Nghiên cứu các tính chất động học của laser vi
Cộng hởng ngẫu nhiên dạng cầu v dạng thoi trên
Cơ sở thuỷ tinh pha tạp ion đất hiếm er Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 62.44.07.01
Tóm tắt luận án tiến sĩ
Hà Nội - 2009

Công trình đợc hoàn thành tại: Viện Vật Lý Viện khoa Học Vật liệu
Viện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam
Ngời hớng dẫn khoa học 1: PGS.TS Phạm Văn Hội
Ngời hớng dẫn khoa học 2: PGS.TS Phạm Thu Nga
Phản biện 1: GS. TSKH Nguyen Xuaan Phucs

Phản biện 2: GS. TS. Vur Van Hungf

Phản biện 3: GS. TSKH Tran Bas Chuwur
Luận án đợc bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Nhà nớc
tại Viện Vật Lý

Vào hồi giờ ngày tháng 2009

th
National Symposium on ICT. rda.08.Hanoi-August 8-9.
6. Chu Thi Thu Ha, Bui Van Thien, Ha Xuan Vinh, Le Minh Hieu, Tran Thi Cham, Pham
Van Hoi (2008), Toroidal microcavity lasers based on Er-doped silica-alumina glasses,
International Conference on Advanced Technologies for Conmmunications, HaNoi
Vietnam, October 6-9, pp. 384-387.
7. Bui Van Thien, Ha Xuan Vinh, Chu Thi Thu Ha, Tran Thi Cham, Pham Van Hoi
(2008), Ultra-narrow spectra laser in micro-cavity: Fabrication method and lasing
emssion properties. International workshop on Photonic & Appli cati ons (IWPA). Nha
Trang Vietnam, sept. 14.
8. Pham Van Hoi, Bui Van Thien, Ha Xuan Vinh, Chu Thi Thu Ha, Tran Thi Cham,
(2008), High Q-factor micro-cavity lasers: Fabrication and lasing emission properties,
APCTP-ASEAN Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology
(AMSN) Nhatrang Vietnam-September 15-21, pp. 174-179.
1
MỞ ĐẦU
Trong công nghệ thông tin quang hiện đại, kỹ thuật ghép nhiều bước sóng trên một
sợi quang đang được nghiên cứu ứng dụng rất mạnh mẽ. Để ghép nhiều kênh thông tin
trong một sợi quang, cần phải có các laser phát đơn mode với độ rộng phổ cực hẹp cỡ Δλ
< 0,1 nm tại vị trí - 10 dB của phổ bức xạ laser. Những năm gần đây, laser vi cộng hưởng
bức xạ các mode laser cực hẹp đang là đối tượng nghiên cứu được quan tâm đặc biệt trong
công nghệ thông tin quang, cảm biến quang có độ phân giải cao [75],[78],[99]. Trong thời
gian qua, các nghiên cứu về laser vi cộng hưởng dạng cầu và đĩa đã được đẩy mạnh tại nhiều
phòng thí nghiệm quang tử trên thế giới nhằm chế tạo các nguồn laser có độ rộng phổ cực hẹp
đến 10 KHz tại vùng bước sóng 1550 nm cho thông tin quang và cảm biến quang [75],[76].
Ngoài các nghiên cứu về vật liệu và công nghệ
chế tạo, các nghiên cứu cơ bản đang tập trung

