Tính toán mô phỏng các thông số trường quang tại vùng hội tụ của vật kính có khẩu độ số cao sử dụng trong hệ khắc laser trực tiếp ứng dụng cho chế tạo cấu trúc vật liệu nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN MẠNH HIẾU TÍNH TỐN MƠ PHỎNG CÁC THƠNG SỐ TRƯỜNGQUANG TẠI VÙNG HỘI TỤ CỦA VẬT KÍNH CĨ KHẨUĐỘ SỐ CAO SỬ DỤNG TRONG HỆ KHẮC LASERTRỰC TIẾP ỨNG DỤNG CHO CHẾ TẠO CẤU TRÚCVẬT LIỆU NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO HÀ NỘI - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ NGUYỄN MẠNH HIẾU TÍNH TỐN MƠ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ TRƯỜNG QUANG TẠI VÙNG HỘI TỤ CỦA VẬT KÍNH CĨ KHẨU ĐỘ SỐ CAO SỬ DỤNG TRONG HỆ KHẮC LASER TRỰC TIẾP ỨNG DỤNG CHO CHẾ TẠO CẤU TRÚC VẬT LIỆU NANO Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện nano Mã số: 8440126.01QTD LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN QUỐC TIẾN HÀ NỘI – 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu tơi hướng dẫn TS Trần Quốc Tiến- Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Các kết đưa luận văn tơi thực Tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm trước Nhà trường lời cam đoan Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2019 Học viên thực Nguyễn Mạnh Hiếu LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, tơi nhận quan tâm, hỗ trợ giúp đỡ từ nhiều cá nhân đơn vị Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Trần Quốc Tiến, người trực tiếp hướng dẫn, đóng góp ý kiến tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn Tôi muốn gửi lời cảm ơn đến TS Tống Quang Công, TS Vũ Thị Nghiêm, KTV Phạm Văn Trường anh chị phòng Laser bán dẫn- Viện Khoa học Vật liệu động viên giúp đỡ tạo điều kiện cho thực luận văn Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến thầy cô giáo giảng dạy hai năm qua, người truyền đạt kiến thức cần thiết cho thời gian học tập trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội Cuối xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè người thân hỗ trợ giúp đỡ suốt trình học tập thời gia n thực khóa luận Tơi xin chân thành cảm ơn! TÍNH TỐN MƠ PHỎNG CÁC THƠNG SỐ TRƯỜNG QUANG TẠI VÙNG HỘI TỤ CỦA VẬT KÍNH CĨ KHẨU ĐỘ SỐ CAO SỬ DỤNG TRONG HỆ KHẮC LASER TRỰC TIẾP ỨNG DỤNG CHO CHẾ TẠO CẤU TRÚC VẬT LIỆU NANO Nguyễn Mạnh Hiếu Khóa K23, chuyên ngành Vật liệu linh kiện nano Tóm tắt luận văn tốt nghiệp Kỹ thuật khắc laser trực tiếp dựa polyme hóa vật liệu nhạy quang xảy trình hấp thụ photon điểm hội tụ chùm laser Phương pháp dùng hệ quang học biến đổi từ kính hiển vi quang học, chùm ánh sáng laser hội tụ vùng nhỏ (< 1λm3) thơng qua vật kính Để hội tụ chùm laser xuống kích thước nhỏ phụ thuộc nhiều yếu tố khác thơng số trường qua Chính vậy, luận văn tập trung chủ yếu vào mô thông số trường quang vùng hội tụ vật kính có độ số cao sử dụng hệ khắc laser trực tiếp ứng dụng cho chế tạo cấu trúc vật liệu nano Trong phần luận án, đưa lý thuyết nhiễu xạ ánh sáng nghiên cứu nhiễu xạ ánh sáng hệ vật kính Từ đó, đưa thơng số ảnh hưởng đến phân bố cường độ vùng hội tụ tạo vật kính độ số vật kính, chiết suất mơi trường phân cực chùm tia tới Phần tiếp theo, nghiên cứu lý thuyết Debye hội tụ sóng điện từ Dựa lý thuyết vector Debye, nghiên cứu mặt lý thuyết phân bố vùng hội tụ vật kính có độ số cao Từ đó, chúng tơi đưa phương pháp tính tốn số mơ trường điện từ vùng hội tụ dựa công cụ matlab Cuối cùng, đưa kết mô theo thông số nghiên cứu độ số, chiết suất môi trường phân cực chùm tia laser tới Kết tính tốn mơ cho thấy, ánh sáng hội tụ xuống kích thước micromet kích thước vùng hội tụ phụ thuộc nhiều từ thơng số Sau đó, đối chiếu kết mô với kết thực nghiệm Từ kết cho thấy, việc tính tốn mơ thơng số trường quang vùng hội tụ có ý nghĩa quan trọng, để đưa thơng số trường quang vật kính có độ số cao ứng dụng chế tạo cấu trúc quang tử hay chiều (2D, 3D) phương pháp hấp thụ photon cực thấp (LOPA) Từ khóa: Khắc laser trực tiếp, vật kính, độ số, nhiễu xạ ánh sáng MỤC LỤC VIẾT TẮT GIỚI THIỆU CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Nhiễu xạ ánh sáng 1.1.1 Nhiễu xạ ánh sáng sóng cầu 1.1.2 Nhiễu xạ ánh sáng sóng phẳng 12 1.2 Giới thiệu công nghệ khắc laser trực tiếp 18 1.2.1 Công nghệ khắc laser trực tiếp 18 1.2.2 Vật liệu cảm quang truyền thống (polymer) cho công nghệ khắc laser trực tiếp 19 1.2.3 Phương pháp chế tạo cấu trúc khắc laser hấp thụ đa photon 20 1.2.4 Phương pháp chế tạo cấu trúc khắc laser hấp thụ photon 21 1.2.5 Các ứng dụng điển hình cấu trúc chế tạo