Mô phỏng các bộ lọc quang cấu tạo bởi các tấm điện môi ứng dụng trong quang phổ học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - LÊ THỊ DUNG MÔ PHỎNG CÁC BỘ LỌC QUANG CẤU TẠO BỞI CÁC TẤM ĐIỆN MÔI ỨNG DỤNG TRONG QUANG PHỔ HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội- Năm 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - LÊ THỊ DUNG MÔ PHỎNG CÁC BỘ LỌC QUANG CẤU TẠO BỞI CÁC TẤM ĐIỆN MÔI ỨNG DỤNG TRONG QUANG PHỔ HỌC Chuyên ngành: Quang học Mã số: 840130.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS MAI HỒNG HẠNH Hà Nội- Năm 2018 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung LỜI CẢM ƠN Lời xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Mai Hồng Hạnh, ngƣời tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ tơi suốt q trình làm luận văn nhƣ trình học tập, nghiên cứu trƣờng Tôi xin chân thành cảm ơn đến PGS.TS Dƣơng Trí Dũng, mơn Khí tài Quang, Học viện Kỹ thuật Quân giúp đỡ chế tạo kính lọc đo đạc thực nghiệm Tơi xin chân thành cảm ơn thầy, cô khoa Vật lý - Trƣờng Đại học KHTN, đặc biệt thầy, cô giáo môn Quang lƣợng tử hƣớng dẫn tạo điều kiện cho đƣợc học tập hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn thầy, giáo, cán Phịng Sau đại học, Phịng Cơng tác trị sinh viên, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN tạo điều kiện thuận lợi trình thực luận văn Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến em Trần Đình Hồng, Lê Trần Thịnh em khác nhóm ln hỗ trợ nhiệt tình cho tơi suốt q trình hồn thành luận văn Nhân dịp này, tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè động viên, tạo điều kiện cho suốt trình học tập thực luận văn Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2018 Học viên cao học Lê Thị Dung i Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .4 1.1.Tổng quan lý thuyết chiết suất 1.2 Cấu trúc màng mỏng 1.2.1 Cấu trúc đơn lớp .7 1.2.2 Cấu trúc đa lớp 10 1.3 Phƣơng pháp ma trận truyền (TMM) .13 1.4 Bộ lọc DBR 18 1.5 Bộ lọc Fabry-Pérot 19 1.6 Bộ lọc DBR dải rộng 20 1.7 Vật liệu 21 CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ VÀ PHẦN MỀM 23 2.1 Công nghệ plasma lắng đọng hóa học(PECVD) .23 2.2 Phần mềm mô OpenFilters 24 2.3 Phƣơng pháp Needle .27 2.4 Phƣơng pháp khảo sát phổ phản xạ, truyền qua .28 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 Tối ƣu hóa lọc DBR 31 3.2 Tối ƣu hóa lọc Fabry- Pérot 33 3.3 Ứng dụng lọc DBR FT kính hiển vi huỳnh quang 36 3.4 So sánh kết mô thực nghiệm lý thuyết 38 3.5 Biến đổi theo số chu kỳ 40 3.6 Mở rộng độ rộng vùng cấm .41 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN 44 Luận văn đạt đƣợc mục tiêu đề với kết nhƣ sau: 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 ii Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc đơn lớp Trang Hình 1.2 Cấu trúc đa lớp Trang 10 Hình 1.3 (a) Gƣơng Bragg, (b) Phổ phản xạ cấu trúc đa lớp Trang 11 Hình 1.4 Các vectơ sóng trƣờng điện, từ tƣơng ứng qua Trang 14 lớp vật liệu Giả thiết chùm ánh sáng tới vng góc với bề mặt chất điện mơi Hình 1.5 Phổ truyền qua phản xạ lọc DBR Trang 19 Hình 1.6 Sơ đồ buồng cộng hƣởng Fabry-Pérot Trang 19 Hình1.7 Phổ truyền qua mơ lọc Fabry-Pérot có độ Trang 