liệu quang tử tự chế tạo được, phương pháp chế tạo laser dạng cầu không phức tạp, có thể
ứng dụng được ngay trong nghiên cứu vật liệu và giảng dạy. Chúng tôi kết hợp nghiên cứu
phát triển vật liệu thuỷ tinh pha tạp đất hiếm nồng độ cao với nghiên cứu chế tạo linh kiện
quang tử kích thước micron [121-127]. 2
Chúng tôi chọn tên luận án là: "Nghiên cứu các tính chất động học của laser vi cộng
hưởng ngẫu nhiên dạng cầu và dạng thoi trên cơ sở thủy tinh pha tạp ion đất hiếm Er ".
Trong luận án, chúng tôi nghiên cứu tổng quan về các tính chất bức xạ và hấp thụ
của các vật liệu quang tử chứa ion đất hiếm Er nồng độ cao. Đó là các vật liệu thuỷ tinh
pha tạp đất hiếm (RE) như Er nồng độ
cao có đồng pha tạp oxyt nhôm Al
2
O
3
, để nâng cao
hiệu suất phát quang trong vùng 1550 nm. Nghiên cứu các quá trình quang học trong các
buồng vi cộng hưởng, mật độ trạng thái trong buồng vi cộng hưởng dạng cầu, dạng thoi.
Nghiên cứu các phương pháp chế tạo laser cộng hưởng ngẫu nhiên dạng cầu hoặc thoi
bằng kỹ thuật nóng chảy nhiệt. Đây là phương pháp có hiệu quả, phù hợp với điều kiện
của Việt Nam. Nghiên cứu các kỹ thuật chế t
ạo các đầu bơm và thu nhận các mode bức xạ
từ các vi cầu, vi thoi. Cuối cùng nội dung quan trọng là nghiên cứu tìm hiểu cơ chế động
học bức xạ và hấp thụ của laser vi cộng hưởng phụ thuộc vào độ dài cộng hưởng, kích
thước của đường kính cầu. Nghiên cứu hướng bức xạ của laser cộng hưởng theo hướng
bơm, thu nhận các mode laser từ các đầu thu tương thích. Nghiên cứu sự phụ
thuộc phổ
bức xạ công suất bức xạ, ngưỡng bức xạ vào công suất bơm. Đây là một hướng nghiên cứu
mới trên thế giới để tìm kiếm loại laser phát đơn mode với phổ cực hẹp, công suất đủ lớn có

đã được sử
dụng để chế tạo laser sợi, laser khối, khuếch đại quang sợi, các laser chuyển đổi ngược sang
vùng ánh sáng nhìn thấy. Để tăng khả năng phân tán các ion đất hiếm trong mạng nền thủy
tinh Silica, ta có thể sử dụng Al
2
O
3
pha đồng thời vào trong nền SiO
2
. Các ion Al
3+
được sử
dụng vào mạng nền thủy tinh là một loại ion làm biến đổi mạng, nó có vai trò làm giãn các
lớp liên kết Si-O và làm tăng khả năng phân tán và tăng nồng độ ion Er
3+
vào trong mạng
SiO
2
-Al
2
O
3
. Hình 1.3 và h.1.4 mô tả về sự sắp xếp cấu trúc cục bộ xung quanh một ion Er
3+

trong thuỷ tinh SiO
2
-Al
2
O

3+
, O
-2
và
Al
3+
trong mạng nền thuỷ tinh SiO
2
-
Al
2
O
3
4
1.2.2. Các mức năng lượng và các dịch chuyển bức xạ: mỗi ion đất hiếm như là một hệ
nhiều điện tử và giữa các mức năng lượng của ion đất hiếm sẽ xảy ra các cơ chế dịch
chuyển bức xạ. Trong đó mỗi trạng thái của electron đơn được đặc trưng bởi 4 giá trị
lượng tử đó là: n số lượng tử
chính, l số lượng tử quĩ đạo, m số lượng tử từ, s số
lượng tử spin. Đối với mỗi một nguyên tử hoặc một ion, các trạng thái lượng tử của
mỗi electron đơn được viết thành một biểu thức có dạng n
2S + 1
L
J
,

Một cách chặt chẽ

nhau của ion Er
3+
được trình bày trên hình (1.9).

