Nghiên cứu các tính chất động học của laser VI cộng hưởng ngẫu nhiên dạng cầu và dạng thoi trên cơ sở thuỷ tinh pha tạp ion đất hiếm Er

Nghiên cứu các tính chất động học của laser VI cộng hưởng ngẫu nhiên dạng cầu và dạng thoi trên cơ sở thuỷ tinh pha tạp ion đất hiếm Er

Bộ giáo dục đào tạo viện khoa học công nghệ Việt nam Viện Vật lý Bùi Văn thiện Nghiên cứu tính chất động học laser vi Cộng hởng ngẫu nhiên dạng cầu v dạng thoi Cơ sở thuỷ tinh pha tạp ion đất er Chuyên ngành: Vật lý chất rắn MÃ số: 62.44.07.01 Tóm tắt luận án tiến sĩ Hà Nội - 2009 Công trình đợc hoàn thành tại: Viện Vật Lý Viện khoa Häc VËt liƯu ViƯn Khoa Häc C«ng NghƯ ViƯt Nam Ngời hớng dẫn khoa học 1: PGS.TS Phạm Văn Héi Ng−êi h−íng dÉn khoa häc 2: PGS.TS Ph¹m Thu Nga Ph¶n biƯn 1: GS TSKH Nguyen Xuaan Phucs Ph¶n biƯn 2: GS TS Vur Van Hungf Ph¶n biƯn 3: GS TSKH Tran Bas Chuwur Luận án đợc bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Nhà nớc Viện Vật Lý Vào hồi ngày tháng 2009 Có thể tìm hiểu Luận án tại: Th viện Quốc gia Hà Nội DANH MC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN VÀ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Pham Van Hoi, Le Ngoc Chung, Chu Thi Thu Ha, Nguyen Thu Trang, Bui Van Thien (2005) "Fibre-taped-coupled highly Er-doped silica-alumina glass micro-sphere lasers", J Comm.in phys., 15, pp 136-142 Le Ngoc Chung, Chu Thi Thu Ha, Nguyen Thu Trang, Pham Thu Nga, Pham Van Hoi, Bui Van Thien (2006), "High-power micro-cavity lasers based on highly Erbium-doped sol-gel aluminosilicate glasses", J Materials Science & Engineerings B, 131, pp.27-31 Pham Van Hoi, Ha Xuan Vinh, Chu Thi Thu Ha, Pham Thu Nga, Nguyen Thu Trang, Bui Van Thien (2007), "High-Concentration Er3 doped aluminosilicate glass toroidal microcavity lasers: Fabrication and optical properties", Asean Journal on Science & Technology for development, 24, 1&2, pp 15-19 Chu Thi Thu Ha, Nguyen Thu Trang, Bui Van Thien, Pham Van Hoi (2008), Erbiumdoped Silica Alumina glass toroidal microcavity lasers, Proc of SPIE Vol 6872-19 SPIE Photonics West, 21st -22nd January, pp 84 Pham Van Hoi, Ha Xuan Vinh, Bui Van Thien, Dang Xuan Cu, Ngo Ngoc Quang (2008), Microcavity lasers with ultra-narrow spectra for fiber-optic communications, Paper submitted to IVth National Symposium on ICT rda.08.Hanoi-August 8-9 Chu Thi Thu Ha, Bui Van Thien, Ha Xuan Vinh, Le Minh Hieu, Tran Thi Cham, Pham Van Hoi (2008), Toroidal microcavity lasers based on Er-doped silica-alumina glasses, International Conference on Advanced Technologies for Conmmunications, HaNoi Vietnam, October 6-9, pp 384-387 Bui Van Thien, Ha Xuan Vinh, Chu Thi Thu Ha, Tran Thi Cham, Pham Van Hoi (2008), Ultra-narrow spectra laser in micro-cavity: Fabrication method and lasing emssion properties International workshop on Photonic & Appli cati ons (IWPA) Nha Trang Vietnam, sept 14 Pham Van Hoi, Bui Van Thien, Ha Xuan Vinh, Chu Thi Thu Ha, Tran Thi Cham, (2008), High Q-factor micro-cavity lasers: Fabrication and lasing emission properties, APCTP-ASEAN Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (AMSN) Nhatrang Vietnam-September 15-21, pp 174-179 MỞ ĐẦU Trong công nghệ thông tin quang đại, kỹ thuật ghép nhiều bước sóng sợi quang nghiên cứu ứng dụng mạnh mẽ Để ghép nhiều kênh thông tin sợi quang, cần phải có laser phát đơn mode với độ rộng phổ cực hẹp cỡ Δλ < 0,1 nm vị trí - 10 dB phổ xạ laser Những năm gần đây, laser vi cộng hưởng xạ mode laser cực hẹp đối tượng nghiên cứu quan tâm đặc biệt công nghệ thông tin quang, cảm biến quang có độ phân giải cao [75],[78],[99] Trong thời gian qua, nghiên cứu laser vi cộng hưởng dạng cầu đĩa đẩy mạnh nhiều phịng thí nghiệm quang tử giới nhằm chế tạo nguồn laser có độ rộng phổ cực hẹp đến 10 KHz vùng bước sóng 1550 nm cho thơng tin quang cảm biến quang [75],[76] Ngồi nghiên cứu vật liệu công nghệ chế tạo, nghiên cứu tập trung buồng cộng hưởng điện động lực lượng tử (quantum electrodynamics cavity QED) [120],[129], quang phi tuyến môi trường giam giữ ánh sáng cực hẹp điều khiển trình phát mode WGM [50],[75] Độ phẩm chất buồng cộng hưởng vi cầu dạng rắn đạt đến 1010 [31],[84] Các loại laser vi cầu dạng rắn, laser sở vật liệu thuỷ tinh pha tạp đất Nd, Er Er: Yb chứng tỏ có khả ứng dụng với độ phẩm chất cao (Q > 108) Sandoghdar cộng [61],[134] thu laser vi cầu thuỷ tinh pha tạp Nd với ngưỡng xạ 200 nW Cai cộng [27-29] chế tạo laser vi cầu thuỷ tinh P2O5: SiO2 pha tạp Er: Yb có cơng suất xạ mode WGM cao Vahala cộng [12],[143] trình bày kết có hiệu ứng xạ laser mặt cầu phủ lớp thuỷ tinh SiO2 pha tạp Er chế tạo sol - gel, xạ băng C (1525 - 1560 nm) Xiang Peng cộng [120] chế tạo laser vi cầu hiệu suất cao thuỷ tinh tullurite xạ băng L (1560 - 1610 nm) Hiện nay, số nghiên cứu tập trung nâng cao công suất xạ mode WGM cấu hình laser cải tiến vật