20 rộng vùng cấm khoảng 300 nm (từ 650 nm đến 950 nm) có dải hẹp truyền qua bƣớc sóng 775 nm Hình 1.8 Phổ truyền mơ hai lọc DBR với bƣớc Trang 21 sóng trung tâm khác Hình 1.9 Sự thay đổi chiết suất TiO2 SiO2 theo bƣớc sóng Trang 22 Hình 1.10 (a)Phổ phản xạ lọc DBR, (b) Phổ truyền qua Trang 22 lọc FP với bƣớc sóng trung tâm 775nm Hình 2.1 Cấu hình hệ thống plasma lắng đọng hóa học Trang 24 (PECVD) Hình 2.2 Các tham số thiết kế cho phần mềm OpenFilters, 10,5 chu Trang 26 kỳ gƣơng TiO2 / SiO2 Hình 2.3 Phổ truyền qua mô lọc bao gồm 10,5 chu kỳ Trang 27 TiO2 / SiO2, với bƣớc sóng trung tâm 800nm đƣợc mơ phần mềm OpenFilters Hình 2.4 Hình 2.4 Sơ đồ biểu diễn phƣơng pháp needle Trang 28 Hình 2.5 Máy đo phổ Lambda 800/900 Trang 29 Hình 2.6 Sơ đồ quang phổ Perkin Elmer Lambda 900 Trang 30 Hình 3.1 Phổ phản xạ lọc DBR bao gồm 10,5 chu kỳ TiO2 / Trang 31 iii Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung SiO2 với bƣớc sóng trung tâm 775nm chƣa đƣợc tối ƣu Hình 3.2 Phổ phản xạ lọc bao gồm 10,5 chu kỳ TiO2 / SiO2 Trang 33 với bƣớc sóng trung tâm 775nm chƣa đƣợc tối ƣu đƣợc tối ƣu Hình 3.3 Quang phổ truyền qua thiết kế ban đầu lọc FP Trang 34 với bƣớc sóng trung tâm 775nm Hình 3.4 Quang phổ truyền qua thiết kế ban đầu đƣợc tối ƣu Trang 36 hóa lọc FP với bƣớc sóng 775nm Hình 3.5 Kính hiển vi huỳnh quang với mẫu sinh học đƣợc nhuộm Trang 37 chất màu khác Bộ lọc DBR đƣợc sử dụng với mục đích làm tăng độ lọc lựa độ tƣơng phản kính Hình 3.6 Một kính hiển vi huỳnh quang gƣơng mẫu sinh học bao Trang 38 gồm nguồn sáng, lọc FP máy dị Các bƣớc sóng bên ngồi vùng cấm đƣợc phát thiết lập Hình 3.7 Bộ lọc bƣớc sóng 775nm Trang 39 Hình 3.8 Phổ phản xạ lọc bao gồm 6,5 chu kỳ TiO2 / SiO2 Trang 40 với bƣớc sóng trung tâm 775nm lý thuyết thực nghiệm Hình 3.9 Phổ phản xạ lọc 6,5 chu kỳ 10,5 chu kỳ TiO2 / Trang 41 SiO2, với bƣớc sóng trung tâm 775nm Hình 3.10 Quang phổ phản xạ chƣa đƣợc tối ƣu hóa lọc Trang 42 DBR TiO2/ SiO2 10,5 chu kỳ với bƣớc sóng trung tâm 400nm, 500nm, 625nm, 800nm Hình 3.11 Quang phổ phản xạ đƣợc tối ƣu hóa lọc DBR TiO2/ SiO2 10,5 chu kỳ với bƣớc sóng trung tâm 400nm, 500nm, 625nm, 800nm iv Trang 42 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các giá trị số điện môi, độ từ thẩm tốc độ ánh Trang sáng chân không Bảng 3.1 Độ dày lớp lọc DBR TiO2 / SiO2 với bƣớc sóng Trang 32 truyền qua 775 nm sau tối ƣu Bảng 3.2 Độ dày lớp lọc FP TiO2 / SiO2 với bƣớc sóng truyền qua 775 nm sau tối ƣu v Trang 35 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DBR - Distributed Bragg Reflector - Gƣơng phản xạ Bragg IR- Infrared wavelength range- Phạm vi bƣớc sóng hồng ngoại hồng ngoại SWIR - Short wave Infrared wavelength range - Sóng ngắn bƣớc sóng hồng ngoại UV- Ultra-violet wavelength range- Phạm vi bƣớc sóng cực tím NIR - Near Infrared- hồng ngoại gần Si3N4 Silicon Nitride SiO2 - Silicon Dioxide TiO2 -Titanium Dioxide TTM- Transfer Matrix Method- Phƣơng thức ma trận truyền CW- Center wavelength- Trung tâm bƣớc sóng PECVD – Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition - Plasma tăng cƣờng lắng đọng hóa học SiH4 Silane NH3 Ammonia N2O nitơ oxit Ar Argon N2 Nitơ O2 Oxygen CF4 Tetrafluoride