phương pháp khắc laser trực tiếp 26 CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CƠ BẢN VỀ PHÂN BỐ ÁNH SÁNG TRONG VÙNG HỘI TỤ CỦA MỘT VẬT KÍNH CĨ KHẨU ĐỘ SỐ CAO 27 2.1 Sự nhiễu xạ ánh sáng hệ thống vật kính 27 2.1.1 Tiêu chuẩn Rayleigh 28 2.1.2 Phân bố ánh sáng vùng hội tụ vật kính có độ số cao 30 2.2 Sự dịch chuyển tiêu cự chùm tia hội tụ đặt môi trường chiết suất… 33 2.3 Phương pháp tính tốn số mô dựa công cụ matlab 35 2.4 Nghiên cứu phân bố EM môi trường hấp thụ 36 2.4.1 Sự hội tụ sóng điện từ môi trường hấp thụ 39 2.4.2 Khai triển tích phân Debye – Wolf .40 2.4.3 Khai triển tích phân Debye- Wolf mở rộng 40 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỀ PHÂN BỐ TRƯỜNG QUANG TRONG VÙNG HỘI TỤ CỦA VẬT KÍNH CĨ KHẨU ĐỘ SỐ CAO 44 3.1 Phân bố ánh sáng vùng hội tụ theo độ số khác 44 3.2 Hình dạng kích thước chùm tia đầu vào vùng hội tụ 45 3.3 Ảnh hưởng chùm tia đầu vào hình dạng kích thước vùng hội tụ…… 46 3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng phân bố phân cực chùm ánh sáng tới vùng hội tụ mạnh vật kính có độ số cao 48 3.4.1 Phân bố ánh sáng vùng hội tụ chùm phân cực thẳng theo trục x 50 3.4.2 Phân bố ánh sáng vùng hội tụ chùm phân cực tròn .52 3.4.3 Phân bố ánh sáng vùng hội tụ chùm phân cực hướng tâm 53 3.4.4 Phân bố ánh sáng vùng hội tụ chùm phân cực phương vị 55 3.5 Phân bố ánh sáng vùng hội tụ theo môi trường chiết suất khác nhau… 56 3.5.1 Phân bố ánh sáng vùng hội tụ môi trường chiết suất .56 3.5.2 Phân bố ánh sáng vùng hội tụ môi trường chiết suất khác .57 3.6 Phân bố ánh sáng vùng hội tụ vật kính có độ số cao theo vị trí bề mặt khác 60 3.7 So sánh đối chứng kết mô với thực nghiệm 61 3.7.1 Quan sát đối chiếu thực nghiệm mô vùng hội tụ vật kính có độ số cao theo độ số khác 61 3.7.2 Ảnh hưởng phân cực chùm tuyến tính tròn tới phân bố cường độ khu vực trọng tâm 63 KẾT LUẬN 67 PHỤ LỤC A 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 VIẾT TẮT PSF (Point spread function): Chức lan truyền điểm NA (Numerical aperture): Khẩu độ số n (Refractive index): Chiết suất OL (Objective lens): Vật kính OPA (One-photon absorption): Hấp thụ photon AMOL (Absorption modulation optical lithography): Quang học điều chế hấp thụ CLSM (Confocal laser scanning microscopy): Kính hiển vi quét laser đồng tiêu FDTD (Finite-difference time-domain): Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian TPA (Two-photon absorption): Hấp thụ photon AR (Aspect ratio): Tỷ lệ co FWHM (Full width at half maximum): Một nửa chiều rộng tối đa LOPA (Low one-photon absorption): Hấp thụ photon cực thấp DLW (Direct laser writing): Khắc laser trực tiếp EM (Electromagnetic): Điện từ STED (Stimulated emission depletion): Suy giảm phát xạ kích thích GIỚI THIỆU Cơng nghệ nano cơng nghệ thu hút ý tạo cho người tưởng tượng rộng giới thời gian ngắn so với công nghệ khác [1] Nó thực trở thành thực nhờ vào phát minh nhiều loại kỹ thuật kính hiển vi với độ phân giải cao kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), kính hiển vi đường hầm quét (STM), kính hiển vi quang học (OM) siêu phân giải, vv… Các công cụ cho phép quan sát vài trường hợp chế tạo cấu trúc vật liệu cấp độ nano Nhiều lĩnh vực nghiên cứu ngành khoa học phát triển phạm vi cơng nghệ nano, chẳng hạn điện tử học nano, vật liệu nano, học nano, nano từ, nano quang, sinh học nano, hay y học nano… [2] Công nghệ nano cho phép chế tạo cấu trúc nano khác nhau, thu hình ảnh cấu trúc, đo tính chất vật liệu, cuối tạo ứng dụng đặc biệt cấp độ nano Để đến giai đoạn ứng dụng vật liệu nano, có nhiều vấn đề cần cải thiện cho phương pháp nghiên cứu thử nghiệm Điều đặc biệt quan phương pháp sử dụng phải đơn giản, giá thành rẻ, hoạt động điều kiện bình thường Chính mà nhiều phòng thí nghiệm giới tiếp tục nghiên cứu tối ưu hoá kỹ thuật kính hiển vi nay, tiếp tục nghiên cứu đề xuất phương pháp Trong số loại kính hiển vi thương mại hố, kính hiển vi quang học (Optical Microscope OM) sử dụng rộng rãi nhiều thí nghiệm vật lý, hố học, y sinh học, tính đơn giản chi phí thấp Đặc biệt, kính hiển vi quang học nghiên cứu vật liệu khơng gian chiều, kết hợp với phép đo điện hay từ trường…, điều mà kỹ thuật khác làm Ngày nay, kính hiển vi quang học thay đổi so với chức truyền thống trước để ứng dụng, không thu ảnh quang học thơng thường, mà ảnh dựa tương tác ánh sáng, cụ thể chùm laser, với cấu trúc vật liệu, đặc biệt dùng hệ quang học để chế tạo cấu trúc mong muốn dựa tương tác laser với vật liệu [3] Gần đây, có sẵn ống