liệu [117] Chúng chọn lựa nghiên cứu chế tạo khảo sát laser vi cộng hưởng dạng cầu, dạng thoi sử dụng vật liệu thuỷ tinh silica pha tạp Er3+ với lý do: Vật liệu quang tử tự chế tạo được, phương pháp chế tạo laser dạng cầu khơng phức tạp, ứng dụng nghiên cứu vật liệu giảng dạy Chúng kết hợp nghiên cứu phát triển vật liệu thuỷ tinh pha tạp đất nồng độ cao với nghiên cứu chế tạo linh kiện quang tử kích thước micron [121-127] Chúng chọn tên luận án là: "Nghiên cứu tính chất động học laser vi cộng hưởng ngẫu nhiên dạng cầu dạng thoi sở thủy tinh pha tạp ion đất Er " Trong luận án, nghiên cứu tổng quan tính chất xạ hấp thụ vật liệu quang tử chứa ion đất Er nồng độ cao Đó vật liệu thuỷ tinh pha tạp đất (RE) Er nồng độ cao có đồng pha tạp oxyt nhôm Al2O3, để nâng cao hiệu suất phát quang vùng 1550 nm Nghiên cứu trình quang học buồng vi cộng hưởng, mật độ trạng thái buồng vi cộng hưởng dạng cầu, dạng thoi Nghiên cứu phương pháp chế tạo laser cộng hưởng ngẫu nhiên dạng cầu thoi kỹ thuật nóng chảy nhiệt Đây phương pháp có hiệu quả, phù hợp với điều kiện Việt Nam Nghiên cứu kỹ thuật chế tạo đầu bơm thu nhận mode xạ từ vi cầu, vi thoi Cuối nội dung quan trọng nghiên cứu tìm hiểu chế động học xạ hấp thụ laser vi cộng hưởng phụ thuộc vào độ dài cộng hưởng, kích thước đường kính cầu Nghiên cứu hướng xạ laser cộng hưởng theo hướng bơm, thu nhận mode laser từ đầu thu tương thích Nghiên cứu phụ thuộc phổ xạ công suất xạ, ngưỡng xạ vào công suất bơm Đây hướng nghiên cứu giới để tìm kiếm loại laser phát đơn mode với phổ cực hẹp, cơng suất đủ lớn có cấu trúc nhỏ , tiến tới chế tạo linh kiện quang tích hợp Phương pháp nghiên cứu là: tổng quan lý thuyết tiến hành thực nghiệm, nhằm chế tạo laser vi cộng hưởng dạng cầu thoi xạ đơn mode có phổ cực hẹp, cơng suất cao tiến hành khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến mode xạ công suất xạ Bằng phương pháp nhiệt phóng điện hồ quang chế tạo thành công laser vi cầu, vi thoi Việt nam chế tạo thành công đầu sợi quang vuốt nhọn dạng chóp nón để bơm thu nhận mode WGM từ vi cầu, vi thoi Kết có ý nghĩa lớn việc nghiên cứu chế tạo linh kiện quang tử phục vụ cho lĩnh vực thông tin quang, cảm biến quang quan tâm nhiều nước giới Bố cục luận án phần mở đầu, kết luận gồm chương Mở đầu: nêu lý chọn đề tài, mục tiêu đề tài, nội dung, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học đề tài chương gồm có: Chương 1: Tính chất quang thủy tinh pha tạp đất nồng độ cao Chương 2: Các trình quang học buồng vi cộng hưởng Chương 3: Nghiên cứu chế tạo laser vi cầu, vi thoi sở thủy tinh pha tạp Er 3+ nồng độ cao Chương 4: Nghiên cứu ghép nối buồng cộng hưởng laser với nguồn bơm đầu thu Chương 5: Nghiên cứu xác định điều khiển cấu trúc phổ thu góp laser vi cầu, vi thoi Cuối phần kết luận, đề nghị tài liệu tham khảo CHƯƠNG TÍNH CHẤT QUANG CỦA THỦY TINH PHA TẠP ĐẤT HIẾM NỒNG ĐỘ CAO 1.1 Giới thiệu chung thủy tinh pha tạp đất nồng độ cao Thuỷ tinh vật liệu có nhiều ứng dụng vật liệu quang học nghiên cứu Đặc biệt công nghệ viễn thông, sợi quang pha tạp ion đất (Er, Nd, Pr ) hứa hẹn nhiều ứng dụng lĩnh vực công nghệ cao Chúng sử dụng để chế tạo laser sợi, laser khối, khuếch đại quang sợi, laser chuyển đổi ngược sang vùng ánh sáng nhìn thấy Để tăng khả phân tán ion đất mạng thủy tinh Silica, ta sử dụng Al2O3 pha đồng thời vào SiO2 Các ion Al3+ sử dụng vào mạng thủy tinh loại ion làm biến đổi mạng, có vai trò làm giãn lớp liên kết Si-O làm tăng khả phân tán tăng nồng độ ion Er3+ vào mạng SiO2-Al2O3 Hình 1.3 h.1.4 mơ tả xếp cấu trúc cục xung quanh ion Er3+ thuỷ tinh SiO2 -Al2O3 Hình 1.3 a) Tinh thể SiO2 b) Thủy tinh SiO2 c) Thủy tinh SiO2 pha tạp Hình 1.4 Sự xếp Er3+, O-2 Al3+trong mạng thuỷ tinh SiO2Al2O3 1.2 Tính chất quang ion đất thuỷ tinh 1.2.1 Cấu trúc điện tử nguyên tử nguyên tố đất : Các ion đất có tính chất quang đặc biệt, khác với ion tích cực quang khác: chúng xạ hấp thụ dải bước sóng hẹp, thời gian sống trạng thái giả bền lớn, hiệu suất lượng tử cao Do ion đất có vai trị quan trọng lĩnh vực nghiên cứu chế tạo quang tử Các ion đất thuộc nhóm Lantan thường có hố trị +3 pha tạp vào lõi quang sợi đóng vai trị làm tăng ích quang Do lớp 4f bị che chắn lớp vỏ bên nằm sát 5s2 5p6 nên trình ion hố, electron tách khỏi lớp điện tử tạo thành ion có hố trị +3 trình xảy electron nằm lớp vỏ 4f Vì dịch chuyển quang học khơng hồn tồn phụ thuộc vào mạng tinh thể vật liệu 1.2.2 Các mức lượng dịch chuyển xạ: ion đất hệ nhiều điện tử mức lượng ion đất xảy chế dịch chuyển xạ Trong trạng thái electron đơn đặc trưng giá trị lượng tử là: n số lượng tử chính, l số lượng tử quĩ đạo, m số lượng tử từ, s số lượng tử spin Đối với nguyên tử ion, trạng thái lượng tử electron đơn viết thành biểu thức có dạng n 2S + LJ , Một cách chặt chẽ mức lượng ion đất thu được, ta giải phương trình Schrođinger