Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu WGMs của vi cầu thủy tinh doped Erbium sử dụng đầu dò quang gần

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vnu uet mapping wgms of erbium doped glass microsphere using near field optical probe, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Ho Duc Vinh
• Người hướng dẫn: Dr. Tran Thi Tam
• Trường học: Vietnam National University, Hanoi College of Technology
• Chuyên ngành: Master Thesis
• Đề tài: Mapping WGMs of Erbium Doped Glass Microsphere Using Near-field Optical Probe
• Loại tài liệu: Master Thesis
• Năm xuất bản: K10N
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: MORPHOLOGY DEPENDENT RESONANCES
• 1.1. Ray and Wave Optics Approach
• 1.2. Lorenz-Mie Theory
• 2. CHƯƠNG 2: COUPLING MICROSPHERES WGMs BASED ON NEAR-FIELD OPTICS
• 3. CHƯƠNG 3: FABRICATION OF MICROSPHERE AND TAPER FIBER
• 4. CHƯƠNG 4: EXPERIMENTS AND RESULTS
• CONCLUSION

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên cứu WGMs của vi cầu thủy tinh doped Erbium

Nghiên cứu về WGMs (Whispering Gallery Modes) của vi cầu thủy tinh doped Erbium đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực quang học. Vi cầu thủy tinh là một cấu trúc quang học độc đáo, cho phép ánh sáng bị giam giữ và lan truyền quanh bề mặt của nó. Việc sử dụng đầu dò quang gần để nghiên cứu các chế độ này mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển các ứng dụng quang học tiên tiến.

1.1. Ứng dụng của WGMs trong công nghệ quang học

WGMs có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như cảm biến quang, truyền thông quang và quang học phi tuyến. Chúng cho phép phát hiện các thay đổi nhỏ trong môi trường xung quanh, nhờ vào độ nhạy cao của chúng đối với các biến đổi trong chỉ số khúc xạ.

1.2. Tính chất quang học của vi cầu thủy tinh doped Erbium

Vi cầu thủy tinh doped Erbium có khả năng phát quang mạnh mẽ, nhờ vào sự chuyển tiếp năng lượng giữa các mức năng lượng của nguyên tử Erbium. Điều này làm cho chúng trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong lĩnh vực quang học và viễn thông.

II. Thách thức trong nghiên cứu WGMs của vi cầu thủy tinh

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nghiên cứu về WGMs của vi cầu thủy tinh doped Erbium cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc kiểm soát và tối ưu hóa các điều kiện thí nghiệm để đạt được kết quả chính xác và đáng tin cậy.

2.1. Khó khăn trong việc đo lường WGMs

Việc đo lường các chế độ WGMs yêu cầu các thiết bị quang học chính xác và nhạy bén. Sự hiện diện của nhiễu và các yếu tố môi trường có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của các phép đo này.

2.2. Tác động của các yếu tố môi trường đến WGMs

Các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và áp suất có thể ảnh hưởng đến các chế độ WGMs. Việc hiểu rõ cách mà các yếu tố này tác động đến vi cầu thủy tinh doped Erbium là rất quan trọng để cải thiện độ ổn định và hiệu suất của các thiết bị quang học.

III. Phương pháp nghiên cứu WGMs bằng đầu dò quang gần

Phương pháp sử dụng đầu dò quang gần để nghiên cứu WGMs đã được chứng minh là hiệu quả trong việc phát hiện và phân tích các chế độ này. Kỹ thuật này cho phép quan sát các chế độ quang học với độ phân giải cao mà không cần tiếp xúc trực tiếp với mẫu.

3.1. Nguyên lý hoạt động của đầu dò quang gần

Đầu dò quang gần hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa ánh sáng và vật liệu. Khi ánh sáng chiếu vào vi cầu thủy tinh, nó tạo ra các chế độ WGMs mà có thể được phát hiện và phân tích thông qua các biến đổi trong cường độ ánh sáng.

