DSpace at VNU: Chế tạo đầu dò sợi quang kích thước nano, sử dụng thu các mode WGM từ các vi cầu pha tạp erbium

DSpace at VNU: Chế tạo đầu dò sợi quang kích thước nano, sử dụng thu các mode WGM từ các vi cầu pha tạp erbium tài liệu,...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

 * 

ĐỖ NGỌC CHUNG

CHẾ TẠO ĐẦU DÒ SỢI QUANG KÍCH THƯỚC NANO, SỬ DỤNG THU CÁC MODE WGM TỪ VI CẦU PHA TẠP ERBIUM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, 2006

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Đỗ Ngọc Chung

CHẾ TẠO ĐẦU DÒ SỢI QUANG KÍCH THƯỚC NANO, SỬ DỤNG THU CÁC MODE WGM TỪ VI CẦU PHA TẠP ERBIUM

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nanô

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS Trần Thị Tâm

Ha Nội – 2006

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS TS Trần Thị Tâm, KSC Đặng Quốc Trung đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như công tác để hoàn thành tốt luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo hiện đang công tác tại khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ Nanô, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình chỉ dạy và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt khóa học

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn phòng Kỹ thuật laser, cán bộ và đồng nghiệp tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Việt Nam đã có nhiều giúp đỡ cũng như trao đổi khoa học quý báu trong quá trình thực hiện luận văn này

Có được những kết quả này tôi cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ của đề tài nghiên cứu cơ bản số 410606 thuộc chương trình nghiên cứu cơ bản về Khoa học Tự nhiên và Đề tài Cơ sở năm 2006 Viện Khoa học Vật liệu, Viện khoa học và Công nghệ Việt Nam

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới những người thân, gia đình của tôi!

Hà nội, ngày 15 tháng 12 năm 2006

Học viên

MỞ ĐẦU

Quang học và quang phổ là lĩnh vực ra đời từ rất lâu Nghiên cứu các đặc trưng quang phổ của vật liệu cho biết nhiều đặc tính của vật liệu đó Trong những phép đo quang phổ thông thường, việc thu các tín hiệu phát ra từ các tương tác quang học đều thực hiện xa nguồn, ở khoảng cách lớn hơn bước sóng, đầu thu

quang được đặt ở vị trí khá xa vật liệu cần nghiên cứu (nguồn sáng) Những phép

đo như vậy được gọi là quang học trường xa Ngược lại nghiên cứu quang phổ ở phạm vi rất sát bề mặt của mẫu ở khoảng cách nhỏ hơn bước sóng là phương pháp mới trong nghiên cứu quang học quang phổ, được gọi là quang học trường gần (SNOM), là một lĩnh vực quang học hiện nay đang được quan tâm nghiên cứu nhiều trên thế giới Phương pháp nghiên cứu quang học trường gần cho ta nhiều thông tin về các tính chất vật liệu đặc biệt trong các nghiên cứu công nghệ nanô

Các vi buồng cộng hưởng quang học là một trong các đối tượng được quan tâm nghiên cứu nhiều không những trong công nghệ nanô mà cả trong lĩnh vực điện động lực học luợng tử [1,2], quang học cổ điển cũng như quang học phi tuyến [3,4,5,6], với nhiều loại cấu hình vi cộng hưởng quang học như vi cầu, vi đĩa hay vành khuyên…Các vi cộng hưởng tạo ra các mode quang học có phân bố phụ thuộc vào hình thái học, các mode đó được gọi là các mode cộng hưởng phụ thuộc vào hình thái (MDR) hay các mode đường viền (WGM)

Vi cầu cũng là một trong các vi buồng cộng hưởng có thể tạo laser với độ phẩm chất cao, thể tích mode nhỏ, ngưỡng thấp [6,7] và được quan tâm nhiều trong thông tin quang, ứng dụng làm các bộ lọc quang học, các bộ chuyển mạch quang, các sensor quang học….Laser vi cầu cũng có ứng dụng quang trọng trong việc ổn định tần số, khuếch đại ánh sáng, khảo sát các quá trình phi tuyến, hay trong các bộ nhớ quang

