B GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯNG ĐI HC VINH
----------
LÊ TRN BO TRÂN
NGHIÊN CU PH PHÁT SIÊU LIÊN TC
TRONG SI TINH TH QUANG T LÕI BENZENE
VI CÁC CU TRÚC MNG KHÁC NHAU
Chuyên ngnh: QUANG HC
M s: 9 44 01 10
TM TT LUN ÁN TIN S VT L
NGH AN, 2024
Công trình được hoàn thành ti:
Khoa Vt lý - Trưng Đại hc Vinh
Ngưi ng dn khoa hc: 1. PGS.TS. Chu Văn Lanh
2. TS. Nguyn Th Thu
Phn bin 1: ........................................................................................
.............................................................................................................
Phn bin 2: ........................................................................................
.............................................................................................................
Phn bin 3: ........................................................................................
.............................................................................................................
Lun án s đưc bo v trước Hội đồng đánh giá lun án tiến cp trường
ti ..................................................................................................................
vào hi ........ gi ........ phút, ngày ........ tháng ........ năm ........
Có th tìm hiu lun án ti:
- Thư viện Quc gia Việt Nam
- Thư viện Nguyn Thúc Hào, Trường Đại hc Vinh
1
M ĐẦU
S ra đời ca si tinh th quang t (PCF) do Russell và các cng s đề xut vào
năm 1996 là một ct mc quan trng đánh dấu s phát triển vượt bc trong công ngh
quang. Không ging như các sợi quang thông thưng, PCF với các chế dn sáng
khác nhau như phản x toàn phn (TIR), cơ chế di vùng cm quang t hay phn cng
ng th hin các tính chất độc đáo như hoạt động đơn mode trên mt dải bước sóng
rng, tính linh hot trong qun tán sắc, độ ng chiết cao, độ phi tuyến rt ln.
Nhng tính chất quang độc đáo này đã được ng dng trong vic chế to các b khuếch
đại, cm biến si quang các thiết b phi tuyến. S PCF sở hu nhiều tính năng
t trội như vy do tính linh hot trong hình thiết kế. Để ng dng vào một lĩnh
vc c th, các thông s cu trúc của PCF nkích thước l khí, khong cách gia các
l khí hay hng s mạng, kích thước lõi, hình dng mng lp v, thm chí c vt liu
đưc s dng có th được thay đổi mt cách phù hp nhm mục đích điều khin linh
hoạt các đại lượng đặc trưng. Trong s các ng dng ca PCF, phát siêu liên tc (SCG)
là mt ng dng ni bật, trong đó xung laser hẹp được m rng khi lan truyn qua mt
môi trường phi tuyến. Nh vào đặc tính liên tục như ánh sáng trắng và cường độ cc
lớn tương đương với cường đ laser, SCG đã góp mặt trong hu hết các ng dng vin
thông, quang ph, quang sinh hc và lược tn s. Ngun siêu liên tc trong vùng hng
ngoại trung còn được s dụng trong lĩnh vực y sinh, chng hạn như chụp ct lp quang
hc. SCG đạt hiu qu cao nht khi lõi của các PCF được to bi vt liu h s chiết
sut phi tuyến lớn, đường cong tán sc phẳng (độ dc đường cong tán sc nh vi giá
tr tuyệt đi của độ tán sc
25 ps/nm/km) tim cn với đường tán sc không, din
tích mode hiu dng và mt mát nh.