AMU-Automatic matching unit- Đơn vị kết hợp tự động SWI- Automatic switching unit- Bộ điều khiển lƣu lƣợng n- refractive index - chiết suất H- High refractive index material- Vật liệu chiết suất cao L- High refractive index material- Vật liệu chiết suất thấp vi Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung MỞ ĐẦU Cùng với xu phát triển thời đại, loại vật liệu có nhiều nét tƣơng đồng tinh thể bán dẫn tinh thể quang tử làm nên cách mạng phát triển công nghiệp vi điện tử (IC) Chính nhờ phát triển ngành cơng nghiệp mà chế tạo đƣợc máy tính cá nhân gọn, nhẹ với tốc độ cao, hệ thống thông tin viễn thông siêu tốc băng thông rộng Tinh thể quang tử cấu trúc không gian tuần hồn vật liệu có số điện mơi khác Sự biến đổi tuần hồn số điện môi làm xuất vùng cấm quang (photonic bandgap - PBG) cấu trúc vùng (đƣợc hiểu mối liên hệ tần số số sóng) tinh thể quang tử Trong loại tinh thể quang tử, tinh thể quang tử chiều loại tinh thể đơn giản Tinh thể quang tử chiều với chiết suất đồng lớp đƣợc biết đến dƣới tên gọi lọc phản xạ phân bố Bragg lọc Fabry-Pérot Bộ lọc phản xạ phân bố Bragg (bộ lọc DBR, hay gƣơng DBR) cấu trúc bao gồm màng mỏng xếp có tính tuần hồn vật liệu có chiết suất cao vật liệu có chiết suất thấp Trong độ dày lớp vật liệu đƣợc xác định phần tƣ bƣớc sóng trung tâm Bộ lọc DBR cho độ phản xạ cao (xấp xỉ 99%) vùng phổ định (vùng cấm quang học, hay stopband) đƣợc xác định bƣớc sóng trung tâm [3] Bộ lọc Fabry-Pérot (bộ lọc FP) bao gồm hai gƣơng DBR với độ phản xạ cao 01 buồng cộng hƣởng có độ dày phần hai bƣớc sóng trung tâm Do có phản xạ nhiều lần chùm ánh sáng hai gƣơng DBR, kết hợp với điều kiện cực đại giao thoa xảy buồng cộng hƣởng, lọc FP cho phép dải sóng hẹp truyền qua đƣợc vùng stopband Các lọc có ƣu điểm tích hợp thuận lợi với cơng nghệ vi điện tử để tạo mạch tích hợp quang đƣợc sử dụng rộng rãi hệ đo quang học với vùng phổ hoạt động đƣợc trải rộng từ vùng tử ngoại, qua vùng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại gần Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung Với lý nêu đồng thời dựa vào trang thiết bị có phịng thí nghiệm Khoa Vật lý, chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là: “Mô lọc quang cấu tạo điện môi ứng dụng quang phổ học” Trong luận văn này, hai loại lọc quang học đƣợc mô gƣơng Bragg phản xạ (DBR) kính lọc Fabry Pérot tạo lớp vật liệu TiO2 có chiết suất cao xen kẽ với vật liệu SiO2 có chiết suất thấp Các lọc quang học có độ rộng vùng cấm từ 300 nm đến 1000 nm đƣợc ứng dụng để làm tăng độ tƣơng phản, độ nhạy kính hiển vi huỳnh quang lọc thông quang, hệ đo quang học Để làm đƣợc điều này, dùng chƣơng trình mơ Open Filter để mơ lọc Việc tối ƣu hóa kính lọc đƣợc thực cách sử dụng phƣơng pháp Needle Chúng nghiên cứu ảnh hƣởng độ dày lớp điện môi, số lƣợng lớp điện môi tới phổ truyền qua, phản xạ lọc quang học Kết mơ cho thấy kính lọc thu đƣợc có độ truyền qua đạt gần 100% vùng cấm (stopband) Các kết thu đƣợc đóng vai trị quan trọng việc thiết kế lọc Cấu trúc luận văn đƣợc chia thành chƣơng nhƣ sau: • Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng trình bày tổng quan lý thuyết liên quan đến lọc quang học Nghiên cứu lọc băng