kính có độ số cao việc sử dụng chúng kết hợp với chùm tia laser khác cho phép hội tụ chùm ánh sáng xuống vài micromet [4] chí vài trăm nano [5, 6] Các vùng hội tụ với kích thước nhỏ sử dụng nhiều lĩnh vực, bao gồm vật lý, sinh học, thông tin, y học khoa học vật liệu Để đánh giá định lượng hình dạng kích thước vùng hội tụ thu với phân cực tuyến tính tròn, chúng tơi trích xuất liệu từ Hình 3.22 cho hai trục trực giao, theo kích cỡ tối thiểu cực đại điểm lấy nét Hình 3.24 cho thấy so sánh kết lý thuyết kết thực nghiệm Trong trường hợp chùm phân cực tuyến tính theo trục quang x (Hình 3.24(a)), bán rộng tính tốn nửa (FWHM) tồn phân bố cường độ dọc theo trục y (FWHM = 240 nm) 70.5% dọc theo trục x (FWHM = 340 nm) Tỷ lệ phù hợp với kết tính tốn số (71.4%) thể Hình 3.24 (b) Trong trường hợp phân cực tròn, vùng hội tụ đối xứng điểm có hình dạng dọc theo hai trục, thể Hình 3.24 (c), phù hợp với đường cong lý thuyết thể Hình 3.24 (d) Tuy nhiên, so với lý thuyết, điểm đo tập trung thực nghiệm (FWHM = 280 nm) lớn khoảng 40 nm cho trục cho hai trường hợp phân cực Sự khác biệt giải thích sau: thực tế, sử dụng hạt nano vàng để khảo sát có đường kính 50 nm (vì khơng coi điểm lý tưởng) Tuy nhiên, không cần thiết trường hợp chúng tơi, phụ thuộc phân cực điểm lấy nét chứng minh rõ ràng 66 KẾT LUẬN Kết luận, luận văn này, nghiên cứu lý thuyết tính tốn mơ thông số trường quang vùng hội tụ vật kính có độ số cao sử dụng hệ khắc laser trực tiếp ứng dụng cho chế tạo cấu trúc vật liệu nano đối chiếu kết tính tốn mơ với thực nhiệm Từ đó, kiểm sốt thơng số trường quang đến ảnh hưởng vùng hội tụ chùm tia qua vật kính có độ số cao Đầu tiên, dựa lý thuyết vector Debye, nghiên cứu mặt lý thuyết phân bố thông số trường quang vùng hội tụ vật kính có độ số cao độ số vật kính, chiết suất mơi trường phân cực chùm tia tới.Từ đó, chúng tơi đưa phương pháp tính tốn số mơ trường điện từ vùng hội tụ dựa công cụ matlab Thứ hai, đưa kết mô vùng hội tụ theo thông số nghiên cứu độ số, chiết suất môi trường, khoảng cách môi trường vùng hội tụ phân cực chùm tia tới Kết tính tốn mơ cho thấy, ánh sáng hội tụ xuống kích thước micromet kích thước vùng hội tụ phụ thuộc vào nhiều thông số khác Cuối cùng, đối chiếu kết mô với thực nghiệm Từ kết cho thấy, việc tính tốn mơ thơng số trường quang vùng hội tụ có ý nghĩa quan trọng, từ đo đưa thông số trường quang vật kính có độ số cao, ứng dụng chế tạo cấu trúc quang tử hay chiều (2D, 3D) phương pháp hấp thụ photon cực thấp (LOPA) 67 PHỤ LỤC A 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 %initialize Matlab environment clear close all clc tic; set(0,'DefaultAxesFontName', 'Times New Roman') set(0,'DefaultAxesFontSize', 11) %set(0,'DefaultUnits','normalized'); set(0,'defaultuicontrolunits','normalized'); % % % % % % % % %program body % % % % % % % % % % % % % % basic parameters NA=1.49; % numerical aperture of objective lens n=1.515; % refractive index of immersion medium lambda=532e-9; % wavelength of light alpha=asin(NA/n); % maximum open angle of OL k=2*pi*n/lambda; % wavenumber % image plane in Cartesian coordinates L_focal=0.5*1e-6; % observation scale Nx=50; % discretization of image plane Ny=50; % discretization of image plane x2=linspace(-L_focal,L_focal,Nx); y2=linspace(-L_focal,L_focal,Ny); [X2,Y2]=meshgrid(x2,y2); Z2=0; % polarization case % '1': x-linear, '2':y -linear, '3': left circular % '4': right circular, '5': elliptical, '6': radial, '7': azimuthal polar=1; polarSTR=num2str(polar); %normalization and steps of integral Ex2=0; % Ex-component in focal Ey2=0; % Ey-component in focal Ez2=0; % Ez-component in focal N_theta=50; N_phi=50; delta_theta=alpha/N_theta; delta_phi=2*pi/N_phi; % starting loop for theta=eps:delta_theta:alpha for phi=eps:delta_phi:2*pi %convertion function of polarization from object plane to imaging %plane 68 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 a=1+(cos(theta)-1)*(cos(phi))^2; b=(cos(theta)-1)*cos(phi)*sin(phi); c=-sin(theta)*cos(phi); d=1+(cos(theta)-1)*(sin(phi))^2; e=-sin(theta)*sin(phi); ff=cos(theta); V=[a b c;b d e;-c -e ff]; %incident beam polarization cases px=[1,0,1/sqrt(2),1i/sqrt(2),2/sqrt(5),cos(phi),-sin(phi)]; py=[0,1,1i/sqrt(2),1/sqrt(2),1i/sqrt(5),sin(phi),cos(phi)]; pz=0; % selected incident beam polarization P=[px(1,polar);py(1,polar);pz]; % polarization in focal region PP=V*P; % numerical calculation of field distribution in focal region Ex2=Ex2+1i*sin(theta)*sqrt(cos(theta)).