trường tinh thể, Hamitonian cho ion đất riêng biệt viết dạng : H = Hfree ion + Hion - Staticlattic + Vion - dynamiclattic + VEM + Vion - ion (1.1) Việc giải phương trình Schrodinger cho ta hàm sóng lượng ion đất mạng 1.2.3 Sự dập tắt nồng độ: dập tắt nồng độ giảm hiệu suất lượng tử ion tăng nồng độ ion loại đó, nồng độ ion tăng làm tăng q trình khơng xạ Hiện tượng xảy trình truyền lượng nào, dẫn đến mát lượng kích thích, nguyên nhân chủ yếu yếu tố sau: truyền lượng ion, phục hồi ngang chuyển đổi ngược tương tác 1.3 Phổ ion Er3+ 1.3.1 Giản đồ lượng Các khuếch đại quang bước sóng 1550 nm dựa sợi quang Silica pha tạp Er3+ có vị trí quan trọng thơng tin quang Vì ion đất Er3+ tác giả nghiên cứu nhiều Các dịch chuyển hấp thụ xạ khác ion Er3+ trình bày hình (1.9) Hình 1.9 Giản đồ mức lượng dịch chuyển liên quan ion Er3+ Có thể thấy rõ xạ mạnh nằm vùng bước sóng 1540 nm, tương ứng với dịch chuyển I13 / → I15 / Đây chuyển dịch quan trọng ion Er3 Đặc điểm bật ion Er3+ mức lượng I13 / có thời gian sống dài mức siêu bền (thời gian sống trung bình khoảng 10 ms) Thời gian sống dài cho phép tạo nghịch đảo độ tích luỹ mức I13 / mức I15 / nhờ ta có hoạt động laser khuếch đại quang hai mức 1.3.2 Thời gian sống Thời gian sống nguyên tử mức kích thích tỷ lệ nghịch với xác suất mà ion khỏi mức kích thích đơn vị thời gian Quá trình phân rã mật độ tích luỹ tập hợp ion mức kích thích cho trước tuân theo quy luật hàm mũ với số thời gian thời gian sống 1.3.3 Tiết diện hiệu dụng Tiết diện hiệu dụng đặc trưng cho khả ion hấp thụ xạ chúng liên hệ với hệ số Einstein A B Tiết diện hiệu dụng chuyển dời mức ion thể xác suất chuyển dời xuất với đồng thời xạ hấp thụ Với hai trạng thái cho trước với hai mức lượng tương ứng E1 E2 (E1 < E2) xác suất chuyển dời hấp thụ photon lượng (E2 - E1) tỷ lệ với tiết diện hấp thụ σ12 xạ tỷ lệ với tiết diện xạ σ21 1.4 Lựa chọn bước sóng bơm quang học thích hợp cho Er3+ Chúng xét dải bơm: dải bơm 800 nm, 980 nm, 1480 nm Chúng lựa chọn dải bơm 980 nm để bơm quang cho laser vi cầu, vi thoi vì: dịch chuyển 4I15/2 →4I11/2 tương ứng với dải hấp thụ 970 980 nm Các khuếch đại laser bơm dải có chế độ làm việc tốt với hệ số khuếch đại hiệu suất khuếch đại xác định giới hạn ồn nhiễu lượng tử khoảng 3dB, công suất lớn hiệu suất chuyển đổi lượng tử đạt 90% Ngưỡng bơm cho chuyển dời tương đối thấp 1.5 Kết luận chương1 Chương này, chúng tơi tìm hiểu tính chất quang ion Er3+ pha tạp thủy tinh, phân bố đặc biệt điện tử lớp vỏ 4f, từ có nhiều tính chất quang quan trọng xảy Chúng xét tới mức lượng dịch chuyển xạ ion đất ảnh hưởng mạng khác Xét sơ đồ mức lượng ion Erbium cho thấy xạ bước sóng 1540 nm làm cho vật liệu thủy tinh pha tạp Er3+ trở thành vật liệu lý tưởng cho thiết bị thông tin quang nghiên cứu phổ hấp thụ xạ Er3+, thời gian sống mức lượng, tiết diện hấp thụ xạ ion Er3+ thủy tinh khác nhau, lựa chọn dải bơm 980 nm để bơm cho laser vi cầu, vi thoi sở thủy tinh pha tạp Er3+là phù hợp CHƯƠNG CÁC QUÁ TRÌNH QUANG HỌC TRONG BUỒNG VI CỘNG HƯỞNG Chương đề cập tới vấn đề ánh sáng truyền môi trường buồng vi cộng hưởng, sở lý luận để giải thích trình truyền sáng vi cầu, vi thoi có đường kính cỡ vài chục lần bước sóng Các buồng vi cộng hưởng có dạng hình cầu, thoi, đĩa có mặt cong vi cấu trúc giam giữ ánh sáng tốt Các sóng ánh sáng gần bị phản xạ toàn phần bề mặt truyền dọc theo chu vi hình cầu Nếu chúng thỏa mãn điều kiện kết hợp pha sau hết vịng chu vi hình cầu sóng đứng cộng hưởng xuất Các cộng hưởng gọi "các cộng hưởng phụ thuộc hình thái học (Morphology Dependent resonances- MDRs)" tần số cộng hưởng phụ thuộc mạnh vào thơng số kích thước Các mode cộng hưởng thường gọi "Whispering Gallery Mode (WGM)" 2.1 Các buồng vi cộng hưởng hệ mesoscopic mở Thuật ngữ buồng vi cộng hưởng sử dụng hệ trung bình (mesoscopic) giải thích sau: gọi kích thước dài hệ a bước sóng đặc trưng λ, thơng số kích thước: X ≈ a/λ (2.1) Với giá trị X phân ba trường hợp với giả thiết xạ có λ ≈ μm Thứ hệ có kích thước cỡ phân tử ngun tử, a ≈ 1nm, X >1 áp dụng quang hình Phơton coi chất điểm Cuối buồng vi cộng hưởng có kích thước a ≈1-100μm (là hệ trung bình-mesoscopic) Khi X khơng đủ nhỏ để hệ coi điểm không đủ lớn để phôtôn xem điểm Hệ thu hút nhiều quan tâm kích thước hệ vào cỡ bước sóng đặc trưng Trong trường hợp X lớn (X>100) sử dụng quang hình thích hợp nhiên phải có hiệu chỉnh Mặt khác buồng vi cộng hưởng hệ mở, Khi tính đến ghép nối lối lượng bên buồng vi cộng hưởng liên tục bị suy hao bên ngồi Do đó, phương diện vật lý, buồng vi cộng hưởng khơng bảo tồn (nonconservative), cịn mặt tốn học tốn tử khơng hecmitic (non-hermitian) Các q trình quang học buồng vi cộng hưởng có hiệu ứng mà hầu hết phát thay đổi mode buồng vi cộng hưởng 2.2 Các hệ mô hình đơn giản 11 khơng khí Hệ số phẩm chất Q xác định thời gian giam giữ photon bên MDR Hệ số Q MDR tỷ lệ với tỷ số lượng tích trữ lượng mát −1 −1 −1 rò rỉ xạ thời gian vòng bên vi cầu [61]: Q −1 = Qrad + Qs−.1 + Qcont + Qmat s −1 (3.6) Qrad suy hao xạ bên Qs−.1 suy hao tán xạ bề mặt không đồng s −1 −1 −1 Qcont suy hao bề mặt bị bẩn Qmat suy hao vật liệu Qrad triệt tiêu theo hàm mũ với kích thước tăng bỏ qua D/λ ≥ 50 ( D - đường kính vi cầu, λ - bước sóng) Qs−.1 phổ biến cho cầu kích thước trung bình, theo[31],[61] s Qs.s= 2πns λ2 D 2πn s ≅ 3.1010 (3.9) Ví dụ: với thuỷ tinh SiO2 (3.7); Qmat= (3.8); Qmat = 2 αλ λ s α 2n σ B không pha tạp ion đất hiếm, thông số Q xác định biểu thức (3.8) bước sóng 1550nm (với α = 0,2 dB/km hệ số suy hao quang thuỷ tinh) 3.3.4 Các mode quang hình cầu điện môi Các mode quang hạt cầu điện môi tính cách giải phương trình Helmholtz tọa độ cầu, mode quang giải xấp xỉ hàm sóng vơ hướng lời giải chia làm hai trường hợp TM TE Các mode TE chiếm trường điện vng góc với bề mặt hình cầu ( Eφ = Eθ = ), mode TM chiếm trường từ song song với bề mặt hình cầu ( H φ = H r = ) Kết là, phân bố trường điện mode TE tập trung tia (bán kính) Sự phân bố cường độ mode WGM vi cầu Một công thức hữu ích đề cập [135], vị trí cộng hưởng gần dẫn cách khai triển gần phương trình đặc trưng theo bậc l -1/3 Bốn số hạng khai triển cho bởi: ω nmlp c ⎡l + tn ⎛ l + ⎞ 2 ⎟ ⎢ = − ⎜ na R ⎢ m m⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎣ 1/ + ⎛l + ⎞ ⎟ +⎜ ⎜ ⎟ m −1 ⎝ ⎠ −p −1 / (t ) n ⎛l + ⎞ ⎟ + O⎜ ⎜ ⎟ 20m ⎝ ⎠ −2 / ⎤ ⎥ ⎥ ⎦ (3.15) Trong phương trình m số khúc xạ tương đối m = na/ns (na số môi o trường bên ngồi hình cầu), l số mode cực, tn không bậc n hàm Airy o Ai (−tn ) = (và ứng với mode bán kính bậc n) p hệ số liên quan tới phân cực Vùng phổ định nghĩa khoảng cách số mode cực xác định biểu thức [135]: Δ ω FSR ≡ ω nml − ω nml + ≈ l >> −2 / ⎛ l ⎜ − tn naR ⎜ m ⎝ c ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ (3.17) 12 Với vi cầu đề cập luận án này, bước sóng cộng hưởng định xứ vùng cửa sổ viễn thông Chúng sử dụng công thức (3.17) mode bán kính n = 1, o ( tn = 1) mode cực thấp (l = 2) λ = 1550 nm, tính tốn giá trị vùng phổ tự ΔλFSR laser vi cầu có đường kính thay đổi từ 20 - 140 µm Kết tính tốn vùng phổ tự trình bày hình 3.8 Với đường kính cầu tăng lên, vùng phổ tự mode xạ giảm dần theo qui luật 1/R Các kết so sánh với thực nghiệm chương luận án *Thể tích mode vi cầu: định nghĩa thể tích mode chiếm giữ mật độ lượng phân bố đồng thể tích mode ta tính thể tích mode theo cơng thức gần bằng: V m , sphere ⎧ 02 D 11 / (λ / n )7 / ≅⎨ 11 / (λ / n )7 / ⎩1 08 D TE TM (3.20) Trong D đường kính cầu Chúng tơi sử dụng cơng thức (3.20) để tính thể tích mode cực l xạ bước sóng 1550 nm Kết tính tốn trình bày hình 3.9 Các kết tính tốn thể tích mode sử dụng để chế tạo đầu thu góp Vùng phổ tự (nm) Thể tích mode (μm3) tín hiệu WGM xạ từ laser vi cầu trình chương Đường kính cầu (μm) Hình 3.8 Kết tính tốn vùng phổ tự ΔλFSR = |λnml -λnml+1| cho mode (n = 1, l Đường kính cầu (μm) Hình 3.9 Thể tích mode cực l, xạ λ = 1550 nm phụ thuộc đường kính 3.4 Kết luận chương : Trong chương trình bày phương pháp chế tạo vi cầu, vi thoi từ vật liệu thủy tinh silica -alumino pha tạp ion Er nồng độ cao theo phương pháp sol - gel Vật liệu lựa chọn để chế tạo pha tạp Er nồng độ từ 1250 ppm 13 đến 13000 ppm Chúng lựa chọn phương pháp nóng chảy nhiệt hồ quang chùm laser CO2 công suất để chế tạo vi cầu thủy tinh vi thoi phương pháp phù hợp có hiệu điều kiện Việt Nam Những vi cầu có chất lượng tốt, bề mặt hồn hảo Kích thước hạt cầu chế tạo có đường kính từ 40 - 200 μm Bằng kính hiển vi điện tử có độ phân giải nm, khơng phát thấy khuyết tật hình thái bề mặt vi cầu Chúng tơi tiến hành đánh giá độ phẩm chất Q vi cầu thông qua chế mát vi cầu, độ phẩm chất đạt tới cỡ >2.108 Chúng xác định vùng phổ tự khoảng cách mode cực phụ thuộc vào số mode cực kích thước vi cầu, với bước sóng cộng hưởng định xứ vùng cửa sổ viễn thơng 1550 nm Thể tích mode xác định với số mode cực chọn khơng đổi cộng hưởng gần 1550nm theo đường kính vi cầu CHƯƠNG NGHIÊN CỨU GHÉP NỐI BUỒNG CỘNG HƯỞNG CỦA LASER VỚI NGUỒN BƠM VÀ ĐẦU THU Kỹ thuật bơm quang cho laser vi cầu phương pháp thu tín hiệu xạ từ laser vi cầu vi thoi cần có yêu cầu đặc biệt, Để bơm cho laser vi cầu có hiệu suất cao, việc tính tốn đường kính vi cầu bước sóng bơm cho điều kiện “giam giữ” ánh sáng bơm cầu thoả mãn (điều kiện phù hợp gọi mode - matching), bề mặt cầu đầu bơm quang cần có khoảng cách tối ưu để ánh sáng bơm ghép vào vi cầu với góc tới thích hợp tạo điều kiện phản xạ tồn phần vi cầu Việc chọn hướng thu góc thu thích hợp cho phép thu điều chế mode WGM 4.1 Lý thuyết ghép nối vi cầu-sợi bơm thu góp quang 4.1.3 Sự phù hợp pha : kết tính tốn đường kính sợi quang hình chóp nón thu góp để thu góp mode TE vi cầu silica bước sóng 1550 nm Cả hai trường hợp mơ hình đơn giản xác Số liệu cho thấy mơ hình phù hợp pha xác địi hỏi đường kính sợi quang nhỏ đồng với đường kính vi cầu.Ví dụ, với vi cầu đường kính 100 μm , để thu xạ 1550 nm điều kiện phù hợp pha ta cần hình nón đường kính khoảng từ 2,15 đến 2.41 μm 4.2 Các phương pháp ghép nối *Ghép nối lăng kính: sử dụng lăng kính chiết suất cao để ghép quang, phương pháp cồng kềnh ổn định 14 *Phương pháp bơm thu tín hiệu quang sợi vuốt thon lai: Đây phương pháp ghép nối mới, bơm thu tín hiệu quang cách sử dụng ghép nối sợi vuốt thon lai Ghép nối đầu sợi lai kết hợp sợi SMF 980 nm sợi SMF 1550 nm * Bơm thu tín hiệu quang sợi vuốt nhọn hình chóp nón: Phương pháp có ưu điểm sợi quang dạng nón tạo với hao phí thấp, sợi quang dạng nón cho phép kích thích với hiệu suất cao WGM, với hao phí cảm ứng bỏ qua Chúng tơi chọn phương pháp để bơm thu tín hiệu quang 4.3 Các bước thực nghiệm bơm thu tín hiệu cho laser vi cầu 4.3.1 Phương pháp chế tạo đầu bơm, thu tín hiệu từ sợi quang thủy tinh Để chùm laser bơm tương thích góc ghép nối với vi cầu, vi thoi nghiên cứu chế tạo loại đầu bơm có dạng vuốt nhọn chóp nón Sợi bơm lấy từ sợi quang đơn mode viễn thơng tiêu chuẩn (SMF-28) Đường kính đầu bơm vuốt thon cỡ vài micromet giữ nguyên phản xạ toàn phần ánh sáng sợi bơm Chế tạo đầu bơm thu nhận tín hiệu tiến hành theo hai cách sau: - Thứ phương pháp kéo nhiệt lửa hồ quang tương tự chế tạo sợi quang ghép nối với laser bán dẫn - Thứ hai cách sợi quang cho ăn mòn dung dịch axit HF nồng độ từ 10-15% , khoảng thời gian từ 2h đến 6h Tạo đầu nhọn cách kéo dần sợi quang khỏi dung dịch axit HF cách từ từ Qui trình chế tạo mơ tả sau: sợi quang nhúng sâu dung dịch axít HF nồng độ 10% đến15% trên, sau khoảng thời gian 30 phút lại nhấc sợi quang lên đoạn 5mm, sau đến ta thu sợi vuốt nhọn hình chóp nón tương ứng Lý thuyết thu góp mode WGM nhóm nghiên cứu Vahala tính tốn [28],[29],[30] Chúng chế tạo đầu bơm thu nhận mode WGM từ sợi quang đơn mode thông thường 9/125 micron, để bơm thu tin hiệu cho laser vi cầu với hai sợi bơm thu tín hiệu laser khác Sự khác biệt nghiên cứu chúng tơi với nhóm nghiên cứu khác là: sợi bơm sợi thu tín hiệu khác đường kính đầu sợi, góc thn nhọn chóp nón tách rời Đường kính chóp nón sợi thu góp khoảng - μm có góc thn khác 4.3.2 Sơ đồ thực nghiệm bơm thu tín hiệu cho laser vi cầu, vi thoi Sơ đồ khối bố trí thí nghiệm để bơm thu tín hiệu cho laser vi cầu, vi thoi minh họa hình 4.12.Với thiết bị bao gồm: Hệ thống bơm quang cho laser Hệ thống ghép nối đầu bơm đầu thu sợi quang với vi cầu Máy phân tích quang phổ 15 (OSA) máy HQ 8284 với độ phân giải 0,01nm Hệ thống máy tính với cổng GPIB Sơ đồ thiết bị thí nghiệm chúng tơi mơ tả hình 4.15 4.16 (a) (b) GPIB GPIB Laser diode OSA OSA Laser diode Hình 4.12 Sơ đồ thí nghiệm cho bơm thu góp tín hiệu (a) cấu hình theo chiều kim đồng hồ (CW) ( b) cấu hình hướng ngược chiều kim đồng hồ (CCW) 4.3.3 Kết thực nghiệm cho laser vi cầu *Laser bơm cho vi cầu: sử dụng laser điot đa mode phát liên tục vùng 980 nm, công suất quang cực đại đạt tới 650 mW để khảo sát huỳnh quang cầu Để bơm cho laser vi cầu sử dụng loại laser bán dẫn phát đơn mode xạ vùng 980 nm ghép nối với sợi quang đơn mode cho bước sóng 980 nm (đường kính lõi dẫn sáng micromet) Cơng suất laser bơm đạt đến 160 mW mode xạ Đầu thu nhận tín hiệu laser (thu mode WGM) cần tuân thủ điều kiện tương thích ghép nối mode xạ từ mặt cầu vào sợi quang dạng chóp nón * Hệ thống ghép nối đầu bơm đầu thu sợi quang với vi cầu Trong thí nghiệm chúng tơi, hai cấu hình đầu dị sử dụng (hình 4.12) Đầu tiên đầu dị sợi vuốt nhọn chóp nón đặt theo hướng nối bơm vi cầu để nối tín hiệu theo chiều kim đồng hồ xem hình 4.12a Trong cấu hình khác, đầu dị đặt theo hướng tán xạ phía sau để nối tín hiệu ngược chiều kim đồng hồ xem hình 4.12b Hình 4.15 Thiết bị phân tích Hình quang phổ HQ 8284 có độ phân nghiệm thực luận án giải đến 0,01nm 4.16 Sơ đồ hệ thống thí 16 - Đường kính sợi quang bơm thu tín hiệu laser từ 2- 5µm Góc nón sợi bơm thu nhận quang khác nằm khoảng 10 - 200 - Khoảng cách buồng vi cộng hưởng sợi bơm, thu tín hiệu quang định hiệu bơm số lượng mode WGM thu từ laser vi cầu, vi thoi Các kết thực nghiệm ghép nối vi cầu sợi quang thu nhận tín hiệu cho thấy: với khoảng cách d 0,2 ữ àm cho hiu sut thu nhn tín hiệu quang tốt điều khiển số lượng mode WGM từ đơn mode đến đa mode Kết thực nghiệm xạ laser kiểm soát số mode WGM thu từ vi cầu, vi thoi trình bày chương luận án * Phổ xạ laser vi cầu: phổ xạ laser từ vi cầu trường hợp ghép nối thuận chiều kim đồng hồ (CW) nghịch chiều kim đồng hồ (CCW) nghiên cứu Hình 4.17 Phổ xạ laser từ vi cầu đường kính 90 µm thu theo chiều kim đồng hồ CW Hình 4.18 Phổ xạ laser từ vi cầu đường kính 90 µm thu theo ngược chiều kim đồng hồ (CCW ) Chúng nhận thấy công suất xạ mode WGM xạ từ laser vi cầu thu nhận theo chiều kim đồng hồ lớn