nhằm vẽ phổ đặc trưng của cấu trúc
Bài toán mô phỏng cấu trúc và phổ đặc trƣng chỉ là một trong nhiều ứng dụng của MEEP. Trình tự mô phỏng bài toán này cũng tuân theo các bƣớc tƣơng tự nhƣ trên. Các phổ đặc trƣng của cảm biến quang là phổ truyền qua, phổ phản xạ và phổ hấp thụ. Trong khuôn khổ luận văn, tôi chỉ xét đến việc tính toán mô phỏng phổ phản xạ của cảm biến quang có cấu trúc PC- 1D và phổ truyền qua của bộ lọc sóng ghép cặp trực tiếp/gián tiếp ống dẫn sóng và hốc cộng hƣởng cấu trúc PC- 2D lần lƣợt nhƣ sau.
2.1.2.3. Phƣơng pháp mô phỏng phổ phản xạ buồng cộng hƣởng Fabry- Perot
Phổ phản xạ đƣợc định nghĩa là biểu diễn của hệ số phản xạ theo một dải bƣớc sóng nhất định. Sau đây lần lƣợt là tiến trình mô phỏng phổ phản xạ của buồng vi cộng hƣởng Fabry-Perot có cấu trúc PC- 1D.
Giả sử ta có buồng vi cộng hƣởng cấu trúc PC- 1D nhƣ sau.
Ta sẽ tính thông lƣợng của sóng truyền qua tại vùng A (đƣờng thẳng màu sẫm) trong môi trƣờng không gian tự do: Flux1
Hình 2.10. Vị trí đặt Detector A trong môi trường không gian tự do
Sau đó ta tính thông lƣợng của sóng truyền qua vùng A trong miền không gian có buồng vi cộng hƣởng: Flux2
Hình 2.11. Vị trí đặt Detector A trong môi trường có tinh thể quang tử
Theo định nghĩa, hệ số phản xạ đƣợc tính theo công thức sau:
2 1 1 Flux Flux R Flux (2.22)
Ở đây có thể xem A nhƣ một bộ dò tìm Dectector có chức năng xác định thông lƣợng đi qua vùng không gian.
Kết quả số liệu đƣợc xuất ra tập tin phù hợp và sau đó chúng ta tiến hành vẽ đồ thị bằng các phần mềm chuyên dụng nhƣ Origin hay Matlab…
2.1.2.4. Phƣơng pháp mô phỏng phổ truyền qua bộ lọc sóng ghép gián tiếp ống dẫn sóng- bộ cộng hƣởng sóng- bộ cộng hƣởng
Đối với PC- 2D có cấu trúc ống dẫn sóng ghép cặp hốc cộng hƣởng ta cũng tiến hành phƣơng pháp mô phỏng tƣơng tự nhƣ phần trên. Ở đây ta quan tâm đến hệ số truyền qua hơn là hệ số phản xạ. Theo định nghĩa, phổ truyền qua đƣợc là biểu diễn của hệ số truyền qua trên một dải bƣớc sóng. Do đó vị trí của detector cũng thay đổi so với trƣờng hợp trên. Detector (đƣờng thẳng màu sẫm) đƣợc đặt ở ngõ ra của ống dẫn sóng nhƣ hình vẽ 2.12, 2.13 và 2.14. Sau đây lần lƣợt là phƣơng pháp xác định phổ truyền qua hai bộ lọc sóng ghép gián tiếp/trực tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng.
Hình 2.12. Vị trí detector để xác định thông lượng ánh sáng truyền qua trong cấu trúc PC-2D chỉ có ống dẫn sóng: Flux1
Hình 2.13. Vị trí detector để xác định thông lượng ánh sáng truyền qua trong cấu trúc PC- 2D ghép cặp gián tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng hưởng: Flux 2
Lúc này hệ số truyền qua bộ lọc sóng ghép cặp gián tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng đƣợc xác định: 2 1 Flux T Flux (2.23)
Hình 2.14. Vị trí detector để xác định thông lượng ánh sáng truyền qua trong cấu trúc PC- 2D ghép cặp trực tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng hưởng: Flux 2
Lúc này hệ số truyền qua bộ lọc sóng ghép cặp trực tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng đƣợc xác định tƣơng tự theo công thức (2.23).