K t khi xut hiện cho đến nay, công ngh PCF và SCG đã được nghiên cu
chuyên sâu c v mt thuyết ln thc nghiệm đạt được nhiu thành tu to ln
trong vic ti ưu các tính cht quang tuyến tính và phi tuyến, m rộng băng thông phổ
t vùng t ngoại đến hng ngoi trung dùng trong đo lường và kính hin vi, mng 6G,
chp ct lp kết hp quang hc nhãn khoa với độ phân gii cao. Vit Nam, k t
năm 2007, nhóm nghiên cu tại Đại hc Bách khoa Nội đã nhng nghiên cu
ớc đầu v mt loi PCF lõi rng hình elip với đường cong tán sc siêu phng và mt
mát giam gi thp; tiếp đó là nghiên cu các si din tích hiu dng lớn độ tán
sắc âm cao; các PCF đơn mode dn sáng theo chiết suất đường cong tán sc siêu
phng gn với đường tán sc không trong phạm vi bước sóng rng. Vin Khoa hc Vt
liu - Vin Hàn lâm Khoa hc và Công ngh Việt Nam đã nghiên cứu và chế to cm
biến quang hc trên s tinh th quang t mt chiu ng dụng trong lĩnh vực sinh-
hóa (năm 2015). Nhìn chung, các nghiên cu trên hu hết ch quan tâm đến các đại
ợng đặc trưng của PCF chưa ng dụng cho SCG. Đặc bit, vào năm 2015, Trường
Đại hc Vinh đã thành lp nhóm nghiên cứu bước đu các công b v các đại
2
ợng đặc trưng của PCF lõi đặc, tiếp đó nhng công b quc tế v SCG trong các
PCF vi mng lc giác (HL). Điểm chung ca các nghiên cứu trong nước trên thế
gii ti thời điểm này ch tp trung vào vic thiết kế PCF vi mng l khí hình lc
giác lp v quang tử. Đây là loại mng ph biến và đã được chế to trong thc tế vi
ưu đim nm các đường cong tán sc phng và gn với đường tán sắc không nhưng
chưa hỗ tr nhiu cho các tính cht quang hc khác. Mt s công trình nghiên cu v
HL cũng cho thấy ph đầu ra khi s dng mạng này chưa được phẳng. Do đó, các cấu
trúc mng mi đã được gii thiu nhm khai thác triệt để nhng tiến b trong công
ngh sn xut khc phc hn chế ca HL-PCF. Trong s đó, các PCF vi mng
vuông (SL) giúp đạt được chế độ đơn mode trong vùng bưc sóng rộng cũng như khả
năng giảm thiu mt mát. Mt khác, các thiết kế PCF vi mng tròn (CL) cũng được
nghiên cu nhằm đạt được đ phi tuyến cao, din tích mode hiu dng nh và mt mát
giam gi thp.
Việc thay đổi các loi mng lp v PCF không ch cung cp tính linh hot trong
quy trình thiết kế mà còn cho phép điều khiển các đại lượng đặc trưng của chúng. Nói
cách khác, mi mt cu trúc PCF khác nhau s h tr các tính cht quang hc khác
nhau định hướng cho SCG. Chính vy, mt s nhóm nghiên cứu đã tiến hành so sánh
đặc trưng của các loi mng SL và HL, SL và CL, HL và CL SL, CL HL nhm
xác định cu trúc ng dng hiu qu nht cho SCG. Gần đây, đặc trưng tán sắc ca
PCF lõi đặc vi ba loi mng khác nhau bao gm SL, HL CL đã được nghiên cu.
Mc các đường cong tán sc đã điều khin linh hot vi việc bơm ethanol vào các
l khí lp vỏ, tuy nhiên các đại lượng đặc trưng khác của PCF chưa được đ cập đến.
Hn chế tiếp theo là s dng cht nn silica. S dĩ nhiều nghiên cứu trước đây thường
ưa chuộng silica làm cht nn bi nó thông dng, độ trong sut cao và độ tinh khiết
đặc bit trong vùng hng ngoi gần, ngưỡng phá hu laser cao và d kéo si trong quy
trình sn xut. Tuy nhiên, hn chế ca silica là h s chiết sut phi tuyến n2 thấp, đc
bit là b hp th mnh vùng hng ngoi trung nên vic m rng ph trong các PCF
lõi silica b gii hn vùng bước sóng 2 µm.