công suất laser thu nhận ngược chiều kim đồng hồ Số mode thu theo chiều kim đồng hồ có xu hướng nhiều Kết hồn tồn phù hợp với kết tính tốn mode cộng hưởng CW CWW trình bày công thức (4.26) (4.27) 4.4 Kết luận chương Việc ghép nối đầu bơm thu tín hiệu quang với mặt vi cầu, vi thoi ảnh hưởng lớn đến số mode công suất phổ xạ chùm laser thu nhận Chúng xét nhiều loại ghép nối ghép lăng kính, ghép thon lai, ghép sợi bán vuốt thon hình nón Để có hiệu phù hợp pha chúng tơi lựa chọn dùng sợi quang bán vuốt nhọn hình nón làm đầu bơm thu tín hiệu cho laser vi cầu, vi thoi 17 Lựa chọn phương pháp nhiệt ăn mịn hóa học để chế tạo đầu bơm Chúng chế tạo đầu bơm thu nhận tín hiệu có kích thước từ 2-5 micromet tùy thuộc vào đường kính cầu, với góc nón thay đổi từ 10-200 Nghiên cứu sở lý thuyết tính tốn ghép nối, phù hợp pha, tương thích góc ghép, đường kính sợi bơm, khoảng cách từ đầu bơm, thu đến mặt cầu, ảnh hưởng đến hiệu ứng quang sợi bơm với mặt cầu, mặt thoi Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm thu phổ laser theo cấu hình hướng bơm cho laser vi cầu (đường kính 90 µm) theo chiều kim đồng hồ ngược lại Phổ xạ laser vi cầu theo chiều kim đồng hồ có số mode lớn cơng suất mode cao so với phổ xạ laser theo chiều ngược lại CHƯƠNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN CẤU TRÚC PHỔ THU GÓP CỦA LASER VI CẦU, VI THOI Trong chương nghiên cứu phổ xạ laser vi cầu, vi thoi, phụ thuộc ngưỡng xạ, mode xạ, công suất xạ laser vào yếu tố khác như: cơng suất bơm, kích thước vi cầu phương pháp ghép nối đầu bơm, thu tín hiệu với buồng vi cộng hưởng để điều khiển số lượng mode xạ chùm laser thu Sơ đồ thí nghiệm chúng tơi mô tả chương [121-127] 5.1 Phổ xạ huỳnh quang cầu thủy tinh silica -alumina pha Er3+ * Đánh giá xạ huỳnh quang vi cầu: kết đo cường độ huỳnh quang xạ từ vi cầu vật liệu thuỷ tinh silica alumina pha tạp ion Er có nồng độ pha tạp khác cho thấy: Cường độ xạ huỳnh quang vật liệu thuỷ tinh có nồng độ pha tạp Er từ 1250 ppm đến 10.000 ppm tăng Đỉnh phổ xạ huỳnh quang cầu pha tạp Er3+ nằm vùng bước sóng 1530nm khơng đổi cơng suất bơm thay đổi có ý nghĩa vùng phổ xạ ion Er nằm vùng cửa sổ viễn thông mà quan tâm nghiên cứu * Hiệu ứng xạ chuyển đổi ngược laser vi cầu pha tạp Er3+ nồng độ cao Khi tiến hành khảo sát vi cầu chế tạo có đường kính từ 40-200μm xạ huỳnh quang bơm laser bước sóng 980nm Bức xạ chuyển đổi ngược bước sóng 540 nm (mầu lục) ln ln nhận công suất bơm quang 980nm đủ lớn Hình 5.2 xạ chuyển đổi ngược (540nm) laser vi cầu ( khuôn khổ luận án bên trái) bên cạnh hình ảnh vi cầu xạ nhóm Vahala (Đại học Kỹ thuật California cho thấy ánh sáng bị giam giữ mạnh thể tích hẹp chung quanh mặt xích đạo vi cầu 18 Hình 5.2 Laser vi cầu đường kính 90μm bơm chùm laser bước sóng 976nm (a )Kết luận án, ( b) Kết nhóm Vahala (CalTech) Thể tích mode WGM nhỏ chiếm mặt phẳng có độ dày cỡ bước sóng Tất nhiên, mặt phẳng có chồng chập nhiều mode WGM khác lân cận Vùng xạ laser mặt phẳng xích đạo cầu song song với hướng bơm mode laser chiếm mặt phẳng Do có hiệu ứng xạ chuyển đổi ngược vùng khả kiến, việc ghép sợi quang thu mode phát laser trở nên dễ dàng 5.2 Ngưỡng phát laser vi cầu vi thoi: ngưỡng phát laser WGM xác định cách tăng dần mật độ quang bơm xuất mode laser WGM xạ siêu huỳnh quang Trong khuôn khổ luận án nghiên cứu, khảo sát laser vi cầu, vi thoi có nồng độ pha tạp Er 2500 ppm Hình 5.3 trình bày phổ siêu huỳnh quang vi cầu thuỷ tinh có đường kính 90μm (Pbơm = 1,5mW), vi thoi có đường kính 110μm Laser vi cầu Bước sóng (nm) Cơng suất quang (dBm) Công suất quang (dBm) (Pbơm = 2mW ), với công suất bơm ngưỡng xạ laser Laser vi thoi Bước sóng (nm) Hình 5.3 Phổ xạ siêu huỳnh quang laser vi cầu đường kính 90µm cơng suất 1,5 mW (trái).Vi thoi đường kính 110µm cơng suất bơm 2mW (dưới ngưỡng)(Phải ) Hình 5.4 trình bày phổ WGM đơn mode vi cầu đường kính 90µm ngưỡng 1,7 mW Hình 5.5 trình bày phổ WGM laser vi cầu đường kính 100µm, cơng suất bơm mW 19 Hình 5.4 Phổ WGM bơm Hình 5.5 Phổ WGM bơm ngưỡng 1,7mW Bước sóng laser ngưỡng (2mW).tại bước sóng 1600,43 1599,38 nm (Pra= -54,88 dBm) ( vi nm, Pra= -50,88 dBm (laser vi cầu với cầu đường kính 90µm) đường kính 100µm) So sánh từ phổ xạ laser thu được, thấy với công suất bơm ngưỡng phổ thu từ laser đơn mode, với đường kính cầu khác ngưỡng bơm cho laser vi cầu khác bước sóng xạ laser khơng trùng nhau, nhiên chúng nằm vùng bước sóng phổ huỳnh quang ion Er3+ Đối với laser vi thoi có đường kính 110 µm bơm với cơng suất 2,5mW (ngưỡng) thu phổ đơn mode So sánh với phổ laser vi cầu hình 5.4 hình 5.5, chúng tơi nhận thấy ngưỡng xạ laser vi thoi cao vi cầu, đường kính vi cộng hưởng tăng cơng suất ngưỡng tăng lên công suất bơm cho laser ngưỡng, thu phổ WGM đơn mode 5.3 Phổ xạ laser vi cầu, vi thoi phụ thuộc vào cơng suất bơm 5.3.1 Phổ laser vi cầu có kích thước 