I. Tổng quan về cảm biến quang
Chương này trình bày tổng quan về cảm biến quang dựa trên buồng vi cộng hưởng phản hồi phân bổ Bragg (DBR) với cấu trúc silicon xốp. Tinh thể quang tử là một loại vật liệu có cấu trúc không gian tuần hoàn, cho phép điều khiển ánh sáng thông qua các vùng cấm quang (PBG). Các cảm biến quang sử dụng buồng vi cộng hưởng có khả năng phát hiện sự thay đổi của chiết suất môi trường, từ đó ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như môi trường, y tế và công nghiệp. Đặc điểm nổi bật của cảm biến quang là kích thước nhỏ gọn, độ nhạy cao và khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt. Việc nghiên cứu và phát triển các cảm biến quang này có thể giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong các ứng dụng thực tiễn.
1.1. Tinh thể quang tử và ứng dụng
Tinh thể quang tử là cấu trúc có tính tuần hoàn, cho phép điều khiển ánh sáng thông qua các vùng cấm quang. Các ứng dụng của tinh thể quang tử rất đa dạng, từ cảm biến quang đến các thiết bị quang học phức tạp. Việc sử dụng silicon xốp trong cấu trúc tinh thể quang tử giúp cải thiện tính năng quang học, đồng thời giảm thiểu kích thước của thiết bị. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc kết hợp giữa công nghệ nano và cảm biến quang có thể tạo ra những sản phẩm mới với hiệu suất vượt trội.
II. Phương pháp nghiên cứu
Chương này mô tả chi tiết về phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn, bao gồm mô phỏng ánh sáng và các kỹ thuật tính toán. Phương pháp sai phân hữu hạn trên miền thời gian (FDTD) là một trong những phương pháp chính được áp dụng để mô phỏng sự lan truyền của sóng điện từ trong buồng vi cộng hưởng. Phương pháp này cho phép tính toán chính xác phổ phản xạ của cảm biến quang, từ đó đánh giá được hiệu suất của thiết bị. Việc sử dụng phần mềm MEEP trong mô phỏng giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và chế tạo cảm biến quang, đồng thời cung cấp những dữ liệu quan trọng cho việc phân tích và so sánh với kết quả thực nghiệm.
2.1. Mô phỏng và tính toán
Mô phỏng là một phần quan trọng trong nghiên cứu, giúp dự đoán hành vi của cảm biến quang trong các điều kiện khác nhau. Phương pháp FDTD cho phép mô phỏng chính xác các đặc tính quang học của buồng vi cộng hưởng, từ đó xác định được các thông số quan trọng như độ nhạy và phổ phản xạ. Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với các kết quả thực nghiệm để đánh giá tính chính xác và hiệu quả của phương pháp nghiên cứu.
III. Tính toán mô phỏng cảm biến quang
Chương này tập trung vào việc tính toán mô phỏng phổ phản xạ của cảm biến quang dựa trên cấu trúc tinh thể quang tử một chiều và hai chiều. Các kết quả mô phỏng cho thấy mối quan hệ giữa đỉnh cộng hưởng phản xạ và chiết suất của môi trường. Việc thay đổi chiết suất môi trường sẽ dẫn đến sự dịch chuyển của đỉnh cộng hưởng, cho phép xác định nồng độ của các chất lỏng khác nhau. Điều này mở ra khả năng ứng dụng cảm biến quang trong việc phát hiện và phân tích hóa chất trong môi trường.
3.1. Mối quan hệ giữa chiết suất và phổ phản xạ
Mối quan hệ giữa chiết suất và phổ phản xạ là một yếu tố quan trọng trong việc phát triển cảm biến quang. Các mô phỏng cho thấy rằng khi chiết suất của môi trường thay đổi, đỉnh cộng hưởng phản xạ cũng sẽ dịch chuyển theo. Điều này cho phép cảm biến quang có thể được sử dụng để đo lường nồng độ của các chất lỏng khác nhau, từ đó ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y tế, môi trường và công nghiệp.
IV. Kết quả thực nghiệm và so sánh
Chương này trình bày kết quả thực nghiệm chế tạo cảm biến quang và so sánh với các kết quả mô phỏng. Quy trình chế tạo cảm biến quang dựa trên buồng vi cộng hưởng Fabry-Perot được thực hiện với các bước cụ thể, từ việc chế tạo màng silicon xốp đến việc đo đạc phổ phản xạ. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự tương đồng với các kết quả mô phỏng, chứng minh tính khả thi của phương pháp nghiên cứu. Đánh giá phẩm chất của cảm biến quang cũng được thực hiện để xác định độ nhạy và hiệu suất của thiết bị trong các môi trường khác nhau.
4.1. Đánh giá phẩm chất cảm biến
Đánh giá phẩm chất của cảm biến quang là một bước quan trọng để xác định hiệu suất của thiết bị. Các thông số như độ nhạy, độ chính xác và khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt được xem xét kỹ lưỡng. Kết quả thực nghiệm cho thấy cảm biến quang có khả năng phát hiện nồng độ hóa chất với độ nhạy cao, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong thực tiễn.
