Luận án TS Trần Quốc Vũ: Tán sắc sợi tinh thể quang tử và phát siêu liên tục

Luận án phân tích đặc trưng tán sắc của sợi tinh thể quang tử mạng lục giác đều thẩm chất lỏng, định hướng ứng dụng phát siêu liên tục.

• Tác giả: Trần Quốc Vũ
• Người hướng dẫn: TS. Đinh Xuân Khoa
• Trường học: Trường Đại học Vinh
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Nghiên cứu đặc trưng tán sắc của sợi tinh thể quang tử mạng lục giác đều được thẩm thấu các chất lỏng định hướng ứng dụng trong phát siêu liên tục
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Nghệ An

Tóm tắt

I. Khám Phá Sợi Tinh Thể Quang Tử Phát Siêu Liên Tục

Sợi tinh thể quang tử (Photonic Crystal Fiber - PCF), hay còn gọi là sợi quang vi cấu trúc (MOF), đại diện cho một cuộc cách mạng trong công nghệ quang sợi. Khác với sợi quang truyền thống có lõi và vỏ đồng nhất, PCF sở hữu một cấu trúc độc đáo bao gồm một lõi trung tâm được bao quanh bởi một mạng lưới các lỗ khí siêu nhỏ chạy dọc theo chiều dài sợi. Cấu trúc này mang lại những đặc tính quang học vượt trội, đặc biệt là khả năng kiểm soát đặc trưng tán sắc một cách linh hoạt. Chính nhờ ưu điểm này, PCF đã trở thành môi trường lý tưởng để tạo ra hiện tượng phát siêu liên tục (Supercontinuum Generation - SCG). Phát siêu liên tục là quá trình mở rộng phổ cực rộng của một xung laser công suất đỉnh cao khi lan truyền qua một môi trường phi tuyến. Kết quả là tạo ra một nguồn sáng phổ rộng, giống như ánh sáng trắng, nhưng có độ kết hợp cao và độ sáng vượt trội so với các nguồn sáng truyền thống. Sự kết hợp giữa cấu trúc độc đáo của PCF và các hiệu ứng phi tuyến quang học phức tạp đã mở ra vô số ứng dụng đột phá trong nhiều lĩnh vực như y sinh, viễn thông, và khoa học cơ bản.

1.1. Giới thiệu về cấu trúc sợi quang vi cấu trúc MOF

Một sợi tinh thể quang tử (PCF) được định nghĩa là một sợi quang có lớp vỏ được tạo thành từ một cấu trúc điện môi tuần hoàn hai chiều. Cấu trúc này thường bao gồm các lỗ khí được sắp xếp theo một mạng tinh thể (ví dụ: mạng lục giác) trong một vật liệu nền, phổ biến nhất là silica. Trung tâm của cấu trúc này có thể là một lõi đặc (solid-core) hoặc lõi rỗng (hollow-core). Cơ chế dẫn sáng trong PCF rất linh hoạt, có thể dựa trên nguyên lý phản xạ toàn phần đã được sửa đổi (modified total internal reflection) hoặc hiệu ứng vùng cấm quang tử (photonic bandgap). Sự tự do trong việc thiết kế các tham số hình học như hằng số mạng (Λ) và đường kính cấu trúc lỗ khí trong PCF (d) cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát chính xác các đặc tính truyền dẫn như tán sắc, diện tích mode hiệu dụng và hệ số phi tuyến γ. Theo nghiên cứu của Trần Quốc Vũ (2021), việc thẩm thấu các chất lỏng có chiết suất cao vào lõi hoặc các lỗ khí còn mở ra khả năng điều chỉnh tán sắc phẳng (flat dispersion) và tăng cường hiệu ứng phi tuyến.