90μm laser vi cầu kích thước 90μm ngưỡng phát laser 1,7mW Phổ laser thu đơn mode, tăng công suất bơm quang lên ngưỡng phổ laser thu với số mode tăng lên (4 mode) Khi công suất bơm tăng lên đến 70mW số mode xạ tăng lên, công suất lối tăng lên, bước sóng phổ laser có xu hướng dịch chuyển phía có bước sóng ngắn (1559nm < 1597,28 nm 1558,33 nm) Từ hình 5.12 so sánh phổ xạ laser vi thoi với phổ xạ laser vi cầu (xem hình góc trên, phía 21 bên phải) có cơng suất bước sóng bơm 978 nm, với chế độ nhau, chúng Công suất quang (dBm) Công suất quang (dBm) nhận thấy số mode phổ laser vi thoi thu số mode phổ laser vi cầu Bước sóng (nm) Bước sóng (nm) Hình 5.12 Phổ laser vi thoi đường Hình 5.11 Phổ laser vi thoi đường kính 110μm cơng suất bơm 3W kính 110μm cơng suất bơm 90W so sánh với phổ vi cầu góc 5.3.4 Tính tốn với mode phổ WGM laser vi cầu Các kết tính tốn lý thuyết hoàn toàn phù hợp với kết thu từ thực nghiệm với buồng cộng hưởng cầu đường kính 90μm cho mode TE với số mode cực l từ 530 đến 536 (xem hình 5.16) cho mode TM với số mode cực l từ 530 đến 539 (hình 5.17).Các kết tính tốn xác định mode xạ TE TM cho buồng cộng hưởng vi cầu đường kính 90μm trường -20 TE2,535 TE2,531 Cơng suất quang (dBm) ( ) Công suất quang (dBm) -25 TE2,534 -30 -35 TE2,5 -40 -45 -50 -55 -60 1520 1540 1560 Bước sóng (nm) 1580 1600 -25 TM2,533 TM2,530 TM2,534 TM2,536 TM2,532 TM 2,539 -30 TM2,531 -35 -40 -45 -50 -55 -60 -65 1500 1520 1540 1560 1580 Bước sóng (nm) hợp có nhiễu loạn nhỏ bán kính cầu đến 1,5μm cho kết phù hợp với kết thu từ thực nghiệm Hình 5.16 hình 5.17 trình bày xạ mode TEn,m=l TMn,m=l thu từ thực nghiệm phù hợp với tính tốn lý thuyết n = 2; m=l=530÷539 1600 22 5.4 Điều khiển mode: Các nghiên cứu laser vi cầu cho thấy phổ laser vi cầu có độ rộng cực hẹp (hệ số Q lớn) Laser vi cầu thường xạ đa mode,vấn đề làm để thu mode số đa mode xạ đó.Chúng tơi nghiên cứu phương pháp điều khiển số mode xạ WGM laser vi cầu, vi thoi cách thay đổi hệ số Công suất quang (dm) Công suất quang (dBm) liên kết dẫn sóng ks đầu thu nhận với mặt vi cầu, hay mặt vi thoi hình 5.18 Bước sóng (nm) Hình 5.18 Phổ đơn mode từ vi cầuđường kính 90 μm k/c mặt cầu đầu sợi thu góp (a): 1μm; (b) 0,6 μm; (c): 0,2μm Bước sóng (nm) Hình 5.23 Phổ xạ WGM bước sóng 1556 nm vi cầu 5.5 Cơng suất laser: công suất xạ laser phụ thuộc vào cơng suất bơm quang cho Cơng suất xạ phụ thuộc nhiều yếu tố, yếu tố hiệu suất liên kết bơm - cộng hưởng (kp) hệ số khuếch đại (gs) đóng vai trị quan trọng Đường kính chỗ thắt đầu bơm khoảng cách đầu bơm buồng cộng hưởng kp Hình 5.23 biểu diễn cường độ phổ xạ laser WGM từ laser vi cầu đường kính 90 μm bơm với cơng suất quang 110mW bước sóng 976 nm Phổ laser WGM đa mode tập trung vùng bước sóng 1550nm đến 1565nm cơng suất quang mode đạt đến - 3,65dBm (tương ứng với công suất 0,43mW) Đây công suất quang mode WGM đạt giá trị lớn laser vi cộng hưởng Công suất xạ mode WGM lớn -13dBm công suất đủ để sử dụng thực tiễn, đặc biệt dùng việc đánh dấu luồng thơng tin quang tín hiệu quang độ rộng phổ hẹp cho kỹ thuật an toàn mạng quang đại nghiên cứu mạnh (thơng tin lượng tử) Hình 5.21 hình 5.22 trình bày đặc trưng công suất xạ WGM phụ thuộc vào cơng suất quang bơm bước sóng 1557,8 nm nhóm Valaha (CalTech) cơng bố, ngưỡng xạ laser 116 μW ngưỡng phát thấp cho laser vi cầu (trái), luận án (bên phải) ngưỡng đạt khoảng 150-200 μW Công suất quang (μW) Công suất quang (μW) 23 Cơng suất quang bơm (mW) Hình 5.21: Đặc trưng cơng suất xạ WGM bước sóng 1557,8 nm nhóm Vahala cơng bố Cơng suất quang bơm (mW) Hình 5.22: Đặc trưng cơng suất xạ WGM bước sóng 1561 nm khn khổ luận án 5.6 Kết luận chương Chương trình bày kết thực nghiệm phổ xạ huỳnh quang vi cầu chế tạo theo phương pháp nóng chảy nhiệt với nồng độ pha tạp Er3+ từ 1250 ppm đến 13000 ppm cho thấy chúng có khả phát siêu huỳnh quang mạnh vùng bước sóng 1500 nm đến 1600 nm Phổ xạ chuyển đổi ngược vùng ánh sáng khả kiến nhận công suất bơm cho vi cầu đủ lớn, điều giúp ích nhiều việc ghép nối đầu bơm thu tín hiệu laser với mặt cầu đánh giá định tính chất lượng cầu Ngưỡng xạ laser phụ thuộc vào kích thước vi cầu, vi thoi Khi kích thước buồng cộng hưởng thay đổi ngưỡng xạ thay đổi Tại ngưỡng xạ, phổ thu đơn mode với công suất laser nằm khoảng -55 dBm đến -50 dBm Khi tăng công suất bơm cho vi cầu, vi thoi phổ xạ laser với số mode WGM tăng, công suất xạ tăng lên, bước sóng xạ dịch dần phía vùng sóng ngắn Sự xuất mode quan sát rõ ràng tăng dần công suất bơm ngưỡng xạ cơng suất mode tăng lên Khi thay đổi hệ số liên kết bơm kp thu góp cộng hưởng ks phương pháp điều chỉnh khoảng cách đầu bơm với vi cộng hưởng điều khiển số lượng mode WGM thu góp ống dẫn sóng Khi khoảng cách d nhỏ 1μm, ta thu đơn mode WGM với công suất quang đủ lớn (từ -19 dBm đến -12 dBm) cho ứng dụng thực tế vào mạng thông tin lượng tử