quang đòi hỏi hiểu biết công nghệ màng mỏng cấu trúc đa lớp Hiệu suất cấu trúc đa lớp đƣợc xác định số lớp chiết suất vật liệu khác có ảnh hƣởng đáng kể đến tính chất quang lọc Giới thiệu tổng quan phƣơng pháp truyền ma trận (TMM), đƣợc sử dụng để phân tích mơ tả truyền sóng điện từ • Chƣơng 2: Cơng nghệ phần mềm Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung chua toi uu da toi uu 1.0 cuong (AU) 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 300 400 500 600 700 800 900 1000 Buoc song (nm) Hình 3.2:Phổ phản xạ lọc bao gồm 10,5 chu kỳ TiO2 / SiO2 với bước sóng trung tâm 775nm chưa tối ưu tối ưu Rõ ràng so với phổ phản xạ lọc DBR dựa stack formula H(LH)^10 độ phản xạ lọc sau đƣợc tối ƣu hóa giữ nguyên đƣợc độ phản xạ cao vùng cấm stopband, độ rộng vùng cấm gần nhƣ không đổi Với lọc quang học chƣa đƣợc tối ƣu ta thấy xuất nhiều đỉnh nhiễu, có đỉnh nhiễu cao, cao khoảng 70% Bộ lọc sau đƣợc tối ƣu cho vùng cấm tƣơng ứng dải bƣớc sóng từ 660nm đến 910nm với bƣớc sóng trung tâm 775nm Trong vùng cấm ánh sáng phản xạ mạnh với hiệu suất gần đạt 100%, bên vùng cấm đỉnh nhiều bị dập đáng kể, với đỉnh nhiễu cao xấp xỉ 20%, đỉnh khác dƣới 10% nhiều đỉnh gần nhƣ đƣợc dập tắt Nhƣ dùng phần mềm mô sử dụng phƣơng pháp needle để tối ƣu thu đƣợc lọc có khả phản xạ tốt hơn, với đỉnh phản xạ cao, vùng phản xạ sắc nét 3.2 Tối ƣu hóa lọc Fabry- Pérot Tƣơng tự nhƣ lọc DBR, lọc FP đƣợc xây dựng với mục đích để truyền qua dải ánh sáng hẹp bƣớc sóng trung tâm Để đơn giản hóa q trình mơ phỏng, tơi sử dụng cơng thức Stack Formular cho lọc FP nhƣ sau: 33 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung H(LH)^4 2C H(LH)^4 Trong đó, H, L, C tƣơng ứng TiO2, SiO2 vật liệu sử dụng làm buồng cộng hƣởng trƣờng hợp SiO2 Phổ truyền qua lọc FP sử dụng thiết kế đƣợc biểu diễn hình 3.3 Bộ lọc có độ rộng vùng cấm khoảng 300nm khoảng bƣớc sóng từ 650nm đến 950nm Bộ lọc cho đỉnh nhọn truyền qua bƣớc sóng trung tâm 775 nm với độ truyền qua khoảng 70% Tuy nhiên tƣơng tự nhƣ lọc DBR, bên vùng cấm stopband lọc FP, tồn vân (fringes) với thăng giáng cƣờng độ phản xạ tƣơng đối cao (lên tới 60%) Chua toi uu 1.0 Cuong (AU) 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 300 400 500 600 700 800 900 1000 Buoc song (nm) Hình 3.3 Quang phổ truyền qua thiết kế ban đầu lọc FP với bước sóng trung tâm 775nm Để làm giảm thăng giáng này, sử dụng Needle function nhằm tối ƣu hóa lọc Bảng số liệu cho biết độ dày lọc FP sau đƣợc tối ƣu hóa đƣợc trình bày dƣới đây: 34 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung Bảng 3.2: Độ dày lớp lọc FP TiO2 /SiO2 với bước sóng truyền qua 775 nm Độ dày (nm) Thứ tự lớp Vật liệu Độ dày (nm) 12 SiO2 18,499386 138,731471 13 TiO2 73,346787 TiO2 75,869473 14 SiO2 133,074666 SiO2 129,573614 15 TiO2 71,732693 TiO2 73,790837 16 SiO2 129,472944 SiO2 128,239010 17 TiO2 73,794547 TiO2 68,954845 18 SiO2 130,950622 SiO2 133,264020 19 TiO2 73,273552 TiO2 78,685327 20 SiO2 131,283927 10 SiO2 262,873665 21 TiO2 68,294663 11 TiO2 10,070821 22 SiO2 62,085618 Thứ tự lớp Vật liệu TiO2 77,954872 SiO2 Với Stack Formula H(LH)^4 2C H(LH)^4, lọc đƣợc mô với 20 lớp TiO2 /SiO2 xếp xen kẽ Tuy nhiên sau tối ƣu