1.2. Tầm quan trọng của nguồn phát siêu liên tục phổ rộng

Một nguồn sáng phổ rộng được tạo ra từ quá trình phát siêu liên tục có những đặc tính ưu việt: băng thông cực rộng (từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại), độ sáng phổ cao và độ kết hợp phổ (spectral coherence) tốt. Những đặc tính này làm cho nó trở thành một công cụ không thể thiếu trong nhiều ứng dụng công nghệ cao. Trong y sinh, nguồn SC được sử dụng trong chụp cắt lớp kết hợp quang học (OCT), cho phép tạo ra hình ảnh 3D có độ phân giải cao của các mô sinh học. Trong quang phổ học, nó được dùng để phân tích thành phần hóa học của vật chất với độ chính xác cao. Ngoài ra, các ứng dụng khác bao gồm đo lường tần số chính xác (frequency metrology), kính hiển vi đa photon, và viễn thông quang học. Việc phát triển các nguồn phát siêu liên tục nhỏ gọn, hiệu quả và ổn định dựa trên nền tảng PCF là một trong những mục tiêu quan trọng của ngành quang học hiện đại.

II. Thách Thức Kiểm Soát Đặc Trưng Tán Sắc Của Sợi PCF

Việc kiểm soát đặc trưng tán sắc là yếu-tố-then-chốt quyết định sự thành công của quá trình phát siêu liên tục. Tán sắc vận tốc nhóm (Group Velocity Dispersion - GVD) ảnh hưởng trực tiếp đến sự giãn rộng và nén của xung quang học khi lan truyền trong sợi. Để tạo ra phổ siêu liên tục rộng và phẳng, cần phải thiết kế sợi PCF có một hồ sơ tán sắc được tối ưu hóa. Thách thức lớn nhất nằm ở việc cân bằng giữa tán sắc vật liệu (cố định bởi vật liệu nền) và tán sắc ống dẫn sóng (phụ thuộc vào cấu trúc hình học). Các nhà nghiên cứu phải tinh chỉnh đồng thời nhiều tham số như hằng số mạng, đường kính lỗ khí, và cả vật liệu thẩm thấu vào lõi để dịch chuyển bước sóng tán sắc không (ZDW) đến gần bước sóng bơm. Việc đạt được tán sắc phẳng gần bằng không (near-zero flat dispersion) trên một dải sóng rộng là mục tiêu cao nhất nhưng cũng khó khăn nhất, đòi hỏi các phương pháp mô phỏng và chế tạo cực kỳ chính xác.

2.1. Phân tích tán sắc bất thường và tán sắc bậc cao

Tán sắc trong sợi quang được định lượng bởi tham số D hoặc tham số GVD (β₂). Khi β₂ < 0 (D > 0), sợi quang ở trong vùng tán sắc bất thường (anomalous dispersion). Vùng này rất quan trọng cho việc hình thành soliton, một cơ chế chính trong phát siêu liên tục. Ngược lại, vùng tán sắc thường (normal dispersion) xảy ra khi β₂ > 0 (D < 0). Bên cạnh GVD, tán sắc bậc cao (β₃, β₄,...) cũng đóng vai trò quan trọng, đặc biệt khi làm việc với laser xung femto giây có phổ rất rộng. Tán sắc bậc ba (β₃) gây ra sự biến dạng không đối xứng của xung và có thể dẫn đến sự phát xạ của sóng Cherenkov tán sắc (dispersive wave), góp phần mở rộng phổ về phía các bước sóng ngắn. Do đó, việc hiểu và kiểm soát cả GVD và tán sắc bậc cao là bắt buộc để tối ưu hóa băng thông và độ phẳng của phổ siêu liên tục.

