Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu các tính chất động học và phát triển hệ laser rắn tử ngoại sử dụng vật liệu pha tạp ion Ce3+

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:130

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của Luận án nhằm nghiên cứu các quá trình động học phát xạ cho laser rắn tử ngoại Ce:LiCAF băng rộng, có khả năng phát đơn xung ngắn dưới nano giây. Đánh giá ảnh hưởng của năng lượng laser bơm, thông số BCH lên độ rộng xung laser lối ra. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu các tính chất động học và phát triển hệ laser rắn tử ngoại sử dụng vật liệu pha tạp ion Ce3+

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- PHẠM VĂN DƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC VÀ PHÁT TRIỂN HỆ LASER RẮN TỬ NGOẠI SỬ DỤNG VẬT LIỆU PHA TẠP ION Ce3+ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- PHẠM VĂN DƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC VÀ PHÁT TRIỂN HỆ LASER RẮN TỬ NGOẠI SỬ DỤNG VẬT LIỆU PHA TẠP ION Ce3+ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 944 01 10 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. PHẠM HỒNG MINH 2. GS. TS. NGUYỄN ĐẠI HƯNG HÀ NỘI – 2021
LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Khoa Vật lý, Học viện Khoa học & Công nghệ và Trung tâm Ðiện tử học Lượng tử, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam duới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Phạm Hồng Minh và GS.TS. Nguyễn Ðại Hưng. Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai Thầy hướng dẫn, đầu tiên là PGS.TS. Phạm Hồng Minh, người Thầy trực tiếp dẫn dắt, chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án này. Tôi xin gửi tới GS.TS. Nguyễn Ðại Hưng, nguời Thầy dã chỉ bảo tận tình, định huớng phương pháp nghiên cứu khoa học và động viên tôi trong suốt quá trình học tập. Tôi xin trân trọng cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hỗ trợ tôi trong thời gian nghiên cứu và thực hiện luận án. Dưới sự hỗ trợ tận tâm của Lãnh đạo, các Phòng, Ban đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian qua. Ðồng thời, học viên cũng gửi lời cảm ơn chân thành tới Trung tâm Vật lý Quốc tế và GS. N.Sarukura, Ðại học Osaka, Nhật Bản đã có sự hỗ trợ to lớn đối với NCS trong thời gian thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy, Cô, các Anh Chị và đồng nghiệp tại Viện Vật lý nơi tôi học tập và công tác, vì sự cộng tác và giúp đỡ quý báu để tôi hoàn thành bản luận án này. Tôi xin ghi nhớ sự quan tâm chỉ bảo của tất cả các Thầy, Cô, các Anh Chị và mọi người. Cuối cùng, tôi đặc biệt gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người luôn luôn yêu thương, tin tưởng, cổ vũ và động viên tôi trong quá trình học tập. Hà nội, ngày tháng năm 20.... Nghiên cứu sinh Phạm Văn Dương
LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan luận án Tiến sỹ Vật lý, chuyên ngành Quang học với đề tài: “Nghiên cứu các tính chất động học và phát triển hệ laser rắn tử ngoại sử dụng vật liệu pha tạp ion Ce3+” là đề tài nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Phạm Hồng Minh và GS.TS. Nguyễn Ðại Hưng. Các số liệu và tài liệu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Tất cả những tham khảo, các kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Hà nội, ngày tháng năm 20..... Nghiên cứu sinh Phạm Văn Dương
MỤC LỤC BẢNG KÝ HIỆU HOẶC CHỮ CÁI VIẾT TẮT........................................................ i DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU............................................................................... ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ................................................................. iii MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 1 CHƢƠNG I: VẬT LIỆU VÀ LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE................... 6 1.1. Các nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại và môi trƣờng Ce:Fluoride.................................................................................................... 6 1.1.1. Các nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại.......................................6 1.1.2. Laser tử ngoại sử dụng môi trường tinh thể pha tạp ion đất hiếm ..........9 1.1.3. Môi trường tinh thể Ce:LaF và Ce:LuF .................................................12 1.1.4. Môi trường tinh thể Ce:LLF và Ce:YLF ................................................13 1.1.5. Môi trường tinh thể Ce:LiSAF ...............................................................15 1.1.6. Môi trường tinh thể Ce:LiCAF ...............................................................17 1.2. Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn................................................ 21 1.2.1. Phát xung ngắn bằng các nguồn bơm xung ngắn ..................................21 1.2.2. Phát xung ngắn bằng phương pháp tự tiêm thụ động ............................22 1.2.3. Phát xung ngắn bằng phương pháp khóa mode BCH ............................23 1.2.4. Phát xung ngắn bằng phương pháp quá độ BCH ..................................24 1.3. Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng hẹp và điều chỉnh bƣớc sóng........ 25 1.3.1. Cấu hình sử dụng lăng kính ...................................................................25 1.3.2. Cấu hình sử dụng phin lọc lưỡng chiết ..................................................26 1.3.3. Cấu hình sử dụng cách tử .......................................................................27 Kết luận chƣơng I............................................................................................... 31 CHƢƠNG II: NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC CHO LASER TỬ NGOẠI SỬ DỤNG TINH THỂ Ce:LiCAF...........................32 2.1. Mô hình lý thuyết cho động học phát xạ laser đa bƣớc sóng.................. 32 2.1.1. Sơ đồ các mức năng lượng của ion Ce3+ pha tạp trong nền Fluoride ...32 i
2.1.2. Hệ phương trình tốc độ đa bước sóng mô tả động học phát xạ laser ....34 2.1.3. Thông số tính toán động học phát xạ sử dụng môi trường tinh thể Ce:LiCAF ..............................................................................................36 2.2. Động học phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF băng rộng và phát xung ngắn bằng phƣơng pháp quá độ buồng cộng hƣởng................................ 37 2.2.1. Động học phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng rộng.................37 2.2.2. Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên độ rộng xung laser lối ra ....40 2.2.3. Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra lên độ rộng xung laser lối ra .42 2.2.4. Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối ra ...............44 2.2.5. Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn quá độ BCH ........................46 2.3. Động học phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bƣớc sóng sử dụng cách tử Littrow...................................................................... 48 2.3.1. Mô hình nghiên cứu động học cho laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử dụng cách tử Littrow .............................49 2.3.2. Động học phát xạ băng hẹp và điều chỉnh bước sóng của laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow .......................................................49 2.3.3. Động học phát xạ băng hẹp, đơn xung ngắn của laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow .........................................................................52 Kết luận chƣơng II.............................................................................................. 58 CHƢƠNG III: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ LASER TỬ NGOẠI RẮN SỬ DỤNG MÔI TRƢỜNG TINH THỂ Ce:LiCAF......... 59 3.1. Hệ thực nghiệm laser tử ngoại rắn Ce:LiCAF.......................................... 59 3.1.1. Các thiết bị và linh kiện quang học sử dụng trong hệ thực nghiệm .......59 3.1.2. Sự phụ thuộc của thông số chùm bơm lên thiết kế hệ thực nghiệm cho laser tử ngoại Ce:LiCAF .......................................................................61 3.1.3. Thiết kế hệ laser Ce:LiCAF rắn phát trực tiếp bức xạ tử ngoại ............63 3.2. Laser tử ngoại Ce:LiCAF băng rộng phát đơn xung ngắn...................... 65 3.2.1. Đặc trưng của laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng rộng ......................65 3.2.2. Nghiên cứu động học phát xạ băng rộng của laserUV Ce:LiCAF ........67 ii
3.2.2. Ảnh hưởng của các thông số lên độ rộng xung lối ra ............................69 3.2.3. Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát đơn xung ngắn bằng phương pháp quá độ buồng cộng hưởng ............................................................................73 3.3. Laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bƣớc sóng, đơn xung ngắn sử dụng cấu hình cách tử Littrow…...…………………………….. 74 3.3.1. Laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình cách tử Littrow ................75 3.3.2. Laser Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bước sóng, đơn xung ngắn .......75 3.4. Laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng tinh thể cắt dạng kim cƣơng............ 79 3.4.1. Tinh thể Ce:LiCAF cắt dạng kim cương ................................................80 3.4.2. Sự phân bố huỳnh quang trong tinh thể cắt dạng kim cương ................81 3.4.3. Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng tinh thể cắt dạng kim cương ......82 3.5. Laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình phản xạ nội toàn phần...... 84 3.5.1. Cấu hình BCH vòng sử dụng cặp lăng kính Pellin-Broca .....................84 3.5.2. Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình phản xạ nội toàn phần 85 3.5.3. Đặc trưng phát xạ của laser Ce:LiCAF sử dụng cấu hình phản xạ nội toàn phần ...............................................................................................86 Kết luận chƣơng III............................................................................................ 88 KẾT LUẬN CHUNG............................................................................................. 89 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ.................................... 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 93 PHỤ LỤC................................................................................................................ 104 iii
BẢNG KÝ HIỆU HOẶC CHỮ CÁI VIẾT TẮT UV Tử ngoại VUV Tử ngoại chân không Ce:Fluoride Vật liệu Fluoride pha tạp Cerium (Ce3+) BCH Buồng cộng hưởng ESA Sự hấp thụ ở trạng thái kích thích N0 Độ tích lũy ở trạng thái cơ bản N1 Độ tích lũy ở trạng thái kích thích N Nồng độ ion n Chiết suất môi trường c Vận tốc ánh sáng L Chiều dài BCH τt Thời gian để ánh sáng thực hiện một chu trình đi-về trong BCH R Hệ số phản xạ của gương l Chiều dài môi trường hoạt chất λ Bước sóng laser Ii Cường độ laser trong BCH tại bước sóng i Rp Tốc độ bơm σai Tiết diện hấp thụ tại bước sóng λi σei Tiết diện phát xạ tại bước sóng λi β Hệ số mất mát trong một chu trình đi-về trong BCH τ Thời gian sống huỳnh quang của ion hoạt chất τc Thời gian sống của photon trong BCH Pabs Công suất laser bơm được hấp thụ Pin Công suất laser bơm αa Hệ số hấp thụ của môi trường hoạt chất τp Độ rộng xung bơm r Bán kính vết bơm TIR Phản xạ nội toàn phần (Total internal reflection) PB Lăng kính Pellin – Broca SSPT Tự tiêm thụ động SHG Second Harmonic Generation FHG Fourth-harmonic generation SFG Sum Frequency Generation θβ Góc tới Brewter i
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Trang Bảng 1.1. Một số môi trường laser màu phát bức xạ tử ngoại 07 Bảng 1.2. Đặc trưng quang học của một số tinh thể phi tuyến 08 điển hình Bảng 1.3. Thông số của môi trường Ce:LiSAF 16 Bảng 1.4. Tiết diện hấp thụ và phát xạ của môi trường Ce:LiCAF 19 Bảng 2.1. Các thông số sử dụng trong nghiên cứu động học 36 cho laser tử ngoại Ce:LiCAF Bảng 2.2. Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên độ rộng xung 41 laser lối ra đối với laser Ce:LiCAF phát băng rộng Bảng 2.3. Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra lên độ rộng xung 43 laser lối ra đối với laser Ce:LiCAF phát băng rộng Bảng 2.4. Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối 45 ra đối với laser Ce:LiCAF phát băng rộng Bảng 2.5. Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên độ rộng xung 54 laser lối ra và độ rộng phổ phát xạ cho laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow. Bảng 2.6. Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối 55 ra và độ rộng phổ phát xạ cho laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow Bảng 2.7. Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối 57 ra và độ rộng phổ phát xạ cho laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow Bảng 3.1. Các thông số của môi trường Ce:LiCAF 61 ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ Hình vẽ Trang Hình 1.1 a) Sơ đồ nguyên lý cho việc phát họa ba bậc cao để 08 phát các bức xạ tử ngoại gần và tử ngoại chân không. b) Hệ phát họa ba bậc bốn và họa ba bậc năm của laser Nd:YAG Hình 1.2. Sơ đồ các mức năng lượng trong chuyển dời 4fn – 4fn-1df 10 của các ion Ce3+, Pr3+, Nd3+, Tm3+ Hình 1.3. Phổ hấp thụ và phát xạ của ion Ce3+ trong nền 11 LaF, LiCAF, LiSAF, YLF, LiLuF, CaF2, (Y,Lu)PO4, và YAG Hình 1.4. a) Phổ hấp thụ (a) và phát xạ (b) của môi trường 13 Ce3+:LaF3 pha tạp 0.1% Ce3+ (1) và 1% (2). Phổ hấp thụ (c) và phát xạ (d) của môi trường Ce3+:LuF3 với nồng độ pha tạp 0.1% (1) và 1% (2) Hình 1.5. Phổ hấp thụ ánh sáng phân cực của Ce:LLF (a) và 14 Ce:YLF (b) ở nhiệt độ T=300K, phân cực π (1) và phân cực σ (2) với nồng độ pha tạp Ce3+ 0,2% đều được bơm bằng laser KrF. Phổ huỳnh quang phân cực của Ce:LLF (c) và Ce:YLF (d) tương ứng với phân cực π (1) và σ (2) Hình 1.6. Phổ hấp thụ và phát xạ của môi trường Ce:LiSAF, 16 với nguồn bơm phân cực khác nhau Hình 1.7. Vùng điều chỉnh bước sóng của laser Ce:LiSAF 17 Hình 1.8. Cấu trúc mạng tinh thể của chất nền LiCAF 18 Hình 1.9. Phổ hấp thụ của chất nền LiCAF, LiSAF và LiSCAF 18 pha tạp Ce3+ Hình 1.10. Phổ hấp thụ và phát xạ của môi trường Ce:LiCAF, 20 ứng với phân cực khác nhau của nguồn bơm Hình 1.11. Vùng điều chỉnh bước sóng của laser Ce:LiCAF 20 iii
Hình 1.12. a) Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn bơm bằng 21 xung nano giây bởi họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG. b) Laser Ce:LiCAF phát xung 75 ps với BCH ngắn, chất lượng thấp được bơm bằng laser xung 150 ps Hình 1.13. a) Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn bằng 22 phương pháp tự tiêm thụ động. b) Xung laser tín hiệu; c) Chuỗi xung sau khi khuếch đại trong BCH phản hồi cho laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn bằng phương pháp SSPT Hình 1.14. Laser tử ngoại Ce:LiCAF khóa mode phát xung 23 cực ngắn Hình 1.15. a) Laser tử ngoại Ce:LiCAF điều chỉnh bước sóng sử 26 dụng lăng kính tán sắc; b) vùng điều chỉnh bước sóng 280-315 nm Hình 1.16. a) Laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bước 27 sóng sử dụng tấm phin lọc lưỡng chiết MgF2 dày 250 µm; b) vùng điều chỉnh bước sóng Hình 1.17. Cấu hình BCH sử dụng cách tử tại vị trí Littrow cho 28 phát xạ laser băng hẹp và điều chỉnh bước sóng Hình 1.18. Cấu hình cách tử góc là cho laser băng hẹp và điều 29 chỉnh bước sóng Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc mức năng lượng và chuyển dời 33 của ion Ce3+ trong nền fluoride Hình 2.2. Động học phát xạ băng rộng của laser tử ngoại 38 Ce:LiCAF với các thông số mô phỏng: L=20 mm, R1=100%, R2=30%, năng lượng laser bơm thay đổi từ ngưỡng phát đến rất cao trên ngưỡng Hình 2.3. Biểu diễn tiến trình phát xung và cường độ xung laser 39 lối ra theo hàm logarit tự nhiên. Hình 2.4. Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên động học của 41 phát xạ laser Ce:LiCAF (trái) và độ rộng xung laser lối ra (phải). Thông số BCH L=20 mm, R1=100%, R2 = iv
30%, năng lượng laser bơm thay đổi 2÷6 mJ. Hình 2.5. Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra lên động học 43 phát xạ của laser Ce:LiCAF (trái) và độ rộng xung laser lối ra (phải) với các hệ số phản xạ gương ra khác nhau. Thông số mô phỏng: R1=100%; L= 20 mm; Eb = 5,6 mJ, R2 thay đổi (từ 10% đến 30%). Hình 2.6. Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên động học phát xạ 45 của laser Ce:LiCAF (trái) và độ rộng xung laser lối ra. BCH với thông số R1=100%; R2=30%; Eb = 5,6 mJ, chiều dài BCH thay đổi từ 20÷60 mm Hình 2.7. Sự phụ thuộc của độ rộng đơn xung laser ngắn nhất 46 thu được với các BCH khác nhau theo năng lượng laser bơm Hình 2.8. Động học phát xạ xung laser pico giây Ce:LiCAF với 47 cấu hình quá độ BCH chiều dài L=20 mm: a) R1=25%, R2=14%, Eb= 9,5 mJ; b) R1=25%, R2=14%, Eb= 10,5 mJ. Độ rộng xung laser lối ra lần lượt là 292 ps và 267 ps Hình 2.9. Phổ phát xạ băng hẹp của laser tử ngoại Ce:LiCAF, 50 cấu hình sử dụng cách tử Littrow với đỉnh phổ tại bước sóng 288,5 nm được bơm tại năng lượng laser bơm Eb=9,5 mJ; góc quay cách tử βi=20,3o. Hình 2.10. Sự điều chỉnh bước sóng phát xạ của laser tử ngoại 51 Ce:LiCAF khi quay cách tử Littrow. Góc quay cách tử 18,9o ÷ 23,3o, vùng bước sóng ghi nhận từ 278 nm đến 302 nm với BCH L=20 mm, gương ra R2=14%, năng lượng laser bơm Eb=15 mJ. Hình 2.11 Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên động học 53 phát xạ băng hẹp, xung đơn ngắn bơm gần ngưỡng của laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow. Thông số mô phỏng: L=20 mm, cách tử 2400 vạch/mm, hệ số phản xạ của cách tử Rg= 30%, gương ra R2=14%, v
tại bước sóng 288,5 nm với năng lượng laser bơm Eb thay đổi từ 4,9 mJ đến 9,8 mJ. Hình 2.12 Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên độ rộng xung và độ 55 rộng phổ laser băng hẹp sử dụng cách tử Littrow. Thông số mô phỏng: tại bước sóng 288,5 nm, năng lượng laser bơm Eb=9,5 mJ; hệ số phản xạ của cách tử Rg=30%, gương ra R2=14%, chiều dài BCH thay đổi từ 20 mm đến 60 mm Hình 2.13. Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra lên độ rộng 56 xung và độ rộng phổ laser băng hẹp sử dụng cách tử Littrow. Thông số mô phỏng tại bước sóng 288,5 nm, chiều dài BCH L=20 mm, năng lượng laser bơm Eb=9,5 mJ; hệ số phản xạ của cách tử Rg=30%, gương ra thay đổi từ 10% đến 22%. Hình 3.1. Sự phụ thuộc của ngưỡng phá hủy và năng lượng bơm 62 bão hòa của tinh thể Ce:Fluoride vào bán kính vết bơm Hình 3.2. Sự phụ của đường kính và tiết diện của chùm laser vào 63 khoảng cách tinh thể so với điểm hội tụ của chùm laser bơm, 0
Hình 3.6. Động học phát xạ cho laser tử ngoại Ce:LiCAF băng 68 rộng với năng lượng laser bơm khác nhau. Hình 3.7. Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên độ rộng xung 69 laser tử ngoại Ce:LiCAF với BCH 25 mm, R1= 96,7%, R2 = 30%. Hình 3.8. Ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng lên độ 71 rộng xung laser tử ngoại Ce:LiCAF, R1= 96,7% và R2 = 30%, năng lượng bơm Eb=8 mJ. Hình 3.9. Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương lên độ rộng xung 72 laser tử ngoại Ce:LiCAF với L=20 mm, năng lượng laser bơm Eb = 8 mJ, R1= 96,7%% và R2 thay đổi lần lượt 14%, 25% và 30%. Hình 3.10. Xung laser 447 ps ghi nhận được bằng phương pháp 72 quá độ BCH cho laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng rộng với BCH 20 mm, R1=25%, R2=14%, tại năng lượng bơm Eb=8 mJ. Hình 3.11. Laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp và điều chỉnh bước 75 sóng sử dụng cấu hình cách tử Littrow được bơm bằng họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG. Hình 3.12. Độ rộng phổ phá xạ băng hẹp tại bước sóng 290 nm 76 của laser tử ngoại Ce:LiCAF cấu hình sử dụng cách tử Littrow, BCH chiều dài 20 mm, cách tử G= 2400 vạch/mm, Rg=30%; R2=14%, Eb= 14 mJ. Hình 3.13. Độ rộng xung laser tương ứng với bước sóng điều chỉnh 77 của laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình cách tử Littrow tại năng lượng laser bơm Eb=14 mJ. Hình 3.14. Độ rộng xung ngắn nhất thu được tại bước sóng 281,5 78 nm trong vùng điều chỉnh với năng lượng laser bơm 14 mJ. Hình 3.15. Mặt cắt ngang của tinh thể cắt dạng kim cương 79 Hình 3.16. Tinh thể Ce:LiCAF cắt dạng kim cương sử dụng trong 80 vii
hệ thực nghiệm phát xạ laser tử ngoại Hình 3.17. a) Cấu hình bơm một mặt và hai mặt tương ứng với 81 huỳnh quang, b) trên bề mặt AB, c) bơm hai mặt và huỳnh quang trên mặt AB và DA, d) bơm một mặt DA. Hình 3.18. Hệ thực nghiệm laser tử ngoại sử dụng tinh thể 82 Ce:LiCAF cắt dạng kim cương được bơm bằng họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG Hình 3.19 Sự phụ thuộc của hiệu suất laser vào năng lượng laser 83 bơm với cấu hình sử dụng tinh thể Ce:LiCAF cắt dạng kim cương. Hình 3.20. a) Đường truyền của chùm laser tới tại góc Brewter (θβ) 84 trong lăng kính Pellin-Broca. b) Cấu hình vòng phản xạ nội toàn phần được sử dụng làm BCH cho laser Hình 3.21. Cấu hình hệ thực nghiệm Ce:LiCAF sử dụng cấu hình 85 phản xạ nội toàn phần Hình 3.22 Sự phụ thuộc của năng lượng laser tử ngoại Ce:LiCAF 86 vào năng lượng kích thích của laser Nd:YAG. Hiệu suất 3,8%, hiệu suất chuyển đổi cực đại 2,1%. Hình 3.23 Phổ băng rộng (a) và độ rộng xung (b) của laser tử 87 ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình TIR với hai lăng kính PB. Đỉnh phổ tại bước sóng 289 nm, độ rộng phổ 3,5 nm, độ rộng xung 4,4 ns. viii
MỞ ĐẦU Bức xạ tử ngoại (UV radiation) lần đầu được phát hiện bởi nhà Vật lý người Đức J. W. Ritter (1801) khi quan sát thấy bức xạ phía dưới vùng ánh sáng khả kiến, thường được gọi dưới tên “tia oxy hóa”, "tia hóa học", "tithonic rays” [1-2]. Năm 1878 ảnh hưởng của ánh sáng bước sóng ngắn lên vi khuẩn, có hiệu quả khử trùng đã được phát hiện [3-6]. Các quan sát thấy được khi đánh giá khả năng hấp thụ mạnh của bức xạ tử ngoại dưới 200 nm trong không khí và được đặt tên bức xạ tử ngoại chân không vào năm 1893 bởi nhà Vật lý người Đức Victor Schumann. Vào năm 1903, bức xạ tử ngoại được biết đến với bước sóng 250 nm có ảnh hưởng hiệu quả nhất tới vi khuẩn và phải đến năm 1960, ảnh hưởng của bức xạ tử ngoại lên các phân tử DNA mới được biết đến [4, 7-9]. Sự ra đời của laser năm 1960 với đặc trưng ưu việt của nó đã mang lại bước tiến nhảy vọt trong công nghệ của các nguồn phát bức xạ tử ngoại. Tùy thuộc vào vùng bước sóng, đặc trưng của từng loại laser khác nhau mà chúng có ứng dụng riêng. Laser UV có rất nhiều ứng dụng quan trọng trải rộng trên nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ như trong hóa học, vật lý, kỹ thuật, khoa học vật liệu, y học, thông tin lượng tử, quang điện tử, sinh học và khoa học môi trường [10-17]. Các ứng dụng của laser tử ngoại như: tia UV công suất cao có thể được sử dụng để cắt và khoan lỗ nhỏ trong nhiều loại vật liệu, bao gồm các vật liệu trong suốt với ánh sáng nhìn thấy, nguồn UV liên tục được ứng dụng trong in thạch bản kích thước nhỏ, trong sản xuất chip bán dẫn [18]. Các nguồn UV phát liên tục và xung có thể được sử dụng để chế tạo cách tử Bragg, phẫu thuật mắt, chữa trị tật về khúc xạ bằng laser … Các nguồn laser tử ngoại thông dụng hiện đang sử dụng bao gồm: laser khí phân tử N2, H2... [19-21]; laser khí hiếm (Ar+, Kr+, Ne+) [22, 23]; laser excimer [24-27]; laser màu phát bức xạ tử ngoại [28-32]; laser bán dẫn [33, 34]; các nguồn laser tử ngoại thu được bằng phương pháp biến đổi tần số [35-38]. Nhược điểm chung của nguồn phát bức xạ tử ngoại này là thiết kế phức tạp, môi trường độc tính; hoặc là những vấn đề về kích thước, bảo dưỡng, hiệu suất, độ rộng xung, khả năng điều chỉnh bước sóng và tính linh hoạt, độ rộng phổ, độ 1
rộng xung ... của các laser này chưa phù hợp cho các ứng dụng rộng rãi trong vùng UV. Vì những lý do này, giải pháp tối ưu để thu được một nguồn bức xạ tử ngoại hiệu quả, đáng tin cậy, nhỏ gọn và chi phí hợp lý là phát triển các nguồn laser rắn. Trong nghiên cứu môi trường, ví dụ nghiên cứu mật độ và phân bố ozone, do đặc điểm phổ hấp thụ nằm trong vùng bước sóng 240 – 340 nm nên các nguồn laser tử ngoại sẽ được dùng làm nguồn kích thích cho hệ Lidar Raman. Cụ thể như, nghiên cứu môi trường khi khảo sát tầng khí quyển như vùng phổ hấp thụ 288-299 nm cho ozone (O3), vùng hấp thụ 299-305 nm cho phân tử khí sulphur dioxide (SO2) [16, 17]. Nghiên cứu vật lý và công nghệ cho vật liệu laser và laser rắn là hướng khoa học và công nghệ thời sự, đang được phát triển rất mạnh trên thế giới, vì nó không chỉ mang ý nghĩa khoa học cơ bản và phát triển công nghệ mà còn có ý nghĩa thực tiễn và ứng dụng cấp thiết. Do đó, nhiều trung tâm, viện nghiên cứu và trường đại học trên thế giới có các chương trình nghiên cứu trong việc phát triển vật liệu và nguồn phát laser cũng như đánh giá tính thực tiễn của các hệ thống laser này trong nhiều ứng dụng khác nhau. Ví dụ, Trung tâm nghiên cứu Quang tử, Đại học Macquarie Sydney, Úc đang cố gắng phát triển nguồn laser rắn phát xung cực ngắn trong vùng bước sóng tử ngoại cho ứng dụng quang phổ laser [39-41]. Trung tâm nghiên cứu về biến đổi khí hậu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Đài Loan là một trong những trung tâm không phát triển laser nhưng lại có nhu cầu cấp thiết sử dụng laser trong quan trắc môi trường thông qua kỹ thuật LIDAR (Light Detection and Ranging - LIDAR) [42, 43]. Viện nghiên cứu Vật liệu thuộc Đại học Tohoku, Nhật Bản nuôi tinh thể định hướng ứng dụng, trong đó có ứng dụng làm môi trường phát laser [44-46]... Trên thế giới, vật liệu và công nghệ laser tử ngoại vẫn đang được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm nghiên cứu. Bằng việc tính toán và thực nghiệm, người ta đã chứng minh khi thay đổi áp suất, nhiệt độ lên tinh thể theo một hay ba chiều sẽ dẫn đến sự thay đổi độ rộng vùng cấm của vật liệu Ce:Fluoride, từ đó có thể mở rộng phổ phát xạ của laser [47-56]. 2
Gần đây, một số nghiên cứu cho laser tử ngoại phát xung ngắn và điều chỉnh bước sóng cũng đã được thực hiện. Với việc sử dụng chế độ khóa mode BCH một laser xung ngắn 6 ps đã được phát triển thành công. Hơn nữa, khi sử dụng phin lọc lưỡng chiết trong BCH, một laser xung ngắn và điều chỉnh bước sóng đã được nghiên cứu [39, 40] Trước những kết quả KH-CN mang tính cách mạng của giới khoa học quốc tế dựa trên cơ sở phát triển và ứng dụng laser, hiện nay ở trong nước, các cơ sở nghiên cứu khoa học, ứng dụng và đào tạo (về vật lý, khoa học vật liệu, hoá lý, y-sinh học, thông tin và môi trường...) đang ngày càng có nhu cầu trong việc ứng dụng các nguồn laser, đặc biệt là các nguồn laser đặc chủng để nâng cao khả năng, chất lượng và trình độ nghiên cứu, ứng dụng và đào tạo - đáp ứng các đòi hỏi của sự hội nhập Khoa học - Công nghệ trong khu vực và quốc tế. Ở Việt Nam, không nhiều nhà khoa học và viện nghiên cứu tập trung vào hướng vật liệu và công nghệ laser, do đó, các nghiên cứu và định hướng ứng dụng laser còn hạn chế. Gần đây, tại Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, hệ laser màu tử ngoại phát xung pico-giây dựa trên phương pháp nhân tần số, ứng dụng trong hệ LIDAR đã được nghiên cứu và phát triển thành công [57-59]. Sử dụng phương pháp phản hồi phân bố với môi trường hoạt chất Rhodamine 6G được bơm bằng hòa ba bậc hai của laser Nd:YAG ở bước sóng 532 nm bước sóng phát ra 565,8 nm và 572,6 nm. Sau khi sử dụng tinh thể BBO để nhân tần, bước sóng laser tử ngoại ở 282,9 nm và 286,4 nm đã được phát triển. Tuy nhiên với việc sử dụng chất màu làm môi trường hoạt chất cho laser, cũng như sử dụng tinh thể BBO để chuyển đổi bước sóng laser từ vùng khả kiến sang vùng tử ngoại nên năng lượng laser lối ra là nhỏ, chỉ cỡ vài nano- jun, hiệu suất chuyển đổi bước sóng này rất thấp chỉ cỡ vài %, độ ổn định của laser không cao, chất màu có khả năng gây độc hại tới môi trường xung quanh và người sử dụng. Do vậy, nó hạn chế nhiều ứng dụng, ngay cả ứng dụng trong hệ LIDAR. Trong vài thập niên gần đây, bằng việc sử dụng vật liệu Fluoride pha tạp ion đất hiếm dựa trên dịch chuyển 4f-5d, người ta đã phát triển thành công các môi trường hoạt chất laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại như: Ce3+:LiSrAlF6 3
(280-320 nm); Ce3+:LiCaAlF6 (Ce:LiCAF, 280-320 nm) [60-64]; Ce3+:LuLiF4 (Ce:LLF, 300-340 nm) và Ce3+:YLiF4 (Ce:YLF, 300-340 nm) [65-67]; Ce3+:LaF3 và Ce3+:LuF3 (Ce:LaF và Ce:LuF, 275-315 nm) [68-70]. Ưu điểm của các môi trường hoạt chất laser này là phổ phát xạ rộng, hiệu suất laser cao, mật độ công suất bơm bão hòa và ngưỡng bơm phá hủy lớn... Trong các vật liệu tinh thể laser tử ngoại Ce-Fluoride thì môi trường tinh thể Ce:LiCAF được ứng dụng rộng rãi hơn cả, do nó có những ưu điểm vượt trội hơn so với các môi trường Ce-Fluoride khác. Môi trường tinh thể Ce:LiCAF có đỉnh phổ hấp thụ mạnh tại bước sóng 266 nm phù hợp với bơm quang học bằng họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG, vùng điều chỉnh bước sóng rộng (280 - 320 nm), tiết diện phát xạ laser lớn (σe= 6x10-18 cm2), mật độ năng lượng bơm bão hòa cao (115 mJ/cm2), ngưỡng phá hủy lớn (5 J/cm2), hiệu suất lên đến 46% [60- 63, 71]…. Tất cả các ưu điểm của môi trường Ce:LiCAF là thuận lợi cho việc phát triển các laser tử ngoại rắn, phát xung ngắn, băng hẹp, điều chỉnh bước sóng và công suất cao. Từ các phân tích trên, việc nghiên cứu và phát triển các nguồn laser rắn tử ngoại: công suất cao, xung ngắn, băng hẹp và có khả năng điều chỉnh bước sóng tại Việt Nam mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và tính ứng dụng cao. Xuất phát từ các yêu cầu đó, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu các tính chất động học và phát triển hệ laser rắn tử ngoại sử dụng vật liệu pha tạp ion Ce3+” làm hướng nghiên cứu chính của mình. Mục tiêu của luận án bao gồm: - Nghiên cứu các quá trình động học phát xạ cho laser rắn tử ngoại Ce:LiCAF băng rộng, có khả năng phát đơn xung ngắn dưới nano giây. Đánh giá ảnh hưởng của năng lượng laser bơm, thông số BCH lên độ rộng xung laser lối ra. - Nghiên cứu động học phát xạ băng hẹp và điều chỉnh bước sóng của laser tử ngoại sử dụng tinh thể Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow. Đánh giá ảnh hưởng của năng lượng laser bơm, thông số BCH lên độ rộng phổ phát xạ và độ rộng xung laser lối ra. 4
- Phát triển hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF rắn được bơm bằng họa ba bậc 4 của laser Q-switching Nd:YAG ở bước sóng 266 nm phát băng rộng, đơn xung ngắn và phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử dụng cấu hình cách tử Littrow. - Nghiên cứu một số cấu hình mở rộng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF là tiền đề cho việc phát triển các bộ khuếch đại công suất cao và ở trong các điều kiện hoạt động đặc biệt. Luận án được thực hiện bằng cả nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. Các nghiên cứu lý thuyết về động học phát xạ đơn xung ngắn sử dụng phương pháp quá độ buồng cộng hưởng; phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử dụng cấu hình cách tử Littrow cho môi trường Ce:LiCAF đã được thực hiện, các kết quả tối ưu được sử dụng trong việc thiết kế hệ thực nghiệm cho laser tử ngoại Ce:LiCAF. Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện với BCH laser tử ngoại Ce:LiCAF xung đơn ngắn, băng hẹp và điều chỉnh bước sóng. Ngoài ra, việc phát triển cấu hình sử dụng tinh thể cắt dạng kim cương cũng như cấu hình phản xạ nội toàn phần để mở rộng khả năng phát xạ cũng như ứng dụng của laser tử ngoại Ce:LiCAF đã được thực hiện. Từ các nghiên cứu này, luận án được trình bày trong 03 chương: Chƣơng 1: Vật liệu và laser tử ngoại Ce:LiCAF. Chƣơng 2: Động học phát xạ laser tử ngoại sử dụng môi trường tinh thể Ce:LiCAF. Chƣơng 3: Nghiên cứu và phát triển hệ laser tử ngoại rắn sử dụng môi trường tinh thể Ce:LiCAF. Luận án được thực hiện tại Khoa Vật lý, Học viện Khoa học và Công nghệ (GUST, VAST) và Trung tâm Điện tử học Lượng tử - Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Phạm Hồng Minh và GS. TS. Nguyễn Đại Hưng. 5