*PP(1,1).*exp(1i*k*(Z2*cos(theta)+sin(t heta).*(X2*cos(phi)+Y2*sin(phi))))*delta_theta*delta_phi; Ey2=Ey2+1i*sin(theta)*sqrt(cos(theta)).*PP(2,1).*exp(1i*k*(Z2*cos(theta)+sin(t heta).*(X2*cos(phi)+Y2*sin(phi))))*delta_theta*delta_phi; Ez2=Ez2+1i*sin(theta)*sqrt(cos(theta)).*PP(3,1).*exp(1i*k*(Z2*cos(theta)+sin(t heta).*(X2*cos(phi)+Y2*sin(phi))))*delta_theta*delta_phi; end end % intensity of different components and total field Ix2=conj(Ex2).*(Ex2); Iy2=conj(Ey2).*(Ey2); Iz2=conj(Ez2).*(Ez2); I1=Ix2+Iy2+Iz2; %find maxumum MM1=max(max(I1)); % plot data figure (1) hFig = figure(1); set(gcf,'PaperPositionMode','auto') set(hFig, 'Position', [300 300 300 300]) p=axes; set(p,'Position',[0 1]) pcolor(X2*1e6,Y2*1e6,Ix2); shading interp title('PSF as a fuction of different polarization') set(gca,'Xtick',[-L_focal L_focal]); set(gca,'Ytick',[-L_focal L_focal]); 69 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 set(gca,'FontSize',12) colormap(jet) axis equal axis tight axis off view(0,90); hold off % export figure & save data dataname=['polar=',polarSTR]; PexportJpg(hFig,40,24,dataname); saveas(h,[figurename1,'.fig']); save([dataname,'.txt'], 'I1','-ascii'); toc % count execution time load chirp% ringtone for program alert sound(y,Fs) % % % % % % % % %end program% % % % % % % % % % % % % % 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh [1] H Hosono, Y Mishima, et al., “Nanomaterials: from research to applications”, Elsevier (2006) [2] C Dupas, P Houdy, et al., “Nanoscience”, Springer (2004) [3] Dennis E Buetow, John K Stevens, et al., “Three-Dimensional Confocal Microscopy: Volume Investigation of Biological Specimens”, Academic Press (1994) [4] Tony Wilson Confocal microscopy Academic Press: London, etc, 426:1–64, 1990 [5] Stefan W Hell and Jan Wichmann Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy Optics letters, 19(11):780–782, 1994 [6] Suliana Manley, Jennifer M Gillette, George H Patterson, Hari Shroff, Harald F Hess, Eric Betzig, and Jennifer Lippincott-Schwartz High-density mapping of single-molecule trajectories with photoactivated localization microscopy Nature methods, 5(2):155–157, 2008 [7] D A Parthenopoulos and P M Rentzepis Three-dimensional optical storage memory Science, 245(4920):843–845, 1989 [8] Bo Huang, Mark Bates, and Xiaowei Zhuang Super resolution fluorescence microscopy Annual review of biochemistry, 78:993, 2009 [9] Hong-Bo Sun, Makoto Maeda, Kenji Takada, James WM Chon, Min Gu, and Satoshi Kawata Experimental investigation of single voxels for laser nanofabrication via two-photon photopolymerization Applied physics letters, 83(5):819– 821, 2003 [10] Vygantas Mizeikis, Kock Khuen Seet, Saulius Juodkazis, and Hiroaki Misawa Three-dimensional woodpile photonic crystal templates for the infrared spectral range Optics letters, 29(17):2061–2063, 2004 [11] David G Grier A revolution in optical manipulation Nature, 424(6950):810– 816, 2003 [12] [9] Kishan Dholakia and Peter Reece Optical micromanipulation takes hold Nano today, 1(1):18–27, 2006 [13] [10] Peter J Shaw Comparison of widefield/deconvolution and confocal microscopy for three-dimensional imaging In Handbook of biological confocal microscopy, pages 453–467 Springer, 2006 71 [14] M Farsari and B N Chichkov Materials processing: Two-photon fabrication Nature Photonics, 3(8):450, 2009 [15] DW Pohl, W Denk, and M Lanz Optical stethoscopy: Image recording with resolution λ/20 Applied physics letters, 44(7):651–653, 1984 [16] Rajesh Menon and Henry I Smith Absorbance-modulation optical lithography JOSA A, 23(9):2290–2294, 2006 [17] V Berger, O Gauthier-Lafaye, et al., “Photonic band gaps and holography,” J Appl Phys 82, 60-64 (1997) [18] M Campbell, D N Sharp, et al., “Fabrication of photonic crystals for the visible spectrum by holographic lithography”, Nature 404, 53-56 (2000) [19] S Wong, V Kitaev, et al., “Colloidal crystal films: advances in universality and perfection”, J Am Chem Soc 125, 15589-15598 (2003) [20] C Rensch, S Hell, et al., “Laser scanner for direct writing lithography,” Appl Opt 28, 3754–3758 (1989) [21] H B Sun, S Matsuo, et al., “Three-dimensional photonic crystal structures achieved with two-photon-absorption photopolymerization of resin”, Appl Phys Lett 74, 786-788 (1999) [22] B H Cumpston, S P Ananthavel, et al., “Two-photon polymerization initiators for three dimensional optical data storage and microfabrication,” Nature 398, 51– 54 (1999) [23] S Kawata, H.