2.2. Ảnh hưởng của thông số hình học PCF đến ZDW

Tán sắc ống dẫn sóng trong PCF có thể được điều khiển một cách mạnh mẽ thông qua việc thay đổi các thông số hình học. Hai tham số quan trọng nhất là hằng số mạng Λ (khoảng cách giữa tâm các lỗ khí) và tỷ số lấp đầy d/Λ (với d là đường kính lỗ khí). Giảm hằng số mạng Λ hoặc tăng tỷ số d/Λ thường làm dịch chuyển bước sóng tán sắc không (ZDW) về phía các bước sóng ngắn hơn. Sự linh hoạt này cho phép thiết kế các sợi PCF có ZDW ở bất kỳ đâu từ vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại gần, phù hợp với các hệ thống laser xung femto giây hoặc laser xung pico giây khác nhau. Theo các kết quả mô phỏng trong luận án của Trần Quốc Vũ, việc thay đổi d/Λ từ 0.3 đến 0.8 có thể dịch chuyển ZDW hàng trăm nanomet, chứng tỏ khả năng kiểm soát tán sắc vượt trội của PCF so với sợi quang thông thường.

III. Phương Pháp Mô Phỏng PCF Bằng Phần Tử Hữu Hạn FEM

Để vượt qua các thách thức trong thiết kế, các phương pháp mô phỏng số đóng vai trò không thể thiếu. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một trong những công cụ mạnh mẽ và chính xác nhất để phân tích các đặc tính quang học của PCF. Bằng cách chia mặt cắt ngang của sợi thành một lưới các phần tử nhỏ, FEM cho phép giải hệ phương trình Maxwell một cách chính xác cho các cấu trúc hình học phức tạp. Các phần mềm thương mại như phần mềm COMSOL Multiphysics hay phần mềm Lumerical FDTD được sử dụng rộng rãi để thực hiện các mô phỏng này. Thông qua FEM, các nhà nghiên cứu có thể tính toán chính xác chiết suất hiệu dụng của mode, từ đó suy ra các đại lượng quan trọng khác như diện tích mode hiệu dụng (Aeff), đặc trưng tán sắc, và tổn hao giam giữ. Quá trình thiết kế và mô phỏng PCF này giúp tối ưu hóa cấu trúc sợi trước khi đi vào giai đoạn chế tạo tốn kém, rút ngắn đáng kể thời gian và chi phí nghiên cứu.

3.1. Quy trình thiết kế và mô phỏng PCF tối ưu

Quy trình thiết kế và mô phỏng PCF bắt đầu bằng việc xác định các mục tiêu ứng dụng, ví dụ như phát siêu liên tục tại một bước sóng bơm cụ thể. Dựa trên mục tiêu đó, một cấu trúc PCF ban đầu được đề xuất, bao gồm loại mạng (lục giác, tứ giác), vật liệu nền (silica), và vật liệu thẩm thấu (không khí, chất lỏng). Sau đó, các phần mềm dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để quét các tham số hình học (Λ và d/Λ) trong một khoảng giá trị rộng. Ở mỗi cặp tham số, các đặc trưng như chiết suất hiệu dụng, diện tích mode, và đường cong tán sắc được tính toán. Dữ liệu thu được được phân tích để tìm ra cấu trúc tối ưu—cấu trúc có bước sóng tán sắc không (ZDW) mong muốn, độ dốc tán sắc thấp, và diện tích mode nhỏ để tăng cường tính phi tuyến. Quá trình lặp đi lặp lại này cho phép tinh chỉnh cấu trúc để đạt hiệu suất cao nhất.

3.2. Tính toán hệ số phi tuyến γ và diện tích mode Aeff

Hiệu quả của các hiệu ứng phi tuyến quang học phụ thuộc rất lớn vào hệ số phi tuyến γ, được định nghĩa là γ = (2πn₂)/(λAeff), trong đó n₂ là chiết suất phi tuyến của vật liệu và Aeff là diện tích mode hiệu dụng. Một giá trị γ lớn là điều kiện cần để phát siêu liên tục với công suất bơm thấp và chiều dài sợi ngắn. PCF cho phép tạo ra diện tích mode hiệu dụng Aeff rất nhỏ (dưới vài μm²) bằng cách giam giữ ánh sáng chặt chẽ trong một lõi có kích thước nhỏ. Các phần mềm mô phỏng như COMSOL và Lumerical có thể tính toán chính xác trường phân bố của mode quang học, từ đó xác định Aeff. Việc thiết kế PCF có Aeff nhỏ, ví dụ bằng cách tăng tỷ số d/Λ, là một chiến lược quan trọng để tối đa hóa hệ số phi tuyến γ và nâng cao hiệu quả tạo phổ siêu liên tục.