K t năm 2006, các nhóm nghiên cu trên thế gii đã bắt đầu bơm các chất lng
chiết sut phi tuyến cao vào lõi rng ca PCF thay cho lõi silica phi tuyến thp. Nh
độ phi tuyến và độ trong sut cao ca các cht lng, ta th thu được độ rng ph ca
ánh sáng SCG t vùng ánh sáng nhìn thấy đến vùng hng ngoi gn hng ngoi
trung với năng lượng xung bơm thp trong mt mu si ngắn. Hơn nữa, độ nhy ca
các đặc tính quang hc ca cht lỏng được chn thông qua việc thay đổi nhiệt độ và áp
sut cho phép kim soát d dàng các đại lượng đặc trưng ca PCF lõi lng, t đó giúp
điu khin s tiến trin ph theo thi gian ca quá trình SCG. Cho đến nay, mt lot
các công trình v PCF lõi cht lỏng đã ra đi s dng nhiu loi cht lng khác nhau
như carbon disulfide, carbon tetrachloride, chloroform, nitrobenzene, toluene, benzene,
3
tetrachloroethylene, 1,2-dibromethane. Trong s đó, các công b v PCF lõi carbon
disulfide đã tăng cường hiu qu ca SCG bởi carbon disulfide có đ trong sut cao t
vùng kh kiến đến hng ngoi trung ngoi tr vùng ph hp gn c sóng 4,6 µm
6,6 µm. H s chiết sut phi tuyến của carbon disulfide tương đương với h s chiết
sut phi tuyến ca thy tinh mm ph thuc vào thi gian ca laser kích thích, chng
hn bng 310-19 m2/W vi xung laser cc ngắn (<100 fs) lên đến 2010-19 m2/W
vi xung laser pico giây. Hơn na, s đóng góp của đáp ng phi tuyến chm vi t l
ln gn 85,7% so với độ phi tuyến tng (bên cnh tính phi tuyến Kerr) đóng vai t
quan trng cho SCG giúp nâng cao đ kết hp ca ph đầu ra. Tuy nhiên, carbon
disulfide cực đc hại, gây ung thư, d n d bay hơi nên đã khiến các nhà khoa
hc lo ngi khi ng dng các kết qu mô phng vào trong thc nghim. Chính vì vy,
các nghiên cu v chloroform, carbon tetrachloride, tetrachloroethylene 1,2-
dibromethane trn hữu ích hơn trong các ứng dng thc tế bi các cht lng này
độc tính va phải độ trong sut cao t vùng kh kiến đến hng ngoi gn. Tuy nhiên,
chiết sut tuyến tính ca chloroform thấp hơn silica làm cho chế TIR không kh
dng nếu các thông s cu trúc không đưc điu chnh mt cách phù hp. Carbon
tetrachloride có chiết sut tuyến tính tương tự như silica làm giảm độ chênh lch chiết
sut lõi v dẫn đến hiu sut truyn dn không cao. Bên cạnh đó, h s chiết sut
phi tuyến thp ca hai cht lng này cùng vi tetrachloroethylene 1,2-dibromethane
cũng chính nguyên nhân làm gim độ phi tuyến ca các PCF. Mt khác, benzene
được xem như một vt liệu tưởng khi đảm bảo được các yếu t cho SCG đạt hiu
qu. H s chiết sut phi tuyến ca benzene n2(benzene) = 168×10-20 m2/W, cao hơn gấp
61 ln so vi chiết sut phi tuyến ca silica (n2(silica) = 2,73×10-20 m2/W). So vi các
cht lng nêu trên, giá tr này cao hơn so với chloroform, carbon tetrachloride,
tetrachloroethylene, 1,2-dibromethane tương đương vi h s chiết sut phi tuyến
ca nitrobenzene và toluene. H s chiết sut phi tuyến cao dẫn đến s tăng cường các
hiu ng phi tuyến làm cho ph ánh sáng m rng mt cách mnh m. Ngoài ra, đây
cũng một loi hoá cht công nghiệp được s dng rng rãi trên th trường như
thành phn chính của xăng hay dùng trong sản xut thuc nhum, cht ty ra, nha,
si tng hp. Điu này m cho vic tìm kiếm ngun nhiên liu tr nên d dàng khi
ng dng vào các nghiên cu thc nghiệm cũng như trong quy trình chế to si.
Cho đến nay đã nhiu công b trên thế gii nghiên cu v PCF thm thu
benzene vi mục đích chế to các cm biến, chng hn như cm biến cht lng hay
cm biến khí có độ nhy cao. Ti Việt Nam, vào năm 2015, nhóm nghiên cu trường
Đại hc Vinh đã phân tích sự ảnh hưởng ca các tham s cấu trúc đến đặc trưng tán
sc ca PCF thm thu các cht lỏng khác nhau, trong đó có s dng benzene. Đường
cong tán sc, din tích mode hiu dng và mt mát ca PCF đưc điều kin bng cách
thay đổi h s lấp đy không khí các cht lng các l khí. T năm 2016 tr đi,