Tuy nhiên không thể thu bức xạ từ các mode WGM bằng phương pháp trường xa thông thường Bức xạ WGM được nghiên cứu bởi lý thuyết Lorent-Mie

Lý thuyết Lorent-Mie cho phép hiểu sự phân bố của WGM’s, từ đó có được kỹ thuật đặc biệt phù hợp để thu tín hiệu WGM’s, đó là kỹ thuật sử dụng tương tác trường gần [8,15]

Để thu được tín hiệu bằng kỹ thuật trường gần, có thể sử dụng nhiều phương pháp ghép nối: bằng lăng kính, sử dụng các kênh dẫn bán dẫn hay sử dụng các đầu

dò sợi quang Các đầu dò sợi quang với kích thước đầu cỡ nanô mét là công cụ thu rất tốt trong kỹ thuật trường gần Phương pháp này còn có ưu điểm đơn giản trong chế tạo và lắp đặt Có nhiều phương pháp dùng để chế tạo đầu dò sợi quang

như phương pháp kéo nhiệt, phương pháp ăn mòn hoá hay phương pháp mài mòn

cơ Trong luận văn này, đầu dò sợi quang được chế tạo bằng cả hai phương pháp: Phương pháp kéo nhiệt sử dụng laser CO2 và nguồn nhiệt hồ quang, phương pháp

ăn mòn hóa học sử dụng dung dịch ăn mòn HF và NH4F

Luận văn tập trung vào nghiên cứu các vấn đề trong kỹ thuật chế tạo đầu

dò bằng sợi quang vuốt nhọn đến kích thước nanô mét, một số đặc tính trong cơ chế ghép nối quang trường gần trong thí nghiệm ghép nối đầu dò thu tín hiệu laser

vi cầu thuỷ tinh floride “ZBLALiP” pha tạp Erbium Luận văn gồm có 4 chương:

Chương 1 mô tả nguyên lý, đặc điểm và một số ứng dụng của quang học trường gần

Chương 2 trình bày nguyên lý của buồng cộng hưởng vi cầu theo hai quang điểm quang học cổ điển và quang học lượng tử, lý thuyết giải thích

sự phân bố của các mode đường viền (WGM’s) hay các mode cộng hưởng phụ thuộc hình thái học (MDR’s)

Chương 3 đề cập đến các kỹ thuật ghép nối tín hiệu WGM’s Điều kiện kết hợp pha trong ghép nối cũng được trình bày tại đây

Chương 4 giới thiệu phương pháp kỹ thuật chế tạo đầu dò sợi quang bằng phương pháp kéo nhiệt và phương pháp ăn mòn

Chương 5 trình bày kết quả chế tạo đầu dò sợi quang kích thước nanô

mét và ứng dụng của đầu dò thu tín hiệu laser vi cầu thuỷ tinh floride

“ZBLALiP” pha tạp Erbium Kết quả phổ tín hiệu được thu bằng các

đầu dò đã chế tạo cũng được trình bày và thảo

CHƯƠNG 1

QUANG HỌC TRƯỜNG GẦN (NEAR-FIELD OPTICS)

Quang học là lĩnh vực phát triển rất sớm và có rất nhiều ứng dụng Tuy nhiên trong các kỹ thuật quang học thông thường, khả năng phân giải của các thiết

bị quang học bị hạn chế bởi giới hạn nhiễu xạ khi giảm kích thước tới cỡ bước sóng Vì vậy các thiết bị quang học không thích ứng được với các mạch tích phân điện tử có kích thước nhỏ hơn rất nhiều

Sự ra đời của NFO đã phá vỡ giới hạn nhiễu xạ trong quang học, mở ra những ứng dụng mới trong các lĩnh vực nghiên cứu Khoa học và Công nghệ, đặc biệt là Công nghệ nanô