-B Sun, et al., “Finer features for functional microdevices,” Nature 412, 697-698 (2001) [24] M Deubel, G V Freymann, et al., “Direct laser writing of three-dimensional photonic-crystal templates for telecommunications”, Nature Mater 3, 444-447 (2004) [25] M Farsari and B N Chichkov, “Materials processing: two-photon fabrication,” Nat Photonics 3, 450–452 (2009) [26] C Sibilia, T M Benson, et al., “Photonic crystals: physics and technology”, Springer (2008) [27] Bruce W Smith, Kazuaki Suzuki, “Microlithography: Science and Technology”, Second Edition, CRC Press (2007) [28] Thi Thanh Ngan Nguyen, Quang Liem Nguyen, et al., “Optimization of thickness and uniformity of photonic structures fabricated by interference lithography”, Appl Phys A 111, 297-302 (2013) 72 [29] W Denk, J H Strickler, et al., “Two-photon laser scanning fluorescence microscopy,” Science 248, 73–76 (1990) [30] W R Zipfel, R M Williams, et al., “Nonlinear magic: multiphoton microscopy in the biosciences,” Nat Biotechnol 21, 1369–1377 (2003) [31] http://kloe.fr/equipement/en/dilase-750 [32] http://www.nanoscribe.de/en/ [33] J Fischer, G von Freymann, et al., “The Materials Challenge in DiffractionUnlimited Direct-Laser-Writing Optical Lithography”, Adv Mater 22, 3578 (2010) [34] W Haske, V W Chen, et al., “65 nm feature sizes using visible wavelength 3D multiphoton lithography,” Opt Express 15, 3426–3436 (2007) [35] Benjamin Harke, Paolo Bianchini, et al., “Photopolymerization Inhibition Dynamics for Sub-Diffraction Direct Laser Writing Lithography”, ChemPhysChem 13, 1429-1434 (2012) [36] Richard Wollhofen, Julia Katzmann, et al., 120 nm resolution and 55 nm structure size in STED-lithography, Opt Express 21, 10831–10840 (2013) [37] Thomas A Klar, Richard Wollhofen, et al., “Sub-Abbe resolution: from STED microscopy to STED lithography”, Phys Scr T162, 014049 (2014) [38] Joachim Fischer, Jonathan B Mueller, et al., “Exploring the Mechanisms in STED-Enhanced Direct Laser Writing”, Adv Optical Mater 3, 221–232 (2015) [39] Q Li, M T Do, et al., “A novel concept for three-dimensional optical addressing by ultralow one-photon absorption method”, Opt Lett 38, 4640– 4643 (2013) [40] M.T Do, T.T.N Nguyen, et al., “Submicrometer 3D structures fabrication enabled by one-photon absorption direct laser writing”, Opt Express 21, 20964-20973 (2013) [41] M.T Do, Q Li, T.T.N Nguyen, et al., “High aspect ratio sub-micrometer twodimensional structures fabricated by one-photon absorption direct laser writing”, Microsystem Technologies 20, 2097–2102 (2014) [42] D.T T Nguyen, Q C Tong, et al., “One-step fabrication of submicrostructures by low one-photon absorption direct laser writing technique with local thermal effect”, J Appl Phys 119, 013101 (2016) [43] M T Do, Q Li, et al., “Optimization of LOPA-based direct laser writing technique for fabrication of submicrometric polymer two- and three- 73 [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] dimensional structures”, Proc SPIE, Photonic Crystal Materials and Devices XI, 9127, 912703 (2014) M T Do, D T T Nguyen, et al., “Controlled coupling of a single nanoparticle in polymeric microstructure by low one-photon absorption-based direct laser writing technique”, Nanotechnology 26, 105301 (2015) D T T Nguyen, T H Au, et al., “Coupling of a single active nanoparticle to a polymer-based photonic structure”, J Science: Advanced Materials and Devices 1, 18-30 (2016) M Galli, D Gerace, et al., “Low-power continuous-wave generation of visible harmonics in silicon photonic crystal nanocavities”, Opt Express 18, 26613 (2010) K Rivoire, Z Lin, et al., “Sum-frequency generation in doubly resonant GaP photonic crystal nanocavities”, Appl Phys Lett 97, 043103 (2010) S Noda, M Fujita, et al., “Spontaneous-emission control by photonic crystals and nanocavities”, Nature Photon 1, 449 (2007) M Nomura, N Kumagai, et al., “Laser oscillation in a strongly coupled singlequantum-dot–nanocavity system”, Nature Phys 6, 279 (2010) M Barth, S Schietinger, S Fischer, J Becker, N Nüsse, T Aichele, B Lochel, C Sonnichsen, O Benson, “Nanoassembled plasmonic-photonic hybrid cavity for tailored light-matter coupling”, Nano Lett 10, 891-895 (2010) X Wang, R Morea, et al., “Coupling localized plasmonic and photonic modes tailors and boosts ultrafast light modulation by gold nanoparticles”, Nano Lett 15, 2633-2639 (2015) X Hu, P Jiang, et al., “Picosecond and low-power all-optical switching based on an organic photonic-bandgap microcavity”, Nature Photon 2, 185 (2008) H.