I. Tổng Quan Nghiên Cứu Laser Thủy Tinh Silica Tiềm Năng
Nghiên cứu về laser thủy tinh silica đã thu hút sự quan tâm lớn trong thập kỷ qua, đặc biệt là các bộ cộng hưởng điện môi với hệ số phẩm chất cực cao (Q > 10^9) và các mode gallery thì thầm (WGM). Hệ số Q cao, kết hợp với thể tích mode nhỏ, là yếu tố then chốt cho các lĩnh vực nghiên cứu cơ bản như điện động lực học lượng tử khoang, quang học phi tuyến, cảm biến sinh học và laser kích thước micro. Braginsky và Ilchenko [26] nhận thấy rằng các mode gallery thì thầm của micro cầu silica có tiềm năng thể hiện thời gian lưu trữ photon cực kỳ dài, vượt quá một micro giây. Điều này cho phép hiện thực hóa các hiệu ứng micro-khoang quang học ngưỡng thấp, chẳng hạn như phát laser và tạo sóng phi tuyến [19]. Hơn nữa, độ suy hao quang học thấp của silica trong micro khoang cho phép tạo ra laser với ngưỡng dưới micro watt [27].
1.1. Ứng Dụng Tiềm Năng của Laser Sợi Quang Silica
Các laser sợi quang silica hứa hẹn nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như viễn thông, y học, và công nghiệp. Khả năng tạo ra các laser với công suất cao và độ ổn định cao là yếu tố quan trọng. Việc pha tạp ion đất hiếm vào thủy tinh silica mở ra khả năng điều chỉnh bước sóng laser và hiệu suất laser.
1.2. Thách Thức trong Chế Tạo Laser Thủy Tinh Silica
Một trong những thách thức lớn nhất là làm sao để kích thích và trích xuất năng lượng quang học một cách hiệu quả từ các cấu trúc này. Các nghiên cứu trước đây về micro cầu silica thường sử dụng lăng kính thủy tinh và chùm laser không gian tự do để kích thích khoang. Mặc dù phương pháp này tương đối hiệu quả, nhưng những ưu điểm thực sự của các cấu trúc này không thể được hiện thực hóa do không thể đạt được sự truyền năng lượng hoàn toàn vào khoang và trích xuất năng lượng quang học một cách thuận tiện để thao tác thêm.
II. Cách Kích Thích Hiệu Quả Laser Thủy Tinh Silica Micro
Để giải quyết vấn đề kích thích và trích xuất năng lượng, một phương pháp hiệu quả là sử dụng bộ ghép nối sợi quang thuôn nhọn. Một bài báo đã mô tả sự ghép nối giữa một sợi thuôn nhọn và một micro cầu silica [6]. Kết quả cho thấy có thể ghép nối hiệu quả vào một micro cầu. Phương pháp ghép nối này cho phép hiệu suất ghép nối gần như hoàn hảo cả vào và ra khỏi một bộ cộng hưởng micro silica. Khả năng tạo ra các sợi thuôn nhọn gần như không suy hao mang lại những lợi thế đáng kể về khả năng tương thích với sợi quang.
2.1. Kỹ Thuật Ghép Nối Bán Phần Cho Laser Micro
Kỹ thuật ghép nối thuôn nhọn đòi hỏi sự tiến bộ về kỹ thuật và vật liệu thí nghiệm. Đối với nghiên cứu ban đầu về khoang micro, chúng tôi sử dụng ghép nối bán phần để bơm và trích xuất phát xạ từ các micro cầu. Mặc dù phương pháp này không phù hợp để nghiên cứu các vấn đề nâng cao của micro khoang, nhưng nó có thể mang lại một cái nhìn trực quan và đạt được kết quả tốt cho việc nghiên cứu micro cầu.
2.2. Vật Liệu Tiềm Năng Cho Laser Micro Thủy Tinh Silica
Vật liệu cho laser micro nên có độ truyền quang học cơ bản và đóng vai trò là môi trường hoạt động. Các vật liệu này rất phong phú, bao gồm vật liệu bán dẫn, đất hiếm hoặc tinh thể nano bán dẫn pha tạp điện môi hoặc vật liệu polymer. Đất hiếm hoặc tinh thể nano bán dẫn pha tạp điện môi hoặc vật liệu polymer hiện đang được phát triển tại Viện Vật liệu (IMS), VAST. Đây là một điều kiện thuận lợi để nghiên cứu về các thiết bị đầu sợi quang, đặc biệt là cho các thiết bị micro cầu hoạt động.
III. Chế Tạo Micro Cầu Laser Silica Pha Er Quy Trình
Luận án tập trung vào: Chế tạo micro cầu từ sợi thủy tinh silica pha Er và vật liệu khối. Phát triển các kỹ thuật kích thích và trích xuất phát xạ từ micro cầu. Nghiên cứu về các đặc tính quang học của hoạt động laser của micro cầu pha Er. Chương 1 mô tả khoang micro cầu với các đặc tính quang học chung. Một số tính toán số cũng được trình bày trong chương này.
3.1. Tổng Quan Về Đặc Tính Quang Học Micro Cầu
Các mode của một hạt điện môi hình cầu lần đầu tiên được nghiên cứu bởi Mie vào đầu thế kỷ 19, trong bối cảnh tán xạ ánh sáng từ các hạt hình cầu. Phổ tán xạ thể hiện các đặc điểm sắc nét, có thể được quy cho sự tuần hoàn cộng hưởng của năng lượng quang học bên trong hình cầu. Các mode quang học này được giới hạn bởi sự phản xạ bên trong toàn phần liên tục tại giao diện điện môi-không khí và thường được gọi là 'mode gallery thì thầm' (WGMs).
3.2. Tính Toán Số Cho Micro Cầu Thủy Tinh Silica
Các mode quang học của một hạt điện môi hình cầu có thể được tính toán bằng cách giải phương trình Helmholtz trong tọa độ hình cầu, đã được xử lý bởi một số tác giả. Một sự đơn giản hóa đáng kể xảy ra nếu hình cầu bao gồm một chất điện môi đồng nhất, và nếu các mode quang học phản xạ với góc tới tiếp tuyến trên ranh giới điện môi-không khí. Theo giả định này, các mode quang học có thể được giải bằng phép xấp xỉ phương trình sóng vô hướng và các nghiệm rơi vào hai lớp, và có thể là điện trong đặc tính (trường hợp TM) hoặc từ trong đặc tính (trường hợp TE).
IV. Phân Tích Các Cơ Chế Suy Hao Trong Laser Micro Silica
Do sự hiện diện của các cơ chế suy hao như hấp thụ vật liệu, suy hao tán xạ hoặc suy hao đường hầm, các mode quang học của một bộ cộng hưởng có tính chất tiêu tán ("rò rỉ") và được gọi là "quasi-modes"[19]. Quasi-modes khác biệt so với các đối tác không suy hao của chúng (modes). Mức độ tiêu tán hiện diện trong một hệ thống cộng hưởng thường được thể hiện bằng hệ số phẩm chất hoặc hệ số Q của mode, được xác định bởi thời gian lưu trữ năng lượng được chuẩn hóa so với chu kỳ dao động.
4.1. Suy Hao Vật Liệu Nội Tại Trong Thủy Tinh Silica
Silica có một cửa sổ trong suốt lớn và thể hiện suy hao hấp thụ thấp. Suy hao tối thiểu xảy ra ở 1,5 μm, vì nó đã trở thành bước sóng hoạt động cho viễn thông sợi quang. 0,2dB/km và bao gồm suy hao hấp thụ và suy hao do tán xạ Rayleigh, chuyển thành Q giới hạn hấp thụ là:
4.2. Suy Hao Gallery Thì Thầm Trong Micro Cầu Silica
Các mode quang học bên trong một micro cầu được giới hạn bởi sự phản xạ bên trong toàn phần liên tục tại giao diện điện môi khoang-không khí. Tuy nhiên, đó là một tính chất chung rằng sự phản xạ bên trong toàn phần tại một giao diện cong là không hoàn chỉnh, và dẫn đến một sóng truyền qua, mà đối với trường hợp của một bộ cộng hưởng gây ra sự mất năng lượng quang học[5]. Cơ chế suy hao này được gọi là suy hao gallery thì thầm, và là do sự đường hầm của các photon ra khỏi trạng thái liên kết của chúng.
V. Ghép Nối Sợi Quang Thuôn Nhọn Giải Pháp Tối Ưu
Nghiên cứu về các đặc tính quang học của micro khoang Q cực cao (UHQ) đòi hỏi khả năng kích thích và thăm dò quang học bộ cộng hưởng. Hơn nữa, việc điều tra đầy đủ tiềm năng của các cấu trúc UHQ để hiện thực hóa các thiết bị hiệu suất cao, chẳng hạn như các phần tử thụ động suy hao thấp và các phần tử hoạt động ngưỡng thấp như nguồn phi tuyến, đòi hỏi khả năng kích thích hiệu quả các mode của khoang và trích xuất hiệu quả năng lượng quang học từ khoang.
5.1. Các Kỹ Thuật Ghép Nối Phổ Biến Cho Laser Micro
Có một số kỹ thuật thường được sử dụng để ghép nối micro khoang quang học. Chúng rơi vào hai loại: kỹ thuật khớp pha và không khớp pha. Trong hai loại, các sơ đồ khớp pha cung cấp một lợi thế đáng kể về hiệu quả ghép nối cả vào và ra khỏi khoang. Các sơ đồ không khớp pha (trong đó chiếu sáng không gian tự do là thành viên duy nhất) cho các hệ thống nơi các giới hạn thử nghiệm và/hoặc sự đơn giản được ghép nối với đủ công suất kích thích và biên độ phát hiện sao cho sự không hiệu quả thô là có thể chấp nhận được.
5.2. Ưu Điểm Của Ghép Nối Sợi Thuôn Nhọn Cho Silica
Ngoài ra, việc đặc trưng chính xác các thuộc tính của micro khoang quang học là cực kỳ khó khăn đối với các sơ đồ chiếu sáng rộng, vì nhiều mode gallery thì thầm (WGM) được kích thích không gian và phát xạ được phát hiện trong một quạt năng lượng xuyên tâm từ chu vi. Vì những lý do này, bộ ghép nối khớp pha thường được sử dụng. Các kỹ thuật ghép nối khớp pha có thể được chia thành hai lĩnh vực, bộ ghép nối trực tiếp và bộ ghép nối biến mất.
VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Laser Thủy Tinh Silica
Nghiên cứu về laser thủy tinh silica đã đạt được những tiến bộ đáng kể, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng. Việc tối ưu hóa các thông số như hiệu suất laser, độ rộng vạch laser, và ổn định laser vẫn là những mục tiêu quan trọng. Các kỹ thuật mô phỏng laser và tối ưu hóa laser đóng vai trò then chốt trong việc phát triển các thiết bị laser hiệu quả hơn.
6.1. Hướng Nghiên Cứu Tối Ưu Hóa Laser Silica Tương Lai
Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các kỹ thuật chế tạo laser tiên tiến hơn, cũng như khám phá các vật liệu thủy tinh silica pha tạp mới. Việc ứng dụng các kỹ thuật thủy tinh silica nano và thủy tinh silica micro hứa hẹn mang lại những đột phá trong lĩnh vực này.
6.2. Ứng Dụng Thực Tế Của Laser Thủy Tinh Silica
Các ứng dụng thực tế của laser thủy tinh silica bao gồm laser y học, laser công nghiệp, laser khoa học, và laser viễn thông. Việc phát triển các laser công suất cao và laser năng lượng cao mở ra những khả năng mới trong các lĩnh vực này.