IV. Bí Quyết Giải Mã Cơ Chế Vật Lý Của Phát Siêu Liên Tục

Sự hình thành phổ siêu liên tục là kết quả của sự tương tác phức tạp giữa nhiều hiệu ứng phi tuyến quang học khác nhau. Quá trình này được mô tả chính xác nhất bởi phương trình Schrödinger phi tuyến tổng quát (GNLSE). Phương trình này tính đến cả hiệu ứng tán sắc (GVD và tán sắc bậc cao) và các hiệu ứng phi tuyến như tự điều chế pha (SPM), điều chế xuyên pha (XPM), tán xạ Raman kích thích (SRS) và hiệu ứng tự dốc (self-steepening). Khi một xung laser cực ngắn (thường là laser xung femto giây) được bơm vào vùng tán sắc bất thường của PCF, giai đoạn đầu tiên là sự nén soliton do cân bằng giữa SPM và GVD. Khi công suất tăng cao, soliton bậc cao này trở nên không ổn định và trải qua quá trình phân tách soliton (soliton fission), tạo ra một chuỗi các soliton cơ bản. Mỗi soliton này sau đó chịu ảnh hưởng của hiệu ứng Raman, gây ra sự dịch chuyển liên tục về phía bước sóng dài hơn. Đồng thời, quá trình phân tách này cũng có thể phát ra các sóng Cherenkov tán sắc ở phía bước sóng ngắn, góp phần mở rộng phổ một cách đáng kể.

4.1. Vai trò của phương trình Schrödinger phi tuyến tổng quát

Phương trình Schrödinger phi tuyến tổng quát (GNLSE) là mô hình toán học toàn diện nhất để mô phỏng sự lan truyền của xung quang học cực ngắn trong sợi quang. Nó là một phương trình đạo hàm riêng phi tuyến, mô tả sự thay đổi của biên độ phức của xung theo cả thời gian và không gian. Vế tán sắc của GNLSE bao gồm các đạo hàm của hằng số truyền (β₂, β₃,...) theo tần số, trong khi vế phi tuyến mô tả các hiệu ứng như hiệu ứng Kerr (gây ra tự điều chế pha và điều chế xuyên pha) và hiệu ứng Raman. Việc giải GNLSE bằng các phương pháp số, chẳng hạn như phương pháp chia bước Fourier (split-step Fourier method), cho phép các nhà khoa học dự đoán chính xác sự tiến triển của phổ và dạng xung theo chiều dài sợi. Mô hình này là công cụ thiết yếu để hiểu rõ cơ chế vật lý và tối ưu hóa các thông số cho quá trình phát siêu liên tục.

4.2. Tìm hiểu cơ chế phân tách soliton và sóng tán sắc

Cơ chế phân tách soliton (soliton fission) là trung tâm của quá trình phát siêu liên tục khi bơm trong vùng tán sắc bất thường. Một xung bơm công suất cao có thể được xem như một soliton bậc cao (N > 1). Soliton này không ổn định và sẽ bị phân tách thành N soliton cơ bản do các nhiễu loạn gây ra bởi các hiệu ứng bậc cao như tán sắc bậc cao và tán xạ Raman kích thích (SRS). Quá trình này giải phóng năng lượng dưới dạng các sóng Cherenkov tán sắc, còn được gọi là sóng tán sắc. Sóng này được tạo ra khi pha của soliton và pha của sóng tuyến tính trùng khớp (phase-matching). Hiện tượng này chịu trách nhiệm cho việc tạo ra các thành phần phổ mới ở vùng bước sóng ngắn (vùng tán sắc thường), trong khi các soliton dịch chuyển về vùng bước sóng dài do hiệu ứng Raman, tạo nên một phổ siêu liên tục cực rộng.