Tƣơng tự phƣơng pháp mô phỏng phổ phản xạ của buồng vi cộng hƣởng Fabry- Perot, kết quả số liệu đƣợc xuất ra tập tin phù hợp và sau đó chúng ta tiến hành vẽ đồ thị bằng các phần mềm chuyên dụng nhƣ Origin hay Matlab…
2.2. Phƣơng phá p chế ta ̣o mẫu và đo đa ̣c
2.2.1. Thiết kế cảm biến quang trên cơ sở buồng vi cộng hƣởng Fabry-Perot
Trong phần này chúng tôi trình bày phƣơng pháp thiết kế cũng nhƣ cơ sở chế tạo buồng vi cộng hƣởng Fabry-Perot ứng dụng trong cảm biến quang. Chế tạo buồng vi cộng hƣởng bao gồm chế tạo các lớp gƣơng phản xạ Bragg (có bề dày quang học là λ/4) và một lớp không gian sai hỏng (còn đƣợc gọi là vùng không gian đệm) có bề dày quang học bằng λ/2. Hình 2.15 sau minh họa cấu trúc điển hình của một buồng vi cộng hƣởng [2,5]:
Hình 2.15. a) Sơ đồ minh họa cấu trúc của một buồng vi cộng hưởng thể hiện bởi lớp không gian có bề dày quang học λ/2 xen giữa hai DBR gồm các lớp có chiết suất cao và thấp có bề dày quang học λ/4 xen kẽ lẫn nhau. (b) Phổ phản xạ tương ứng của buồng vi
Có hai yếu tố cơ bản để có thể thiết kế các buồng vi cộng hƣởng có chỉ số phẩm chất cao dựa trên màng Silíc xốp đa lớp chế tạo bằng phƣơng pháp ăn mòn điện hóa phiến Silíc [5]:
Thứ nhất, độ tƣơng phản chiết suất ở tất cả các bề mặt phải là cao nhất. Do đó, lớp đầu tiên của DBR phía trên là có độ xốp thấp (chiết suất cao) bởi vì lớp này gần với không khí (là môi trƣờng có chiết suất thấp) và lớp cuối cùng của gƣơng phía dƣới phải có độ xốp cao (tƣơng ứng với chiết suất thấp) bởi vì lớp này sát với đế Silíc (là môi trƣờng có chiết suất cao). Hơn nữa, lớp không gian của buồng vi cộng hƣởng luôn luôn đƣợc chọn là lớp có độ xốp cao để tăng khả năng thâm nhập của các loại vật liệu khác vào lỗ xốp (nhƣ các tâm phát xạ: ion đất hiếm, tâm màu, chấm lƣợng tử bán dẫn..v.v.). Vì vậy các lớp của DBR trên và dƣới sát với lớp không gian phải có độ xốp thấp (chiết suất cao). Đây là lý do vì sao chu kỳ DBR bên trên lại đƣợc chọn một số bán nguyên (N+0,5 ).
Thứ hai là DBR trên và dƣới phải có độ phản xạ nhƣ nhau để có đƣợc triệt tiêu hoàn toàn ở bƣớc sóng giao thoa (bƣớc sóng cộng hƣởng). Do đó, DBR ở phía dƣới có nhiều chu kỳ hơn DBR ở phía trên để bù vào mất mát nhƣ một hàm của chiều sâu trong Silíc. Kết quả chu kỳ DBR dƣới phải là một số nguyên (N+1).
Buồng vi cộng hƣởng đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp ăn mòn điện hóa đế Silíc loại p+ nhúng trong dung dịch axit HF 15% (dung dịch của axit HF và cồn tuyệt đối). Các đế p+ -Silíc cho hình thái của Silíc xốp tốt nhất, phù hợp với yêu cầu để chế tạo buồng vi cộng hƣởng dựa trên PC- 1D bằng phƣơng pháp ăn mòn điện hóa. Kích thƣớc của lỗ xốp đủ rộng để cho phép các chất thâm nhập vào nhƣng đủ nhỏ để cho phép Silíc xốp là một môi trƣờng hiệu dụng trong vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng hồng ngoại. Nồng độ HF đƣợc sử dụng trong quá trình điện hóa là 15% đƣợc lựa chọn bởi vì nó cho phép tạo ra một dải rộng của các giá trị chiết suất của các lớp xốp [5,7].