Hình 1.9 Giản đồ các mức năng lượng và các dịch chuyển liên quan của ion Er
3+
5
Có thể thấy rõ các bức xạ mạnh nằm ở vùng bước sóng 1540 nm, tương ứng với dịch
chuyển
4
13 / 2
I
→
4
15 / 2
I
. Đây là chuyển dịch quan trọng của ion Er
3
. Đặc điểm nổi bật của ion
Er
3+

2
) thì xác suất chuyển dời hấp thụ photon năng lượng (E
2
- E
1
) sẽ tỷ lệ với tiết diện hấp
thụ σ
12
và bức xạ tỷ lệ với tiết diện bức xạ σ
21
.
1.4. Lựa chọn các bước sóng bơm quang học thích hợp cho Er
3+

Chúng tôi xét các dải bơm: dải bơm 800 nm, 980 nm, và 1480 nm. Chúng tôi đã lựa
chọn dải bơm 980 nm để bơm quang cho các laser vi cầu, vi thoi vì: sự dịch chuyển
4
I
15/2

→
4
I
11/2
tương ứng với một dải hấp thụ giữa 970 và 980 nm. Các bộ khuếch đại và laser
bơm ở dải này có chế độ làm việc tốt nhất với hệ số khuếch đại và hiệu suất khuếch đại
xác định và giới hạn ồn nhiễu lượng tử khoảng 3dB, công suất ra lớn và hiệu suất chuyển
đổi lượng tử có thể đạt 90%. Ngưỡng bơm cho chuyển d
ời này tương đối thấp
1.5. Kết luận chương1. Chương này, chúng tôi đã tìm hiểu về tính chất quang của ion Er

điều kiện kết hợp pha sau khi đi hết một vòng chu vi hình cầu thì các sóng đứng cộng hưởng
xuất hiện. Các cộng hưởng này được gọi là "các cộng hưởng phụ thuộc hình thái học
(Morphology Dependent resonances- MDRs)" do các tần số cộng hưởng này phụ thuộc
mạnh vào thông số kích thước. Các mode cộng hưởng này thường gọi là các "Whispering
Gallery Mode (WGM)".
2.1 Các buồng vi cộng hưởng là các hệ mesoscopic mở
Thuật ngữ buồng vi cộng hưởng được sử dụng là hệ trung bình (mesoscopic) được
giải thích như sau: gọi kích thước dài của hệ là a và bước sóng đặc trưng là λ, thông số
kích thước: X ≈ a/λ (2.1). Với giá trị X có thể phân được ba trường hợp với giả thiết bức xạ có
λ ≈ 1 μm. Thứ nhất đối với các h
ệ có kích thước cỡ phân tử và nguyên tử, a ≈ 1nm, khi đó X
<< 1. Các hệ hoạt động như là một chất điểm khi tương tác với trường bức xạ có dạng lưỡng
cực (hoặc đa cực).Thứ hai nếu hệ là vĩ mô (macroscopic), a ≈1 cm và khi đó X >>1 thì
có thể áp dụng quang hình. Phôton có thể coi như là chất điểm. Cuối cùng những buồng
vi cộng hưởng có kích thước là a ≈1-100μm (là hệ trung bình-mesoscopic). Khi đ
ó X sẽ
không đủ nhỏ để hệ có thể coi như là một điểm và cũng không đủ lớn để phôtôn được xem
là một điểm. Hệ này thu hút rất nhiều quan tâm do kích thước hệ vào cỡ bước sóng đặc
trưng. Trong trường hợp X khá lớn (X>100) thì sử dụng quang hình là thích hợp tuy nhiên
phải có hiệu chỉnh. Mặt khác các buồng vi cộng hưởng là những hệ mở, Khi tính đến ghép
nối lối ra năng lượ
ng ở bên trong buồng vi cộng hưởng sẽ liên tục bị suy hao ra bên ngoài.
Do đó, về phương diện vật lý, các buồng vi cộng hưởng như vậy là không bảo toàn
(nonconservative), còn về mặt toán học thì các toán tử sẽ là không hecmitic (non-hermitian).
Các quá trình quang học trong buồng vi cộng hưởng có các hiệu ứng mà hầu hết
được phát hiện do sự thay đổi của các mode trong buồng vi cộng hưởng.
2.2. Các hệ mô hình đơn giản. 7
2.2.2. Vi cầu điện môi - quang sóng
Sự mô tả chính xác các hệ này dựa trên phương trình Maxwell đối với một tầ
n số ω
hữu hạn và với đơn vị trong đó C =1:
(
)
(
)
0
2
=−×∇×∇ ErE
εω
(2.23)
giả thiết rằng hằng số điện môi ε chỉ phụ thuộc vào bán kính r, có nghĩa là hệ có đối xứng cầu. Các
mode điện ngang (TE) được đặc trưng bởi:
(
)
(
)
(
)
φ
θ
,
lmm

c giới hạn bởi mặt phân cách thủy tinh-không khí,
với góc tới lớn hơn góc giới hạn sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, do tính đối xứng
cầu nên tất cả các góc tới tiếp sau đó đều giống nhau và tia sáng bị bẫy trong vi cầu. Nếu
ngẫu nhiên có tia sáng nào đó đi một vòng quanh chu vi cầu lại đúng bằng số nguyên lần
bước sóng trong môi trường thì sóng dừng sẽ xuất hiện, ta có buồng vi cộng hưởng ngẫu
nhiên. Qua khảo sát lý thuyết chúng tôi nhận thấy tần số của phổ bức xạ và số mode phụ
thuộc vào kích thước của vi buồng cộng hưởng.
CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LASER VI CẦU, VI THOI TRÊN CƠ SỞ THỦY TINH
PHA TẠP Er
3+
NỒNG ĐỘ CAO
Để chế tạo các vi cầu vi thoi đáp ứng được các yêu cầu, cần chọn loại vật liệu thích hợp,
đó là có độ truyền qua quang học cao và có tác dụng quang học là một môi trường hoạt tính
quang mạnh trong vùng phổ mà thông tin quang và cảm biến quang quan tâm nằm trong vùng
từ 980 nm đến 1600 nm Chúng tôi đã sử dụng vật liệu thủy tinh pha tạp nồng độ cao được chế
tạo theo phương pháp sol-gel. Chương này sẽ trình bày ph
ương pháp chế tạo vi cầu, vi thoi và
kết quả khảo sát các buồng cộng hưởng vi cầu đã được chế tạo.
3.1 Phương pháp chế tạo vật liệu thủy tinh pha tạp đất hiếm nồng độ cao
Vật liệu để chế tạo laser vi cầu hoặc vi thoi, phải đáp ứng được yêu cầu là:vật liệu đó
phải truyền dẫn quang và có chứa các tâm phát quang mạnh trong vùng bước sóng cần thiết.
Vật liệu thuỷ tinh chứa ion Er
3+
nồng độ cao pha trong thuỷ tinh, có vùng bước sóng được sử
dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang hiện nay do các chuyển dời
4
I
13/2→
4

tạo dưới dạng các sợi như các sợi quang đơn mode. Sợi thuỷ tinh pha tạp đất hiếm Er
3+
tiếp
tục được kéo dài thành sợi mảnh trong nguồn nhiệt hoặc được ăn mòn trong dung dịch HF
nồng độ 10-15% để tạo thành các sợi nhọn mảnh đường kính vài micromet. Sau đó sợi thủy
tinh được nung chảy cục bộ một đầu bằng nguồn nhiệt hồ quang điện hoặc bằng tia laser CO
2

công suất cao như đã mô tả ở trên. Vi cầu được tạo thành trên một cuống sợi. Hiện tại chúng
tôi sử dụng phương pháp này để chế tạo các vi cầu có đường kính từ 40 μm đến 200 μm. Tuy
nhiên phương pháp này có yếu điểm là không thể chế tạo được các loại vi cầu có đường kính
giống hệt nhau.
*Chế tạo vi thoi thủy tinh: Chúng tôi đã chế tạo các vi thoi (microtoroidal) theo các bước
đượ
c mô tả trên hình vẽ 3.3 và được trình bày như sau: đầu tiên tạo ra các vi cầu thủy tinh với
đường kính khoảng từ 30μm đến 100 μm bằng phương pháp nóng chảy nhiệt hồ quang hoặc
bằng chùm tia laser CO
2
công suất 10W như đã nêu ở trên.
Hình 3.3
Qui trình chế tạo laser vi thoi bằng phương pháp nhiệt
Sau đó chúng tôi tạo ra các vi thoi bằng cách chiếu chùm tia laser CO
2
công suất cao lên vi

a thủy tinh điện môi - không khí
gần như lý tưởng. Chúng tôi đã khảo sát chất lượng bề mặt của vi cầu bằng kính hiển vi điện
tử SEM và đã không phát hiện thấy bất kỳ khuyết tật hình thái nào trên bề mặt cầu. Hình 3.4
trình bày ảnh chụp bề mặt vi cầu dưới kính hiển vi điện tử với độ phân giải ±2nm cho thấy
sự hoàn hảo về mặt hình thái học của vi cầu. Trên bề mặt đạt tới cấp phân tử (< 1 nm) và độ
hoàn hảo của cầu về đường kính.

Hình 3.4 Ảnh SEM chụp (a) vi cầu chế tạo bằng phương pháp phóng điện
hồ quang và ( b) bề mặt hoàn hảo đến cấp độ phân tử .
Quan sát hình ảnh vùng bức xạ màu lục của laser vi cầu khi bơm công suất quang
mạnh. Có thể dễ dàng quan sát hình ảnh của các mode trong mặt phẳng quỹ đạo do bức xạ
biến đổi ngược (up-conversion) của ion Er
3+
, vòng tròn bức xạ màu lục là bức xạ chuyển đổi
ngược ở bước sóng 540 nm khi có hấp thụ photon bơm trên mức kích thích. Vùng phát laser
là các mặt phẳng xích đạo của cầu song song với hướng bơm và mỗi mode laser sẽ chiếm
một trong các mặt phẳng này. Việc nghiên cứu phổ bức xạ của laser vi cầu, vi thoi sẽ được
trình bày ở phần sau của luận án.
3.3.3 Hệ số phẩm chất Q của vi cầ
u: Các cộng hưởng vi cầu có thời gian giam giữ dài do
MDR ( Morphology Dependent Resonance - Cộng hưởng phụ thuộc hình thái học) trong đó
ánh sáng lan truyền quanh chu vi bị bẫy bởi phản xạ toàn phần trên bề mặt phân cách cầu -
1−
rad
Q triệt tiêu theo
hàm mũ với kích thước tăng do đó có thể bỏ qua đối với D/λ ≥ 50 ( D - đường kính vi
cầu, λ - bước sóng).
1
.
−
ss
Q
có thể là phổ biến cho các cầu kích thước trung bình, theo[31],[61]
Q
s.s
=
Bn
D
22
2
2
σ
λ
(3.7); Q
mat
=
αλ
π
n2
(3.8);
10
10.3

=
=
r
HH
φ
). Kết quả là, sự phân bố trường
điện của các mode TE chỉ tập trung trên các tia (bán kính).
Sự phân bố cường độ mode WGM của một vi cầu
Một công thức rất hữu ích được đề cập trong [135], ở đây các vị trí cộng hưởng
gần đúng được dẫn ra bằng cách khai triển gần đúng của phương trình đặc trưng theo
bậc l
-1/3
. Bốn số hạng đầu tiên trong khai triển được cho bởi:
(
)
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝

1
2
0
31
2
1
2
31
2
1
0
2
1
2202
1
2
/
n
//
n
a
nmlp
l
O
m
t
l
m
p
l

⎝
⎛
−≈−≡Δ
−
>>
+
3
1
3/2
0
1
1
l
t
mRn
c
n
a
l
nmlnmlFSR
ωωω
(3.17) 12
Với các vi cầu đề cập trong luận án này, bước sóng cộng hưởng được định xứ trong vùng
cửa sổ viễn thông. Chúng tôi đã sử dụng công thức (3.17) đối với mode bán kính n = 1,
(
o
n

