MỞ ĐẦU Cùng với xu thế phát triển của thời đại, một loại vật liệu mới có nhiều nét tƣơng đồng tinh thể bán dẫn là tinh thể quang tử đã làm nên cuộc cách mạng mới về sự phát triển của công nghiệp vi điện tử (IC). Chính nhờ sự phát triển của ngành công nghiệp này mà chúng ta đã chế tạo đƣợc những máy tính cá nhân gọn, nhẹ với tốc độ cao, những hệ thống thông tin viễn thông siêu tốc băng thông rộng. Tinh thể quang tử là một cấu trúc không gian tuần hoàn của các vật liệu có hằng số điện môi khác nhau. Sự biến đổi tuần hoàn của hằng số điện môi làm xuất hiện vùng cấm quang (photonic bandgap - PBG) trong cấu trúc vùng (đƣợc hiểu là mối liên hệ giữa tần số và số sóng) của tinh thể quang tử.
Trong các loại tinh thể quang tử, tinh thể quang tử một chiều là loại tinh thể đơn giản nhất. Tinh thể quang tử một chiều với chiết suất đồng nhất trong mỗi lớp đƣợc biết đến dƣới tên gọi là bộ lọc phản xạ phân bố Bragg và bộ lọc Fabry-Pérot. Bộ lọc phản xạ phân bố Bragg (bộ lọc DBR, hay gƣơng DBR) là một cấu trúc bao gồm các màng mỏng sắp xếp có tính tuần hoàn của vật liệu có chiết suất cao hơn và các vật liệu có chiết suất thấp hơn. Trong đó độ dày của mỗi lớp vật liệu đƣợc xác định bằng một phần tƣ bƣớc sóng trung tâm.
Bộ lọc DBR cho độ phản xạ cao (xấp xỉ 99%) trong một vùng phổ nhất định (vùng cấm quang học, hay stopband) đƣợc xác định bằng bƣớc sóng trung tâm [3]. Bộ lọc Fabry-Pérot (bộ lọc FP) bao gồm hai gƣơng DBR với độ phản xạ cao và 01 buồng cộng hƣởng có độ dày bằng một phần hai bƣớc sóng trung tâm. Do có sự phản xạ nhiều lần của chùm ánh sáng giữa hai gƣơng DBR, kết hợp với điều kiện cực đại giao thoa xảy ra trong buồng cộng hƣởng, bộ lọc FP cho phép một dải sóng hẹp có thể truyền qua đƣợc trong vùng stopband. Các bộ lọc này có ƣu điểm là tích hợp thuận lợi với công nghệ vi điện tử để tạo ra mạch tích hợp quang đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ đo quang học với vùng phổ hoạt động đƣợc trải rộng từ vùng tử ngoại, qua vùng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại gần.
1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung Với những lý do nêu trên và đồng thời dựa vào trang thiết bị hiện có của phòng thí nghiệm trong Khoa Vật lý, tôi đã chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là: “Mô phỏng các bộ lọc quang cấu tạo bởi các tấm điện môi ứng dụng trong quang phổ học” Trong luận văn này, hai loại bộ lọc quang học đƣợc mô phỏng là gƣơng Bragg phản xạ (DBR) và kính lọc Fabry Pérot tạo bởi các lớp vật liệu TiO2 có chiết suất cao xen kẽ với vật liệu SiO2 có chiết suất thấp. Các bộ lọc quang học này có độ rộng vùng cấm từ 300 nm đến 1000 nm đƣợc ứng dụng để làm tăng độ tƣơng phản, độ nhạy trong kính hiển vi huỳnh quang và các bộ lọc thông quang, và trong các hệ đo quang học. Để làm đƣợc điều này, chúng tôi dùng chƣơng trình mô phỏng Open Filter để mô phỏng các bộ lọc. Việc tối ƣu hóa kính lọc đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng phƣơng pháp Needle.
Chúng tôi cũng nghiên cứu ảnh hƣởng của độ dày các lớp điện môi, số lƣợng lớp điện môi tới phổ truyền qua, phản xạ của các bộ lọc quang học. Kết quả mô phỏng cho thấy các kính lọc thu đƣợc có độ truyền qua đạt gần 100% trong vùng cấm (stopband). Các kết quả thu đƣợc đóng vai trò quan trọng việc thiết kế bộ lọc. Cấu trúc của luận văn đƣợc chia thành 4 chƣơng nhƣ sau: • Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng này trình bày tổng quan lý thuyết cơ bản liên quan đến bộ lọc quang học.
Nghiên cứu các bộ lọc băng quang đòi hỏi sự hiểu biết cơ bản về công nghệ màng mỏng và cấu trúc đa lớp. Hiệu suất của cấu trúc đa lớp đƣợc xác định bởi số lớp và chiết suất của các vật liệu khác nhau có ảnh hƣởng đáng kể đến tính chất quang của bộ lọc. Giới thiệu tổng quan về phƣơng pháp truyền ma trận (TMM), đƣợc sử dụng để phân tích và mô tả sự truyền sóng điện từ. • Chƣơng 2: Công nghệ phần mềm 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung Chƣơng này giới thiệu tổng quan về phần mềm và công nghệ đã đƣợc sử dụng để mô phỏng và chế tạo các bộ lọc quang học.
Phần mềm là chƣơng trình OpenFilters. Các công nghệ này đƣợc cải thiện bằng phƣơng pháp Needle. • Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận Trong chƣơng này, tôi sẽ trình bày các kết quả thu đƣợc sau khi sử dụng phần mềm Openfilter và phƣơng pháp Needle để tối ƣu các bộ lọc DBR và bộ lọc FP. • Chƣơng 4: Kết luận Chƣơng này kết luận về các kết quả và nêu triển vọng cho việc chế tạo các bộ lọc quang học trong tƣơng lai.
3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Trong chƣơng này tôi sẽ trình bày tổng quan lý thuyết cơ bản liên quan đến bộ lọc quang học, các lý thuyết liên quan đến công nghệ màng mỏng và cấu trúc đa lớp. Hiệu suất của cấu trúc đa lớp đƣợc xác định bởi số lớp của bộ lọc. Trình bày một cách tổng quát về phƣơng pháp ma trận truyền (TMM) cho phép tính toán quang phổ phản xạ và quang phổ truyền qua của các cấu trúc đa lớp. Phần mềm mô phỏng OpenFilter và phƣơng pháp Needle để tối ƣu hóa cấu trúc của các bộ lọc đa lớp cũng sẽ đƣợc giới thiệu trong chƣơng này.Tổng quan lý thuyết về chiết suất Chiết suất là đại lƣợng vật lý dùng để mô tả bản chất của ánh sáng là một sóng điện từ [10].
Ánh sáng truyền trong chân không với tốc độ không đổi (khoảng 3.108 m/s) và tốc độ này thay đổi khi truyền trong các môi trƣờng khác nhau. Sự thay đổi tốc độ này phụ thuộc vào hằng số điện môi và độ từ thẩm tƣơng đối của môi trƣờng. Một sóng điện từ trong chân không đƣợc biểu diễn bằng hai vectơ, vectơ điện trƣờng E và vectơ từ trƣờng H. Trong trƣờng hợp khi cả hai trƣờng đều này đều không đổi theo thời gian, thì ta có thể xác định đƣợc sự phân bố của các đại lƣợng đó trong không gian, từ đó xác định đƣợc dòng điện.
