ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
---- ----
HOÀNG THỊ QUYÊN
Khóa luận tốt nghiệp
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TÍNH CHẤT QUANG
ĐẾN CHẾ TẠO BUỒNG VI CỘNG HƯỞNG MỘT CHIỀU
Ngành : Vật lý
Người hướng dẫn khóa luận : T.S Đỗ Thùy Chi
Thái Nguyên, 2015
LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn cô TS. Đỗ Thùy Chi đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo
trong quá trình em thực hiện khóa luận tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô, các anh chị đang công tác tại Phòng
Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện tốt nhất giúp em thực hiện các thực nghiệm
trong quá trình làm khóa luận này.
Em xin g i l i c m n t i các th y cô t i khoa V t Lý tr ng ĐHSP Tháiử ờ ả ơ ớ ầ ạ ậ ườ
Nguyên - nh ng ng i th y đã trang b cho ữ ườ ầ ị em nh ng ki n th c quý báu trongữ ế ứ
th i gian ờem h c t p, nghiên c u t i tr ng.ọ ậ ứ ạ ườ
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đối với gia đình, người thân,
bạn bè-những người luôn động viên và tạo những điều kiện thuận lợi nhất để em yên
tâm học tập.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2015
Sinh viên thực hiện
Hoàng Thị Quyên
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BUỒNG VI CỘNG HƯỞNG MỘT CHIỀU
1.1. Giới thiệu về tinh thể quang tử một chiều.
1.1.1. Tinh thể quang tử một chiều.
Tinh thể quang tử (PC) một chiều (1D) bao gồm các mặt tuần hoàn của các lớp
điện môi với chiết suất khác nhau, sắp xếp luân phiên nhau. Trong trường hợp đơn
giản nhất, chỉ cần sử dụng hai lớp vật liệu với hằng số điện môi khác nhau (hình 1.1).
Cấu trúc một chiều này như là một gương Bragg.
Gương phản xạ Bragg (Distributed Bragg Reflectors - DBR)là hệ gồm nhiều lớp
điện môi hoạt động dựa trên hiện tượng nhiễu xạ Bragg của một chùm ánh sáng sau
khi phản xạ tại mặt phân cách giữa các lớp điện môi. Mô hình đơn giản của hiện tượng
nhiễu xạ được trình bày trong hình 1.2 [1],[2], trong đó màng mỏng bao gồm nhiều
cặp lớp giống hệt nhau, mỗi cặp lớp gồm hai lớp có chiết suất n1 và n2 khác nhau tương
ứng với độ dày d1, d2.
Hình 1.1. Mô tả cấu trúc hình học các PC một chiều (1D), hai chiều (2D) và ba
chiều (3D).
Hình 1.2.(a) Tia phản xạ và tia truyền qua trong trường hợp màng đơn lớp và
(b) trong trường hợp màng đa lớp
Hiện tượng phản xạ xảy ra tại mỗi bề mặt giữa 2 lớp vật liệu với chiết suất khác
nhau. Trong trường hợp chỉ cómột lớp trên đế, tia phản xạ là kết quả của sự giao thoa
của hai tia: một tia phản xạ ở mặt trên của màng mỏng (mặt phân cách giữa màng
mỏng và không khí) và một tia phản xạ ở mặt dưới của màng mỏng (mặt phân cách
giữa màng mỏng và đế). Trong trường hợp của màng đa lớp, tia phản xạ là kết quả của
sự giao thoa của các tia phản xạ tại các mặt phân cách. Bằng cách lựa chọn thích hợp
giá trị của chiết suất và độ dày các lớp, chúng ta có thể tạo ra phổ phản xạ khác nhau.
Sự phản xạ và truyền qua của ánh sáng với màng đơn lớp và trường hợp màng đa lớp
được giới thiệu cụ thể trên hình 1.2. Gương phản xạ Bragg là cấu trúc nhiều lớp được
hình thành bởi sự lặp đi lặp lại tuần hoàn của một cặp gồm hai lớp có chiết suất khác
nhau nH và nL có độ dày tương ứng hH và hL. Phổ phản xạ của nó có dạng một cực đại
phản xạtrung tâm (cực đại chính) và hai bên có các cực đại phụ, xen giữa các cực đại
là các cực tiểu. Vùng cực đại chính có bước sóng trung tâm là λ. Các bước sóng ở
quanh bước sóng trung tâm λ và cùng nằm trên cực đại chính là các bước sóng tương
ứng với cường độ phản xạ cao có nghĩa là các ánh sáng có bước sóng nằm trong dải
này bị phản xạ khi qua gương phản xạ, tức là bị “cấm”truyền qua cấu trúc, vì vậy vùng
này còn được gọi là vùng cấm hay là chúng bị lọc ra khỏi một dải tần.
Gương phản xạ Bragg được sử dụng nhiều nhất là Gương phản xạ Bragg – DBR
phần tư bước sóng, đó là loại gương phản xạ có độ dài quang học của các lớp là
nH.hH=nLhL=λ/4 và chu kỳ của cấu trúc là Λ=hH+hL.
Hình 1.3 .Sơ đồ cấu trúc của một DBR tuần hoàn, ni và hi là chiết suất và bề dày
tưong ứng của lớp i, N là số chu kỳ.
1.1.2. Cấu trúc vùng cấm quang của PC một chiều trên nền silic xốp đa lớp.
Vùng cấm quang (PBG) của cấu trúc đa lớp một chiều, được biết đến như là bộ
lọc màng mỏng quang học. Điều kiện phản xạ Bragg:
mλ = 2ndsinθ (1.1)
(Trong đó, m là một số nguyên, λ là bước sóng ánh sáng tới, n là chiết suất của một
lớp, d là độ dày của một lớp, và θ là góc của ánh sáng tới đối với bề mặt, được thoả
mãn và một gương đa lớp có thể tạo thành ).
Phương trình Bragg được chứng minh cho sự nhiễu xạ tia X trong tinh thể chất
rắn (tinh thể điện tử) thông thường. Trong trường hợp của một khối điện môi (PC)
gồm hai vật liệu có chiết suất khác nhau sắp xếp xen kẽ nhau thì cũng phải xem xét
đến sự thay đổi pha tại mặt phân cách của hai lớp liên tiếp.
Như ta đã biết, thực nghiệm đã chứng tỏ rằng: khi xảy ra hiện tượng phản xạ tại
bề mặt một gương thì dao động trong ánh sáng tới và dao động trong ánh sáng phản xạ
ngược pha với nhau. Nói cách khác, ta có thể cho rằng sau khi phản xạ thì pha dao
động của sóng ánh sáng sẽ đổi dấu hoặc pha đó đã biến thiên một lượng là . Sự
biến thiên của pha một lượng là sẽ hoàn toàn tương đương với sự biến thiên của
quang trình một lượng là . Như vậy, khi phản xạ thì quang trình của tia sáng
sẽ thay đổi một lượng là với k là một số nguyên dương, âm hay bằng 0 (để
cho tiện ta chọn k =0). Do đó, khi phản xạ trên gương (hay khi tia sáng phản xạ từ môi
trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém), quang trình của tia sáng sẽ
tăng thêm (hiện tượng mất nửa sóng). Từ đó, hiệu quang trình trong công thức (1.1)
sẽ là: . Công thức (1.1) được viết lại là :
(1.2)
Do đó, hai tia đầu tiên được phản xạ trong một pha và sẽ giao thoa kết hợp. Khi
nghiên cứu với thì điều kiện phản xạ Bragg trở thành: