chương 1. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA PCF LÕI BENZENE VỚI CÁC CẤU TRÚC MẠNG KHÁC NHAU .1 Thiết kế cấu trúc PCF lõi benzene với các mạng khác nhau .2 Tính chất Vật lý của các vật liệu .3 Nghiên cứu các đại lượng đặc trưng của PCF lõi benzene với các mạng khác nhau.1 Cấu trúc mạng vuông. Cấu trúc mạng lục giác. Cấu trúc mạng tròn.
So sánh các đại lượng đặc trưng của PCF lõi benzene với các mạng khác nhau .77 Kết luận chương 2. NGHIÊN CỨU PHỔ PHÁT SIÊU LIÊN TỤC TRONG PCF LÕI BENZENE VỚI CÁC CẤU TRÚC MẠNG KHÁC NHAU .1 Nghiên cứu phát siêu liên tục trong PCF lõi benzene với cấu trúc mạng vuông .2 Nghiên cứu phát siêu liên tục trong PCF lõi benzene với cấu trúc mạng lục giác.3 Nghiên cứu phát siêu liên tục trong PCF lõi benzene với cấu trúc mạng tròn .4 So sánh phổ phát siêu liên tục của PCF lõi benzene với các mạng khác nhau .113 Kết luận chương 3 .120 KẾT LUẬN CHUNG .122 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .124 CÁC THÀNH TÍCH TRONG QUÁ TRÌNH LÀM NGHIÊN CỨU SINH .126 TÀI LIỆU THAM KHẢO. Lí do chọn đề tài Sự ra đời của sợi tinh thể quang tử (Photonic crystal fiber – PCF) do Russell và các cộng sự [1] đề xuất vào năm 1996 là một cột mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong công nghệ quang. Không giống như các sợi quang thông thường, PCF với các cơ chế dẫn sáng khác nhau như phản xạ toàn phần (Total internal reflection – TIR), cơ chế dải vùng cấm quang tử (Photonic Band-gap – PBG) hay phản cộng hưởng (Anti resonant – AR) thể hiện các tính chất độc đáo như hoạt động đơn mode trên một dải bước sóng rộng, tính linh hoạt trong quản lý tán sắc, độ lưỡng chiết cao, độ phi tuyến rất lớn [2 - 4].
Những tính chất quang độc đáo này đã được ứng dụng trong việc chế tạo các bộ khuếch đại, cảm biến sợi quang và các thiết bị phi tuyến [5]. Sở dĩ PCF sở hữu nhiều tính năng vượt trội như vậy là do tính linh hoạt trong mô hình thiết kế. Để ứng dụng vào một lĩnh vực cụ thể, các thông số cấu trúc của PCF như kích thước lỗ khí, khoảng cách giữa các lỗ khí hay hằng số mạng, kích thước lõi, hình dạng mạng ở lớp vỏ, thậm chí cả vật liệu được sử dụng có thể được thay đổi một cách phù hợp nhằm mục đích điều khiển linh hoạt các đại lượng đặc trưng. Trong số các ứng dụng của PCF, phát siêu liên tục (Supercontinuum generation – SCG) là một ứng dụng nổi bật, trong đó xung laser hẹp được mở rộng khi lan truyền qua một môi trường phi tuyến [6].
Nhờ vào đặc tính liên tục như ánh sáng trắng và cường độ cực lớn tương đương với cường độ laser, SCG đã góp mặt trong hầu hết các ứng dụng viễn thông, quang phổ, quang sinh học và lược tần số. Nguồn siêu liên tục trong vùng hồng ngoại trung còn được sử dụng trong lĩnh vực y sinh, chẳng hạn như chụp cắt lớp quang học [6]. SCG đạt hiệu quả cao nhất khi lõi của các PCF được tạo bởi vật liệu có hệ số chiết suất phi tuyến lớn, đường cong tán 2 sắc phẳng (độ dốc đường cong tán sắc nhỏ với giá trị tuyệt đối của độ tán sắc 25 ps/nm/km) và tiệm cận với đường tán sắc không, diện tích mode hiệu dụng và mất mát nhỏ [7]. Kể từ khi xuất hiện cho đến nay, công nghệ PCF và SCG đã được nghiên cứu chuyên sâu cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm và đạt được nhiều thành tựu to lớn trong việc tối ưu các tính chất quang tuyến tính và phi tuyến, mở rộng băng thông phổ từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại trung dùng trong đo lường và kính hiển vi, mạng 6G, chụp cắt lớp kết hợp quang học nhãn khoa với độ phân giải cao [8 - 10].
Ở Việt Nam, kể từ năm 2007, nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách khoa Hà Nội đã có những nghiên cứu bước đầu về một loại PCF lõi rỗng hình elip với đường cong tán sắc siêu phẳng và mất mát giam giữ thấp [11, 12]; tiếp đó là nghiên cứu các sợi có diện tích hiệu dụng lớn và độ tán sắc âm cao; các PCF đơn mode dẫn sáng theo chiết suất có đường cong tán sắc siêu phẳng gần với đường tán sắc không trong phạm vi bước sóng rộng [13, 14]. Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã 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 (năm 2015) [15]. Nhìn chung, các nghiên cứu trên hầu hết chỉ quan tâm đến các đại lượng đặc trưng của PCF mà chưa ứng dụng cho SCG. Đặc biệt, vào năm 2015, Trường Đại học Vinh đã thành lập nhóm nghiên cứu và bước đầu có các công bố về các đại lượng đặc trưng của PCF lõi đặc [16 - 23], tiếp đó là những công bố quốc tế về SCG trong các PCF với mạng lục giác (Hexagonal lattice – HL) [24 - 28].
Điểm chung của các nghiên cứu trong nước và trên thế giới tại thời điểm này là chỉ tập trung vào việc thiết kế PCF với mạng lỗ khí hình lục giác ở lớp vỏ quang tử. Đây là loại mạng phổ biến và đã được chế tạo trong thực tế với ưu điểm nằm ở các đường cong tán sắc phẳng và gần với đường tán sắc không nhưng chưa hỗ trợ nhiều cho các tính chất quang học khác. Một số 3 công trình nghiên cứu về HL cũng cho thấy phổ đầu ra khi sử dụng mạng này chưa được phẳng [29, 30]. Do đó, các cấu trúc mạng mới đã được giới thiệu nhằm khai thác triệt để những tiến bộ trong công nghệ sản xuất và khắc phục hạn chế của HL.
Trong số đó, các PCF với mạng vuông (Square lattice – SL) giúp đạt được chế độ đơn mode trong vùng bước sóng rộng cũng như khả năng giảm thiểu mất mát [7, 31]. Mặt khác, các thiết kế PCF với mạng tròn (Circular lattice – CL) cũng được nghiên cứu nhằm đạt được độ phi tuyến cao [7], diện tích mode hiệu dụng nhỏ [7] và mất mát giam giữ thấp [32]. Việc thay đổi các loại mạng ở lớp vỏ PCF không chỉ cung cấp tính linh hoạt trong quy trình thiết kế mà còn cho phép điều khiển các đại lượng đặc trưng của chúng. Nói cách khác, mỗi một cấu trúc PCF khác nhau sẽ hỗ trợ các tính chất quang học khác nhau định hướng cho SCG.
Chính vì vậy, một số nhóm nghiên cứu đã tiến hành so sánh đặc trưng của các loại mạng SL và HL [33], SL và CL [34], HL và CL [35] và SL, CL và HL [36] nhằm xác định cấu trúc ứng dụng hiệu quả nhất cho SCG. Gần đây, công trình nghiên cứu [37] đã phân tích đặc trưng tán sắc của PCF lõi đặc với ba loại mạng khác nhau bao gồm SL, HL và CL. Mặc dù đã điều khiển linh hoạt các đường cong tán sắc với việc bơm ethanol vào các lỗ khí ở lớp vỏ, tuy nhiên công bố này chưa nghiên cứu các đại lượng đặc trưng khác của PCF. Một hạn chế tiếp theo của công trình này là sử dụng chất nền silica.