hóa phƣơng pháp Needle ta nhận thấy số lớp tăng lên 22 lớp, tăng lớp vị trí lớp mỏng đƣợc thêm vào lớp 11,12 Quang phổ truyền thiết kế ban đầu đƣợc tối ƣu hóa lọc FP đƣợc mơ tả hình 3.4 35 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung chua toi uu da toi uu 1.0 Cuong (AU) 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 300 400 500 600 700 800 900 1000 Buoc song (nm) Hình 3.4: Quang phổ truyền qua thiết kế ban đầu tối ưu hóa lọc FP với bước sóng 775nm Từ hình ảnh phổ ta thấy, việc sử dụng phƣơng pháp Needle làm tăng độ cƣờng độ truyền qua đạt khoảng 80% bƣớc sóng trung tâm 775nm Độ rộng vùng cấm giữ nguyên khoảng 300nm Tuy có dịch phổ vùng cấm stopband phía bƣớc sóng ngắng khoảng 30nm, nhiên độ rộng phổ vùng cấm stopband vị trí đỉnh truyền qua không đổi 3.3 Ứng dụng lọc DBR FT kính hiển vi huỳnh quang Kính hiển vi huỳnh quang đƣợc sử dụng rộng rãi ứng dụng y học, lý sinh y sinh Nguyên tắc quan sát mẫu kính hiển vi huỳnh quang mẫu đƣợc quan sát đƣợc nhuộm với chất màu khác Các chất màu có khả phát xạ huỳnh quang bƣớc sóng khác dải từ tử ngoại, nhìn thấy hồng ngoại gần Nhờ màu sắc khác mà quan sát, phân biệt đƣợc mẫu vật sinh học khác Tuy nhiên với kính hiển vi huỳnh quang thơng thƣờng, camera kính thƣờng có độ nhạy cao vùng bƣớc sóng nhìn thấy, có độ nhạy thấp vùng bƣớc sóng hồng ngoại gần Do quan sát mẫu đƣợc nhuộm chất màu phát huỳnh quang vùng bƣớc sóng hồng ngoại gần kính hiển vi huỳnh quang thƣờng cho độ nhạy, độ phản xạ so với mẫu đƣợc nhuộm chất màu phát 36 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung huỳnh quang vùng bƣớc sóng nhìn thấy Để làm tăng độ tƣơng phản, tăng tính lọc lựa cần quan sát mẫu sinh học ngƣời ta thƣờng sử dụng lọc FP nhƣ đƣợc trình bày hình 3.5 Ở đây, mẫu sinh học đƣợc nhuộm với chất màu khác nhau, chất màu Alexa Fluor 750 phát huỳnh quang bƣớc sóng 775 nm đƣợc sử dụng để quan sát mẫu sinh học Hình 3.5: Kính hiển vi huỳnh quang với mẫu sinh học nhuộm chất màu khác Bộ lọc DBR sử dụng với mục đích làm tăng độ lọc lựa độ tương phản kính Kính hiển vi huỳnh quang gƣơng với mẫu sinh học bao gồm DBR lọc FP đƣợc để truyền 775 nm chặn bƣớc sóng bên ngồi vùng cấm Từ hình vẽ ta thấy sử dụng kính lọc FP có bƣớc sóng trung tâm 775 nnm làm tăng độ lọc lựa, độ tƣơng phản kính hiển vi cách truyền qua ánh sáng bƣớc sóng 775 nm lọc ánh sáng ngồi bƣớc sóng Nhƣng độ rộng vùng cấm kính lọc FP giới hạn (khoảng 300 nm) nên ánh sáng từ bƣớc sóng ngồi vùng cấm truyền qua, ảnh hƣởng tới độ lọc lựa, độ tƣơng phản kính 37 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung Để giải vấn đề này, tơi đề xuất sử dụng kính lọc FP DBR đƣợc xếp nhƣ hình 3.6 Hai kính lọc đƣợc thiết kế tối ƣu phƣơng pháp Needle với bƣớc sóng trung tâm 775 nm Bằng cách xếp nhƣ hình vẽ, ánh sáng huỳnh quang phát từ mẫu đƣợc đƣa đến kính lọc DBR trƣớc Sau qua kính lọc này, toàn ánh sáng bên vùng cấm bị chặn lại, có bƣớc sóng nằm vùng cấm stopband đƣợc phản xạ đƣa đến lọc FP Bộ lọc FP đƣợc xếp cho có ánh sáng truyền qua lọc đến đƣợc camera Do lọc FP cho phép dải ánh sáng hẹp bƣớc sóng trung tâm 775 nm đƣợc truyền qua, bƣớc sóng khác hồn tồn bị dập tắt Hình 3.6:Một kính hiển vi huỳnh quang