3.2. Lợi ích của việc sử dụng đầu dò quang gần

Việc sử dụng đầu dò quang gần giúp tăng cường độ nhạy và độ chính xác trong việc phát hiện các chế độ WGMs. Điều này mở ra khả năng nghiên cứu sâu hơn về các tính chất quang học của vi cầu thủy tinh doped Erbium.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của WGMs

Kết quả nghiên cứu về WGMs của vi cầu thủy tinh doped Erbium đã chỉ ra rằng các chế độ này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng thực tiễn, từ cảm biến đến các thiết bị quang học tiên tiến. Những phát hiện này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn trong phát triển công nghệ.

4.1. Ứng dụng trong cảm biến quang

Các chế độ WGMs có thể được sử dụng để phát triển các cảm biến quang nhạy bén, cho phép phát hiện các thay đổi nhỏ trong môi trường. Điều này có thể ứng dụng trong y tế, môi trường và công nghiệp.

4.2. Tiềm năng trong công nghệ viễn thông

Nghiên cứu về WGMs cũng mở ra cơ hội mới trong lĩnh vực viễn thông, nơi mà các chế độ này có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất truyền dẫn và giảm thiểu tổn thất tín hiệu.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu WGMs

Nghiên cứu về WGMs của vi cầu thủy tinh doped Erbium đang ở giai đoạn phát triển mạnh mẽ. Những thách thức hiện tại cần được giải quyết để tối ưu hóa các ứng dụng thực tiễn. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong công nghệ quang học.

5.1. Hướng đi tương lai trong nghiên cứu

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện độ nhạy và độ chính xác của các thiết bị quang học sử dụng WGMs. Việc phát triển các phương pháp mới và công nghệ tiên tiến sẽ là chìa khóa cho sự thành công trong tương lai.

5.2. Tác động của nghiên cứu đến ngành công nghiệp

Nghiên cứu về WGMs không chỉ có ý nghĩa trong lĩnh vực học thuật mà còn có tác động lớn đến ngành công nghiệp. Các ứng dụng trong cảm biến và viễn thông sẽ thúc đẩy sự phát triển của công nghệ quang học trong những năm tới.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vi cộng hưởng quang học dạng vi cầu (optical dielectric microspheres) thu hút sự quan tâm lớn trong quang tử học hiện đại nhờ khả năng giam giữ ánh sáng vượt trội thông qua các mode thì thầm (Whispering Gallery Modes - WGMs). Với hệ số phẩm chất quang học ($Q$-factor) có thể đạt ngưỡng lý thuyết từ $10^8$ đến $10^{10}$, các vi cầu có đường kính hình học từ $30\text{ }\mu\text{m}$ đến $190\text{ }\mu\text{m}$ đóng vai trò như các buồng cộng hưởng vi mô hiệu suất cao. Tuy nhiên, thách thức then chốt đặt ra là việc kích thích, điều khiển và ánh xạ không gian phân bố trường quang học trường gần (near-field) của các mode cộng hưởng trong nền thủy tinh quang học hoạt tính pha tạp ion đất hiếm Erbium ($Er^{3+}$), nơi hiện tượng tự dập tắt quang (clustering quenching) ở nồng độ cao từ $2.000\text{ ppm}$ đến $15.000\text{ ppm}$ thường làm suy giảm hiệu suất phát xạ.

Mục tiêu cụ thể của công trình là nghiên cứu bản chất vật lý của các mode WGMs, chế tạo thành công vi cầu thủy tinh pha tạp $Er^{3+}$ trên nền Silica-Alumina ($SiO_2-Al_2O_3$) và nền thủy tinh fluoride PZG ($PbF_2-ZnF_2-GaF_3-YF_3-AlF_3$), đồng thời phát triển đầu dò quang vi sợi vuốt nhọn (half-tapered fiber probe) có đường kính eo thắt chỉ từ $1\text{ }\mu\text{m}$ đến $3\text{ }\mu\text{m}$ nhằm ghép nối và khảo sát phân bố trường sáng. Nghiên cứu được triển khai tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Laser thuộc Viện Khoa học Vật liệu (VAST) phối hợp cùng Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN và Phòng thí nghiệm Hóa lý Vật liệu Phát quang thuộc Đại học Claude Bernard Lyon 1. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa then chốt trong việc hạ thấp ngưỡng phát laser vi cầu xuống mức $3\text{ }\mu\text{W}$ đến $30\text{ }\mu\text{W}$ tại vùng bước sóng viễn thông $1.5\text{ }\mu\text{m}$, mở ra hướng phát triển mới cho các bộ cảm biến quang sinh hóa học siêu nhạy và mạch tích hợp quang tử nano.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của công trình được xây dựng trên sự kết hợp chặt chẽ giữa ba mô hình vật lý cốt lõi:

Thuyết Lorenz-Mie tổng quát (Generalized Lorenz-Mie Theory - GLMT) và quang học sóng điện từ: Phân tích hệ phương trình Maxwell trong hệ tọa độ cầu để giải bài toán trị riêng cho các mode điện trường ngang (TE) và từ trường ngang (TM). Các mode WGMs được định lượng bằng bộ ba thông số $(n, l, m)$, trong đó bậc mode hướng kính $n$ phản ánh số lượng cực đại cường độ trường theo phương xuyên tâm, số mode góc $l$ đại diện cho chu vi quang học ($2\pi a \approx l\lambda / n(\omega)$), và số mode góc phương vị $m$ biểu thị phân bố không gian góc từ $0^\circ$ đến $360^\circ$.

Lý thuyết quang học trường gần và ghép mode evanescent (Coupled Mode Theory): Khảo sát hiện tượng phản xạ toàn phần tại bề mặt cong của vi cầu với góc tới $\theta_{in} > \theta_c = \arcsin(1/n(\omega))$. Sóng evanescent suy giảm theo hàm mũ ngoài bề mặt vi cầu với độ sâu thâm nhập $\Lambda$ dao động trong khoảng vài chục nanomet. Hệ số truyền năng lượng $\kappa^2$ giữa sợi quang vuốt nhọn và vi cầu được xác định thông qua tích phân phủ chồng trường điện từ, từ đó tính toán hệ số phẩm chất ghép ngoài $Q_e = m\pi / \kappa^2$.

Lý thuyết chuyển mức năng lượng và cơ chế phát quang của ion $Er^{3+}$: Dưới ảnh hưởng của hiệu ứng tách mức Stark trong trường tinh thể, chuyển dời quang học từ mức kích thích ${}^4I_{13/2}$ về mức cơ bản ${}^4I_{15/2}$ tạo ra dải phát xạ rộng tại bước sóng $1.53\text{ }\mu\text{m} - 1.60\text{ }\mu\text{m}$. Mô hình cũng tích hợp đánh giá hiện tượng hấp thụ trạng thái kích thích (ESA) và chuyển đổi ngược hợp tác (co-operative upconversion) nhằm kiểm soát suy hao phi bức xạ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm thu thập từ hơn 25 mẫu vi cầu thủy tinh được chế tạo với các dải đường kính từ $30\text{ }\mu\text{m}$ đến $190\text{ }\mu\text{m}$. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích phân tầng theo dải nồng độ pha tạp $Er^{3+}$ ($2.000\text{ ppm}$, $5.000\text{ ppm}$ và $15.000\text{ ppm}$) và chủng loại vật liệu nền được áp dụng nhằm đánh giá toàn diện ảnh hưởng của cấu trúc vi mô lên hệ số phẩm chất buồng cộng hưởng.

Phương pháp chế tạo và phân tích bao gồm kỹ thuật nung chảy cục bộ bằng chùm laser $CO_2$ hội tụ và kỹ thuật phóng hồ quang điện (electric arc) trên các sợi thủy tinh chuẩn SMF-28 có gắn mẫu thủy tinh pha tạp. Đầu dò quang vi sợi được gia công bằng phương pháp ăn mòn hóa học chọn lọc sử dụng dung dịch đệm $HF:NH_4F$ (tỷ lệ $50% HF$ và $40% NH_4F$) kết hợp kỹ thuật kéo nhiệt trọng lực. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích quang phổ vi sai và đo đạc trường gần là nhằm đạt độ phân giải không gian vượt qua giới hạn nhiễu xạ quang học Abbe, cho phép tách biệt các mode suy biến góc phương vị $m$ với độ bất đối xứng hình học chỉ từ $1%$ đến $2%$. Tiến trình nghiên cứu được thực hiện liên tục trong thời gian 18 tháng để chuẩn hóa các quy trình đo đạc.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và mô phỏng số đã làm sáng tỏ bốn phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, cấu trúc hình học của vi cầu chế tạo bằng phương pháp gia nhiệt laser $CO_2$ đạt độ cầu hóa cao với sai lệch tâm elip dưới $2%$, độ nhám bề mặt ở mức lý tưởng khoảng $1\text{ nm}$ đối với nền silica-alumina và $10\text{ nm}$ đối với nền thủy tinh PZG. Nhờ đó, hệ số phẩm chất nội tại $Q_0$ của vi cầu duy trì ổn định ở mức $10^7$ đến $10^8$, hạn chế tối đa suy hao tán xạ bề mặt.

Thứ hai, việc bổ sung đồng pha tạp $Al_2O_3$ vào nền thủy tinh silica với tỷ lệ mol $Al/Er$ tối ưu đạt ngưỡng 10 đến 11 đã phân tán hiệu quả các ion $Er^{3+}$, ngăn chặn hiện tượng tạo cụm ion ở nồng độ cao ($2.000 - 15.000\text{ ppm}$). Phát hiện này giúp mở rộng độ rộng nửa cực đại phổ huỳnh quang (FWHM) lên tới $60\text{ nm}$, tăng cường đáng kể hiệu suất khuếch đại quang học.

Thứ ba, đầu dò bán vi sợi vuốt nhọn (half-tapered fiber) được chế tạo thành công với vùng eo thắt có kích thước từ $1\text{ }\mu\text{m}$ đến $3\text{ }\mu\text{m}$, chiều dài vùng thắt đạt $2\text{ mm}$ đến $3\text{ mm}$, và độ suy hao truyền dẫn quang cực thấp dưới $0.1\text{ dB}$ (tương đương hiệu suất truyền qua trên $98%$). Đầu dò này đáp ứng hoàn hảo điều kiện phối hợp pha ($\Delta\beta \approx 0$) với các mode cộng hưởng bậc thấp của vi cầu.

Thứ tư, thủy tinh fluoride PZG ($36% PbF_2, 24% ZnF_2, 35% GaF_3, 5% YF_3, 2% AlF_3$) thể hiện mức năng lượng phonon cực thấp chỉ $560\text{ cm}^{-1}$, nhiệt độ nóng chảy thấp ($T_g = 307^\circ\text{C}, T_c = 325^\circ\text{C}$), tạo ra dải khuếch đại laser liên tục mở rộng từ $1542\text{ nm}$ đến $1605\text{ nm}$.

Thảo luận kết quả

Về mặt vật lý, phân bố cường độ trường điện từ trong vi cầu cho thấy các mode bậc thấp ($n=1$) có đỉnh năng lượng nằm sát bề mặt phân cách nhất, tạo ra hệ số $Q$ cao nhất do thể tích mode $V_{Mode}$ bị nén chặt. Khi số mode góc $l$ tăng từ 30, 45 lên 60, hệ số phẩm chất $Q$ tăng vọt từ khoảng $10^4$ lên trên $10^8$ do tổn hao nhiễu xạ $Q_r$ giảm theo hàm mũ của tham số kích thước $x = 2\pi a / \lambda$.

Dữ liệu thực nghiệm có thể được biểu diễn một cách trực quan thông qua đồ thị biến thiên cường độ trường tích phân theo bán kính chuẩn hóa $r/a$ và bảng tổng hợp tham số cộng hưởng $x_0$ cho các mode $TE_{60,1}, TE_{60,2}, TE_{60,3}$. Trên đồ thị, đường cong cộng hưởng của mode $TE_{60,1}$ có dạng hàm Lorentz siêu hẹp ($\Delta x \ll 10^{-4}$), chứng minh khả năng lưu trữ photon bền vững trong khoang quang học. So với các nghiên cứu trước đây dùng lăng kính ghép nối (prism couplers) vốn cồng kềnh và khó tích hợp, việc sử dụng đầu dò bán vi sợi vuốt nhọn giúp nâng hiệu suất ghép mode lên trên $85%$, giảm thiểu ngưỡng bơm laser của hệ bisphere xuống chỉ còn khoảng $3\text{ }\mu\text{W}$ đến $60\text{ }\mu\text{W}$.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, bốn nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm tối ưu hóa công nghệ vi cộng hưởng:

1. Chuẩn hóa quy trình pha tạp sol-gel: Nhóm nghiên cứu vật liệu cần duy trì tỷ lệ mol $Al/Er$ ở mức $10 - 11$ trong quá trình tổng hợp sol-gel thủy tinh silica-alumina, đặt mục tiêu giảm $95%$ các tâm triệt quang phi bức xạ do hydroxyl ($OH^-$), hoàn thiện quy trình trong thời hạn 6 tháng.
2. Kiểm soát môi trường chế tạo vi cầu: Đơn vị thực nghiệm cần thiết lập buồng gia nhiệt laser $CO_2$ và hồ quang trong môi trường khí trơ Argon tinh khiết nhằm ngăn chặn phản ứng thủy phân bề mặt $ZrF_4 + 2H_2O \rightarrow ZrO_2 + 2HF$ trên thủy tinh ZBLAN và PZG, nâng cao độ bền bề mặt và duy trì $Q > 10^8$ trong lộ trình 9 tháng.
3. Tối ưu hóa hóa chất ăn mòn vi sợi: Các kỹ sư vi chế tạo cần kiểm soát nghiêm ngặt tỷ lệ thể tích dung dịch đệm $NH_4F:HF$ với hệ số đệm $X > 4$ ở nhiệt độ phòng ($25^\circ\text{C}$) để tạo góc côn mũi dò ổn định, giảm tổn hao ghép nối xuống dưới $0.05\text{ dB}$, triển khai trong vòng 3 tháng.
4. Tự động hóa hệ thống căn chỉnh vi dịch chuyển: Cơ quan chủ quản cần đầu tư tích hợp bàn dịch chuyển Piezo 3 chiều tự động có độ phân giải bước $1\text{ nm}$ kết hợp camera hiển vi quang học độ phóng đại cao, tối ưu hóa khoảng cách ghép nối $S_0$ theo thời gian thực trong vòng 12 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp trong luận văn đem lại giá trị ứng dụng thiết thực cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Quang học, Vật lý Quang tử: Khai thác hệ thống phương trình giải tích sóng điện từ, lý thuyết Lorenz-Mie và các phép tính tích phân phủ chồng mode để làm nền tảng mô phỏng số cho các cấu trúc vi cộng hưởng.
2. Kỹ sư thiết kế linh kiện vi quang và cảm biến: Sử dụng thông số chế tạo vi sợi vuốt nhọn eo $1-3\text{ }\mu\text{m}$ và phương pháp ghép mode trường gần để phát triển các cảm biến sinh hóa, cảm biến đo chiết suất dòng vi lưu với giới hạn phát hiện ở mức phân tử.
3. Chuyên gia nghiên cứu vật liệu thủy tinh và gốm quang học: Tham khảo công thức phối liệu thủy tinh fluoride PZG có năng lượng phonon thấp ($560\text{ cm}^{-1}$) và cơ chế đồng pha tạp $Al_2O_3$ để phát triển các loại sợi quang khuếch đại dải rộng.
4. Giảng viên và nghiên cứu viên tại các viện nghiên cứu viễn thông: Sử dụng tài liệu làm bài giảng chuyên đề về kỹ thuật hiển vi quang học trường gần (SNOM), laser vi cầu dải hẹp $1.5\text{ }\mu\text{m}$ và ứng dụng điện động lực học lượng tử trong buồng cộng hưởng (Cavity QED).

Câu hỏi thường gặp

Mode thì thầm (WGMs) trong vi cầu quang học hình thành như thế nào? Mode WGMs hình thành khi ánh sáng truyền bên trong vi cầu bị phản xạ toàn phần liên tục tại mặt phân cách cong với góc tới $\theta_{in} > \theta_c$. Khi quang trình sau một vòng quay bằng số nguyên lần bước sóng ($2\pi a \approx l\lambda / n$), hiện tượng giao thoa tăng cường tạo nên sóng đứng cộng hưởng chạy quanh chu vi xích đạo.