cảm biến quang 24 KẾT LUẬN Luận án góp phần giải số vấn đề nghiên cứu cấp thiết công nghệ thông tin quang nghiên cứu, chế tạo điều khiển phổ laser vi cộng hưởng phát đơn mode, có độ rộng phổ cực hẹp cơng suất đủ lớn đáp ứng yêu cầu công nghệ Luận án tổng quan hiệu ứng quang học xảy buồng vi cộng hưởng có kích thước cỡ vài chục lần bước sóng Tìm hiểu vai trò mật độ trạng thái, mode xạ chuẩn trực mode gần chuẩn trực buồng vi cộng hưởng Dựa vào kết nghiên cứu vật liệu thủy tinh silica-alumina pha tạp Er3+ phương pháp sol-gel lựa chọn vật liệu chế tạo theo công thức (1-x) SiO2 - xAl2O3 - yY2O3: 0,125 - 1,3 Er2O3 (%mol) với nồng độ Er nằm khoảng 2500 ppm đến 3000 ppm để chế tạo laser vi cầu, vi thoi Luận án lựa chọn phương pháp nóng chảy nhiệt, dựa kỹ thuật điện hồ quang chùm tia laser CO2 để chế tạo laser vi cầu laser vi thoi có đường kính từ 40 đến 200 micromét có bề mặt hoàn hảo tới cấp phân tử Phương pháp nhiệt nóng chảy phương pháp ăn mịn hóa học lựa chọn để chế tạo đầu bơm thu góp dạng bán vuốt nhọn hình chóp nón Đường kính chóp nón có kích thước từ -5 μm với bề mặt góc thn đáp ứng yêu cầu bơm thu nhận quang vi cầu sợi bơm với hệ số liên kết kp ks thích hợp Kết tính tốn lý thuyết áp dụng cho thực nghiệm phù hợp Ngưỡng phát laser phụ thuộc vào kích thước vi cầu vi thoi nằm khoảng từ 1,7 - 2,5 mW từ laser bơm tương đương với 150μW đến 200 μW lượng quang buồng cộng hưởng Phổ laser thu đơn mode có cơng suất đạt từ -55 dBm đến – 50 dBm Khi cơng suất quang bơm tăng số mode xạ tăng lên bước sóng mode xạ dịch chuyển phía vùng có bước sóng ngắn Số mode xạ laser phụ thuộc vào cấu hình buồng cộng hưởng dạng cầu thoi, laser vi thoi có số mode so với laser vi cầu Kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm phù hợp Số lượng mode thu từ laser vi cầu, vi thoi điều khiển phương pháp thay đổi hiệu suất liên kết tín hiệu cộng hưởng ks cách điều khiển khoảng cách đầu thu nhận với mặt vi cầu vi thoi Khi khoảng cách nhỏ 1µm thu phổ đơn mode Công suất lối laser vi cầu vi thoi thu -3,65dBm Đây giá trị công suất cao loại laser vi cộng hưởng 25 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN VÀ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Pham Van Hoi, Le Ngoc Chung, Chu Thi Thu Ha, Nguyen Thu Trang, Bui Van Thien (2005) "Fibre-taped-coupled highly Er-doped silica-alumina glass micro-sphere lasers", J Comm.in phys., 15, pp 136-142 Le Ngoc Chung, Chu Thi Thu Ha, Nguyen Thu Trang, Pham Thu Nga, Pham Van Hoi, Bui Van Thien (2006), "High-power micro-cavity lasers based on highly Erbium-doped sol-gel aluminosilicate glasses", J Materials Science & Engineerings B, 131, pp.27-31 Pham Van Hoi, Ha Xuan Vinh, Chu Thi Thu Ha, Pham Thu Nga, Nguyen Thu Trang, Bui Van Thien (2007), "High-Concentration Er3 doped aluminosilicate glass toroidal microcavity lasers: Fabrication and optical properties", Asean Journal on Science & Technology for development, 24, No.1&2, pp 15-19 Chu Thi Thu Ha, Nguyen Thu Trang, Bui Van Thien, Pham Van Hoi (2008), Erbiumdoped Silica Alumina glass toroidal microcavity lasers, Proc of SPIE Vol 6872-19 SPIE Photonics West, 21st -22nd January, pp 84 Pham Van Hoi, Ha Xuan Vinh, Bui Van Thien, Dang Xuan Cu, Ngo Ngoc Quang (2008), Microcavity lasers with ultra-narrow spectra for fiber-optic communications, Paper submitted to IVth National Symposium on ICT rda.08.Hanoi-August 8-9 Chu Thi Thu Ha, Bui Van Thien, Ha Xuan Vinh, Le Minh Hieu, Tran Thi Cham, Pham Van Hoi (2008), Toroidal microcavity lasers based on Er-doped silica-alumina glasses, International Conference on Advanced Technologies for Conmmunications, HaNoi Vietnam, October 6-9, pp 384-387 Bui Van Thien, Ha Xuan Vinh, Chu Thi Thu Ha, Tran Thi Cham, Pham Van Hoi (2008), Ultra-narrow spectra laser in micro-cavity: Fabrication method and lasing emssion properties International workshop on Photonic & Appli cati ons (IWPA) Nha Trang Vietnam, sept 14 Pham Van Hoi, Bui Van Thien, Ha Xuan Vinh, Chu Thi Thu Ha, Tran Thi Cham, (2008), High Q-factor micro-cavity lasers: Fabrication and lasing emission properties, APCTP-ASEAN Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (AMSN) Nhatrang Vietnam-September 15-21, pp 174-179 ... phẩm chất buồng cộng hưởng vi cầu dạng rắn đạt đến 1010 [31],[84] Các loại laser vi cầu dạng rắn, laser sở vật liệu thuỷ tinh pha tạp đất Nd, Er Er: Yb chứng tỏ có khả ứng dụng với độ phẩm chất. .. xạ laser phụ thuộc vào cấu hình buồng cộng hưởng dạng cầu thoi, laser vi thoi có số mode so với laser vi cầu Kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm phù hợp Số lượng mode thu từ laser vi cầu, vi thoi. .. vi cầu, vi thoi Cuối nội dung quan trọng nghiên cứu tìm hiểu chế động học xạ hấp thụ laser vi cộng hưởng phụ thuộc vào độ dài cộng hưởng, kích thước đường kính cầu Nghiên cứu hướng xạ laser cộng