gương mẫu sinh học bao gồm nguồn sáng, lọc FP máy dò Các bước sóng bên ngồi vùng cấm phát thiết lập Nhƣ sau qua hệ kính lọc DBR FP đƣợc tối ƣu hóa, có ánh sáng huỳnh quang phát từ mẫu Alexa Fluor 750 đƣợc thu nhận quan sát kính Do làm tăng độ tƣơng phản, độ lọc lựa kính 3.4 So sánh kết mô thực nghiệm lý thuyết Trong luận văn sử dụng phƣơng pháp PECVD để lắng đọng Titan oxit (TiO2) vật liệu có chiết suất cao Silic oxit (SiO2) vật liệu có chiết 38 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung suất thấp sau sử dụng phần mềm mô Opens Fillter để mô dùng phƣơng pháp Needle để tối ƣu hóa Do hạn chế thiết bị mà kiểm chứng với lọc quang học gồm 6,5 chu kỳ TiO2/ SiO2 với bƣớc sóng trung tâm 775nm Hình ảnh thực tế lọc sau đƣợc chế tạo đƣợc trình bày hình 3.7 Hình 3.7: Bộ lọc bước sóng 775nm Bộ lọc bƣớc sóng 775nm đƣợc chế tạo dựa phổ phản xạ lý thuyết thực nghiệm lọc đƣợc biểu diễn hình 3.8 39 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung Ly thuyet Thuc nghiem 100 Cuong (AU) 80 60 40 20 400 600 800 1000 Buoc song (nm) Hình 3.8: Phổ phản xạ lọc bao gồm 6,5 chu kỳ TiO2 / SiO2 với bước sóng trung tâm 775nm lý thuyết thực nghiệm Hình 3.8 cho thấy kết lý thuyết thực nghiệm lọc bao gồm 6,5 chu kỳ TiO2/ SiO2, với bƣớc sóng trung tâm 775nm, có cơng thức (H LH ^ 6) So sánh thực nghiệm lí thuyết ta thu đƣợc kết tƣơng tự Kết lý thuyết thực nghiệm cho thấy độ rộng vùng cấm khoảng 300 nm Phổ phản xạ lý thuyết thực nghiệm cho thấy lọc có độ phản xạ cao 90% Trong hai trƣờng hợp, vân (fringes) bên vùng cấm bị dập đáng kể với độ phản xạ khoảng 10% Tuy nhiên so với phổ lý thuyết, phổ thực nghiệm cho thấy có dịch chuyển khoảng 20 nm phía bƣớc sóng dài Thêm vào tồn khác biệt cƣờng độ phản xạ bờ vùng cấm bƣớc sóng dài khoảng 950 nm Những sai khác đƣợc lý giải sai khác độ dày lý thuyết độ dày thực tế trình lắng đọng 3.5 Biến đổi theo số chu kỳ So sánh phổ phản xạ lọc gồm 6,5 chu kỳ, 10,5 chu kỳ lọc bƣớc sóng 775nm mơ tả hình 3.9 40 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung 10,5 chu ky 6,5 chu ky 1.0 cuong (AU) 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 300 400 500 600 700 800 900 1000 Buoc song (nm) Hình 3.9: Phổ phản xạ lọc 6,5 chu kỳ 10,5 chu kỳ TiO2 / SiO2, với bước sóng trung tâm 775nm Hình 3.9 cho thấy kết lý thuyết lọc bao gồm 10,5 chu kỳ TiO2 / SiO2, với bƣớc sóng trung tâm 775nm, cơng thức lọc (H HL ^ 10) cho ta vùng cấm sắc nét hơn lọc 6,5 chu kỳ TiO2 / SiO2 Độ rộng vùng cấm thay đổi từ 300nm với lọc 6,5 chu kỳ TiO2 / SiO2 250nm với lọc 10,5 chu kỳ TiO2 / SiO2 Nhƣ để làm tăng độ phản xạ kính lọc ta cần làm tăng số chu kỳ 3.6 Mở rộng độ rộng vùng cấm Nhƣ trình bày phần 3.1 3.2, lọc quang học đƣợc thiết kế mô cho phép lọc lựa dải bƣớc sóng định Để mở rộng độ lọc lựa dải bƣớc sóng trải dài từ 350nm tới 1000 nm Tôi tiến hành mô hệ thống lọc quang học bao phủ vùng ánh sáng có bƣớc sóng nói với bƣớc sóng trung tâm tƣơng ứng 400 nm, 500 nm, 625 nm 800 nm Phổ phản xạ lọc trƣớc đƣợc tối ƣu hóa đƣợc biểu diễn hình 3.10 Từ hình vẽ ta này, chồng chập đỉnh nhiễu vân (fringes) gây làm ảnh hƣởng đáng kể tới độ phản xạ 41 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung lọc 