
2
1
)(
với
( )
00
/2 nd
λπϕδ
+=

(1.22)
18
1.4 Ứng dụng của hiệu ứng lưỡng ổn định trong thông tin quang
Các thiết bị quang tử hoạt động dựa trên hiệu ứng lưỡng ổn định quang
học được gọi là thiết bị lưỡng ổn định. Như vậy để cho thiết bị lưỡng ổn định
hoạt động thì cần có hai điều kiện cơ bản, đó là hiệu ứng phi tuyến và sự phản
hồi ngược. Thiết bị lưỡng ổn định quang học (optical bistabble device) đã

phân rộng và được sử dụng như là các thiết bị khuếch đại (hình 1.9) hoặc có
thể sử dụng để làm phần tử ngưỡng ( đầu ra chuyển giữa hai giá trị khi đầu
vào vượt ngưỡng) phần tử nắn xung (hình 1.10).
Quá trình flip - flop trên hình 1.8 được giải thích như sau: tại thời
điểm 1 đầu ra thấp, xung dương tại thời điểm 2 đẩy đầu ra từ thấp lên cao.
Đầu ra sẽ ở trạng thái cao cho đến khi một xung âm đưa vào tại thời điểm 3 sẽ
hạ đầu ra quay trở lại trạng thái thấp. Hệ này hoạt động như là một khóa hoặc
một phân tử nhớ.
Đối với các phần tử lôgic sử dụng thiết bị lưỡng ổn định, các dữ liệu
nhị phân được thể hiện bằng các xung và được đưa đồng thời vào thiết bị. Với
C
KL
O7L
O7
&
Hình 1.9 P?)'*+)L2?')L&2/&97/2
Hình 1.10 P?)'*+2&&2/&Q7R>S&T%
&
O7L
&
KL
C
O7
20
sự lựa chọn chính xác độ cao xung phù hợp với các giá trị ngưỡng, hệ sẽ mở
hoặc đóng tùy thuộc tín hiệu đầu vào. Khi xuất hiện đồng thời hai xung thì
đầu ra nhảy lên trạng thái cao (hệ mở) và nó nhảy về trạng thái thấp (hệ đóng)
nếu điều kiện này không thỏa mãn. Vì thế, trong trường hợp này hệ hoạt động
như là một phần tử logic AND (hình 1.11) [1].
KL

định và đưa ra một vài thiết bị lưỡng ổn định hoạt động dựa trên hiệu ứng
này.
Lưỡng ổn định quang học đạt được dựa trên hai hiệu ứng: tính phi tuyến
và phản hồi ngược. Tính phi tuyến chúng tôi xét môi trường phi tuyến kiểu
Kerr, phản hồi ngược có thể tao ra trong buồng cộng hưởng có tính hồi tiếp
dương. Các hệ quang có tính lưỡng ổn định chủ yếu là các giao thoa kế phi
tuyến, hoặc là cấu trúc các lớp sắp xếp theo chu kỳ. Trong chương II của luận
văn này chúng tôi sẽ khảo sát về hiệu ứng lưỡng ổn định quang học trong
môi trường CdSe có cấu trúc tuần hoàn phi tuyến.
23
CHƯƠNG II. KHẢO SÁT HIỆU ỨNG LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG
HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG CdSe CÓ CẤU TRÚC TUẦN HOÀN
Như đã trình bày trong phần nội dung của chương I, môi trường phi
tuyến là một trong yếu tố góp phần đã tạo ra hiệu ứng lưỡng ổn định. Hiệu
ứng này có thể kiểm chứng được một cách đơn giản bằng thực nghiệm và dễ
dàng ứng dụng vào trong khoa học và trong những ngành công nghệ mới. Một
minh chứng rõ ràng nhất đó là sự thâm nhập mạnh của nó vào khoa học và
vào cuộc sống tạo nên những sự thay đổi mới về công nghệ. Các thiết bị linh
kiện có ứng dụng của hiệu ứng lưỡng ổn định đã ra đời với tốc độ phản ứng
cao và kích thước gọn nhẹ đã dần dần thay thế các linh kiện điện tử. Sự có
mặt của các linh kiện điện tử này đã thúc đẩy quá trình thương mại hóa và
góp phần vào việc hạ giá thành của việc truyền tải thông tin. Các thiết bị này
đã được chế tạo hoàn thiện về mặt công nghệ và đã được ứng dụng trong các
hệ thống thông tin đường dài. Đây là một vấn đề mới đang được phát triển
mạnh và trên thực tế đó là một bước phát triển cao hơn về mặt chất lượng của
hiệu ứng lưỡng ổn định.
Quang học phi tuyến nói chung và lưỡng ổn định nói riêng là một lĩnh
vực nghiên cứu khá rộng được nhiều người quan tâm. Mục đích của sự nghiên
cứu là nhằm làm sáng tỏ bản chất của hiện tượng lưỡng ổn định, đồng thời
phân tích ảnh hưởng của các tham số động học phi tuyến cũng như các tham

cập dưới đây.
Iin
Iref
Iout
E+(z)
E –"]
L
z
25
2.1. Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Mô hình cấu trúc phản hồi phân bố
Ta xét một cấu trúc phản hồi phân bố như được mô tả trên hình 2.1.
Trong cấu trúc này mật độ phân bố của các lớp vật liệu trong không gian có
chiết suất thay đổi tăng giảm có tính chất chu kỳ. Chùm ánh sáng tới cấu trúc
sẽ bị phản xạ một phần tại bề mặt các lớp và phần còn lại được truyền qua đi
ra khỏi cấu trúc. Chùm phản xạ không xuất hiện ở mép biên bên phải của cấu
trúc.
Hình 2.1. Mô hình cấu trúc phản hồi phân bố phi tuyến.
2.1.2 Hệ phương trình tốc độ
Xét cấu trúc phản hồi phân bố phi tuyến được mô tả như trên hình 2.1.
Cấu trúc bao gồm các lớp vật liệu xen kẽ nhau, mỗi lớp vật liệu có một hệ số
phi tuyến Kerr xác định. Chiết suất của các lớp vật liệu được viết dạng [6]:
n = n
0
+ n
nl
I (2.1)

Trích đoạn KẾT LUẬN CHUNG

---