-Y Liu, C.-T Wang, et al., “Optically tuneable blue phase photonic band gaps”, Appl Phys Lett 96, 121103 (2010) Quang Cong Tong, Dam Thuy Trang Nguyen, et al., “Direct laser writing of polymeric nanostructures via optically induced local thermal effect”, Appl Phys Lett 108, 183104 (2016) Fei Cheng, Jie Gao, et al., “Structural color printing based on plasmonic metasurfaces of perfect light absorption”, Scientifics Reports 5, 11045 (2015) Xiaolong Zhu, Christoph Vannahme, et al., “Plasmonic colour laser printing”, Nature Nanotechnology 11, 325–329 (2016) 74 [57] Minh Thanh Do, Quang Cong Tong, et al., “Fabrication and Characterization of Large-Area Unpatterned and Patterned Plasmonic Gold Nanostructures”, Journal of Electronic Materials 45, 2347-2353 (2016) [58] Minh Thanh Do, Quang Cong Tong, et al., “Nano-patterning of gold thin film by thermal annealing combined with laser interference techniques”, Appl Phys A 122, 360 (2016) [59] Min Gu, Xiangping Li, et al., “Optical storage arrays: a perspective for future big data storage”, Light - Science and Applications 3, e177 (2014) [60] I Theodorakosa, F Zacharatosa, et al., “Selective laser sintering of Ag nanoparticles ink for applications in flexible electronics”, Applied Surface Science 336, 157–162 (2015) [61] Tianrui Zhai, Xinping Zhang, et al., “Random Laser Based on Waveguided Plasmonic Gain Channels”, Nano Lett 11, 4295–4298 (2011) [62] Le Van Hong, Do Tran Cat, et al Plasmonic Effect in Au-Added TiO2-Based Solar Cell, J Electronic Materials (2016) DOI: 10.1007/s11664-016-4755-3 [63] Hong-Bo Sun, Kenji Takada, et al., “Elastic force analysis of functional polymer submicron oscillators”, Appl Phys Lett 79, 3173-3175 (2001) [64] Timo Gissibl, Simon Thiele, et al., “Two-photon direct laser writing of ultracompact multi-lens objectives”, Nature Photonics 10, 554-560 (2016) [65] J Bauer, A Schroer, et al., “Approaching theoretical strength in glassy carbon nanolattices”, Nature Materials 15, 438-443 (2016) [66] Vincent W Chen, Nina Sobeshchuk, et al., “Three-dimensional organic microlasers with low lasing thresholds fabricated by multiphoton and UV lithography”, Optics Express 22, 12316 (2014) [67] Chee-Wei Lee, Stefano Pagliara, et al “Perpendicular coupling to in-plane photonics using arc waveguides fabricated via two-photon polymerization”, Appl Phys Lett 100, 171102 (2012) [68] Andreas W Schell, Johannes Kaschke et al “Three-dimensional quantum photonic elements based on single nitrogen vacancy-centres in laser-written microstructures”, Scientific Reports 3, 1577 (2013) [69] S Kim, F Qiu, et al “Fabrication and Characterization of Magnetic Microrobots for Three-Dimensional Cell Culture and Targeted Transportation”, Adv Mater 25, 5863–5868 (2013) 75 [70] Attilio Marino, Carlo Filippeschi, et al., “Biomimicry at the nanoscale: current research and perspectives of two-photon polymerization”, Nanoscale 7, 2841– 2850 (2015) [71] Barbara Spagnolo, Virgilio Brunetti1, et al., “Three-dimensional cage-like microscaffolds for cell invasion studies”, Scientific Reports 5, 10531 (2015) [72] Shahin Bagheri, Ksenia Weber, et al., “Fabrication of Square-Centimeter Plasmonic Nanoantenna Arrays by Femtosecond Direct Laser Writing Lithography: Effects of Collective Excitations on SEIRA Enhancement”, ACS Photonics 2, 779–786 (2015) [73] Costas M Soukoulis and Martin Wegener, “Past achievements and future challenges in the development of three-dimensional photonic metamaterials”, Nature Photonics 5, 523–530 (2011) [74] Muamer Kadic, Tiemo Buckmann, et al., “Metamaterials beyond electromagnetism”, Rep Prog Phys 76, 126501 (2013) [75] J B Pendry, “Negative refraction makes a perfect lens,” Phys Rev Lett 85, 3966 (2000) [76] D Schurig, J J Mock, et al., “Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies,” Science 314, 977 (2006) [77] J B Pendry, D Schurig, et al., “Controlling Electromagnetic Fields,” Science 312, 1780 (2006) [78] Xianzhong Chen, Yu Luo, et al., “Macroscopic invisibility cloaking of visible light,” Nature Communication Doi: 10.1038/ncomms1176 (2011) [79] N I Landy, S Sajuyigbe, et al., “Perfect Metamaterial Absorber,” Phys Rev Lett 100, 207402 (2008) [80] Koray Aydin, Vivian E Ferry, “Broadband polarization-independent resonant light absorption using ultrathin plasmonic super