800 625 500 400 1.0 Cuong (AU) 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 300 400 500 600 700 800 900 1000 Buoc song (nm) Hình 3.10:.Quang phổ phản xạ chưa tối ưu hóa lọc DBR TiO2/ SiO2 10,5 chu kỳ với bước sóng trung tâm 400nm, 500nm,625nm, 800nm Phổ phản xạ lọc sau đƣợc tối ƣu hóa đƣợc trình bày hình 3.11 800 625 500 400 1.0 Cuong (AU) 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 300 400 500 600 700 800 900 1000 Buoc song (nm) Hình 3.11:Quang phổ phản xạ tối ưu hóa lọc DBR TiO2/ SiO2 10,5 chu kỳ với bước sóng trung tâm 400nm, 500nm, 625nm, 800nm 42 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung So sánh phổ hai hình 3.10 3.11 lọc DBR TiO2/ SiO2 10,5 chu kỳ với Stack Formula H(LH)^10 ta thấy việc tối ƣu hóa lọc làm giảm mạnh đỉnh nhiễu Do làm tăng độ phản xạ kính lọc 43 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN Luận văn đạt đƣợc mục tiêu đề với kết nhƣ sau: Luận văn trình bày khái niệm, đặc trƣng lọc quang học đặc biệt lọc điện môi TiO2/ SiO2 Luận văn ứng dụng phƣơng pháp ma trận truyền cho việc mô màng đa lớp Dựa vào phƣơng pháp này, chúng tơi mơ đƣợc đặc tính quang học lọc quang cách thay đổi thông số đầu vào nhƣ số chu kì Khi dùng phần mền mô OpenFilter sử dụng phƣơng pháp Needle để tối ƣu hóa lọc cấu tạo từ điện môi TiO2 SiO2 xếp xen kẽ làm tăng đáng kể khả lọc lựa lọc quang học Kết mô cho thấy lọc giữ đƣợc độ phản xạ gần 100% vùng cấm (stopband) Thêm vào đỉnh nhiễu (fringes) đƣợc giảm đáng kể Chúng tơi nhận thấy tính đắn phần mềm mô thể phù hợp mô thực nghiệm thể quang phổ phản xạ lọc DBR 6,5 chu kỳ TiO2/ SiO2 với bƣớc sóng trung tâm 775nm Các lọc sau đƣợc tối ƣu hóa đƣợc ứng dụng hệ quang học kính hiển vi huỳnh quang để làm tăng độ tƣơng phản, độ chọn lọc quan sát mẫu sinh học Việc mở rộng độ rộng vùng cấm dải từ 350 nm tới 1000 nm đƣợc tiến hành cách xếp lọc DBR với bƣớc sóng trung tâm khác trải dài vùng ánh sáng mong muốn 44 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Lê Thị Thanh Bình (1996), Chế tạo nghiên cứu số tính chất màng mỏng bán dẫn dung dịch rắn , Luận án tiến sĩ Vật Lí, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Ngọc Long (2007), Vật lý chất rắn – Cấu trúc tính chất vật rắn, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Thúy Vân (2011), Luận văn Thạc sĩ ngành Kỹ thuật Điện tử Trƣờng Đại học Công nghệ Lê Văn Vũ(2016), Giáo trình cấu trúc phân tích cấu trúc vật liệu, dành cho sinh viên thuộc chuyên ngành Vật lý Chất rắn, Khoa học vật liệu trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội Tài liệu tiếng Anh Amer Tarraf ( 2005), “Low-Cost Micromechanically Tunable Optical Devices: Strained Resonator Engineering, Technological Implementation and Characterization” PhD Thesis, University of Kassel Anayat U (2010),“Simulation, Fabrication and Optimization of Bandpass Filter Design for Nanospectrometer” Master thesis, University of Kassel Ataro E (2005), “Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning” PhD Thesis, University of Kassel Butt M.A , Fomchenkov S.A., A Ullah , Habib M , R.Z (2016), Ali Samara National Research University, Samara, Russia Eugene Hecht (2005), Optik 4, überarbeitete