(LUẬN VĂN THẠC SĨ) Chế tạo đầu dò sợi quang kích thước nano, sử dụng thu các mode WGM từ các vi cầu pha tạp erbium nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ * ĐỖ NGỌC CHUNG CHẾ TẠO ĐẦU DÒ SỢI QUANG KÍCH THƯỚC NANO, SỬ DỤNG THU CÁC MODE WGM TỪ VI CẦU PHA TẠP ERBIUM LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, 2006 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Đỗ Ngọc Chung CHẾ TẠO ĐẦU DỊ SỢI QUANG KÍCH THƯỚC NANO, SỬ DỤNG THU CÁC MODE WGM TỪ VI CẦU PHA TẠP ERBIUM Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện nanô LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Trần Thị Tâm Ha Nội - 2006 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị Mở đầu ……………………………………………………………………… Chương 1:QUANG HỌC TRƯỜNG GẦN (NEAR-FIELD OPTICS) …………………………………………………………… 1.1 Khái niệm quang học trường gần 1.2 Một số kỹ thuật đo sử dụng quang học trường gần 1.3 Kính hiển vi quang học trường Chương 2: BUỒNG CỘNG HƯỞNG VI CẦU…… …………… 10 2.1 Nguyên lý……………………………………………………………… 10 Quan điểm quang học cổ điển: ……… ………………………………… 11 Quan điểm quang sóng lượng tử: ……………………………………… 12 2.2 Các ký thuật ghép nối trường gần …………………… …… …… 15 Chương 3: CHẾ TẠO ĐẦU DÒ SỢI QUANG …… ……… 18 3.1 Vật liệu chế tạo……………………………………………………… 18 3.2 Các thông số đặc trưng đầu dò sợi quang……………… 18 3.3 Phương pháp chế tạo………………………………………………… 3.3.1 Phương pháp kéo nhiệt ……… ………………………………… 3.3.2 Phương pháp ăn mịn hố học …………… …… …………… 19 19 20 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com (LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano Chương 4: THỰC NGHIỆM … ……………….… … ……… 4.1 Phương pháp kéo nhiệ……………………………………………… 4.1.1 Phương pháp nhiệt hồ quang: ………………………………… 22 22 22 4.1.2 Phương pháp nhiệt laser:……… …………… …… …… … … 23 4.2 Phương pháp ăn mịn hố học… ………… ……… …………… 28 4.3 Sử dụng đầu dị thu tín hiệu laser từ vi cầu pha tạp Erbium…… 33 Kết luận kiến nghị 41 Danh mục cơng trình tác giả 42 Tài liệu tham khảo 41 46 (LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com (LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano MỞ ĐẦU Quang học quang phổ lĩnh vực đời từ lâu Nghiên cứu đặc trưng quang phổ vật liệu cho biết nhiều đặc tính vật liệu Trong phép đo quang phổ thơng thường, việc thu tín hiệu phát từ tương tác quang học thực xa nguồn, khoảng cách lớn bước sóng, đầu thu quang đặt vị trí xa vật liệu cần nghiên cứu (nguồn sáng) Những phép đo gọi quang học trường xa Ngược lại nghiên cứu quang phổ phạm vi sát bề mặt mẫu khoảng cách nhỏ bước sóng phương pháp nghiên cứu quang học quang phổ, gọi quang học trường gần (SNOM), lĩnh vực quang học quan tâm nghiên cứu nhiều giới Phương pháp nghiên cứu quang học trường gần cho ta nhiều thơng tin tính chất vật liệu đặc biệt nghiên cứu công nghệ nanô Các vi buồng cộng hưởng quang học đối tượng quan tâm nghiên cứu nhiều công nghệ nanô mà lĩnh vực điện động lực học luợng tử [1,2], quang học cổ điển quang học phi tuyến [3,4,5,6], với nhiều loại cấu hình vi cộng hưởng quang học vi cầu, vi đĩa hay vành khuyên…Các vi cộng hưởng tạo mode quang học có phân bố phụ thuộc vào hình thái học, mode gọi mode cộng hưởng phụ thuộc vào hình thái (MDR) hay mode đường viền (WGM) Vi cầu vi buồng cộng hưởng tạo laser với độ phẩm chất cao, thể tích mode nhỏ, ngưỡng thấp [6,7] quan tâm nhiều thông tin quang, ứng dụng làm lọc quang học, chuyển mạch quang, sensor quang học….Laser vi cầu có ứng dụng quang trọng việc ổn định tần số, khuếch đại ánh sáng, khảo sát trình phi tuyến, hay nhớ quang Tuy nhiên thu xạ từ mode WGM phương pháp trường xa thông thường Bức xạ WGM nghiên cứu lý thuyết LorentMie Lý thuyết Lorent-Mie cho phép hiểu phân bố WGM’s, từ có kỹ thuật đặc biệt phù hợp để thu tín hiệu WGM’s, kỹ thuật sử dụng tương tác trường gần [8,15] (LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com (LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano Để thu tín hiệu kỹ thuật trường gần, sử dụng nhiều phương pháp ghép nối: lăng kính, sử dụng kênh dẫn bán dẫn hay sử dụng đầu dò sợi quang Các đầu dị sợi quang với kích thước đầu cỡ nanô mét công cụ thu tốt kỹ thuật trường gần Phương pháp cịn có ưu điểm đơn giản chế tạo lắp đặt Có nhiều phương pháp dùng để chế tạo đầu dị sợi quang phương pháp kéo nhiệt, phương pháp ăn mịn hố hay phương pháp mài mịn Trong luận văn này, đầu dò sợi quang chế tạo hai phương pháp: Phương pháp kéo nhiệt sử dụng laser CO2 nguồn nhiệt hồ quang, phương pháp ăn mịn hóa học sử dụng dung dịch ăn mịn HF NH4F Luận văn tập trung vào nghiên cứu vấn đề kỹ thuật chế tạo đầu dò sợi quang vuốt nhọn đến kích thước nanơ mét, số đặc tính chế ghép nối quang trường gần thí nghiệm ghép nối đầu dị thu tín hiệu laser vi cầu thuỷ tinh floride “ZBLALiP” pha tạp Erbium Luận văn gồm có chương: Chương mơ tả nguyên lý, đặc điểm số ứng dụng quang học trường gần Chương trình bày nguyên lý buồng cộng hưởng vi cầu theo hai quang điểm quang học cổ điển quang học lượng tử, lý thuyết giải thích phân bố mode đường viền (WGM’s) hay mode cộng hưởng phụ thuộc hình thái học (MDR’s) Chương đề cập đến kỹ thuật ghép nối tín hiệu WGM’s Điều kiện kết hợp pha ghép nối trình bày Chương giới thiệu phương pháp kỹ thuật chế tạo đầu dò sợi quang phương pháp kéo nhiệt phương pháp ăn mịn Chương trình bày kết chế tạo đầu dị sợi quang kích thước nanơ mét ứng dụng đầu dị thu tín hiệu laser vi cầu thuỷ tinh floride “ZBLALiP” pha tạp Erbium Kết phổ tín hiệu thu đầu dị chế tạo trình bày thảo luận (LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com (LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano CHƢƠNG QUANG HỌC TRƯỜNG GẦN (NEAR-FIELD OPTICS) Quang học lĩnh vực phát triển sớm có nhiều ứng dụng Tuy nhiên kỹ thuật quang học thông thƣờng, khả phân giải thiết bị quang học bị hạn chế giới hạn nhiễu xạ giảm kích thƣớc tới cỡ bƣớc sóng Vì thiết bị quang học khơng thích ứng đƣợc với mạch tích phân điện tử có kích thƣớc nhỏ nhiều Sự đời NFO phá vỡ giới hạn nhiễu xạ quang học, mở ứng dụng lĩnh vực nghiên cứu Khoa học Công nghệ, đặc biệt Công nghệ nanô 1.1 KHÁI NIỆM VỀ QUANG HỌC TRƢỜNG GẦN Khi nghiên cứu tính chất hay cấu trúc vật liệu phƣơng pháp quang phổ, thƣờng đặt đầu thu quang xa vị trí nguồn phát xạ hay vật liệu cần nghiên cứu: khoảng cách lớn nhiều lần bƣớc sóng ánh sáng kích thích Phép đo nhƣ đƣợc gọi phép đo quang học trƣờng xa Trong phép đo quang học trƣờng xa, độ phân giải thiết bị thu quang bị giới hạn tƣợng nhiễu xạ khơng thể vƣợt q ½ bƣớc sóng (NFO)cho phép vƣợt qua đƣợc hạn chế giới hạn nhiễu xạ Khi ánh sáng truyền sợi quang, qua lăng kính hay buồng cộng hƣởng, nhờ tƣợng phản xạ toàn phần mà ánh sáng đổi hƣớng bị giam giữ môi trƣờng lan truyền Tuy nhiên theo quang học lƣợng tử, phần ánh sáng truyền qua mặt phân cách có điện trƣờng giảm theo hàm mũ phụ thuộc vào khoảng cách từ bề mặt phân cách hai môi trƣờng, đƣợc gọi trƣờng suy giảm hay trƣờng mờ (EF) [8,9] Có thể coi nhƣ trƣờng mờ định xứ sát bề mặt phân cách giữ hai mơi trƣờng, khoảng cách bƣớc sóng Quang học xem xét tƣơng tác phạm vi trƣờng mờ đƣợc gọi Quang học trƣờng gần (NFO) Bằng phép đo NFO loại bỏ đƣợc giới hạn tƣợng nhiễu xạ ánh (LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com (LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano(LUAN.VAN.THAC.SI).Che.tao.dau.do.soi.quang.kich.thuoc.nano su.dung.thu.cac.mode.WGM.tu.cac.vi.cau.pha.tap.erbium.nano sáng sở chế tạo thiết bị đo quang nhƣ kính hiển vi quang học trƣờng gần với độ phân giải khơng phụ thuộc vào bƣớc sóng Tín hiệu trƣờng gần cung cấp nhiều thơng tin cấu trúc nhƣ đặc điểm bề mặt mẫu (hình 1.1) Kích thƣớc cỡ nano (nhỏ bƣớc sóng) Trƣờng tăng mạnh Cấu trúc nano (a) (b) Ánh sáng kích thích Hình 1.1 Hiện tượng quang học trường gần, (a) tán xạ trường gần phần tử nhỏ cỡ bước sóng, (b) tán xạ trường gần mũi đầu dị có kích thước cỡ bước sóng  Màn chắn (a) a