V. Top Ứng Dụng Đột Phá Từ Sợi Tinh Thể Quang Tử PCF

Nhờ khả năng tạo ra nguồn sáng phổ rộng với các đặc tính ưu việt, công nghệ phát siêu liên tục trong PCF đã thúc đẩy nhiều tiến bộ vượt bậc trong khoa học và công nghệ. Các ứng dụng này trải dài từ y sinh học, đo lường chính xác, đến xử lý vật liệu và viễn thông. Trong y học, kỹ thuật chụp cắt lớp kết hợp quang học (OCT) sử dụng nguồn siêu liên tục đã đạt đến độ phân giải ở mức micromet, cho phép chẩn đoán sớm các bệnh về mắt và da mà không cần xâm lấn. Trong lĩnh vực quang phổ học, băng thông rộng của nguồn SC cho phép thực hiện các phép đo hấp thụ hoặc huỳnh quang trên một dải phổ rộng chỉ với một lần quét duy nhất, tăng tốc độ và hiệu quả phân tích. Hơn nữa, độ ổn định tần số của nguồn SC khi được khóa với một đồng hồ nguyên tử đã tạo ra các "lược tần số quang học" (optical frequency combs), công cụ đo lường thời gian và tần số chính xác nhất từng được tạo ra, mở đường cho các ứng dụng trong GPS thế hệ mới và kiểm tra các hằng số vật lý cơ bản.

5.1. Cải tiến công nghệ chụp cắt lớp kết hợp quang học OCT

Chụp cắt lớp kết hợp quang học (OCT) là một kỹ thuật hình ảnh không xâm lấn, tương tự như siêu âm nhưng sử dụng ánh sáng thay vì âm thanh. Độ phân giải dọc của OCT tỷ lệ nghịch với băng thông của nguồn sáng. Do đó, việc sử dụng một nguồn sáng phổ rộng từ quá trình phát siêu liên tục giúp cải thiện đáng kể độ phân giải của hình ảnh, cho phép các bác sĩ nhìn thấy các cấu trúc mô chi tiết hơn. Nguồn SC từ PCF nhỏ gọn và có thể được thiết kế để phát ra ánh sáng trong các cửa sổ sinh học (biological windows) ở vùng hồng ngoại gần, nơi ánh sáng có thể xuyên sâu vào mô với sự tán xạ và hấp thụ tối thiểu. Điều này đã cách mạng hóa lĩnh vực nhãn khoa, da liễu và nội soi, cung cấp một công cụ chẩn đoán mạnh mẽ và an toàn.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong quang phổ học và đo lường

Độ sáng phổ cao và băng thông rộng của nguồn phát siêu liên tục làm cho nó trở thành một nguồn sáng lý tưởng cho nhiều kỹ thuật quang phổ học. Ví dụ, trong quang phổ hấp thụ, nó có thể thay thế nhiều laser hoặc đèn băng rộng truyền thống, đơn giản hóa thiết lập thí nghiệm và tăng tốc độ thu thập dữ liệu. Trong kính hiển vi, nguồn SC cho phép thực hiện đồng thời nhiều kỹ thuật hình ảnh khác nhau như huỳnh quang đa photon và tạo sóng hài bậc hai. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất là tạo ra lược tần số quang học. Bằng cách ổn định phổ siêu liên tục, người ta có thể tạo ra một chuỗi các vạch tần số cách đều nhau, hoạt động như một "thước kẻ" để đo tần số quang học với độ chính xác chưa từng có, với những ứng dụng sâu rộng trong vật lý cơ bản và công nghệ định vị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong thế kỷ 20, sợi quang thông thường (Hình 0.1a) được sử dụng để truyền thông tin dưới dạng các xung quang ngắn với tốc độ cực cao trên một khoảng cách dài. Kể từ năm 1970 đến nay tốc độ phát triển công nghệ này thật đáng kinh ngạc và đã trở thành vấn đề quan trọng của mạng viễn thông toàn cầu [1, 2]. Ngoài việc sử dụng trong lĩnh vực thông tin quang, các sợi quang thông thường còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác như trong y học, gia công, cảm biến,…. Trong quá trình lan truyền sự mất mát và độ tán sắc là các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng truyền của các sợi quang học.