Auflage München 10 Grant R Fowles (1989), Introduction to Modern Optics Dover Publications 11 Habraken F.H.P.M., Kuiper A.E.T (1994),“Silicon nitride and oxynitride films”, Material Science and Engineering R 45 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung 12 Hess D.W (1984), Plasma-enhanced CVD: Oxides, nitrides, transition metals, and transition metal silicides Journal of Vacuum Science and Technologie A 13 Irmer Sören (2005) “Air-Gap Based Vertical Cavity Micro-Opto-Electro- Mechanical Fabry-Pérot Filters” PhD Thesis, University of Kassel 14 Köhler F , Wittzack S (2007), “Investigation of optical Sensor array based on nano-imprint structured Fabry-Pérot filters” Master thesis Kassel Univ 15 KonumaM ( 1992), "Film deposition by plasma technology" Vakuum in Forschung und Praxis, S 53 - 54 16 Lambda 900 UV/Visible/NIR spectrophotometer, [Online] http://las.perkinelmer.com/Catalog/CategoryPage.htm?CategoryID=Lambda+900+ Spectromet 17 Larouche S and Martinu L (2008), “OpenFilters: open-source software for the design, optimization, and synthesis of optical filters” 18 Macleod H A (2001), thin- Film Optical Filters, Third Edition, ISBN 7503 0688 19 Mahdi R (2009), “Studies on design of Optical Bandpass Filter for Nanospectrometer”, Master thesis, University of Kassel 20 Möller K D (1988), Optics , California, University Science Books 21 Onny Setyawati (2008), “Optimization of technological steps for the implementation of light concentrating micromirror arrays” ”, Master thesis, University of Kassel 22 Prof Hillmer Hartmut(2009), “Optoelectronic devices Lecture” 23 Pulker H K.(1999), Coatings on Glass, Second, revised edition 24 Reif R (1984), Plasma enhanced chemical vapor deposition of thin crystalline semiconductor and conductor films Journal of Vacuum Science and Technologie A 25 Sonksen J (2007), “Optimization of InP-based tunable air gap Fabry-Pérot filters”, Master Thesis, University of Kassel 26 Sonksen J (2007), “”Sensor Process and Device for Determining a Physical Value“ A Proof of Concept” PhD thesis University of Kassel 46 Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung 27 Stoffel A, Kovács A, Kronast W and Müller B (1996), LPCVD against PECVD for micromechanical applications Journal of Micromechanics and Microengineering, 28 Syd R Wilson, Clarence J Tracy and John L Freeman (1993): Handbook of Multilevel Metallization for Integrated Circuits 29 Yanqi Wang (2010), “Model Calculations and Implementation of Filters and Hybrid Green VCSELs based on Optical Thin Film Stacks” PhD thesis Kassel Univ 47 ...ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - LÊ THỊ DUNG MÔ PHỎNG CÁC BỘ LỌC QUANG CẤU TẠO BỞI CÁC TẤM ĐIỆN MÔI ỨNG DỤNG TRONG QUANG PHỔ HỌC Chuyên ngành: Quang học Mã... luận văn thạc sĩ là: ? ?Mô lọc quang cấu tạo điện môi ứng dụng quang phổ học? ?? Trong luận văn này, hai loại lọc quang học đƣợc mô gƣơng Bragg phản xạ (DBR) kính lọc Fabry Pérot tạo lớp vật liệu TiO2... mô lọc Việc tối ƣu hóa kính lọc đƣợc thực cách sử dụng phƣơng pháp Needle Chúng nghiên cứu ảnh hƣởng độ dày lớp điện môi, số lƣợng lớp điện môi tới phổ truyền qua, phản xạ lọc quang học Kết mô