Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser và khuếch đại quang trong buồng cộng hưởng liên kết với cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Khoa học vật liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Văn Ân NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG PHÁT XẠ LASER VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG TRONG BUỒNG CỘNG HƯỞNG LIÊN KẾT VỚI CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ 1D, 2D LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2020 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Văn Ân NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG PHÁT XẠ LASER VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG TRONG BUỒNG CỘNG HƯỞNG LIÊN KẾT VỚI CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ 1D, 2D Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử Mã số: 9 44 01 27 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Ngô Quang Minh 2. Phạm Văn Hội Hà Nội – 2020 luan an i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, trước hết tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn khoa học là PGS. Ngô Quang Minh và PGS.

Phạm Văn Hội, những người thầy đã định hướng cho tôi trong nghiên cứu khoa học, tận tình chỉ bảo và tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình từ các cán bộ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam như ThS. Phạm Thanh Bình, ThS. Phạm Văn Đại, ThS.

Hoàng Thu Trang, TS. Nguyễn Thúy Vân, TS. Vũ Đức Chính, TS. Phạm Thanh Sơn,… (Phòng Vật liệu và ứng dụng quang sợi, Viện Khoa học vật liệu) và TS.

Hoàng Thị Hồng Cẩm (Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội). Tôi xin chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu này. Xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô đồng nghiệp thuộc Khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại học Khoa học Huế, quý thầy cô lãnh đạo Nhà trường, những người đã luôn động viên, giúp đỡ và tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian làm luận án. Xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô và các anh chị em là đồng tác giả trong các công trình khoa học đã công bố và đã cho phép tôi sử dụng nội dung các công trình này trong bản Luận án của mình.

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ Bộ phận đào tạo sau đại học thuộc Viện Khoa học vật liệu, Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, những người đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện mọi thủ tục liên quan đến luận án. Cuối cùng, xin dành những lời cảm ơn tự đáy lòng mình đến những người thân của tôi, gia đình tôi, những người không quản ngại khó khăn, tạo mọi điều kiện và luôn động viên tôi về tinh thần để tôi có động lực hoàn thành luận án này. luan an ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong bản Luận án được trích dẫn từ một số bài báo đã được xuất bản của tôi và các đồng tác giả.

Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án NCS. Nguyễn Văn Ân luan an iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. i LỜI CAM ĐOAN.

ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. vii DANH MỤC CÁC BẢNG. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LASER.

Giới thiệu về cấu trúc tinh thể quang tử. Vùng cấm quang trong cấu trúc 2D-PhC. Vùng Brillouin, mode điện trường ngang và mode từ trường ngang. Mode điện trường ngang (TE) và mode từ trường ngang (TM).

Vùng cấm quang của 2D-PhC mạng hình vuông và mạng hình tam giác 12 1. Vùng cấm quang của 2D-PhC mạng hình vuông. Vùng cấm quang của 2D-PhC mạng hình tam giác. Dẫn sóng và giam giữ sóng trong cấu trúc 2D-PhC.

Ống dẫn sóng (Waveguide). Bộ cộng hưởng quang học (Optical Resonator). Cộng hưởng dẫn sóng (GMR) trong cấu trúc 2D-PhC. Cộng hưởng dẫn sóng, mode đối xứng (Even) và phản đối xứng (Odd).

Hệ số truyền qua và hệ số phản xạ của GMR cho bởi 2D-PhC. Quá trình quang học trong buồng vi cộng hưởng dạng cầu ứng dụng trong chế tạo laser vi cầu thủy tinh silica pha tạp Er3+. 18 luan an iv 1. Thủy tinh silica pha tạp ion đất hiếm.

Mode vọng hành lang (WGM) của vi cầu điện môi. Mô tả định tính các mode vi cầu. Các mode và trường của một vi cầu điện môi. Lời giải số của các phương trình trạng thái.

Các phương pháp kết cặp vi cầu với kênh dẫn sóng. Ứng dụng cấu trúc 1D-PhC trong sợi quang (FBG) để phát triển cảm biến quang. Đặc tính của sợi quang thủy tinh silica pha tạp Er3+. Cảm biến quang sợi trên cơ sở cấu trúc 1D-PhC trong sợi quang (FBG) 38 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.

CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Các mô hình lý thuyết kết cặp buồng cộng hưởng - dẫn sóng. Lý thuyết kết cặp cộng hưởng - dẫn sóng. Kết cặp vi cộng hưởng - hai ống dẫn sóng.

Kết cặp vi cộng hưởng - ống dẫn sóng khi xét đến tán xạ ngược. Phương pháp tính toán mô phỏng. Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (FDTD). Phương pháp khai triển sóng phẳng (PWE).

Điều kiện biên và sự hội tụ của thuật toán. Phương pháp chế tạo vi cầu thủy tinh silica và FBG. Chế tạo vi cầu thủy tinh silica bằng phương pháp phóng điện hồ quang 60 2. Chế tạo FBG sử dụng kỹ thuật quang khắc.

Một số cấu hình thực nghiệm khảo sát phổ phát xạ laser. Khảo sát hiệu ứng phát xạ của laser vi cầu silica pha tạp Er 3+. Cấu hình hệ cảm biến chất lỏng sử dụng e-FBG. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM).