Bằng cách tạo ra các cơ chế biến đổi độ tán sắc đã đem lại các công nghệ hoàn thiện lĩnh vực thông tin quang ngày nay [3]. Một bước ngoặt mới có tính đột phá trong công nghệ quang sợi đó là vào năm 1996, Russell và các đồng nghiệp đã đưa ra một loại sợi quang mới gọi là sợi tinh thể quang tử (photonic crystal fiber - PCF) (Hình 0. Kể từ đó, các PCF đã được nghiên cứu chuyên sâu hơn hai thập kỷ bởi rất nhiều nhà khoa học lớn và họ đã chỉ ra các PCF có nhiều ưu điểm hơn so với các loại sợi quang học thông thường. Một PCF có thể được coi là một tinh thể lượng tử ánh sáng, với một cấu trúc đối xứng hai chiều trong đó bao gồm một khu vực trung tâm được bao quanh bởi một mạng tạo bởi nhiều lỗ không khí chạy song song với trục sợi [5].

Sau khi phát hiện ra PCF thì các nghiên cứu về việc ứng dụng nó trong lĩnh vực quang học được rất nhiều nhà khoa học quan tâm. PCF có các tính chất rất thú vị cho các ứng dụng phi tuyến vì nó có khả năng giam giữ ánh sáng rất lớn và có khả năng điều khiển được độ tán sắc [6]. Một điều khá thú vị, các PCF với bước sóng ứng với độ tán sắc bằng không rất thích hợp cho việc phát siêu liên tục [7]. Các tham số ảnh hưởng đến độ tán sắc của PCF đó là các 2 tham số hình học như cấu trúc các loại mạng, kích thước đường kính lỗ khí, khoảng cách giữa các lỗ khí và vật liệu thẩm thấu vào lỗ khí [8].

Trong khoảng thời gian từ năm 1996 đến năm 2006, các nghiên cứu chủ yếu tập trung cho các PCF được bơm vào lỗ mạng hoặc lõi bởi không khí như nghiên cứu cơ chế dẫn ánh sáng của PCF [5, 9] và các PCF lõi đặc cấu trúc vi mô [10]. Các nghiên cứu về PCF sử dụng chất khí bơm vào các lỗ mạng hoặc lõi đã chứng tỏ được những tính chất nổi trội và những ứng dụng vượt bậc của PCF so với các sợi quang thông thường. Đồng thời các nghiên cứu này cũng đã chỉ ra PCF khí còn tồn tại một số hạn chế như dải bước sóng tán sắc bằng không rất hẹp, tính phi tuyến trong các PCF khí nhỏ. Những hạn chế này làm ảnh hưởng không nhỏ đến các ứng dụng của PCF trong công nghệ sợi quang.

Trong những năm gần đây, với việc thẩm thấu chất lỏng vào lớp vỏ hoặc lõi của PCF đã mở ra một ứng dụng rất tiềm năng của nó trong phát siêu liên tục [11]. Bằng cách lựa chọn chất lỏng, người ta có thể điều khiển được đường cong tán sắc phẳng của các đường tán sắc [12 - 14]. Đồng thời việc sử dụng chất lỏng rất thích hợp cho việc phát siêu liên tục [15]. Ngoài ra, cũng bằng cách thẩm thấu một hỗn hợp chất lỏng thích hợp vào các lỗ khí có thể tạo ra được các PCF ứng dụng trong cảm biến nhiệt có độ nhạy cao [16].