Trƣớc tiên, buồng vi cộng hƣởng đƣợc tạo ra bằng cách ăn mòn để tạo ra một gƣơng phản xạ Bragg (DBR) ở phía trên với bề dày quang học của mỗi lớp là λ/4, các lớp có chiết suất cao và thấp xen kẽ nhau, sau đó ăn mòn một lớp không gian với bề dày quang học bằng λ/2 với chiết suất bằng chiết suất của lớp có độ xốp cao (tƣơng ứng với chiết suất thấp) và cuối cùng ăn mòn để tạo ra một DBR ở phía dƣới với các điều kiện giống nhƣ DBR đã chế tạo ở bên trên. Mỗi chu kỳ bao gồm một lớp có độ xốp thấp và một lớp có độ xốp cao, do đó một nửa chu kỳ có nghĩa là chế tạo một lớp có độ xốp thấp [5]. Sơ đồ quy trình tạo ra các lớp Silíc xốp đƣợc minh họa nhƣ hình 2.16 sau.
Hình 2.16. Sơ đồ của quy trình tạo ra các lớp Silíc xốp. Thời gian và độ lớn của mật độ dòng điện quyết định độ dày và độ xốp của lớp Silíc xốp sau khi điện hóa. Khi áp dụng mật độ dòng theo thời gian (đồ thị bên trái), các lớp Silíc xốp được hình thành tương ứng
(hình vẽ bên phải). Một thời gian ngắn được thiết lập (với mật độ dòng bằng 0) để nồng độ HF cân bằng trong suốt các lỗ xốp và ngăn ngừa sự hình thành của gradient độ xốp
không mong muốn.
Để tạo ra các lớp có chiết suất thay đổi tuần hoàn nằm xen kẽ nhau thì mật độ dòng điện cũng đƣợc thay đổi nhƣ trong bảng 2.1, mỗi một mật độ dòng điện tƣơng ứng với một độ xốp khác nhau. Ngoài ra, thời gian ăn mòn sẽ quyết định bề dày của mỗi lớp.
Bảng 2.1. Các điều kiện ăn mòn để chế tạo buồng vi cộng hưởng dựa trên PC- 1D [5].
Mô tả Mật độ dòng (mA/cm2) Thời gian (s) Gƣơng trên (Chu kỳ N+0,5) 15 6,35 50 3,63 Lớp không gian 50 7,26 Gƣơng dƣới (Chu kỳ N+1) 15 6,35 50 3,63
2.2.2. Nguyên lý đo phổ phản xạ bằng máy Cary UV- VIS- 5000
Phƣơng pháp đo phổ phản xạ xuất phát từ định nghĩa về hệ số phản xạ:
0 ( ) ( ) ( ) I v R v I v
Trong đó: I0(v) là cƣờng độ ánh sáng tới mặt mẫu cần đo.
I(v) là cƣờng độ ánh sáng phản xạ trên mặt mẫu cần đo.
