Tính Toán Mô Phỏng Các Thông Số Trường Quang Tại Vùng Hội Tụ Của Vật Kính Có Khẩu Độ Số Cao Sử Dụng Trong Hệ Khắc Laser Trực Tiếp Ứng Dụng Cho Chế Tạo Cấu Trúc Vật Liệu Nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN MẠNH HIẾU

TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ

TRƯỜNGQUANG TẠI VÙNG HỘI TỤ CỦA VẬT KÍNH

CÓ KHẨUĐỘ SỐ CAO SỬ DỤNG TRONG HỆ KHẮC

LASERTRỰC TIẾP ỨNG DỤNG CHO CHẾ TẠO CẤU

TRÚCVẬT LIỆU NANO

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

HÀ NỘI - 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN MẠNH HIẾU

TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ TRƯỜNG

QUANG TẠI VÙNG HỘI TỤ CỦA VẬT KÍNH CÓ KHẨU

ĐỘ SỐ CAO SỬ DỤNG TRONG HỆ KHẮC LASER

TRỰC TIẾP ỨNG DỤNG CHO CHẾ TẠO CẤU TRÚC

VẬT LIỆU NANO

Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano

Mã số: 8440126.01QTD

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN QUỐC TIẾN

HÀ NỘI – 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng

dẫn của TS. Trần Quốc Tiến- Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và

Công nghệ Việt Nam. Các kết quả đưa ra trong luận văn này là do tôi thực hiện. Tôi

xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước Nhà trường về lời cam đoan này.

Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2019

Học viên thực hiện

Nguyễn Mạnh Hiếu

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự quan tâm, hỗ trợ và giúp đỡ từ

nhiều cá nhân và đơn vị.

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Trần Quốc Tiến, người đã trực

tiếp hướng dẫn, đóng góp ý kiến và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận

văn này.

Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến TS. Tống Quang Công, TS. Vũ Thị Nghiêm,

KTV. Phạm Văn Trường cùng các anh chị tại phòng Laser bán dẫn- Viện Khoa học

Vật liệu đã luôn động viên giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận văn này.

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến những thầy cô giáo đã giảng dạy tôi trong

hai năm qua, những người đã truyền đạt kiến thức cần thiết cho tôi trong thời gian tôi

học tập tại trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và những người thân đã hỗ

trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập cũng như trong thời gia n thực hiện khóa

luận này.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ TRƯỜNG QUANG TẠI

VÙNG HỘI TỤ CỦA VẬT KÍNH CÓ KHẨU ĐỘ SỐ CAO SỬ DỤNG

TRONG HỆ KHẮC LASER TRỰC TIẾP ỨNG DỤNG CHO CHẾ TẠO

CẤU TRÚC VẬT LIỆU NANO

Nguyễn Mạnh Hiếu

Khóa K23, chuyên ngành Vật liệu và linh kiện nano

Tóm tắt luận văn tốt nghiệp

Kỹ thuật khắc laser trực tiếp dựa trên sự polyme hóa của các vật liệu nhạy

quang khi xảy ra quá trình hấp thụ photon tại điểm hội tụ của chùm laser. Phương

pháp này dùng hệ quang học được biến đổi từ kính hiển vi quang học, ở đó một chùm

ánh sáng laser được hội tụ tại một vùng rất nhỏ (< 1λm3

) thông qua vật kính. Để hội tụ

được chùm laser xuống kích thước rất nhỏ phụ thuộc rất nhiều yếu tố khác nhau như

các thông số trường qua. Chính vì vậy, luận văn này tập trung chủ yếu vào mô phỏng

các thông số trường quang tại vùng hội tụ của vật kính có khẩu độ số cao sử dụng

trong hệ khắc laser trực tiếp ứng dụng cho chế tạo cấu trúc vật liệu nano.

Trong phần đầu tiên của luận án, chúng tôi đã đưa ra lý thuyết nhiễu xạ ánh

sáng và nghiên cứu sự nhiễu xạ ánh sáng trong một hệ vật kính. Từ đó, đưa các thông

số ảnh hưởng đến sự phân bố cường độ của vùng hội tụ tạo bởi vật kính như khẩu độ

số của vật kính, chiết suất môi trường và sự phân cực của chùm tia tới. Phần tiếp theo,

chúng tôi nghiên cứu lý thuyết Debye về sự hội tụ của sóng điện từ. Dựa trên lý thuyết

vector Debye, chúng tôi đã nghiên cứu về mặt lý thuyết sự phân bố của các vùng hội tụ

của các vật kính có khẩu độ số cao. Từ đó, chúng tôi đưa ra phương pháp tính toán số

và mô phỏng trường điện từ của vùng hội tụ dựa trên công cụ matlab. Cuối cùng,

chúng tôi đưa ra các kết quả mô phỏng theo các thông số đã nghiên cứu như khẩu độ

số, chiết suất môi trường và phân cực của chùm tia laser tới. Kết quả tính toán mô

phỏng cho thấy, khi ánh sáng được hội tụ xuống kích thước micromet thì kích thước

vùng hội tụ này phụ thuộc nhiều từ các thông số này. Sau đó, chúng tôi đã đối chiếu

kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm. Từ những kết quả cho thấy, việc tính toán

mô phỏng các thông số trường quang tại vùng hội tụ có ý nghĩa quan trọng, để đưa ra

các thông số trường quang của vật kính có khẩu độ số cao ứng dụng chế tạo các cấu

trúc quang tử 2 hay 3 chiều (2D, 3D) bằng phương pháp hấp thụ một photon cực thấp

(LOPA).

Từ khóa: Khắc laser trực tiếp, vật kính, khẩu độ số, nhiễu xạ ánh sáng.

1

MỤC LỤC

VIẾT TẮT ......................................................................................................................3

GIỚI THIỆU..................................................................................................................4

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.............................................................................8

1.1. Nhiễu xạ ánh sáng...................................................................................................8

1.1.1. Nhiễu xạ ánh sáng của sóng cầu. .......................................................................8

1.1.2. Nhiễu xạ ánh sáng của sóng phẳng ..................................................................12

1.2. Giới thiệu công nghệ khắc laser trực tiếp ..........................................................18

1.2.1. Công nghệ khắc laser trực tiếp.........................................................................18

1.2.2. Vật liệu cảm quang truyền thống (polymer) cho công nghệ khắc laser trực tiếp

....................................................................................................................................19

1.2.3. Phương pháp chế tạo cấu trúc bằng khắc laser hấp thụ đa photon ..................20

1.2.4. Phương pháp chế tạo cấu trúc bằng khắc laser hấp thụ một photon................21

1.2.5. Các ứng dụng điển hình của cấu trúc chế tạo bằng phương pháp khắc laser

trực tiếp. .....................................................................................................................26

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CƠ BẢN VỀ PHÂN BỐ ÁNH SÁNG TRONG

VÙNG HỘI TỤ CỦA MỘT VẬT KÍNH CÓ KHẨU ĐỘ SỐ CAO. ......................27

2.1. Sự nhiễu xạ ánh sáng trong một hệ thống vật kính...........................................27

2.1.1. Tiêu chuẩn Rayleigh. .......................................................................................28

2.1.2. Phân bố ánh sáng trong vùng hội tụ của một vật kính có khẩu độ số cao. ......30

2.2. Sự dịch chuyển tiêu cự của chùm tia hội tụ khi đặt trong môi trường chiết

suất…............................................................................................................................33

2.3. Phương pháp tính toán số và mô phỏng dựa trên công cụ matlab..................35

2.4. Nghiên cứu cơ bản về phân bố EM trong môi trường hấp thụ........................36

2.4.1. Sự hội tụ của sóng điện từ trong môi trường hấp thụ. .....................................39

2.4.2. Khai triển tích phân Debye – Wolf. .................................................................40

2.4.3. Khai triển tích phân Debye- Wolf mở rộng. ....................................................40

2

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỀ PHÂN BỐ TRƯỜNG QUANG

TRONG VÙNG HỘI TỤ CỦA VẬT KÍNH CÓ KHẨU ĐỘ SỐ CAO. .................44

3.1. Phân bố ánh sáng trong vùng hội tụ theo khẩu độ số khác nhau. ...................44

3.2. Hình dạng và kích thước của chùm tia đầu vào tại vùng hội tụ. .....................45

3.3. Ảnh hưởng của chùm tia đầu vào về hình dạng và kích thước của vùng hội

tụ……............................................................................................................................46

3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng phân bố phân cực của chùm ánh sáng tới trong vùng

hội tụ mạnh của vật kính có khẩu độ số cao. ............................................................48

3.4.1. Phân bố ánh sáng tại vùng hội tụ của một chùm phân cực thẳng theo trục x..50

3.4.2. Phân bố ánh sáng tại vùng hội tụ của một chùm phân cực tròn.......................52

3.4.3. Phân bố ánh sáng tại vùng hội tụ của một chùm phân cực hướng tâm............53

3.4.4. Phân bố ánh sáng tại vùng hội tụ của một chùm phân cực phương vị.............55

3.5. Phân bố ánh sáng trong vùng hội tụ theo các môi trường chiết suất khác

nhau…...........................................................................................................................56

3.5.1. Phân bố ánh sáng tại vùng hội tụ trong cùng một môi trường chiết suất.........56

3.5.2. Phân bố ánh sáng tại vùng hội tụ trong môi trường chiết suất khác nhau .......57

3.6. Phân bố ánh sáng tại vùng hội tụ của một vật kính có khẩu độ số cao theo các

vị trí bề mặt khác nhau. ..............................................................................................60

3.7. So sánh đối chứng kết quả mô phỏng với thực nghiệm. ...................................61

3.7.1. Quan sát đối chiếu thực nghiệm và mô phỏng sự vùng hội tụ của một vật kính

có khẩu độ số cao theo khẩu độ số khác nhau. ..........................................................61

3.7.2. Ảnh hưởng của phân cực chùm tuyến tính và tròn tới sự phân bố cường độ

trong khu vực trọng tâm.............................................................................................63

KẾT LUẬN ..................................................................................................................67

PHỤ LỤC A .................................................................................................................68

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................71