1.1 KHÁI NIỆM VỀ QUANG HỌC TRƯỜNG GẦN

Khi nghiên cứu các tính chất hay cấu trúc của vật liệu bằng phương pháp quang phổ, chúng ta thường đặt đầu thu quang ở xa vị trí nguồn phát xạ hay vật liệu cần nghiên cứu: khoảng cách lớn hơn nhiều lần bước sóng ánh sáng kích thích Phép đo như vậy được gọi là phép đo quang học trường xa Trong phép đo quang học trường xa, độ phân giải của thiết bị thu quang bị giới hạn bởi hiện tượng nhiễu

xạ và không thể vượt quá ½ bước sóng (NFO)cho phép vượt qua được sự hạn chế

về giới hạn nhiễu xạ đó

Khi ánh sáng truyền trong sợi quang, qua lăng kính hay trong các buồng cộng hưởng, nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần mà ánh sáng đổi hướng và bị giam giữ trong môi trường lan truyền Tuy nhiên theo quang học lượng tử, một phần ánh sáng có thể truyền qua mặt phân cách và có điện trường giảm theo hàm mũ phụ thuộc vào khoảng cách từ bề mặt phân cách giữa hai môi trường, được gọi là trường suy giảm hay trường mờ (EF) [8,9] Có thể coi như trường mờ định xứ tại sát ngay bề mặt phân cách giữ hai môi trường, ở khoảng cách bước sóng Quang học xem xét các tương tác trong phạm vi trường mờ đó được gọi là Quang học trường gần (NFO) Bằng các phép đo NFO chúng ta loại bỏ được giới hạn của hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng và trên cơ sở đó có thể chế tạo các thiết bị đo quang như kính hiển vi quang học trường gần với độ phân giải không phụ thuộc vào bước sóng Tín hiệu trường gần có thể cung cấp nhiều thông tin cả về cấu trúc cũng như đặc điểm về bề mặt của mẫu (hình 1.1)

Hình 1.2: Hiện tượng trường gần, (Trường gần sau lỗ nhỏ hơn bước sóng,

Trường xa

(d 2 >>

a<< 

Trường gần (d 1 <<

Màn chắn

d 1

d 2



(a)

n2

c

n1>n2

Trường gần

(c)

n2=1

n1=1.5 (d)

(b)

Microsphere

Trường gần

Hình 1.1 Hiện tượng quang học trường gần, (a) tán xạ trường gần bởi

phần tử nhỏ cỡ bước sóng, (b) tán xạ trường gần bởi mũi đầu dò có kích

thước cỡ bước sóng

Kích thước cỡ nano (nhỏ hơn bước sóng)

Trường tăng mạnh

Cấu trúc nano

Ánh sáng kích thích

(b) trường gần xung quanh vi cầu điện môi, (c) trường gần bên ngoài sợi quang và

(d) trường gần sau mặt phản xạ toàn phần của lăng kính

Trên hình 1.1 và 1.2 là một số thí dụ trường gần hay trường suy giảm: trường ánh sáng xuất hiện tại ngay sau lỗ nhỏ với kích thước nhỏ hơn bước sóng (hình 1.2a), ở mặt bên kia của mặt phản xạ toàn phần (hình 1.2b, c, d), hay ánh sáng tán xạ từ các phần tử rất nhỏ, có kích thước nhỏ hơn bước sóng (hình 1.1e) [10,11,12] Đối với vi cầu (hình 1.2b) trường ánh sáng bị giam giữ chặt bên trong, hình thành các mode WGM Chỉ một phần rất nhỏ năng lượng của các mode WGM lọt ra ngoài, phân bố tại sát bề mặt xung quanh của vi cầu

Sự xem xét các tương tác trong phạm vi trường mờ đó được gọi là quang học trường gần Bằng các phép đo quang học trường gần chúng ta vượt qua được giới hạn của hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng và trên cơ sở đó có thể chế tạo các thiết

bị đo quang như kính hiển vi quang học trường gần với độ phân giải không phụ thuộc vào bước sóng Tín hiệu trường gần có thể cung cấp nhiều thông tin cả về cấu trúc cũng như đặc điểm về bề mặt của mẫu Việc thu tín hiệu trường gần là tương đối khó, đòi hỏi phải có các đầu dò với kích thước nhỏ