Tại sao cần đồng pha tạp $Al_2O_3$ với $Er^{3+}$ trong thủy tinh silica? Trong nền silica tinh khiết, các ion $Er^{3+}$ dễ bị cụm lại ở quy mô nano ngay cả khi nồng độ chỉ đạt $85\text{ ppm}$, gây ra hiện tượng tự dập tắt bức xạ. Bổ sung $Al_2O_3$ với tỷ lệ mol $Al/Er = 10 - 11$ giúp hòa tan và phân tán đồng đều ion $Er^{3+}$, mở rộng băng thông huỳnh quang lên đến $60\text{ nm}$.

Ưu điểm vượt trội của đầu dò vi sợi vuốt nhọn (tapered fiber) là gì? Vi sợi vuốt nhọn có vùng eo $1-3\text{ }\mu\text{m}$ duy trì suy hao quang cực thấp dưới $0.1\text{ dB}$, đồng thời tạo ra trường sóng evanescent mạnh bên ngoài lớp vỏ khí. Cấu trúc này cho phép phối hợp pha chính xác với vi cầu, đạt hiệu suất truyền năng lượng hai chiều cao hơn nhiều so với lăng kính hoặc sợi mài cạnh.

Thủy tinh PZG có lợi thế gì nổi trội so với thủy tinh silica truyền thống? Thủy tinh fluoride PZG sở hữu mức năng lượng phonon rất thấp ($560\text{ cm}^{-1}$ so với trên $1.100\text{ cm}^{-1}$ của silica), giúp triệt tiêu xác suất hồi phục phi bức xạ đa phonon giữa các mức năng lượng. Nhờ đó, PZG tạo ra dải khuếch đại laser rộng từ $1542\text{ nm}$ đến $1605\text{ nm}$ với hiệu suất lượng tử cao.

Yếu tố nào chi phối trực tiếp đến hệ số phẩm chất $Q$ của vi cầu vi cộng hưởng? Hệ số phẩm chất tổng cộng phụ thuộc vào bốn nguồn tổn hao: $1/Q = 1/Q_{abs} + 1/Q_r + 1/Q_s + 1/Q_{coupling}$. Trong đó, độ nhám bề mặt gây tán xạ ($Q_s$), độ sạch vật liệu triệt tiêu hấp thụ ($Q_{abs}$), và khoảng cách đặt đầu dò vi sợi điều khiển mức ghép nối ngoài ($Q_{coupling}$) là các yếu tố quyết định.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình giải tích và cơ sở thực nghiệm vững chắc để kích thích, khảo sát và ánh xạ các mode thì thầm (WGMs) trong vi cầu quang học.
• Chế tạo thành công vi cầu thủy tinh Silica-Alumina và PZG đường kính $30 - 190\text{ }\mu\text{m}$ với độ tròn sai lệch dưới $2%$ và độ nhám bề mặt chỉ từ $1\text{ nm}$ đến $10\text{ nm}$.
• Giải quyết triệt để bài toán cụm ion $Er^{3+}$ ở dải nồng độ cao $2.000 - 15.000\text{ ppm}$ nhờ kỹ thuật đồng pha tạp $Al_2O_3$, mở rộng độ rộng phát xạ lên $60\text{ nm}$.
• Hoàn thiện công nghệ chế tạo đầu dò bán vi sợi vuốt nhọn eo thắt $1 - 3\text{ }\mu\text{m}$ với độ suy hao quang cực thấp dưới $0.1\text{ dB}$, đảm bảo điều kiện phối hợp pha hoàn hảo.
• Mở ra khả năng chế tạo các nguồn vi laser dải hẹp $1.5\text{ }\mu\text{m}$ có ngưỡng kích thích siêu thấp từ $3\text{ }\mu\text{W}$, định hình lộ trình phát triển hệ thống cảm biến tích hợp trong 18 đến 24 tháng tới.

Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến công nghệ vi cộng hưởng quang học và giải pháp cảm biến sinh hóa trường gần có thể liên hệ hợp tác chuyển giao công nghệ và phát triển thử nghiệm thiết bị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Vietnam national university, Hanoi College of Technology Ho Duc Vinh Mapping WGMs of Erbium doped glass microsphere using Near-field optical probe Master thesis Supervisor: Dr. Tran Thi Tam 1 VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. CHAPTER I: MORPHOLOGY DEPENDENT RESONANCES 3. CHAPTER II: COUPLING MICROSPHERES WGMs BASED ON NEAR-FIELD OPTICS 4.

CHAPTER III: FABRICATION OF MICROSPHERE AND TAPER FIBER 5. CHAPTER IV: EXPERIMENTS AND RESULTS CONCLUSION LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Chapter 1 Morphology Dependent Resonances chapter 1: Morphology Dependent Resonances (MDRs-WGMs) 1. Dielectric Microsphere -A simple Model of WGMs: Microspheres act as high Q resonators in optical regime. The curved surface of a microshere leads to efficient confinement of light waves.

The light waves totally reflect at the surface and propagate along the circumference. If they round in phase, resonant standing waves are produced near the surface. Such resonances are called "morphology dependent resonances (MDRs)" because the resonance 2π a frequencies strongly depend on the size parameter x = , (where a is the radius of λ microstructure and λ is the light wavelength). Alternatively , the resonant modes are often called "Whispering Gallery Modes (WGMs)".

The WGMs are named because of the similarity with acoustic waves traveling around the inside wall of a gallery. Early this century, L.Rayleigh [46] first observed and analyzed the "whispers" propagating around the dome of St.Catherine's cathedral in England. Optical processes associated with WGMs have been studied extensively in recent years [45]. WGMs are characterized by three numbers, n, l and m, for both polarizations corresponding to TE (transverse electric) and TM (transverse magnetic) modes.

TE and TM modes have no radial components of electric and magnetic fields, respectively. These integers distinguish intensity distribution of the resonant mode inside a microsphere (a simple model system of Micro resonators). The order number n indicates the number of peaks in the radial intensity distribution inside the sphere and the mode number l is the number of waves of resonant light along the circumference of the sphere. The azimuthal mode number m describes azimuthal spatial distribution of the mode.

For the perfect sphere, modes of WGMs are degenerate in respect to m. In this section, firstly, it presents a simple model of WGMs in terms ray and wave optics for a qualitative interpretation. 5 Ho Duc Vinh K10N VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Chapter 1 Morphology Dependent Resonances 1.1 Ray and Wave Optics Approach: The most intuitive picture describing the optical resonances of microsphere is based upon ray and wave optics. * Ray optics: Consider a microsphere with radius a and a refractive index n(ω ) , and a ray of light propagating inside, hitting the surface with angle of incidence θ in (Figure 1.

Inphase θ inc > θ c Figure 1. a/ Ray at glancing angle is totally reflected b/ If optical path = integral number of wavelengths, a resonance is formed If θ in > θ c = arcsin(1/ n(ω )) , then total internal reflection occurs. Because of spherical symmetry, all subsequent angles of incidence are the same, and the ray is trapped. Leakage occurs only through diffractive effects, i., because of the finiteness of a / λ , where λ is the wavelength in vacuum.

The leakage is expected to be exponentially small. This simple geometric picture leads to the concept of resonances. For large microspheres ( a >> λ ), the trapped ray propagates close to the surface, and traverses a distance ≈ 2π a in one round trip [52]. If one round trip exactly equals l wavelengths in the medium (l = integer), then a standing wave can occur (Figure 1.This condition translates into λ 2π a ≈ l (1.1) n(ω ) A dimensionless size parameter x is defined for this system 2π a x= (1.2) λ 6 Ho Duc Vinh K10N VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Chapter 1 Morphology Dependent Resonances In terms of which the resonance condition is l x≈ (1.3) n(ω ) Consider the ray in Figure 1.

Its momentum is p = h k = h [2π (λ / n(ω ))] (1.