λ
(3.20)
Trong đó D là đường kính của cầu. Chúng tôi đã sử dụng công thức (3.20) để tính được thể
tích các mode cực l bức xạ tại bước sóng 1550 nm. Kết quả tính toán được trình bày trên
hình 3.9. Các kết quả tính toán về thể tích mode sẽ được sử dụng để chế tạo các đầu thu góp
tín hiệu WGM bức xạ từ laser vi cầu được trình ở các chương tiếp theo. 3.4 Kết luận chương 3 : Trong chương này chúng tôi đã trình bày các phương pháp chế tạo
các vi cầu, vi thoi từ vật liệu thủy tinh silica -alumino pha tạp ion Er nồng độ cao theo
phương pháp sol - gel. Vật liệu được lựa chọn để chế tạo pha tạp Er nồng độ từ 1250 ppm
Thể tích mode (μm
3
)
Đường kính cầu (μm)
Vùng phổ tự do (nm)
Đường kính cầu (μm)
Hình 3.8 Kết quả tính toán vùng phổ tự
do
Δλ
FSR
= |λ
nml
-λ
nml+1
| cho mode (n = 1, l
Hình 3.9 Thể tích mode cực l, bức xạ tại

góc tới thích hợp tạo điều kiện phản xạ toàn phần trong vi cầu. Việc chọn hướng thu và góc thu
thích hợp sẽ cho phép thu và điều chế được các mode WGM.
4.1 Lý thuyết ghép nối vi cầu-sợi bơm thu góp quang.
4.1.3 Sự phù hợp pha : kết quả tính toán đường kính sợi quang hình chóp nón thu góp để
thu góp mode TE cơ bản của một vi cầu silica tại bước sóng 1550 nm. Cả
hai trường hợp
mô hình đơn giản và chính xác cùng được chỉ ra. Số liệu cho thấy mô hình phù hợp pha
chính xác đòi hỏi đường kính sợi quang nhỏ hơn và đồng nhất với đường kính một vi cầu.Ví
dụ, với một vi cầu đường kính 100
m
μ
, để thu được bức xạ tại 1550 nm dưới điều kiện phù
hợp pha ta cần một hình nón đường kính khoảng từ 2,15 đến 2.41
m
μ
.
4.2 Các phương pháp ghép nối
*Ghép nối lăng kính: sử dụng lăng kính chiết suất cao để ghép quang, phương pháp này
cồng kềnh và kém ổn định. 14
*Phương pháp bơm và thu tín hiệu quang bằng sợi vuốt thon lai: Đây là phương pháp ghép
nối rất mới, bơm và thu tín hiệu quang bằng cách sử dụng ghép nối sợi vuốt thon lai. Ghép
nối đầu sợi lai là kết hợp sợi SMF 980 nm và sợi SMF 1550 nm
* Bơm và thu tín hiệu quang bằng sợi vuốt nhọn hình chóp nón: Phương pháp này có ưu
điểm là các sợi quang dạng nón có thể tạo ra được với hao phí thấp, các sợi quang dạng nón
cho phép kích thích với hi
ệu suất cao WGM, với các hao phí cảm ứng có thể bỏ qua được.
Chúng tôi chọn phương pháp này để bơm và thu tín hiệu quang
15
(OSA) máy HQ 8284 với độ phân giải 0,01nm. Hệ thống máy tính với cổng GPIB. Sơ đồ
thiết bị thí nghiệm của chúng tôi được mô tả trên hình 4.15 và 4.16.

Hình 4.12 Sơ đồ thí nghiệm cho bơm và thu góp tín hiệu (a) cấu hình theo chiều kim đồng hồ (CW)
( b) cấu hình hướng ngược chiều kim đồng hồ (CCW).
4.3.3. Kết quả thực nghiệm cho laser vi cầu
*Laser bơm cho vi cầu: chúng tôi đã sử dụng một laser điot đa mode phát liên tục ở vùng
980 nm, công suất quang cực đại đạt tới 650 mW để khảo sát huỳnh quang của quả cầu. Để
bơm cho laser vi cầu chúng tôi sử dụng loại laser bán dẫn phát đơn mode bức xạ tại vùng
980 nm được ghép nối với sợi quang đơn mode cho bước sóng 980 nm (đường kính lõi
dẫn sáng 5 micromet) Công suất củ
a laser bơm có thể đạt đến 160 mW trong một mode bức
xạ. Đầu thu nhận tín hiệu laser (thu các mode WGM) cũng cần tuân thủ điều kiện tương
thích ghép nối các mode bức xạ từ mặt cầu vào sợi quang dạng chóp nón.
* Hệ thống ghép nối giữa đầu bơm và đầu thu các sợi quang với vi cầu Trong thí nghiệm của
chúng tôi, cả hai cấu hình đầu dò được sử dụng (hình 4.12). Đầu tiên đầu dò sợi vu
ốt nhọn
chóp nón được đặt theo hướng nối giữa bơm và vi cầu để nối tín hiệu theo chiều kim đồng
hồ xem hình 4.12a. Trong cấu hình khác, đầu dò được đặt theo hướng tán xạ phía sau để
nối tín hiệu ngược chiều kim đồng hồ xem hình 4.12b.