1.2 MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐO SỬ DỤNG QUANG HỌC TRƯỜNG GẦN

Hai kỹ thuật chính sử dụng NFO để khảo sát vật liệu: Kỹ thuật thu phổ tán

xạ trường gần và kỹ thuật thu phổ phát xạ trường gần [8,12] Đầu dò sử dụng trong các kỹ thuật này thường được chế tạo từ sợi quang hoặc Silic

Kỹ thuật thu phổ tán xạ trường gần được mô tả như trong hình 1.3a, gồm một đầu dò có kích thước cỡ nano và một nguồn sáng kích mẫu Khi dịch chuyển đầu dò vào phạm vi trường mờ định xứ ngay sát bề mặt của mẫu, chúng ta có thể thu được tín hiệu trường mờ tán xạ bởi đầu dò tán xạ (1.3a)

Kỹ thuật thu phổ phát xạ trường gần được mô tả như trong hình 1.3b Sợi quang hoặc Si được ăn mòn, sau đó phủ kim loại và tạo lỗ nhỏ với kích thước cỡ nano tại đỉnh của đầu dò Quá trình chế tạo đầu dò dạng này được mô tả dưới hình 1.4

Ánh sáng kích thích

Tán

xạ

trường

gần

: Ánh sáng kích thích

: Tín hiệu trường gần

Đầu dò thu trường gần

Phát

xạ trường gần

Hình 1.3: Sơ đồ kỹ thuật đo trường gần, (a) kỹ thuật thu phổ tán xạ trường gần,

(b) kỹ thuật thu phổ phát xạ trường gần

Đầu dò tán xạ

trường gần

Đầu dò

bằng Si

Đầu dò bằng sợi quang

Típ nhọn

Lớp kim loại

Lỗ nhỏ hơn bước sóng

Hình 1.4: Đầu dò thu trường gần

(1) (2) (3) (4)

(1): Silic và sợi quang đã được tạo dạng típ nhọn bằng ăn mòn hoặc bằng kéo nhiệt

(2): Hình ảnh phóng to của típ

(3): Típ nhọn được phủ kim loại Lớp kim loại có tác dụng che chắn cũng như bảo vệ típ nhọn

(4): Típ nhọn đã được tạo lỗ nhỏ tại đỉnh lỗ nhỏ cỡ bước sóng Kích thước của lỗ nhỏ quyết định độ phân giải của đầu dò

Nguồn kích thích mẫu có thể chiếu trực tiếp qua đầu dò hoặc gián tiếp Do kích thước của đầu dò nhỏ hơn bước sóng nên tín hiệu đằng sau đầu dò hay tín hiệu thu được từ bề mặt của mẫu bằng đầu dò là tín hiệu trường gần Để thu được tín hiệu trường gần, đầu dò được gắn với các thiết bị thu cực nhạy như avalanche photodiode, máy đếm photon hoặc sử dụng thiết bị đo tần số dao động cộng hưởng của đầu dò Kỹ thuật đo này ngoài việc có thể khảo sát bề mặt của mẫu còn có thể

sử dụng trong các phép đo phổ huỳnh quang, hay phổ Raman của mẫu

1.3 KÍNH HIỂN VI QUANG HỌC TRƯỜNG GẦN

Một trong nững ứng dụng vĩ đại nhất của kỹ thuật đo trường gần đó là kính hiển vi quang học trường gần (SNOM) SNOM sử dụng kỹ thuật quýet đầu dò trong phạm vi trường gần để thu các tín hiệu trường gần phát ra từ bề mặt của mẫu hoặc sử dụng tín hiệu trường gần để phản hồi điều chỉnh dịch chuyển của đầu dò,

từ đó có thể khảo sát được các thông tin bề mặt của mẫu Trong SNOM thành phần quan trọng, quyết định độ phân giải đó là đầu dò Dưới đây là sơ đồ nguyên lý hoạt động của một đầu dò sợi quang sử dụng nguyên lý quang học trường gần: