BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------------
Nguyễn Văn Ân
NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG PHÁT XẠ LASER VÀ KHUẾCH
ĐẠI QUANG TRONG BUỒNG CỘNG HƯỞNG LIÊN KẾT
VỚI CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ 1D, 2D
Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử
Mã số: 9 44 01 27
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội – 2020
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ -
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Ngô Quang Minh
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Phạm Văn Hội
Phản biện 1: …
Phản biện 2: …
Phản biện 3: ….
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..., ngày … tháng
… năm 202….
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Sự truyền sóng điện từ bên trong 1D-PhC được nghiên cứu đầu
tiên bởi Lord Rayleigh vào năm 1887. Năm 1987, các công trình
nghiên cứu về 3D-PhC liên quan đến hiệu ứng cấm phát xạ ngẫu
nhiên trong PhC do tồn tại PBG đã được công bố và đề xuất bởi E.
Yablonovitch và S. John [1,2]. Từ thời điểm này, PhC đã thu hút sự
chú ý đặc biệt của giới nghiên cứu về lĩnh vực sử dụng các cấu trúc
mới trên cơ sở PhC để dẫn, truyền, điều khiển sóng điện từ cũng như
việc sử dụng sóng điện từ để xử lý thông tin. 2D-PhC điều khiển
được tính chất dẫn sóng, hội tụ trên bề mặt hai chiều và các sợi 1D-
PhC dùng cho các laser đơn mode với công suất lối ra cao đã được
Birks đề xuất năm 1997 [3]. Đến năm 1999, sau khi nhóm nghiên
cứu của O. Painter thành công trong việc chế tạo laser 2D-PhC với
hiệu ứng phân bố phản hồi theo hướng trong cấu trúc mạng 2D-PhC
[4], các loại laser trên cơ sở vật liệu quang tử đã được đẩy mạnh
nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm quang tử trên thế giới. Các hốc
cộng hưởng PhC có mạng cận tuần hoàn khác nhau đã được nhiều
nhóm nghiên cứu bằng tính toán lý thuyết, mô phỏng và cả thực
nghiệm chế tạo [5,6]. Cấu trúc 3D-PhC có thể điều khiển dẫn sóng
trong không gian 3D do đó có khả năng ứng dụng lớn trong các
mạch quang tích hợp kích thước siêu nhỏ và laser ngưỡng phát xạ
cực thấp, 3D-PhC đầu tiên được E. Yablonovitch chế tạo vào năm
1991 dựa trên các hạt nano kim cương phân bố trong mạng thủy tinh
hữu cơ [7]. Các buồng vi cộng hưởng với các mode vọng hành lang
(WGM) cho hệ số phẩm chất (Q) cao và thể tích mode nhỏ nên được
sử dụng để giảm ngưỡng phát xạ laser và các hiệu ứng quang phi
tuyến khác [8-10]. Ngoài ra, các buồng vi cộng hưởng với mode
2
WGM cũng đã từng được áp dụng rộng rãi cho nhiều lĩnh vực, chẳng
hạn như quang học lượng tử, cộng hưởng điện động lực lượng tử và
laser phổ hẹp [11-13]. Laser vi cầu với kích thước từ vài micro đến
vài chục micro là một trong những đối tượng linh kiện quang tử được
quan tâm nghiên cứu nhiều nhất do ánh sáng bơm và laser phát xạ bị
giam giữ rất chặt trong vi cầu nhờ phản xạ toàn phần trên bề mặt
trong của linh kiện, vì vậy ngưỡng phát xạ laser cực thấp và phổ phát
xạ cực hẹp. Laser vi cộng hưởng quang học với các đặc trưng như
ngưỡng phát xạ laser cực thấp, độ rộng phổ cực hẹp, điều khiển được
số mode phát xạ tùy thuộc vào cấu trúc của vi cộng hưởng và kỹ
thuật thu góp tín hiệu phát xạ từ vi hốc cộng hưởng đã trở thành đối
tượng nghiên cứu phát triển của cảm biến quang tử cho sinh hóa và
môi trường với độ nhạy cực cao [14-18]. Hiện nay, các nghiên cứu
về laser vi hốc cộng hưởng quang học nói chung và laser vi cầu nói
riêng đã cho rất nhiều thông tin mới về vật lý quang tử và chúng hiện
vẫn đang là đối tượng nghiên cứu rất sôi động trên thế giới [19-21].
Lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vật liệu và linh kiện quang tử kích
thước micro và nano nói chung trong thời gian qua ở Việt Nam cũng
đã thu được nhiều kết quả quan trọng. Phòng thí nghiệm vật liệu và
ứng dụng quang sợi thuộc Viện Khoa học vật liệu đã chế tạo thành
công cấu trúc 1D-PhC và có các công bố quốc tế cũng như đã có một
số nghiên cứu sinh bảo vệ thành công về nội dung nghiên cứu này
bao gồm cả chế tạo thực nghiệm và các ứng dụng liên quan [22,23];
các cảm biến quang tử trên cơ sở chọn lọc bước sóng trong cấu trúc
1D-PhC được chế tạo từ màng đa lớp silic xốp đã bước đầu ứng dụng
trong thiết bị đo môi trường sinh-hóa [23,24]; các linh kiện quang sợi
có cấu trúc chọn lọc bước sóng dựa trên FBG đã được nghiên cứu
phát triển ứng dụng cho mạng thông quang và cảm biến [25,26],…
3
Với cấu trúc 3D-PhC, nhóm nghiên cứu cũng đã chế tạo thành công
các laser buồng vi cộng hưởng dạng cầu trên cơ sở thủy tinh silica-
alumina pha tạp Er3+ phát xạ các mode WGM vùng 1550 nm ứng
dụng cho thông tin quang và vùng khả kiến ứng dụng cho cảm biến
với cường độ khá mạnh, độ rộng phổ cực hẹp và có thể điều khiển
được số mode phát xạ từ buồng vi cộng hưởng [27,28]. Bên cạnh đó,
một số công trình nghiên cứu linh kiện quang tử trên cơ sở 2D-PhC
bằng mô phỏng đã đạt kết quả rất khả quan [29-32] mở ra hướng
nghiên cứu mới về linh kiện quang tử, trong đó có khuếch đại quang
bằng phương pháp thực nghiệm kết hợp tính toán mô phỏng.
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu về PhC, việc liên kết buồng
cộng hưởng micro-mét với cấu trúc PhC để phát xạ laser là hướng đi
cần thiết thể hiện tính định hướng cao trong công nghệ chế tạo linh
kiện quang tử tích hợp. Để tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu về
cấu trúc quang tử kích thước micro và nano hướng tới ứng dụng
trong lĩnh vực thông tin quang và cảm biến quang, chúng tôi chọn đề
tài luận án với tiêu đề: “Nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser và
khuếch đại quang trong buồng cộng hưởng liên kết với cấu trúc
tinh thể quang tử 1D, 2D”.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
- Nghiên cứu, chế tạo vi cầu thủy tinh silica pha tạp Er3+ có kích
thước khác nhau bằng phương pháp phóng điện hồ quang; xây dựng
hệ thực nghiệm để khảo sát phổ phát xạ laser mode WGM vùng bước
sóng thông tin quang 1550 nm của một số vi cầu đã chế tạo.
- Thiết kế, mô phỏng cấu trúc tích hợp vi cầu silica với 2D-PhC
dẫn sóng trên nền vật liệu SOI để nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser
mode WGM vùng bước sóng thông tin quang 1550 nm.
- Thiết kế và xây dựng hệ cảm biến đo chiết suất một số chất
