Một số hệ thống vật chất đã được đề xuất để sử dụng như DFBS phi tuyến và nhiều hệ thống được đề xuất sử dụng cấu trúc ống dẫn sóng như những sợi quang học hoặc các ống dẫn sóng phẳng. Một thuộc tính mong muốn của các cấu trúc này là cường độ cao có thể truyền lan trên một khoảng cách lớn. Tuy nhiên, chúng tôi đã chọn được một vật chất sử dụng trong nghiên cứu này là một tinh thể chất keo bao gồm các hình cầu polystyrene tán xạ trong nước [1-3] được chế tạo bởi viện nghiên cứu Emulsions Polymer Institute ở trường đại học Lehigh Hoa Kỳ [8]. Khoảng cách mạng của tinh thể chất keo có thể so sánh với bước sóng của ánh sáng. Chiết suất của polystyrene là 1,59 và chiết suất trong nước ở nhiệt độ phòng là 1,33. Các mặt tinh thể luân phiên tạo ra một chiết suất tuần hoàn được sử dụng như các DFBS phi tuyến.
Tinh thể chất keo (Colloidal Crystals) là một chất ở dạng lỏng không hòa tan có những hạt chất rắn nhỏ li ti lơ lửng bên trong của vật mang hình cầu polymer đồng dạng trong nước, tạo thành một mảng tuần hoàn để chắn được một lực Culông giữa mỗi hình cầu [8]. Những hình cầu polymer được sử dụng ở đây bao gồm polystyrene với tính nhóm ion âm sulfunate (S2-) gắn liền với bề mặt của những hình cầu. Khoảng cách mạng giữa các mặt phẳng mảng thường từ 0.1 đến 10 μ�.
Có ba cấu trúc mà có thể được hình thành từ tinh thể chất keo bao gồm: Cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) (hình 1.11a), cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) (hình 1.11b), hay cấu trúc vô định hình (hình 1.11c).
Hình 1.10. Mô hình của những tinh thể chất keo.
Hình 1.11. Các cấu trúc có thể được hình thành từ tinh thể chất keo.
Trong nghiên cứu của chúng tôi, những tinh thể chất keo thường hình thành một cấu trúc FCC, được thể hiện trong sơ đồ hình1.12.
Hình. 1.12. (a) Sơ đồ biểu diễn của một ô vật của một tinh thể chất keo trong cấu trúc lập phương tâm mặt FCC. (b) Một số hình cầu đã được loại bỏ trong hình để thể hiện một mặt phẳng tinh thể [111] chia đôi một ô vật. Chỉ những hình cầu nào
Các nghiên cứu lý thuyết cho thấy rằng phổ truyền của một tinh thể chất keo có bước sóng dài 100 μ� làm từ một dung dịch bao gồm các hình cầu polystyrene có đường kính 120 nm được hiển thị trong hình 1.13 là phù hợp với thực nghiệm bằng cách giải hệ phương trình liên kết. Hằng số liên kết được sử dụng cho sự phù hợp này là kL = 3.5.
Hình 1.13. Phổ truyền qua của một tinh thể chất keo bao gồm các hình cầu polystyrene có đường kính 120 nm: đường thực nghiệm ( ) và lý thuyết (----).
Hình 1.14 biểu diễn hiệu ứng phi tuyến xẩy ra trong môi trường tinh thể chất keo đã cho thấy sự xuất hiện của hiệu ứng LOĐ quang khi cường độ ánh sáng tăng lên đến các giá trị tới hạn. Trong sự điều biến này hệ hai phương trình biên độ dự báo rằng có sự chuyển từ trạng thái thấp lên trạng thái cao hơn tại các giá trị tới hạn của cường độ.
Hình 1.14. Sự xuất hiện của hiệu ứng LOĐQ như một khoá quang do hiệu ứng phi tuyến trong môi trường chất keo. Nguồn TLTK [8].
Trên hình 1.15 biểu diễn trạng thái đa ổn định trong trường hợp cộng hưởng (∆βL = 0). Chúng ta có thể nhận thấy sự dịch chuyển giữa các điểm pha (A đến B, C về D) biểu diễn hiệu ứng LOĐQ. Rõ ràng có hai giá trị ra của cường độ (vùng đường đứt nét) trong vùng không ổn định.
Hình 1.15. Quá trình đa ổn định. Nguồn TLTK [8].