Hình 2.17. Sơ đồ nguyên lý hệ quang học máy quang phổ Cary UV- VIS- 5000
Hình 2.17 mô tả nguyên lý hệ quang học của Cary UV- VIS- 5000 (gọi tắt là Cary 5000). Máy Cary 5000 thực hiện các phép đo phổ truyền qua, phổ hấp thụ và phổ phản xạ của mẫu trên một dải bƣớc sóng từ 200 nm tới 3000nm. Nguồn sáng đƣợc sử dụng bao gồm đèn deuterium (D2) phát các bức xạ trong vùng UV (từ 200nm đến 350nm) và đèn halogen W1 phát các bức xạ trong vùng VIS/ NIR (từ 330nm đến 3000nm). Chùm sáng từ nguồn sáng đƣợc hội tụ và đi vào máy đơn sắc G1. Sau đó, chùm sáng đƣợc tán sắc bởi cách tử trong máy đơn sắc và hội tụ trên khe lối ra S2. Chùm sáng đi qua khe lối ra là ánh sáng đơn sắc. Chùm sáng này đƣợc tách thành hai chùm bởi một gƣơng hình quạt MS, một chùm truyền đến mẫu cần đo (Sam) và chùm kia đến mẫu so sánh (Ref). Các chùm phản xạ trên mẫu cần đo và mẫu so sánh lần lƣợt đến detector PM (thu tín hiệu trong vùng UV/VIS) hoặc detector PbS (thu tín hiệu trong vùng NIR) nhờ hệ thống các gƣơng phản xạ. Ngoài ra, thiết bị còn có hệ thống điện và điện tử. Tín hiệu quang từ detector đƣợc đƣa sang hệ thống điện và điện tử, chuyển thành tín hiệu điện và sau đó chuyển thành tín hiệu số. Cuối cùng, tín hiệu số đƣợc xử lý trên máy tính với phần mềm tƣơng thích và hiển thị dƣới dạng phổ trên màn hình máy tính.
Hình 2.18. Máy quang phổ Cary UV- VIS- 5000
Máy quang phổ Cary 5000 của Phòng Thí nghiệm trọng điểm, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam có các đặc tính nhƣ sau.
Thiết bị đo phổ hấp thụ hồng ngoại hoạt động theo nguyên tắc so sánh hai chùm tia, đƣợc sử dụng để đo:
- Phổ hấp thụ, truyền qua của mẫu lỏng trong vùng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại gần.
- Đo phổ hấp thụ, truyền qua và phản xạ của mẫu rắn dạng khối, màng mỏng trong vùng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại gần.
- Đo phổ phản xạ của mẫu bột trong vùng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại gần. Đồng thời máy này cho biết chiết suất hoặc độ dày của mẫu màng.
Đặc trƣng kỹ thuật của thiết bị : - Dải đo: 175nm – 3300nm.
- Tốc độ quét: 0.004 – 2000nm/phút. - Phần mềm: Cary WUV version 3.0. Các yêu cầu đối với mẫu đo:
- Mẫu bột: phải đƣợc nghiền nhỏ và có khối lƣợng lớn hơn 1g.
- Mẫu dung dịch: Dung dịch và dung môi có dung tích lớn hơn 100ml. - Mẫu rắn: Bề mặt mẫu đo phải nhẵn .
Máy quang phổ Cary 5000 chỉ thực hiện đƣợc phép đo phổ phản xạ tại một góc tới cố định là 50o. Thiết bị phản xạ gƣơng SLM-736 của Cary 5000 đƣợc thiết kế để đo hệ số phản xạ tƣơng đối của mẫu khi sử dụng ánh sáng phản xạ từ gƣơng phẳng có tráng một màng nhôm mỏng có tác dụng nhƣ một vật so sánh. Các chùm tia tới mẫu cần đo và vật so sánh là các chùm song song. Vết sáng soi trên mặt mẫu có dạng hình chữ nhật với diện tích cực đại – 3x5mm2. Có thể thu nhỏ diện tích này bằng cách điều chỉnh các khe sáng.
Chùm phản xạ trên mẫu cần đo và trên vật so sánh đồng thời đƣợc đƣa đến detector. Hệ quang học với hai chùm tia cho phép đầu thu nhận đƣợc trực tiếp tỷ lệ I/Iref (I là cƣờng độ chùm bức xạ thu đƣợc từ mẫu cần đo và Iref là cƣờng độ chùm bức xạ thu đƣợc từ mẫu so sánh). Việc so sánh này đảm bảo cả cƣờng độ I và Iref đƣợc ghi trong cùng một điều kiện đo.