Các nghiên cứu về PCF được thẩm thấu chất lỏng vào lớp vỏ hoặc lõi đã mở ra những ứng dụng đầy hứa hẹn của nó trong công nghệ sợi quang và đang thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu trong thời gian tiếp theo. Tuy nhiên các nghiên cứu này vẫn chưa phân tích được đầy đủ, tường minh sự phụ thuộc của các đại lượng đặc trưng của PCF vào các tham số cấu trúc và các chất lỏng sử dụng có tính độc khá cao đối với con người. Ở Việt Nam, kể từ năm 2005 đến năm 2015 đã có một số nhóm nghiên cứu ở Viện Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ, Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã có những nghiên cứu bước đầu về tinh thể quang tử như sử dụng khúc xạ âm trong các ống dẫn sóng tinh thể không đồng đều [17, 18], nghiên 3 cứu chế tạo và tính chất quang của các tinh thể quang tử chứa các tâm phát xạ [19], nghiên cứu và chế tạo cảm biến quang học trên cơ sở tinh thể quang tử một chiều ứng dụng trong lĩnh vực Sinh - Hóa [20], các sợi tinh thể có tán sắc cực phẳng và giam giữ mất mát thấp [21, 22], các sợi tinh thể quang tử cho diện tích mode hiệu dụng lớn và tán sắc âm lớn [23], các sợi đơn mode có tán sắc siêu phẳng với dải bước sóng tán sắc gần không rộng [24]. Như vậy, các nghiên cứu về PCF còn rất ít được quan tâm ở Việt Nam.

Hơn nữa, các kết quả nghiên cứu vẫn còn khiêm tốn so với các nước khác. Bên cạnh lý do kinh phí và phương tiện chưa đủ, sự liên kết hợp tác không hiệu quả trong nghiên cứu chuyên ngành cũng có thể là một phần nguyên nhân.1: a) Sợi quang thông thường và b) Một số loại sợi tinh thể quang tử Lõi Vỏ Lớp vỏ bảo vệ Hình 0.2: Cấu trúc của sợi quang thông thường Các sợi quang thông thường (Hình 0.2) có ứng dụng rất tốt trong thông tin quang và một số lĩnh vực khác. Tuy nhiên các sợi quang thông thường này tồn tại một số hạn chế liên quan đến cấu trúc của nó như: gặp khó khăn trong việc thiết kế, khó khăn trong việc chọn vật liệu (tính chất nhiệt của lõi và vỏ phải giống 4 nhau), hạn chế về mật độ năng lượng truyền, hạn chế cơ bản về kích thước mode trong chế độ đơn mode, … Các PCF (Hình 0.3) linh hoạt hơn trong việc thiết kế và chế tạo cấu trúc của nó như việc chọn các loại lõi (lõi đặc hay lõi rỗng), kích thước và hình dạng của các lõi, các kiểu mạng, hằng số mạng, hình dạng và kích thước các lỗ mạng, tự do lựa chọn các loại vật liệu để thẩm thấu vào lỗ mạng hoặc lõi. Mỗi một sự thay đổi các yếu tố này đều ảnh hưởng lên các đại lượng đặc trưng của PCF.

Nhiều công bố quan tâm nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc như đường kính lỗ khí d, hằng số mạng Ʌ (khoảng cách từ tâm lỗ khí này đến tâm lỗ khí gần nhất) lên các các đại lượng đặc trưng của PCF bao gồm chiết suất hiệu dụng, diện tích mode hiệu dụng, tán sắc và mất mát [6, 8, 9]. Tuy nhiên hạn chế của các cấu trúc trong các công bố này là chưa xác định được mối liên hệ giữa các đại lượng này và sử dụng kết quả đó cho các ứng dụng công nghệ quang trong các trường hợp cụ thể. Hợp chất silica Chất lỏng Chất lỏng Hợp chất silica Hình 0.3: Cấu trúc hình học của sợi quang PCF: a) Lõi đặc b) Lõi rỗng được thẩm thấu chất lỏng Trong công bố gần đây, các tác giả đã thẩm thấu chloroform (CHCl 3) vào lõi của PCF [25]. Kết quả nghiên cứu đã thu được hai cấu trúc tối ưu để ứng dụng cho 5 phát siêu liên tục tại bước sóng bơm 1030 nm.

Sợi tối ưu thứ nhất có hằng số mạng Λ = 1,0 μm và thừa số lấp đầy f = 0,65 có đặc trưng tán sắc thường, có độ tán sắc bằng -24 ps.km−1 tại bước sóng bơm. Sợi tối ưu thứ hai có hằng số mạng Λ = 2,0 μm và thừa số lấp đầy f = 0,65 có bước sóng tán sắc bằng không (ZDW) bằng 1,0 μm nên có đặc trưng tán sắc dị thường tại bước sóng bơm và độ tán sắc ở bước sóng bơm bằng 7,6 ps. Kết quả phát siêu liên tục cho hai cấu trúc tối ưu này đã mở rộng phổ trong dải bước sóng 600 nm - 1260 nm. Trong công bố [26], các tác giả đã phát siêu liên tục trong PCF lõi nước có chiều dài sợi 5 cm.

Kết quả đã thu được phổ mở rộng trong phạm vi bước sóng từ 600 nm đến 1140 nm. Các kết quả thu được qua các công trình trên đóng góp quan trọng trong tiến trình nghiên cứu phát siêu liên tục trong các PCF lõi chất lỏng và càng khẳng định các ưu điểm của các PCF được thẩm thấu chất lỏng. Tuy nhiên, khi sử dụng các chất lỏng trên thì diện tích mode hiệu dụng thu được lớn; đường cong tán sắc phẳng nhưng chưa tiệm cận gần nhất với đường tán sắc bằng không; giam giữ mất mát lớn. Những yếu tố này có ảnh hưởng lớn đến độ phẳng và khả năng mở rộng phổ trong phát siêu liên tục.

Ngoài ra, các công bố còn chưa phân tích đầy đủ các hiện tượng vật lý ảnh hưởng lên quá trình phát siêu liên tục. Để khắc phục những hạn chế trên, chúng tôi sẽ sử dụng phần mềm mô phỏng bản quyền Lumerical Mode Solutions để thiết kế các PCF lõi rỗng được thẩm thấu các hợp chất thơm (toluen, benzen và nitrobenzen). Tiếp theo, chúng tôi sẽ xây dựng mô hình vật lý để nghiên cứu sự truyền sóng ánh sáng trong PCF, nghiên cứu ảnh hưởng của bước sóng, các tham số cấu trúc lên các đại lượng đặc trưng của PCF (chiết suất hiệu dụng, diện tích mode hiệu dụng, tán sắc và giam giữ mất mát). Các kết quả thu được sẽ xác định được PCF có cấu trúc tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả phát siêu liên tục (SG) với sự mở rộng phổ lớn và siêu phẳng.

Trong tiến trình đó chúng tôi phân tích các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng lên quá trình phát siêu liên tục. 6 Các kết quả thu được không chỉ đóng góp trong nghiên cứu cơ bản mà còn có tính định hướng cho các nghiên cứu ứng dụng. Từ những phân tích các vấn đề rất mới, có tính thời sự và rất cần thiết ở trên, chúng tôi chọn đề tài với tiêu đề: “Nghiên cứu đặc trưng tán sắc của sợi tinh thể quang tử mạng lục giác đều được thẩm thấu các chất lỏng định hướng ứng dụng trong phát siêu liên tục” làm đề tài luận án của mình.