Tuy nhiên, nếu hai trƣờng này thay đổi theo thời gian, hai đại lƣợng này liên hệ với nhau theo phƣơng trình [10]: H E 0 t (1.2) Trong môi trƣờng các lớp điện môi, phƣơng trình (1.4) 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung Lấy các các đạo hàm bậc 2 theo không gian và thời gian, phƣơng trình (1.1) và phƣơng trình ( 1.2) có thể đƣợc viết lại nhƣ sau [10]: 2 E ( E ) 0 0 2 t (1.6) Ở đây µ và 0 đƣợc gọi là độ từ thẩm và hằng số điện môi của chân không. Sử dụng các điều kiện (1.4) cùng với đặc trƣng của vector ta có phƣơng trình sau: () (.9) Giá trị của các hằng số 0 và 0 và c đƣợc cho trong bảng 1.1 Các giá trị hằng số điện môi, Độ từ thẩm và tốc độ ánh sáng trong chân không [18]. Kí hiệu Đại lƣợng vật lí Giá trị c Tốc độ ánh sáng trong chân không 2,997925. 108m/s 0 Độ từ thẩm trong chân không 4π .10−7H/m 0 Hằng số điện môi của chân 8,8541853.
10−12F/m không(= 0 −1c−2) 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung Dạng vi phân từng phần trong phƣơng trình (1.8) đƣợc gọi là phƣơng trình sóng và đƣợc cho bởi biểu thức sau: 1 2 () 2 () (1.10) c 2 t 2 Khi ánh sáng lan truyền trong môi trƣờng khác nhau và có độ từ thẩm và hằng số điện môi của môi trƣờng đó tƣơng ứng là µ và thì tốc độ của sóng điện từ truyền trong môi trƣờng đó đƣợc cho bởi công thức [10]: 1 v (1.11) Hằng số điện môi tƣơng đối r của môi trƣờng đƣợc định nghĩa là tỷ số của hằng số điện môi của nó với hằng số điện môi của chân không 0 , tức là r (1.12) 0 Độ từ thẩm tƣơng đối μr của môi trƣờng đƣợc định nghĩa là tỷ số giữa độ từ thẩm của nó µ với độ từ thẩm của chân không µ0, tức là r (1.13) 0 Thay r ở phƣơng trình (1.12) và μr ở phƣơng trình (1.13) vào phƣơng trình (1.11), ta có công thức tính tốc độ truyền ánh sáng trong một môi trƣờng: 1 1 c (1.14) r r r r Khi đó chiết suất của một môi trƣờng đƣợc định nghĩa là tỷ số giữa tốc độ ánh sáng truyền trong chân không và tốc độ của ánh sáng truyền trong môi trƣờng có chiết suất: c n r r (1.15) v Với vật liệu quang học không từ tính, tức là độ từ thẩm tƣơng đối của vật liệu đó μr = 1, thì chiết suất của vật liệu đƣợc xác định bởi biểu thức [10]: n r (1.16) 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Lê Thị Dung 1. Cấu trúc màng mỏng Bộ lọc quang học có thể đƣợc chế tạo từ nhiều lớp màng mỏng. Màng mỏng thƣờng dày từ vài nm đến vài µm [14]. Màng mỏng có thể bao gồm một hoặc nhiều lớp.
Do đó, để nghiên cứu các bộ lọc quang học, ta phải tìm hiểu nguyên tắc cơ bản của cấu trúc màng mỏng cũng nhƣ cấu trúc đa lớp. Giả sử có hai môi trƣờng A và B, nhƣ trong Hình 1.1, khi ánh sáng truyền từ môi trƣờng A sang môi trƣờng B, một phần ánh sáng sẽ phản xạ tại mặt phân cách của hai môi trƣờng. Nếu chiết suất của môi trƣờng B cao hơn giá trị trung bình A, thì ánh sáng phản xạ kèm theo dịch pha là π.1, lƣu ý rằng có hai thành phần E1r và E2r đƣợc phản xạ trên bề mặt trên và dƣới của màng mỏng. Khi đó hai chùm sáng phản xạ có thể tăng cƣờng hoặc triệt tiêu nhau [9,14].1 Cấu trúc đơn lớp Cấu trúc màng mỏng đơn giản nhất là cấu trúc đơn lớp, đó là một lớp vật liệu điện môi trên bề mặt của một chất nền, đƣợc mô tả trong hình 1.