65 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG MỘT SỐ LINH KIỆN QUANG HỌC SỬ DỤNG CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ HAI CHIỀU. Vùng cấm quang cho bởi cấu trúc phiến 2D-PhC. Dẫn sóng trong mặt phẳng sử dụng cấu trúc phiến 2D-PhC.

Kênh dẫn sóng W1 và sự phân bố điện trường trong kênh dẫn sóng. Kênh dẫn sóng khe và sự phân bố điện trường trong kênh dẫn sóng. Bộ lọc sóng quang học dựa trên hiệu ứng cộng hưởng dẫn sóng (GMR). Cấu trúc mạng đơn.

Cấu trúc mạng kép. Cấu trúc 2D-PhC sau khi thiết kế thêm các hố không khí hình trụ tròn. Cấu trúc 2D-PhC sau khi thiết kế thêm các hố không khí khối hộp chữ nhật. 86 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.

PHÁT XẠ LASER CỦA VI CẦU TRÊN NỀN SILICA PHA TẠP Er3+, LINH KIỆN QUANG TỬ VÀ HƯỚNG ỨNG DỤNG. Kết quả chế tạo vi cầu silica pha tạp Er3+ bằng phương pháp phóng điện hồ quang. Phổ phát xạ của laser vi cầu silica pha tạp Er3+ kết cặp với nguồn bơm và đầu thu bằng sợi quang. Kết cặp vi cầu silica pha tạp Er3+ với sợi quang hình chóp nón.

Phổ phát xạ laser WGM của một số vi cầu có kích thước khác nhau. Laser WGM của vi cầu silica pha tạp Er3+ đường kính cỡ 38,5 m 103 4. Laser WGM của vi cầu silica pha tạp Er3+ đường kính cỡ 29,7 m 105 4. Mô phỏng mode vọng hành lang (WGM) của vi cầu silica.

107 luan an vi 4. Mode WGM của vi cầu kích thước 38,5 m. Mode WGM của vi cầu kích thước 29,7 m. Tính toán các bộ số mode lượng tử (l, n) bằng phương pháp số.

Linh kiện quang tử tích hợp vi cầu và 2D-PhC dẫn sóng. Đề xuất thiết kế. Mô phỏng phổ đặc trưng của linh kiện quang tử tích hợp. Linh kiện cảm biến trên cơ sở cấu trúc 1D-PhC trong sợi quang (FBG).

Thiết bị cảm biến sử dụng hai FBG tích hợp trong cấu hình laser vòng 115 4. Quy trình đo chiết suất dung dịch. Xây dựng đường chuẩn bước sóng phản xạ - nhiệt độ cho re-FBG 119 4. Xây dựng đường chuẩn bước sóng phản xạ - chiết suất cho e-FBG121 4.

Kiểm chứng thiết bị cảm biến đã xây dựng. Một số kết quả thử nghiệm. 123 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4. 126 KẾT LUẬN CHUNG.

127 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU. 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 130 luan an vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 1 Dimension, 2 Dimension, 3 1D, 2D, 3D 1 chiều, 2 chiều, 3 chiều Dimension Anti-phased Lattice Collective Cộng hưởng tập hợp mạng ngược ALCR Resonance pha Amplified Spontaneous ASE Phát xạ tự phát được khuếch đại Emission CCW Counter Clock Wise Ngược chiều kim đồng hồ CIR Circulator Bộ luân chuyển hướng truyền CON Connector Điểm kết nối CW Clock Wise Cùng chiều kim đồng hồ EBL Electron Beam Lithography Khắc chùm điện tử Cách tử Bragg trong sợi quang e-FBG Etched Fiber Bragg Grating được ăn mòn FBG Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg trong sợi quang Finite-Difference Time- FDTD Sai phân hữu hạn miền thời gian Domain FWHM Full Width at Half Maximum Độ bán rộng phổ GMR Guided-Mode Resonances Cộng hưởng dẫn sóng In-phased Lattice Collective Cộng hưởng tập hợp mạng đồng ILCR Resonance pha ISO Isolator Bộ cách ly LOD Limit of Detection Giới hạn phát hiện MIT Electromagnetic Phần mềm mô phỏng sự lan truyền MEEP Equation Propagation điện từ trường của MIT Massachusett Institute of MIT Viện Công nghệ Massachusett Technology Phần mềm mô phỏng các dải dẫn MPB MIT Photonic-Bands cho bởi cấu trúc quang tử của MIT OSA Optical Spectrum Analyzer Máy phân tích quang phổ OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu quang học PBG Photonic Band Gap Vùng cấm quang PhC Photonic Crystals Tinh thể quang tử PML Perfectly Matched Layer Lớp hấp thụ hoàn hảo luan an viii PS Power Splitter Bộ chia công suất PWE Plane Wave Expansion Khai triển sóng phẳng QED Quantum ElectroDynamic Điện động lực lượng tử RIU Refractive Index Unit Đơn vị chiết suất SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét SOI Silicon on Insulator Silic trên lớp vật liệu cách điện TE Transverse Electric Điện trường ngang TM Transverse Magnetic Từ trường ngang UHQ Ultra High Quanlity Phẩm chất cực cao Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước WDM Multiplexing sóng WGM Whispering Gallery Mode Mode vọng hành lang S Microsphere Vi cầu luan an ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Giá trị các tham số của phổ cộng hưởng Fano phụ thuộc tham số Bảng 3.