absorbers”, Nature Commun 2, 517 (2011) [81] Sumeet Walia, Charan M Shah, “Flexible metasurfaces and metamaterials: A review of materials and fabrication processes at micro- and nano-scales”, Appl Phys Rev 2, 011303 (2015) [82] E Hecht Optics Pearson education Addison-Wesley, 2002 [83] Scott Marshall Mansfield and GS Kino Solid immersion microscope Applied physics letters, 57(24):2615–2616, 1990 [84] Min Gu Advanced optical imaging theory, volume 75 Springer, 1999 76 [85] E Wolf Electromagnetic diffraction in optical systems I an integral representation of the image field Proc Roy Soc A, 253(1274):349–357, 1959 [86] Kathleen Youngworth and Thomas Brown Focusing of high numerical aperture cylindrical-vector beams Optics Express, 7(2):77–87, 2000 [87] B Richards and E Wolf Electromagnetic diffraction in optical systems II structure of the image field in an aplanatic system Proceedings of the Royal Society of London Series A Mathematical and Physical Sciences, 253(1274):358–379, 1959 [88] Lars Egil Helseth Focusing of atoms with strongly confined light potentials Optics communications, 212(4):343–352, 2002 [89] P Debye, “Das verhalten von lichtwellen in der nähe eines brennpunktes oder einer brennlinie,” Ann Phys (Berlin), vol 335, no 14, pp 755–776, 1909 [90] E Wolf, “Electromagnetic diffraction in optical systems i an integral representation of the image field,” Proc R Soc A, vol 253, no 1274, pp 349– 357, 1959 [91] M Herzberger and R v Mises, “Review: R k luneberg, mathematical theory of optics,” Bull Amer Math Soc., vol 51, no 11, pp 865–867, 1945 [92] J Gasper, G C Sherman, and J J Stamnes, “Reflection and refraction of an arbitrary electromagnetic wave at a plane interface,” J Opt Soc Am., vol 66, no 9, pp 955–961, 1976 [93] J J Stamnes and G C Sherman, “Radiation of electromagnetic fields in uniaxially anisotropic media,” J Opt Soc Am., vol 66, no 8, pp 780–788, 1976 [94] E Wolf and Y Li, “Conditions for the validity of the debye integral representation of focused fields,” Opt Commun, vol 39, no 4, pp 205 –210, 1981 [95] H Ling and S.-W Lee, “Focusing of electromagnetic waves through a dielectric interface,” J Opt Soc Am A, vol 1, no 9, pp 965–973, 1984 [96] Y Ji and K Hongo, “Analysis of electromagnetic waves refracted by a spherical dielectric interface,” J Opt Soc Am A, vol 8, no 3, pp 541–548, 1991 [97] R KanT, “An analical solusion of vector diffraction for focufocus opticalsystem with seidel abberation spherical-abberation, curvature of field, and distorsion,” J Mod Opt., vol 40, no 11, pp 2293–2310, 1993 77 [98] J J Stamnes and G S Sithambaranathan, “Reflection and refraction of an arbitrary electromagnetic wave at a plane interface separating an isotropic and a biaxial medium,” J Opt Soc Am A, vol 18, no 12, pp 3119–3129, 2001 [99] J Stamnes, Waves in Focal Regions: Propagation, Diffraction and Focusing of Light, Sound and Water Waves Adam Hilger, Bristol, UK, 1986 [100] S Hell, G Reiner, C Cremer, and E H K Stelzer, “Aberrations in confocal fluorescence microscopy induced by mismatches in refractive index,” J Microsc., vol 169, no 3, pp 391–405, 1993 [101] P Török, P Varga, Z Laczik, and G Booker, “Electromagnetic diffraction of light focused through a planar interface between materials of mismatched refractive indices: an integral representation,” JOSA A, vol 12, no 2, pp 325– 332, 1995 [102] S H Wiersma and T D Visser, “Defocusing of a converging electromagnetic wave by a plane dielectric interface,” J Opt Soc Am A, vol 13, no 2, pp 320– 325, 1996 [103] M Leutenegger, R Rao, R A Leitgeb, and T Lasser, “Fast focus field calculations,” Opt Express, vol 14, no 23, pp 11277–11291, 2006 [104] J Lin, O G Rodríguez-Herrera, F Kenny, D Lara, and J C Dainty, “Fast vectorial calculation of the volumetric focused field distribution by using a three-dimensional fourier transform,” Opt Express, vol 20, no 2, pp 1060– 1069, 2012 [105] S Chang, J H Jo, and S S Lee, “Theoretical calculations of optical force exerted on a dielectric sphere in the evanescent field generated with a totallyreflected focused gaussian beam,” Opt Commun, vol 108, no 1-3, pp 133–143, 1994 [106] D Censor, “Fermat’s principle and real space-time rays in absorbing media,” J Phys A, vol 10, no 10, pp 1781–1790, 1977 [107] S J Chapman, J M H Lawry, J R Ockendon, and R H Tew, “On the theory of complex rays,” SIAM Review, vol 41, no 3, pp 417–509, 1999 [108] R Egorchenkov and Y