Chế tạo đầu dò sợi quang kích thước nano, sử dụng thu các mode WGM từ các vi cầu pha tạp erbium

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

 * 







ĐỖ NGỌC CHUNG






CHẾ TẠO ĐẦU DÒ SỢI QUANG
KÍCH THƯỚC NANO, SỬ DỤNG THU CÁC
MODE WGM TỪ VI CẦU PHA TẠP ERBIUM







LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, 2006



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





Đỗ Ngọc Chung





CHẾ TẠO ĐẦU DÒ SỢI QUANG
KÍCH THƯỚC NANO, SỬ DỤNG THU CÁC
MODE WGM TỪ VI CẦU PHA TẠP ERBIUM

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nanô



LUẬN VĂN THẠC SĨ



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS. TS. Trần Thị Tâm





Ha Nội - 2006
MỤC LỤC
Trang phụ bìa

Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Mở đầu ………………………………………………………………………

1
Chương 1:QUANG HỌC TRƯỜNG GẦN (NEAR-FIELD
OPTICS). ……………………………………………………………

3
1.1. Khái niệm về quang học trường gần
3
1.2. Một số kỹ thuật đo sử dụng quang học trường gần
5
1.3. Kính hiển vi quang học trường
7
Chương 2: BUỒNG CỘNG HƯỞNG VI CẦU…… ……………
10
2.1. Nguyên lý………………………………………………………………
Quan điểm quang học cổ điển: ……… …………………………………
Quan điểm quang sóng lượng tử: ………………………………………
2.2. Các ký thuật ghép nối trường gần …………………… …… ……
10
11
12
15
Chương 3: CHẾ TẠO ĐẦU DÒ SỢI QUANG …… ……… . .
3.1. Vật liệu chế tạo……………………………………………………….
3.2. Các thông số đặc trưng của một đầu dò sợi quang………………
3.3. Phương pháp chế tạo………………………………………………….
3.3.1. Phương pháp kéo nhiệt ……… ………………………………….
3.3.2. Phương pháp ăn mòn hoá học …………… …… ……………

18

18
18
19
19
20

Chương 4: THỰC NGHIỆM …. ……………….… …. ……… .
4.1. Phương pháp kéo nhiệ………………………………………………
4.1.1. Phương pháp nhiệt hồ quang: …………………………………
4.1.2. Phương pháp nhiệt laser:……… …………… …… …… … …
4.2. Phương pháp ăn mòn hoá học… ………… ……… ……………
4.3 Sử dụng đầu dò thu tín hiệu laser từ vi cầu pha tạp Erbium……
Kết luận và kiến nghị
Danh mục công trình của tác giả
Tài liệu tham khảo

22

22
22
23
28
33
41
42
41
46

1
MỞ ĐẦU

Quang học và quang phổ là lĩnh vực ra đời từ rất lâu. Nghiên cứu các
đặc trưng quang phổ của vật liệu cho biết nhiều đặc tính của vật liệu đó.
Trong những phép đo quang phổ thông thường, việc thu các tín hiệu phát ra từ
các tương tác quang học đều thực hiện xa nguồn, ở khoảng cách lớn hơn bước
sóng, đầu thu quang được đặt ở vị trí khá xa vật liệu cần nghiên cứu (nguồn
sáng). Những phép đo như vậy được gọi là quang học trường xa. Ngược lại
nghiên cứu quang phổ ở phạm vi rất sát bề mặt của mẫu ở khoảng cách nhỏ
hơn bước sóng là phương pháp mới trong nghiên cứu quang học quang phổ,
được gọi là quang học trường gần (SNOM), là một lĩnh vực quang học hiện
nay đang được quan tâm nghiên cứu nhiều trên thế giới. Phương pháp nghiên
cứu quang học trường gần cho ta nhiều thông tin về các tính chất vật liệu đặc
biệt trong các nghiên cứu công nghệ nanô.
Các vi buồng cộng hưởng quang học là một trong các đối tượng được
quan tâm nghiên cứu nhiều không những trong công nghệ nanô mà cả trong
lĩnh vực điện động lực học luợng tử [1,2], quang học cổ điển cũng như quang
học phi tuyến [3,4,5,6], với nhiều loại cấu hình vi cộng hưởng quang học như
vi cầu, vi đĩa hay vành khuyên…Các vi cộng hưởng tạo ra các mode quang
học có phân bố phụ thuộc vào hình thái học, các mode đó được gọi là các
mode cộng hưởng phụ thuộc vào hình thái (MDR) hay các mode đường viền
(WGM).

Vi cầu cũng là một trong các vi buồng cộng hưởng có thể tạo laser với
độ phẩm chất cao, thể tích mode nhỏ, ngưỡng thấp [6,7] và được quan tâm
nhiều trong thông tin quang, ứng dụng làm các bộ lọc quang học, các bộ
chuyển mạch quang, các sensor quang học….Laser vi cầu cũng có ứng dụng
quang trọng trong việc ổn định tần số, khuếch đại ánh sáng, khảo sát các quá
trình phi tuyến, hay trong các bộ nhớ quang.
Tuy nhiên không thể thu bức xạ từ các mode WGM bằng phương pháp
trường xa thông thường. Bức xạ WGM được nghiên cứu bởi lý thuyết Lorent-
Mie. Lý thuyết Lorent-Mie cho phép hiểu sự phân bố của WGM’s, từ đó có
được kỹ thuật đặc biệt phù hợp để thu tín hiệu WGM’s, đó là kỹ thuật sử
dụng tương tác trường gần [8,15].


2
Để thu được tín hiệu bằng kỹ thuật trường gần, có thể sử dụng nhiều
phương pháp ghép nối: bằng lăng kính, sử dụng các kênh dẫn bán dẫn hay sử
dụng các đầu dò sợi quang Các đầu dò sợi quang với kích thước đầu cỡ
nanô mét là công cụ thu rất tốt trong kỹ thuật trường gần. Phương pháp này
còn có ưu điểm đơn giản trong chế tạo và lắp đặt. Có nhiều phương pháp
dùng để chế tạo đầu dò sợi quang như phương pháp kéo nhiệt, phương pháp
ăn mòn hoá hay phương pháp mài mòn cơ. Trong luận văn này, đầu dò sợi
quang được chế tạo bằng cả hai phương pháp: Phương pháp kéo nhiệt sử dụng
laser CO
2
và nguồn nhiệt hồ quang, phương pháp ăn mòn hóa học sử dụng
dung dịch ăn mòn HF và NH
4
F.
Luận văn tập trung vào nghiên cứu các vấn đề trong kỹ thuật chế tạo
đầu dò bằng sợi quang vuốt nhọn đến kích thước nanô mét, một số đặc tính

trong cơ chế ghép nối quang trường gần trong thí nghiệm ghép nối đầu dò thu
tín hiệu laser vi cầu thuỷ tinh floride “ZBLALiP” pha tạp Erbium. Luận văn
gồm có 4 chương:
Chương 1 mô tả nguyên lý, đặc điểm và một số ứng dụng của quang
học trường gần.
Chương 2 trình bày nguyên lý của buồng cộng hưởng vi cầu theo hai
quang điểm quang học cổ điển và quang học lượng tử, lý thuyết giải
thích sự phân bố của các mode đường viền (WGM’s) hay các mode
cộng hưởng phụ thuộc hình thái học (MDR’s).
Chương 3 đề cập đến các kỹ thuật ghép nối tín hiệu WGM’s. Điều
kiện kết hợp pha trong ghép nối cũng được trình bày tại đây.
Chương 4 giới thiệu phương pháp kỹ thuật chế tạo đầu dò sợi quang
bằng phương pháp kéo nhiệt và phương pháp ăn mòn.
Chương 5 trình bày kết quả chế tạo đầu dò sợi quang kích thước nanô
mét và ứng dụng của đầu dò thu tín hiệu laser vi cầu thuỷ tinh floride
“ZBLALiP” pha tạp Erbium. Kết quả phổ tín hiệu được thu bằng các
đầu dò đã chế tạo cũng được trình bày và thảo luận.

3
CHƢƠNG 1
QUANG HỌC TRƯỜNG GẦN (NEAR-FIELD OPTICS)
Quang học là lĩnh vực phát triển rất sớm và có rất nhiều ứng dụng.
Tuy nhiên trong các kỹ thuật quang học thông thƣờng, khả năng phân giải
của các thiết bị quang học bị hạn chế bởi giới hạn nhiễu xạ khi giảm kích
thƣớc tới cỡ bƣớc sóng. Vì vậy các thiết bị quang học không thích ứng đƣợc
với các mạch tích phân điện tử có kích thƣớc nhỏ hơn rất nhiều.
Sự ra đời của NFO đã phá vỡ giới hạn nhiễu xạ trong quang học, mở
ra những ứng dụng mới trong các lĩnh vực nghiên cứu Khoa học và Công
nghệ, đặc biệt là Công nghệ nanô.
1.1. KHÁI NIỆM VỀ QUANG HỌC TRƢỜNG GẦN

Khi nghiên cứu các tính chất hay cấu trúc của vật liệu bằng phƣơng
pháp quang phổ, chúng ta thƣờng đặt đầu thu quang ở xa vị trí nguồn phát
xạ hay vật liệu cần nghiên cứu: khoảng cách lớn hơn nhiều lần bƣớc sóng
ánh sáng kích thích. Phép đo nhƣ vậy đƣợc gọi là phép đo quang học trƣờng
xa. Trong phép đo quang học trƣờng xa, độ phân giải của thiết bị thu quang
bị giới hạn bởi hiện tƣợng nhiễu xạ và không thể vƣợt quá ½ bƣớc sóng.
(NFO)cho phép vƣợt qua đƣợc sự hạn chế về giới hạn nhiễu xạ đó.
Khi ánh sáng truyền trong sợi quang, qua lăng kính hay trong các
buồng cộng hƣởng, nhờ hiện tƣợng phản xạ toàn phần mà ánh sáng đổi
hƣớng và bị giam giữ trong môi trƣờng lan truyền. Tuy nhiên theo quang
học lƣợng tử, một phần ánh sáng có thể truyền qua mặt phân cách và có điện
trƣờng giảm theo hàm mũ phụ thuộc vào khoảng cách từ bề mặt phân cách
giữa hai môi trƣờng, đƣợc gọi là trƣờng suy giảm hay trƣờng mờ (EF) [8,9].
Có thể coi nhƣ trƣờng mờ định xứ tại sát ngay bề mặt phân cách giữ hai môi
trƣờng, ở khoảng cách bƣớc sóng. Quang học xem xét các tƣơng tác trong
phạm vi trƣờng mờ đó đƣợc gọi là Quang học trƣờng gần (NFO). Bằng các
phép đo NFO chúng ta loại bỏ đƣợc giới hạn của hiện tƣợng nhiễu xạ ánh

4
sáng và trên cơ sở đó có thể chế tạo các thiết bị đo quang nhƣ kính hiển vi
quang học trƣờng gần với độ phân giải không phụ thuộc vào bƣớc sóng. Tín
hiệu trƣờng gần có thể cung cấp nhiều thông tin cả về cấu trúc cũng nhƣ đặc
điểm về bề mặt của mẫu (hình 1.1).




Hình 1.2: Hiện tượng trường gần, (Trường gần sau lỗ nhỏ hơn bước sóng,
Trường xa
(d

2
>>
a<<
Trường gần
(d
1
<<
Màn chắn
d
1

d
2

(a)
n
2


c
n
1
>n
2
Trường gần
(c)
n
2
=1
n

1
=1.5
(d)
(b)
Microsphere





Trường gần
Hình 1.1 Hiện tượng quang học trường gần, (a) tán xạ trường gần bởi
phần tử nhỏ cỡ bước sóng, (b) tán xạ trường gần bởi mũi đầu dò có kích
thước cỡ bước sóng
Kích thƣớc cỡ
nano (nhỏ hơn
bƣớc sóng)
Trƣờng tăng mạnh
Cấu trúc nano
Ánh sáng kích
thích
(a)
(b)

5
(b) trường gần xung quanh vi cầu điện môi, (c) trường gần bên ngoài sợi
quang và (d) trường gần sau mặt phản xạ toàn phần của lăng kính.
Trên hình 1.1 và 1.2 là một số thí dụ trƣờng gần hay trƣờng suy giảm:
trƣờng ánh sáng xuất hiện tại ngay sau lỗ nhỏ với kích thƣớc nhỏ hơn bƣớc
sóng (hình 1.2a), ở mặt bên kia của mặt phản xạ toàn phần (hình 1.2b, c, d),

hay ánh sáng tán xạ từ các phần tử rất nhỏ, có kích thƣớc nhỏ hơn bƣớc sóng
(hình 1.1e) [10,11,12]. Đối với vi cầu (hình 1.2b) trƣờng ánh sáng bị giam
giữ chặt bên trong, hình thành các mode WGM. Chỉ một phần rất nhỏ năng
lƣợng của các mode WGM lọt ra ngoài, phân bố tại sát bề mặt xung quanh
của vi cầu.
Sự xem xét các tƣơng tác trong phạm vi trƣờng mờ đó đƣợc gọi là
quang học trƣờng gần. Bằng các phép đo quang học trƣờng gần chúng ta
vƣợt qua đƣợc giới hạn của hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng và trên cơ sở đó
có thể chế tạo các thiết bị đo quang nhƣ kính hiển vi quang học trƣờng gần
với độ phân giải không phụ thuộc vào bƣớc sóng. Tín hiệu trƣờng gần có thể
cung cấp nhiều thông tin cả về cấu trúc cũng nhƣ đặc điểm về bề mặt của
mẫu. Việc thu tín hiệu trƣờng gần là tƣơng đối khó, đòi hỏi phải có các đầu
dò với kích thƣớc nhỏ.
1.2. MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐO SỬ DỤNG QUANG HỌC TRƢỜNG
GẦN
Hai kỹ thuật chính sử dụng NFO để khảo sát vật liệu: Kỹ thuật thu
phổ tán xạ trƣờng gần và kỹ thuật thu phổ phát xạ trƣờng gần [8,12]. Đầu dò
sử dụng trong các kỹ thuật này thƣờng đƣợc chế tạo từ sợi quang hoặc Silic.
Kỹ thuật thu phổ tán xạ trƣờng gần đƣợc mô tả nhƣ trong hình 1.3a,
gồm một đầu dò có kích thƣớc cỡ nano và một nguồn sáng kích mẫu. Khi
dịch chuyển đầu dò vào phạm vi trƣờng mờ định xứ ngay sát bề mặt của
mẫu, chúng ta có thể thu đƣợc tín hiệu trƣờng mờ tán xạ bởi đầu dò tán xạ
(1.3a).

6

Kỹ thuật thu phổ phát xạ trƣờng gần đƣợc mô tả nhƣ trong hình 1.3b.
Sợi quang hoặc Si đƣợc ăn mòn, sau đó phủ kim loại và tạo lỗ nhỏ với kích
thƣớc cỡ nano tại đỉnh của đầu dò. Quá trình chế tạo đầu dò dạng này đƣợc
mô tả dƣới hình 1.4.

(1): Silic và sợi quang đã đƣợc tạo dạng típ nhọn bằng ăn mòn hoặc
bằng kéo nhiệt.
Ánh sáng
kích thích
Tán
xạ
trƣờng
gần
: Ánh sáng kích thích
: Tín hiệu trƣờng gần
Đầu dò thu
trƣờng gần
Phát
xạ
trƣờng
gần
Hình 1.3: Sơ đồ kỹ thuật đo trường gần, (a) kỹ thuật thu phổ tán xạ trường gần,
(b) kỹ thuật thu phổ phát xạ trường gần.
Đầu dò tán xạ
trƣờng gần
(a)
(b)
Đầu dò
bằng Si
Đầu dò
bằng sợi
quang
Típ
nhọn

Lớp kim
loại
Lỗ nhỏ hơn
bƣớc sóng
Hình 1.4: Đầu dò thu trường gần
(1) (2) (3) (4)

7
(2): Hình ảnh phóng to của típ.
(3): Típ nhọn đƣợc phủ kim loại. Lớp kim loại có tác dụng che chắn
cũng nhƣ bảo vệ típ nhọn.
(4): Típ nhọn đã đƣợc tạo lỗ nhỏ tại đỉnh. lỗ nhỏ cỡ bƣớc sóng. Kích
thƣớc của lỗ nhỏ quyết định độ phân giải của đầu dò.
Nguồn kích thích mẫu có thể chiếu trực tiếp qua đầu dò hoặc gián tiếp.
Do kích thƣớc của đầu dò nhỏ hơn bƣớc sóng nên tín hiệu đằng sau đầu dò
hay tín hiệu thu đƣợc từ bề mặt của mẫu bằng đầu dò là tín hiệu trƣờng gần.
Để thu đƣợc tín hiệu trƣờng gần, đầu dò đƣợc gắn với các thiết bị thu cực
nhạy nhƣ avalanche photodiode, máy đếm photon hoặc sử dụng thiết bị đo
tần số dao động cộng hƣởng của đầu dò. Kỹ thuật đo này ngoài việc có thể
khảo sát bề mặt của mẫu còn có thể sử dụng trong các phép đo phổ huỳnh
quang, hay phổ Raman của mẫu.
1.3. KÍNH HIỂN VI QUANG HỌC TRƢỜNG GẦN
Một trong nững ứng dụng vĩ đại nhất của kỹ thuật đo trƣờng gần đó là
kính hiển vi quang học trƣờng gần (SNOM). SNOM sử dụng kỹ thuật quýet
đầu dò trong phạm vi trƣờng gần để thu các tín hiệu trƣờng gần phát ra từ bề
mặt của mẫu hoặc sử dụng tín hiệu trƣờng gần để phản hồi điều chỉnh dịch
chuyển của đầu dò, từ đó có thể khảo sát đƣợc các thông tin bề mặt của mẫu.
Trong SNOM thành phần quan trọng, quyết định độ phân giải đó là đầu dò.
Dƣới đây là sơ đồ nguyên lý hoạt động của một đầu dò sợi quang sử dụng
nguyên lý quang học trƣờng gần:

8

Hình 1.5: Nguyên lý khảo sát bề mặt mẫu sử dụng trường gần
Đầu dò sợi quang (probe Tip) có lỗ (aperture) nhỏ hơn bƣớc sóng kích
thích. Do lỗ nhỏ hơn bƣớc sóng nên trƣờng gần đƣợc duy trì ngay sau đầu
dò. Khoảng cách của đầu dò đƣợc điều chỉnh ngay sát bề mặt của mẫu
(Specimen) ở khoảng cách không đổi (nhỏ hơn bƣớc sóng). Mẫu đƣợc điều
chỉnh 3 chiều x, y, z (x-y-z Scanner). Khi mẫu dịch chuyển, khoảng cách
giữa đầu dò và mẫu thay đổi, sự thay đổi này phản hồi lại thiết bị điều khiển
vị trí của đầu dò, từ đó mô phỏng đƣợc hình dạng ba chiều của mẫu. Độ
phân giải của một SNOM hiện tại từ 50÷100 nm. Bằng việc sử dụng thấu
kính (objective) đo trƣờng xa ta cũng mô phỏng đƣợc hình dạng bề mặt của
mẫu, tuy nhiên với độ phân giải không cao.
Ngoài ứng dụng trong thiết bị kính hiển vi trƣờng gần, (NFO)còn có
nhiều ứng dụng nhƣ trong công nghệ vi hình, sử dụng nguồn trƣờng gần có
thể vẽ đƣợc các chi tiết nhỏ cỡ vài chục nano. Trong sinh học sử dụng đầu
dò trƣờng gần có thể phân tích các mẫu trong trạng thái lỏng, hay có thể tìm
vị trí các mầm bệnh gây bệnh. Một ứng dụng mới và có ý nghĩa trong công
nghệ thông tin đó là ứng dụng làm bộ nhớ quang học trƣờng gần.
Dƣới đây là sơ đồ hoàn chỉnh của một thiết bị SNOM:

9

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của SNOM



10
CHƢƠNG 2

BUỒNG CỘNG HƯỞNG VI CẦU
Buồng cộng hƣởng vi cầu là một dạng buồng cộng hƣởng có độ phẩm
chất cao, dễ chế tạo và có nhiều ứng dụng trong thông tin quang nhƣ các bộ
lọc quang, các bộ suy giảm chọn lựa bƣớc sóng hay các chuyển mạch quang
học cũng nhƣ sử dụng làm sensor thu các tín hiệu nhỏ.… [14,15-19].
2.1. NGUYÊN LÝ
Xét trƣờng hợp ánh sáng lan truyền trong vi cầu điện môi với chiết
suất lớn hơn môi trƣờng bên ngoài. Nếu ánh sáng lan truyền bên trong tới bề
mặt vi cầu với góc tới  < 
c
(
c
là góc giới hạn phản xạ toàn phần giữa hai
môi trƣờng tuân theo định luật Snell), tín hiệu sẽ đi ra ngoài (Hình 2.1).
Ngƣợc lại  >
c
do hiện tƣợng phản xạ nội toàn phần tại mặt phân cách
giữa vi cầu và môi trƣờng bên ngoài, ánh sáng sẽ bị giam giữ bên trong vi
cầu và đi vòng quanh dƣới bề mặt. Sau mỗi vòng kín, nếu tín hiệu có pha
trùng với pha ban đầu, sẽ tạo ra sự cộng hƣởng. Mỗi chu trình cộng hƣởng
đó đƣợc đặc trƣng bởi một tần số cộng hƣởng riêng, hay còn gọi là các
mode quang học, phân bố vòng quanh ở sát bề mặt vi cầu [19,20]. Hình
dạng của vi cầu ảnh hƣởng rất nhiều vào sự hình thành cũng nhƣ phân bố
của các mode quang học này, chính vì vậy các mode này đƣợc gọi là các
mode cộng hƣởng phụ thuộc vào hình thái học (MDR-Mophology
Dependent Resonances) hay các mode đƣờng viền (WGM - Wishpering
Gallery Modes). Để hiểu nguyên lý, sự hình thành các mode MDR chúng ta
xem xét buồng cộng hƣởng vi cầu dƣới hai quan điểm: Quang học cổ điển
và quang học lƣợng tử:

11
Quang học cổ điển

(a) (b)
Hình 2.1: (a) Chu trình ánh sáng trong giới hạn quang hình học cổ điển, (b)
chu trình ánh sáng như sự minh hoạ quang học lượng tử
Để tín hiệu có thể quay lại cùng pha với thời điểm ban đầu thì chu vi
của vi cầu phải là bội của bƣớc sóng của tín hiệu lan truyền trong vi cầu:
2πR = ℓ
)(


m
(2.1)
ℓ là số bƣớc sóng trong một chu trình (l là số nguyên),  là bƣớc sóng, R là
bán kính vi cầu, m(

) là chiết suất của vi cầu.
Đặt

/2 Rx 
, tham số không thứ nguyên, khi đó điều kiện cộng
hƣởng sẽ là:
)(

m
l
x 

(2.2)
Theo cơ học cổ điển mômen động lƣợng của nó là:
p = ħk =ħ 2π


)(m
(2.3)
Trong đó ħ là hằng số Planck chia cho 2π , và k là số sóng. Nếu ánh
sáng đi tới bề mặt của vi cầu theo phƣơng gần nhƣ tiếp tuyến (
2


in
) thì
mô men góc đƣợc biểu diễn nhƣ là ħℓ:
ħℓ ≈ ap = a2πħ


)(m
(2.4)

c

l=30



12
Thay vào phƣơng trình (2.2) ta thu đƣợc số nguyên ℓ, là số bƣớc sóng
xuất hiện trong chu vi hình cầu, coi nhƣ là momen góc. Nếu quỹ đạo của tia

sáng nghiêng một góc

so với trục z, nhƣ hình vẽ:

Hình 2.2: Quỹ đạo truyền của tín hiệu trong cầu.
thì thành phần momen góc của mode là:
m = lcos

(2.5)
Đối với các vi cầu hoàn hảo, tất cả các mode m là suy biến (suy biến
2l+1). Sự suy biến đƣợc tăng lên một phần khi buồng cộng hƣởng bị biến
dạng đối xứng dọc theo trục z. Với sự biến dạng đó giá trị nguyên của m là
l, (l-1),…0.[21].
Sự giải thích sự tƣơng tác của ánh sáng với vi cầu theo quan điểm
quang học cổ điển có một số giới hạn sau:
 Không giải thích đƣợc sự biến mất của ánh sáng từ WGM’s (đối với
các vi cầu hoàn hảo).
 Theo quan điểm quang hình thì không thể ghép nối với WGM’s.
 Tính toán sự phân cực của ánh sáng.
 Đặc trƣng theo bán kính của các mode không xác định đƣợc [22].
Quan điểm quang học lượng tử:
Các mode quang học trong cầu điện môi là lời giải của phƣơng trình
Helmholtz trong tọa độ cầu [19,22,23]:
0)(
222


nk
.
X

Z
Y




13
Giải phƣơng trình Helmholtz ta biết đƣợc các đặc trƣng điện, gọi là
các mode điện (TE-Modes) và các đặc trƣng từ gọi là các mode từ (TM-
modes). Các TE-modes và TM-modes là các thành phần điện và từ song
song với bề mặt của vi cầu. Các mode trong cầu điện môi đƣợc đặc trƣng
bởi 3 loại: các mode bán kính, (n) là số mode theo bán kính; Các mode
phƣơng vị, (m) là đặc trƣng cho số mode phƣơng vị; Các mode phân cực, (l)
đặc trƣng cho số mode kinh tuyến.
Theo quang học sóng thì tại bề mặt phản xạ toàn phần của cầu điện
môi có sự thẩm thấu trƣờng ra ngoài môi trƣờng. Để tính sự phân bố trƣờng
bên ngoài cầu điện môi chúng ta phải kết hợp lời giải của phƣơng trình
Helmholtz ở bên trong vi cầu và điều kiện biên tại mặt phản xạ toàn phần
của cầu điện môi[19]. Điều kiện biên đƣợc cho bởi phƣơng trình:
)(
)(
)(
)(
.
''
kah
kah
kaj
kaj
x

i
i
i
i












TEform
TMfor
m
x
1

Trong đó
)(kaj
i
là hàm Bessel và
)(kah
i
là hàm Hankel.
Kết quả lời giải đƣợc mô phỏng bằng đồ thị dƣới đây [23]:

14
(a)
(b)

Đuôi trƣờng
suy giảm
nhanh theo
hàm mũ
Đuôi trƣờng
suy giảm
nhanh theo
hàm mũ



15


Hình 2.3: Sự phân bố cường độ theo bán kính đối với vi cầu đường kính 10

m và số modekinh tuyến l=51 (

≈ 1550 nm) tương ứng với số mode theo
bán kính n=1,2,3. Đuôi trường là màu đỏ, giảm theo hàm mũ của bán kính.
Sự phân bố trƣờng trong cầu điện môi đƣợc chỉ trên hình cho thấy
ngoài các mode trong vi cầu, một phần trƣờng đã lọt ra ngoài vi cầu, phần
đồ thị gạch chéo- đuôi trƣờng tính từ vị trí bán kính 10 m. Cƣờng độ

trƣờng ở ngoài cầu điện môi suy giảm theo hàm mũ theo khoảng cách từ bề
mặt của cầu, do đó đƣợc gọi là trƣờng mờ. Không thể dùng các kỹ thuật đo
tín hiệu ở trƣờng xa thông thƣờng để thu. Để có thể đo đƣợc tín hiệu trƣờng,
đầu thu phải đặt ở vị trí cách vi cầu <1000 nm mới có thể thu đƣợc tín hiệu
từ vi cầu điện môi. Khoảng cách càng gần cƣờng độ tín hiệu thu đƣợc càng
lớn.
2.2. CÁC KỸ THUẬT GHÉP NỐI TRƢỜNG GẦN
Để kích thích đƣợc WGM’S trong vi cầu có nhiều cách: Có thể dùng
tín hiệu kích thích chiếu trực tiếp vào vi cầu hoặc gián tiếp, hoặc dƣới một
góc đặc biệt nhƣ trên hình 3.1:
Đuôi trƣờng
suy giảm
nhanh theo
hàm mũ



16

Tuy nhiên cách kích thích trực diện vào vi cầu cho hiệu suất thấp hơn
rất nhiều so với cách kích thích theo phƣơng tiếp tuyến với vi cầu. Kích
thích theo phƣơng tiếp tuyến với vi cầu có nhiều phƣơng pháp nhƣ: phƣơng
pháp sử dụng lăng kính, phƣơng pháp sử dụng taper dạng sợi…
Kích thích WGM’S thì dễ hơn là thu. để thu đƣợc các WGM’S thì
nhất thiết phải sử dụng kỹ thuật quang học trƣờng gần. Một số phƣơng pháp
có hiệu suất tốt đã đƣợc sử dụng là: phƣơng pháp ghép nối bằng lăng kính,
bằng ống dẫn sóng, phƣơng pháp ghép nối sử dụng đầu thu chế tạo bằng sợi
quang … [26,27,28,29] (Hình 3.2).

Hình 2.5: Một số kỹ thuật ghép để bơm và thu tín hiệu từ vi cầu.
(a) (b) (c)
Hình 2.4: Sơ đồ kỹ thuật kích thích MDR. (a), bơm trực diện, (b,c) bơm theo
tiếp tuyến bằng lăng kính hoặc đầu dò sợi quang
Vi cầu
Vi cầu
Vi cầu
Kích thích
Kích thích
Kích thích



17
(a), sử dụng lăng kính, (b), sử dụng sợi quang cắt vát đầu,(c), sợi quang
được loại bỏ một phần vỏ, (d), sợi vuốt thon.
Các phƣơng pháp này đều áp dụng tƣơng tác quang trƣờng gần, nhờ
hiệu ứng xuyên hầm của ánh sáng để bơm cũng nhƣ thu tín hiệu vào trong vi
cầu với hiệu suất cao. Hình 2.5a, thể hiện kỹ thuật ghép nối bằng lăng kính.
Phƣơng pháp này khó thực hiện và đƣợc dùng trong phòng thí nghiệm. Trên
hình 2.5b là là sơ đồ ghép nối bằng sử dụng sợi quang đƣợc mài vát đầu,
phƣơng pháp này dẽ sử dụng hơn phƣơng pháp dùng lăng kính tuy nhiên
việc mài sợi là tƣơng đối khó. Hình 2.5c là phƣơng pháp sử dụng sợi quang
mài bớt một phần vỏ bọc, phƣơng pháp này cũng đòi hỏi kỹ thuật mài sợi
cao nên cũng rất khó. Trong hình 2.5d là phƣơng pháp sử dụng đầu dò loại
sợi quang kéo thon (taper) và sợi quang vuốt thon (half taper). Phƣơng pháp
này cũng cho hiệu suất ghép nối cao và dễ sử dụng cũng nhƣ dễ chế tạo.
Việc chế tạo sợi quang tapẻ hay half taper đƣwcj thực hiện bằng nhiều
phƣơng pháp khác nhau. Chi tiết của các phƣơng pháp đƣợc trình bày cụ thể

trong chƣơng 4 và chƣơng 5.



18
Chƣơng 3
CHẾ TẠO ĐẦU DÒ SỢI QUANG
3.1. VẬT LIỆU CHẾ TẠO
Có nhiều loại sợi quang nhƣ sợi thuỷ tinh điôxit, sợi thuỷ tinh
Halogen, sợi tích cực. Sợi quang sử dụng để chế tạo trong luận văn là loại
sợi điôxit silic (SiO
2
) trong đó lõi sợi có thành phần hợp chất cấu tạo sợi là:
GeO
2
-SiO
2
dùng để chế tạo lõi, còn SiO
2
dùng làm vỏ sợi. Đây là loại sợi
phổ biến, có nhiệt độ nóng chảy khoảng 800÷1000
0
C [36].
3.2. CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA MỘT ĐẦU DÒ SỢI
QUANG
Một đầu dò sợi quang đƣợc đánh giá bởi các thông số nhƣ độ bóng bề
mặt và một số thông số cấu trúc.

Hình 3.1: Các hằng số đặc trưng cho cấu trúc của đầu dò
Trên hình 3.1 mô tả các thông số đặc trƣng cho một đầu dò sợi quang,

trong đó:
+ a là độ dài vuốt thon
+ b là đƣờng kính đầu dò
+ c là bán kính cong của đầu dò
125 mm
a
b
c
b
a





19
+

là góc giữa mặt sƣờn và trục của sợi
Các thông số này có ảnh quyết định hiệu suất ghép nối tín hiệu của đầu dò.
3.3. PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO
Sợi quang đƣợc sử dụng chế tạo đầu dò có đƣờng kính lõi là 9 m và
đƣờng kính vỏ là 125 m. Để có thể đƣa đầu dò vào trong phạm vi trƣờng
gần, cần phải làm giảm kích thƣớc của sợi quang. Có hai phƣơng pháp chính
để chế tạo đầu dò sợi quang: phƣơng pháp kéo nhiệt và phƣơng pháp ăn
mòn hoá học [37,38].
3.3.1. Phương pháp kéo nhiệt
Phƣơng pháp chế tạo bằng nhiệt đƣợc mô tả nhƣ hình 3.2. Nguồn
nhiệt dùng để đốt sợi quang là hồ quang hoặc laser [39]. Sợi quang đƣợc gá
giữ trên giá đỡ có thể dịch chuyển 3 chiều cỡ m. Dƣới tác dụng của nhiệt,

sợi quang đƣợc làm mềm đi, đồng thời nhờ một lực kéo tức thời, sợi quang
đƣợc vuốt thon nhỏ di. Bằng việc điều chỉnh nhiệt, thời gian đốt, độ lớn và
thời gian kéo của lực sẽ quyết định các kích thƣớc đầu dò.



Hình 3.2: Sơ đồ chế tạo đầu dò bằng phương pháp kéo nhiệt
Laser CO
2

Lực kéo
Sợi quang
Đầu dò sợi quang
100÷
200m



20
3.3.2. pháp ăn mòn hoá học
Phƣơng pháp ăn mòn hoá học là phƣơng pháp đơn giản, có thể chế tạo
cùng lúc hàng loạt các đầu dò với kích thƣớc hay hình dạng khác nhau với
độ lặp lại cao. Dung dịch ăn mòn là HF hay NH
4
F. Để chế tạo đƣợc các hình
dạng khác nhau của đầu dò, thì cần phải có một kỹ thuật ăn mòn đặc biệt:
Kỹ thuật ăn mòn theo độ khum của chất lỏng và kỹ thuật ăn mòn theo hiệu
ứng thế mao dẫn [39,40]. Đối với phƣơng pháp ăn mòn hoá học thì việc
khống chế quá trình ăn mòn là quan trọng nhất để có thể thu đƣợc đầu dò
mong muốn. Cơ chế ăn mòn đƣợc diễn ra nhƣ sau:

OHSiFHFSiO
242
24 
(3.1)
HFSiOHOHSiF 43
3224

(3.2)
4 2 6
2SiF HF H SiF

(3.3)

Tƣơng tự đối với lõi sợi GeO
2
ăn mòn diễn ra theo phƣơng trình:
OHGeFHFGeO
242
24 
(3.4)
HFGeOHOHGeF 43
3224

(3.5)
624
2 GeFHHFGeF 


(3.6)

Do tốc độ phân huỷ của lõi pha tạp GeO
2
trong dung dịch axit HF lớn
hơn lớp vỏ SiO
2
, do đó đầu của lõi sẽ có dạng hình tròn và đƣờng kính khá
lớn. Để khác phục điều này dung dịch ăn mòn đƣợc pha thêm NH
4
F để làm
chất đệm cho quá trình ăn mòn. Khi đó hai hỗn hợp H
2
SiF
6
và H
2
GeF
6

(phƣơng trình 3.3 và 3.6) tác dụng với NH
3
, bị ion hoá từ NH
4
F, Quá trình
diễn ra nhƣ sau:
2 6 3 4 2 6
()H SiF NH NH SiF
(3.7)
2 6 3 4 2 6
()H GeF NH NH GeF

(3.8)



21
Dƣới đây là sơ đồ kỹ thuật ăn mòn bằng hoá học, sử dụng lớp hữu cơ
và độ cong của mặt khum để khống chế quá trình ăn mòn:












Sợi quang đƣợc nhúng vào bình chứa dung dịch ăn mòn, trên lớp
dung dịch ăn mòn là một lớp hữu cơ Toluene hoặc p-xylene. Sau đó sợi
đƣợc kéo lên trên theo phƣơng thẳng đứng. Lớp hữu cơ không chỉ có tác
dụng bảo vệ phần sợi bên trên không bị ăn mòn mà còn có tác dụng tạo độ
khum của chất ăn mòn. Độ cao của mặt khum chất ăn mòn có ảnh hƣởng rất
lớn đến dạng của đầu dò.
Trong hai phƣơng pháp: Phƣơng pháp kéo nhiệt và phƣơng pháp ăn
mòn, mỗi phƣơng pháp đều có đặc điểm riêng. Đầu dò chế tạo bằng phƣơng
pháp kéo nhiệt có bề mặt bóng và nhẵn hơn đầu dò chế tạo bằng ăn mòn hóa
học. Tuy nhiên đầu dò chế tạo bằng kéo nhiệt có độ dài vuốt thon lớn và rất

khó có thể chế tạo đầu dò với đƣờng kính thật nhỏ (Độ dài vuốt thon cỡ vài
trăm m, đƣờng kính nhỏ nhất có thể đạt đƣợc khoảng 800nm).
Kéo sợi
(a)
Sợi quang
không vỏ

Lớp hữu cơ
bảo vệ
Dung dịch ăn
mòn
Sợi quang
có vỏ
Kéo sợi
(b)
Hàng rào
dạng ống
Hình 3.3: Sơ đồ tiến trình ăn mòn sợi quang theo thời gian. (a)
đối với sợi không có vỏ, (b) đối với sợi có vỏ bọc
Mặt khum chất
lỏng