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
Chƣơng 2 của luận văn đã trình bày phƣơng pháp nghiên cứu trong quá trình thực hiện đề tài đó là kết hợp giữa tính toán mô phỏng và tiến hành thực nghiệm. Các tính toán mô phỏng trong bài đƣợc thực hiện theo phƣơng pháp FDTD dựa trên phần mềm MEEP. Các tính toán mô phỏng tập trung vào việc xác định phổ phản xạ buồng vi cộng hƣởng Fabry-Perot cấu trúc PC- 1D và phổ truyền qua bộ lọc sóng ghép cặp trƣ̣c tiếp/gián tiếp hốc cộng hƣởng- ống dẫn sóng dựa trên cấu trúc PC- 2D. Chƣơng này cũng đã trình bày phƣơng pháp chế tạo buồng vi cộng hƣởng Fabry- Perot trên cơ sở màng đa lớp Silíc xốp và phƣơng pháp đo phổ đặc trƣng bằng máy Carry-5000. Các kết quả mô phỏng buồng vi cộng hƣởng một chiều và hai chiều sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng tiếp theo của luận văn. Các kết quả này là cơ sở để xây dựng hệ cảm biến theo yêu cầu đặt ra.
CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CẢM BIẾN QUANG TRÊN CƠ SỞ TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU VÀ HAI CHIỀU
Trong chƣơng này chúng tôi trình bày lần lƣợt các kết quả mô phỏng cảm biến quang trên cơ sở PC- 1D và PC- 2D sử dụng phƣơng pháp FDTD và hệ phƣơng trình Maxwell đã trình bày ở chƣơng 2. Các kết quả bao gồm các thông số cho tính toán mô phỏng, hình ảnh minh họa các cảm biến và phổ đặc trƣng tƣơng ứng. Bằng phần mềm mô phỏng MEEP phổ phản xạ của cảm biến quang cấu trúc buồng vi cộng hƣởng Fabry- Perot khi nhúng vào các môi trƣờng có chiết suất khác nhau đƣợc xác định tƣơng đối chính xác. Tƣơng tự, phổ truyền qua của cảm biến quang ghép cặp gián tiếp cộng hƣởng- ống dẫn sóng theo cấu trúc PC- 2D cũng đƣợc tính toán mô phỏng khá chính xác. Tại luận văn này, tôi trình bày chủ yếu sự thay đổi phổ phản xạ của buồng vi cộng hƣởng Fabry- Perot theo môi trƣờng bên ngoài.
3.1. Tính toán mô phỏng phổ phản xạ cảm biến quang trên cơ sở buồng vi cộng hƣởng Fabry- Perot cấu trúc tinh thể quang tử một chiều hƣởng Fabry- Perot cấu trúc tinh thể quang tử một chiều
3.1.1. Mô phỏng cảm biến quang trƣớc khi nhúng vào các môi trƣờng có chiết suất khác nhau khác nhau
Buồng vi cộng hƣởng Fabry-Perot chúng tôi thiết kế có các thông số đặc trƣng nhƣ sau:
- Chu kỳ gƣơng DBR phía trên: N= 4,5.
- Chu kỳ gƣơng DBR phía dƣới (lớp sát đế Silíc): N= 5.
- Bề dày lớp chiết suất cao (độ xốp thấp): dH = 49,45 nm
- Bề dày lớp chiết suất thấp (độ xốp cao): dL = 71,79 nm
- Bề dày lớp không gian sai hỏng: dS= 143,59 nm
- Chiết suất lớp có độ xốp thấp: nH= 2,57
- Chiết suất lớp có độ xốp cao: nL= 1,77
- Chiết suất lớp không gian sai hỏng: nS=nL =1.77
Bƣớc sóng cộng hƣởng theo lý thuyết phụ thuộc vào bề dày lớp sai hỏng chiết suất lớp sai hỏng và đƣợc xác định gần đúng bằng:
2
CH n dS S
=508,31 nm
Hình 3.1. Minh họa buồng vi cộng hưởng dựa trên cấu trúc tinh thể quang tử PC- 1D.
Nhƣ đã trình bày ở phần chƣơng 2 của luận văn, bằng phần mềm MEEP chúng ta xác định đƣợc phổ phản xạ của PC- 1D trƣớc khi nhúng vào trong các chất lỏng có chiết