DSpace at VNU: Chế tạo đầu dò sợi quang kích thước nano, sử dụng thu các mode WGM từ các vi cầu pha tạp erbium

DSpace at VNU: Chế tạo đầu dò sợi quang kích thước nano, sử dụng thu các mode WGM từ các vi cầu pha tạp erbium tài liệu,...

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 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 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS TS Trần Thị Tâm, KSC Đặng Quốc Trung tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập cơng tác để hồn thành tốt luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo công tác khoa Vật lý Kỹ thuật Công nghệ Nanô, Đại học Quốc gia Hà Nội tận tình dạy tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt khóa học Tơi xin chân thành cảm ơn phòng Kỹ thuật laser, cán đồng nghiệp Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Việt Nam có nhiều giúp đỡ trao đổi khoa học quý báu q trình thực luận văn Có kết xin cảm ơn giúp đỡ đề tài nghiên cứu số 410606 thuộc chương trình nghiên cứu Khoa học Tự nhiên Đề tài Cơ sở năm 2006 Viện Khoa học Vật liệu, Viện khoa học Cơng nghệ Việt Nam Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới người thân, gia đình tôi! Hà nội, ngày 15 tháng 12 năm 2006 Học viên 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 thông 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 Lorent-Mie 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] 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 dò sợi quang với kích thước đầu cỡ nanơ mét công cụ thu tốt kỹ thuật trường gần Phương pháp có ưu điểm đơn giản chế tạo lắp đặt Có nhiều phương pháp dùng để chế tạo đầu dò sợi quang phương pháp kéo nhiệt, phương pháp ăn mòn hố hay phương pháp mài mòn 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 mòn hóa học sử dụng dung dịch ăn mòn 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 dò thu tín hiệu laser vi cầu thuỷ tinh floride “ZBLALiP” pha tạp Erbium Luận văn gồm có chương: Chương mơ tả ngun 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 mòn Chương trình bày kết chế tạo đầu dò sợi quang kích thước nanơ mét ứng dụng đầu dò thu tín hiệu laser vi cầu thuỷ tinh floride “ZBLALiP” pha tạp Erbium Kết phổ tín hiệu thu đầu dò chế tạo trình bày thảo CHƯƠNG 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 thường, khả phân giải thiết bị quang học bị hạn chế giới hạn nhiễu xạ giảm kích thước tới cỡ bước sóng Vì thiết bị quang học khơng thích ứng với mạch tích phân điện tử có kích thước 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 TRƯỜNG GẦN Khi nghiên cứu tính chất hay cấu trúc vật liệu phương pháp quang phổ, thường đặt đầu thu quang xa vị trí nguồn phát xạ hay vật liệu cần nghiên cứu: khoảng cách lớn nhiều lần bước sóng ánh sáng kích thích Phép đo gọi phép đo quang học trường xa Trong phép đo quang học trường xa, độ phân giải thiết bị thu quang bị giới hạn tượng nhiễu xạ khơng thể vượt q ½ bước sóng (NFO)cho phép vượt qua hạn chế giới hạn nhiễu xạ Khi ánh sáng truyền sợi quang, qua lăng kính hay buồng cộng hưởng, nhờ tượng phản xạ toàn phần mà ánh sáng đổi hướng bị giam giữ môi trường lan truyền Tuy nhiên theo quang học lượng tử, phần ánh sáng truyền qua mặt phân cách có điện trường giảm theo hàm mũ phụ thuộc vào khoảng cách từ bề mặt phân cách hai môi trường, gọi trường suy giảm hay trường mờ (EF) [8,9] Có thể coi trường mờ định xứ sát bề mặt phân cách giữ hai môi trường, khoảng cách bước sóng Quang học xem xét tương tác phạm vi trường mờ gọi Quang học trường gần (NFO) Bằng phép đo NFO loại bỏ giới hạn tượng nhiễu xạ ánh sáng sở chế tạo thiết bị đo quang kính hiển vi quang học trường gần với độ phân giải khơng phụ thuộc vào bước sóng Tín hiệu trường gần cung cấp nhiều thơng tin cấu trúc đặc điểm bề mặt mẫu (hình 1.1) Kích thước cỡ nano (nhỏ bước sóng) Trường 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 dò có kích thước cỡ bước sóng  Màn chắn (a) a