Sở dĩ nhiều nghiên cứu trước đây thường ưa chuộng silica làm chất nền bởi nó thông dụng, có độ trong suốt cao và độ tinh khiết đặc biệt trong vùng hồng ngoại gần, ngưỡng phá huỷ laser cao và dễ kéo sợi trong quy trình sản xuất [38 - 40]. Tuy nhiên, hạn chế của silica là hệ số chiết suất phi tuyến n2 thấp, đặc biệt là bị hấp thụ mạnh ở vùng hồng ngoại trung nên việc mở rộng phổ trong các PCF lõi silica bị giới hạn ở vùng bước sóng 2 µm. 4 Kể từ năm 2006, các nhóm nghiên cứu trên thế giới đã bắt đầu bơm các chất lỏng có chiết suất phi tuyến cao vào lõi rỗng của PCF thay cho lõi silica phi tuyến thấp [41, 42]. Nhờ độ phi tuyến và độ trong suốt cao của các chất lỏng, ta có thể thu được độ rộng phổ của ánh sáng SCG từ vùng ánh sáng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại gần và hồng ngoại trung với năng lượng xung bơm thấp trong một mẫu sợi ngắn.
Hơn nữa, độ nhạy của các đặc tính quang học của chất lỏng được chọn thông qua việc thay đổi nhiệt độ và áp suất cho phép kiểm soát dễ dàng các đại lượng đặc trưng của PCF lõi lỏng, từ đó giúp điều khiển sự tiến triển phổ theo thời gian của quá trình SCG [42]. Cho đến nay, một loạt các công trình về PCF lõi chất lỏng đã ra đời sử dụng nhiều loại chất lỏng khác nhau như carbon disulfide, carbon tetrachloride, chloroform, nitrobenzene, toluene, benzene, tetrachloroethylene, 1,2-dibromethane [26 - 28, 43 - 47]. Trong số đó, các công bố về PCF lõi carbon disulfide đã tăng cường hiệu quả của SCG bởi carbon disulfide có độ trong suốt cao từ vùng khả kiến đến hồng ngoại trung ngoại trừ vùng phổ hẹp ở gần bước sóng 4,6 µm và 6,6 µm. Hệ số chiết suất phi tuyến của carbon disulfide tương đương với hệ số chiết suất phi tuyến của thủy tinh mềm và phụ thuộc vào thời gian của laser kích thích, chẳng hạn bằng 3⨯10-19 m2/W với xung laser cực ngắn (<100 fs) và lên đến 20⨯10-19 m2/W với xung laser pico giây [43].
Hơn nữa, sự đóng góp của đáp ứng phi tuyến chậm với tỉ lệ lớn gần 85,7% so với độ phi tuyến tổng (bên cạnh tính phi tuyến Kerr) đóng vai trò quan trọng cho SCG và giúp nâng cao độ kết hợp của phổ đầu ra [43]. Tuy nhiên, carbon disulfide cực kì độc hại, gây ung thư, dễ nổ và dễ bay hơi nên đã khiến các nhà khoa học lo ngại khi ứng dụng các kết quả mô phỏng vào trong thực nghiệm. Chính vì vậy, các nghiên cứu về chloroform, carbon tetrachloride, tetrachloroethylene và 1,2-dibromethane trở nên hữu ích hơn trong các ứng dụng thực tế bởi các chất lỏng này có độc tính vừa phải và độ trong suốt cao từ vùng khả kiến đến 5 hồng ngoại gần. Tuy nhiên, chiết suất tuyến tính của chloroform thấp hơn silica làm cho cơ chế TIR không khả dụng nếu các thông số cấu trúc không được điều chỉnh một cách phù hợp [27].
Carbon tetrachloride có chiết suất tuyến tính tương tự như silica làm giảm độ chênh lệch chiết suất lõi và vỏ dẫn đến hiệu suất truyền dẫn không cao [45]. Bên cạnh đó, hệ số chiết suất phi tuyến thấp của hai chất lỏng này cùng với tetrachloroethylene và 1,2- dibromethane cũng chính là nguyên nhân làm giảm độ phi tuyến của các PCF [44, 47].