- Đường kính sợi quang bơm và thu tín hiệu laser từ 2- 5µm. Góc nón của sợi bơm và
thu nhận quang có thể khác nhau và nằm trong khoảng 10 - 20
0
.
- Khoảng cách giữa buồng vi cộng hưởng và sợi bơm, hoặc thu tín hiệu quang sẽ quyết định
hiệu quả bơm và số lượng mode WGM thu được từ laser vi cầu, vi thoi. Các kết quả thực
nghiệm về ghép nối vi cầu và sợi quang thu nhận tín hiệu cho thấy: với khoảng cách d ≈ 0,2 ÷ 3
µm cho hiệu suất thu nhận tín hiệu quang tốt và có thể điều khiển được số lượng mode WGM
từ đơ
n mode đến đa mode. Kết quả thực nghiệm về bức xạ laser và kiểm soát số mode WGM
thu được từ vi cầu, vi thoi sẽ được trình bày trong chương 5 của luận án này.
* Phổ bức xạ của laser vi cầu: phổ của các bức xạ laser từ vi cầu trong các trường hợp
ghép nối thuận chiều kim đồng hồ (CW) và nghịch chiều kim đồng hồ (CCW) cũng được
nghiên cứu. Chúng tôi nhận thấy công suất bức xạ của các mode WGM bức xạ từ laser vi cầu thu nhận
theo chiều kim đồng hồ lớn hơn công suất laser thu nhận ngược chiều kim đồng hồ. Số
mode thu được theo chiều kim đồng hồ cũng có xu hướng nhiều hơn. Kết quả này hoàn
toàn phù hợp với kết quả tính toán các mode cộng hưởng CW và CWW trình bày trong
công thức (4.26) và (4.27).

vi cầu theo chiều kim đồng hồ có số mode lớn hơn và công suất các mode là cao hơn so với
phổ bức xạ laser theo chiều ngược lại.
CHƯƠNG 5
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN CẤU TRÚC PHỔ THU GÓP
CỦA LASER VI CẦU, VI THOI.
Trong chương này chúng tôi nghiên cứu phổ bức xạ của laser vi cầu, vi thoi, sự phụ
thuộc của ngưỡng bức xạ, mode bức xạ, công suất bức xạ của laser vào các yếu tố khác nhau
như: công suất bơm, kích thước vi cầu và phương pháp ghép nối giữa các đầu bơm, thu tín
hiệu với các buồng vi cộng hưởng để điều khiển số lượng mode bức xạ của chùm laser thu
được. Sơ đồ thí nghiệm đã được chúng tôi mô tả ở chương 4 [121-127].
5.1 Phổ bức xạ huỳnh quang của quả cầu thủy tinh silica -alumina pha Er
3+

* Đánh giá bức xạ huỳnh quang của vi cầu: kết quả đo cường độ huỳnh quang bức xạ từ các vi
cầu trên nền vật liệu thuỷ tinh silica alumina pha tạp ion Er có nồng độ pha tạp khác nhau cho thấy:
Cường độ bức xạ huỳnh quang của vật liệu thuỷ tinh có nồng độ pha tạp Er từ 1250 ppm đến dưới
10.000 ppm sẽ tăng đều. Đỉnh phổ bức xạ huỳnh quang của quả cầu pha tạp Er
3+
nằm trong vùng
bước sóng 1530nm không đổi khi công suất bơm thay đổi là có ý nghĩa vì đây là vùng phổ bức xạ
của các ion Er nằm trong vùng cửa sổ viễn thông mà chúng ta đang quan tâm nghiên cứu.

