Điều kiện cộng hưởng Bragg được xác định theo công thức nào?

Điều kiện phản xạ cực đại Bragg được xác định bởi phương trình 2*n_eff*Lambda = m*lambda_B, trong đó n_eff là chiết suất hiệu dụng của môi trường truyền sáng, Lambda là chu kỳ không gian của cấu trúc biến đổi chiết suất, m là bậc nhiễu xạ và lambda_B là bước sóng Bragg được phản xạ.

Lưới Bragg khác gì so với lưới Bragg sợi quang (FBG)?

Lưới Bragg là khái niệm vật lý quang học tổng quát chỉ mọi cấu trúc có chiết suất biến thiên tuần hoàn (bao gồm lưới Bragg thể tích VBG, gương DBR trong laser bán dẫn, và cách tử quang học). Lưới Bragg sợi quang (FBG) là một trường hợp ứng dụng con chuyên biệt khi cấu trúc này được khắc trực tiếp vào lõi của sợi quang.

Tại sao lưới Bragg được ứng dụng rộng rãi trong cảm biến đo lường kết cấu?

Khi chịu tác động của lực kéo nén, áp suất hoặc nhiệt độ, chu kỳ không gian và chiết suất hiệu dụng của lưới Bragg thay đổi, làm bước sóng phản xạ dịch chuyển tuyến tính. Tín hiệu này được mã hóa trực tiếp bằng bước sóng nên hoàn toàn miễn nhiễm với biến động công suất nguồn sáng và nhiễu điện từ.

Lưới bragg là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Lưới Bragg là cấu trúc quang học có chiết suất biến thiên tuần hoàn dọc theo phương truyền sáng, hoạt động dựa trên nguyên lý giao thoa Bragg để phản xạ chọn lọc bước sóng Bragg $\lambda_B$ và cho các bước sóng khác truyền qua với suy hao tối thiểu.

Nguyên lý hoạt động và điều kiện Bragg

Khi sóng ánh sáng lan truyền qua môi trường có chiết suất biến đổi tuần hoàn, mỗi mặt phân cách phản xạ một phần năng lượng sóng. Tại bước sóng thỏa mãn điều kiện cộng hưởng pha Bragg, các sóng phản xạ giao thoa tăng cường tạo nên đỉnh phản xạ phổ hẹp:

$2n_{\text{eff}}\Lambda = m\lambda_B$

Trong đó, $n_{\text{eff}}$ là chiết suất hiệu dụng của mode dẫn truyền quang, $\Lambda$ là chu kỳ không gian của cấu trúc lưới, $m$ là bậc phản xạ nhiễu xạ (thông thường bậc cơ bản $m = 1$ ), và $\lambda_B$ là bước sóng Bragg phản xạ cực đại.

Thông số vật lý	Ký hiệu	Dải giá trị điển hình
Chiết suất hiệu dụng	n_eff	1,44 đến 1,47 (thủy tinh silica)
Chu kỳ điều chế	Λ	0,5 µm đến 1,1 µm
Bước sóng phản xạ	λ_B	1,3 µm đến 1,55 µm (băng thông viễn thông)

Phổ phản xạ của lưới có thể được điều chỉnh chính xác thông qua việc thay đổi chu kỳ $\Lambda$ hoặc chiết suất $n_{\text{eff}}$ . Khi có tác động của nhiệt độ hay biến dạng cơ học, bước sóng phản xạ $\lambda_B$ dịch chuyển tỷ lệ thuận, tạo tiền đề cho các ứng dụng cảm biến quang học độ nhạy cao.

Phân loại các cấu trúc lưới Bragg

Tùy theo quy luật phân bố chiết suất và chu kỳ, lưới Bragg được phân thành các nhóm cấu trúc chính:

Lưới đồng nhất (Uniform Bragg Grating): Cấu trúc có chu kỳ và biên độ điều chế chiết suất không đổi, tạo phổ phản xạ hẹp và đối xứng.
Lưới biến chu kỳ (Chirped Bragg Grating): Chu kỳ $\Lambda$ thay đổi đơn điệu dọc theo trục quang, phản xạ dải bước sóng rộng và tạo độ trễ nhóm phụ thuộc bước sóng, ứng dụng bù tán sắc tín hiệu quang.
Lưới suy giảm biên độ (Apodized Bragg Grating): Biên độ điều chế chiết suất biến thiên theo hàm cửa sổ nhằm triệt tiêu các búp sóng phụ trong phổ phản xạ.
Lưới dịch pha (Phase-shifted Bragg Grating): Đưa bước dịch pha vào giữa cấu trúc để tạo khe truyền dẫn cực hẹp ngay tại tâm dải phản xạ.
Lưới Bragg thể tích (Volume Bragg Grating - VBG): Ghi trên khối thủy tinh quang học nhằm định hình chùm tia laser và kết hợp công suất laser công suất lớn.

Mô hình hóa lý thuyết ghép mode (Coupled-Mode Theory)

Sự tương tác trao đổi năng lượng giữa mode sóng truyền tới và mode sóng phản xạ được mô tả chặt chẽ bằng hệ phương trình vi phân ghép mode:

$\frac{dA(z)}{dz} = -j\kappa B(z)e^{-j2\delta z}, \quad \frac{dB(z)}{dz} = -j\kappa A(z)e^{j2\delta z}$

Trong đó, $A(z)$ và $B(z)$ lần lượt là biên độ phức của mode truyền thuận và mode truyền nghịch dọc theo tọa độ trục $z$ ; $\kappa$ là hệ số ghép quang xác định độ mạnh tương tác; và $\delta$ là độ lệch sóng so với điều kiện cộng hưởng Bragg. Từ hệ phương trình này, hệ số phản xạ phổ $R(\lambda)$ được xác định chính xác bằng phương pháp ma trận truyền (Transfer Matrix Method).

Công nghệ chế tạo

Lưới Bragg thường được chế tạo dựa trên hiệu ứng quang nhạy của thủy tinh silica pha tạp nguyên tố germanium khi chiếu xạ tia tử ngoại (UV). Dưới tác động của chùm laser tử ngoại, các khuyết tật mạng được hình thành và làm tăng vĩnh viễn chiết suất cục bộ.

Phương pháp mặt nạ pha (phase mask) là kỹ thuật sản xuất tiêu chuẩn công nghiệp phổ biến nhất nhờ độ lặp lại cao, ngoài ra kỹ thuật giao thoa toàn ảnh và khắc trực tiếp bằng laser xung siêu ngắn femtosecond được sử dụng cho các vật liệu chuyên dụng.

Ứng dụng thực tiễn

Lưới Bragg giữ vị trí then chốt trong hạ tầng công nghệ quang tử hiện đại:

Hệ thống viễn thông ghép kênh WDM: Hoạt động như bộ lọc kênh quang sắc nét, gương ổn định bước sóng trong các diode laser DFB và bộ bù tán sắc đường truyền.
Cảm biến kết cấu công trình: Đo lường biến dạng cơ học, độ rung và phân bố nhiệt độ trong kết cấu cầu đường, đập thủy điện, cánh máy bay và ngành dầu khí nhờ khả năng ghép kênh nhiều cảm biến trên cùng một đường truyền.
Y sinh học: Đo áp lực nội sọ, nhịp tim và tích hợp trong các đầu dò y tế can thiệp tối thiểu nhờ kích thước nhỏ gọn và tính tương thích sinh học.