Kravtsov, “Complex ray-tracing algorithms with application to optical problems,” JOSA A, vol 18, no 3, pp 650–656, 2001 [109] P C Chang, J Walker, and K Hopcraft, “Ray tracing in absorbing media,” J Quant Spectrosc Radiat Transfer, vol 96, no 3-4, pp 327–341, 2005 [110] J M Diñeiro, M Berrogui, S Alfonso, C Alberdi, B Hernández, and C Sáenz, “Complex unitary vectors for the direction of propagation and for the 78 polarization of electromagnetic waves in uniaxial and absorbing dielectric media.,” J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis, vol 24, no 6, pp 1767–75, 2007 [111] L G Guimarães and E E Sampaio, “A note on snell laws for electromagnetic plane waves in lossy media,” J Quant Spectrosc Radiat Transfer, vol 109, no 11, pp 2124–2140, 2008 [112] Y Wang, P Shi, H Xin, and L Wu, “Complex ray tracing in biaxial anisotropic absorbing media,” J Opt Soc Am A, vol 10, no 7, p 075009, 2008 [113] Y Wang, L Liang, H Xin, and L Wu, “Complex ray tracing in uniaxial absorbing media,” J Opt Soc Am A, vol 25, no 3, pp 653–7, 2008b [114] S Alfonso, J M D neiro, C Alberdi, B Hernández, and C Sáenz, “Influence of absorption on the anomalous negative refraction in right-handed uniaxial absorbing dielectric media,” J Opt Soc Am A, vol 27, no 9, pp 1938–1945, 2010 [115] M Sluijter, Ray-optics analysis of inhomogeneous optically anisotropic media Dissertation, TNW Optics Research Group, Delft University of Technology, January 2010 [116] B Davis, P Carney, and R Bhargava, “Theory of midinfrared absorption microspectroscopy: I homogeneous samples,” Anal Chem., vol 82, no 9, pp 3474–3486, 2010 [117] J M Diñeiro, C Alberdi, B Hernández, and C Sáenz, “Uniaxial absorbing media: conditions for refraction in the direction of the optical axis.,” J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis, vol 30, no 3, pp 385–91, 2013 [118] V Y Fedorov and T Nakajima, “Negative refraction of inhomogeneous waves in lossy isotropic media,” J Opt., vol 16, no 3, p 035103, 2014 [119] R K Luneburg, Mathematical theory of optics University of California Press, Berkeley, Calif., 1966 [120] Stefan Hell and Ernst HK Stelzer Properties of a 4pi confocal fluorescence microscope JOSA A, 9(12):2159–2166, 1992 [121] CJR Sheppard and T Wilson Gaussian-beam theory of lenses with annular aperture IEE Journal on Microwaves, Optics and Acoustics, 2(4):105–112, 1978 [122] Haifeng Wang, Luping Shi, Boris Lukyanchuk, Colin Sheppard, and Chong Tow Chong Creation of a needle of longitudinally polarized light in vacuum using binary optics Nature Photonics, 2(8):501–505, 2008 79 [123] Yuichi Kozawa and Shunichi Sato Focusing property of a double-ring-shaped radially polarized beam Optics letters, 31(6):820–822, 2006 [124] Birka Hein, Katrin I Willig, and Stefan W Hell Stimulated emission depletion (sted) nanoscopy of a fluorescent protein-labeled organelle inside a living cell Proceedings of the National Academy of Sciences, 105(38):14271–14276, 2008 [125] Takahiro Kuga, Yoshio Torii, Noritsugu Shiokawa, Takuya Hirano, Yukiko Shimizu, and Hiroyuki Sasada Novel optical trap of atoms with a doughnut beam Physical Review Letters, 78(25):4713, 1997 [126] Xiang Hao, Cuifang Kuang, Tingting Wang, and Xu Liu Effects of polarization on the de-excitation dark focal spot in sted microscopy Journal of Optics, 12(11):115707, 2010 [127] Min Gu Advanced optical imaging theory, volume 75 Springer, 1999 [128] Rishi Kant An analytical solution of vector diffraction for focusing optical systems with seidel aberrations: I spherical aberration, curvature of field, and distortion Journal of Modern Optics, 40(11):2293–2310, 1993 [129] Rishi Kant An analytical method of vector diffraction for focusing optical systems with seidel aberrations ii: Astigmatism and coma Journal of Modern Optics, 42(2):299–320, 1995 80 ... thành cảm ơn! TÍNH TỐN MƠ PHỎNG CÁC THƠNG SỐ TRƯỜNG QUANG TẠI VÙNG HỘI TỤ CỦA VẬT KÍNH CĨ KHẨU ĐỘ SỐ CAO SỬ DỤNG TRONG HỆ KHẮC LASER TRỰC TIẾP ỨNG DỤNG CHO CHẾ TẠO CẤU TRÚC VẬT LIỆU NANO Nguyễn... NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN MẠNH HIẾU TÍNH TỐN MƠ PHỎNG CÁC THƠNG SỐ TRƯỜNG QUANG TẠI VÙNG HỘI TỤ CỦA VẬT KÍNH CÓ KHẨU ĐỘ SỐ CAO SỬ DỤNG TRONG HỆ KHẮC LASER TRỰC TIẾP ỨNG DỤNG CHO CHẾ TẠO... luận văn tập trung chủ yếu vào mô thông số trường quang vùng hội tụ vật kính có độ số cao sử dụng hệ khắc laser trực tiếp ứng dụng cho chế tạo cấu trúc vật liệu nano Trong phần luận án, đưa lý thuyết