* Hiệu ứng bức xạ chuyển đổi ngược trong laser vi cầu pha tạp Er
3+
nồng độ cao.
Khi tiến hành khảo sát các vi cầu được chế tạo có đường kính từ 40-200μm đều có thể
bức xạ huỳnh quang khi bơm bằng laser bước sóng 980nm. Bức xạ chuyển đổi ngược tại bước
sóng 540 nm (mầu lục) luôn luôn nhận được khi công suất bơm quang tại 980nm đủ lớn. Hình
5.2 là bức xạ chuyển đổi ngược tại (540nm) của laser vi cầu ( trong khuôn khổ luận án bên trái)
và bên cạnh là hình ảnh vi cầ

bơm
= 2mW ), với công suất bơm dưới ngưỡng bức xạ của laser. Hình 5.3 Phổ bức xạ siêu huỳnh quang của laser vi cầu đường kính 90µm công suất
1,5 mW (trái).Vi thoi đường kính 110µm công suất bơm 2mW (dưới ngưỡng)(Phải )
Hình 5.4 trình bày phổ WGM đơn mode của vi cầu đường kính 90µm tại ngưỡng 1,7 mW.
Hình 5.5 trình bày phổ WGM của laser vi cầu đường kính 100µm, công suất bơm là 2 mW .
Bước sóng (nm)
Bước sóng (nm)
Công suất quang (dBm)
Laser vi cầu
Công suất quang (dBm)
Laser vi thoi 19

So sánh từ 2 phổ bức xạ của laser thu được, chúng tôi thấy với công suất bơm tại
ngưỡng phổ thu được từ 2 laser này đều là đơn mode, với đường kính cầu khác nhau ngưỡng
bơm cho laser vi cầu là khác nhau và bước sóng bức xạ laser không trùng nhau, tuy nhiên

l
à 90
µ
m
)

Hình 5.5 Phổ WGM khi bơm tại
ngưỡng (2mW).tại bước sóng 1600,43
nm, P
ra
= -50,88 dBm (laser vi cầu với
đường kính 100µm)
20
thống ghép nối bơm thu tín hiệu không thay đổi. Kết quả nghiên cứu sẽ được trình bày
trong các mục sau 5.3.2 (đối với vi cầu) và mục 5.3.3 ( đối với vi thoi).

g
976±2nm.
Hình 5.8 Phổ của laser vi cầu đường kính
90
μ
m tại bước sóng 1559nm khi công
suất bơm 70mW, công suất lối ra tăng lên
đ
ến
-
7,5 dBm.
21
bên phải) có cùng công suất và bước sóng bơm 978 nm, với cùng chế độ như nhau, chúng
tôi nhận thấy số mode của phổ do laser vi thoi thu được ít hơn số mode của phổ laser vi cầu

5.3.4 Tính toán với các mode phổ WGM của laser vi cầu Các kết quả tính toán lý thuyết
này hoàn toàn phù hợp với kết quả thu được từ thực nghiệm với buồng cộng hưởng cầu đường
kính 90μm cho các mode TE với số mode cực l từ 530 đến 536 (xem hình 5.16) và cho các

,53
4
TM
2,533
TM
2,532
TM
2,530
Bước sóng (nm)
Côn
g
suất
q
uan
g

(
dBm
)

1520 1540 1560 1580 1600
-60
-55
-50
-45
-40
-35
-30
-25
()

Hình 5.11 Phổ của laser vi thoi
đường kính 110
μ
m khi công suất
bơm 3W

Hình 5.12 Phổ của laser vi thoi đường
kính 110
μ
m khi công suất bơm 90W so
sánh với
p
hổ của vi cầu ở
g
óc.
Bước sóng (nm)
Côn
g
suất
q
uan
g
(dBm)