Luận văn Thạc sĩ Khoa học Vật lý: Nghiên cứu động học laser Ce-Fluoride phát bức xạ trong vùng bước sóng tử ngoại

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HỌC VIÊN: BÙI THỊ THÚY DƯƠNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC LASER Ce:FLUORIDE PHÁT BỨC XẠ TRONG VÙNG TỬ NGOẠI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ

THÁI NGUYÊN, NĂM 2018

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HỌC VIÊN: BÙI THỊ THÚY DƯƠNG

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC LASER Ce: FLUORIDE PHÁT BỨC XẠ TRONG VÙNG TỬ NGOẠI

Chuyên ngành: Quang học

Mã số: 84 40 110

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM HỒNG MINH

THÁI NGUYÊN, NĂM 2018

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

MỤC LỤC

Trang

BẢNG KÝ HIỆU HOẶC CHỮ CÁI VIẾT TẮT…………………………………… i

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……………………………………………………. ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ……………………………………………………… iii

MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………… 1

CHƯƠNG I:………………………………………………………………………….. 4

TỔNG QUAN VỀ LASER TỬ NGOẠI VÀ CÁC CẤU HÌNH BƠM CHO LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE………………………………………………. 4

1.1. Tổng quan về một số loại loại laser tử ngoại………………………………….. 4 1.2. Môi trường laser rắn pha tạp ion Ce3+………………………………………… 10

1.2.1. Đặc điểm của môi trường tinh thể laser Fluoride pha tạp ion Cerium……… 11

1.2.2. Môi trường tinh thể Ce:LiLuF và Ce:LiCAF……………………………….. 13

1.3. Các cấu hình bơm cho laser tử ngoại Ce:Fluoride……………………………. 15

KẾT LUẬN CHƯƠNG I………………………………………………………… 19

CHƯƠNG II:……………………………………………………………………….. 20

ĐỘNG HỌC LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE………………………………. 20

2.1. Mô hình lý thuyết…………………………………………………………….. 20

2.2. Các thông số sử dụng trong mô phỏng……………………………………….. 21

2.3. Độ khuếch đại của môi trường laser Ce:LLF và Ce:LiCAF…………………. 23

2.4. Động học trong phát xạ laser Ce:LLF và Ce:LiCAF…………………………. 24

2.4.1. Ảnh hưởng của năng lượng bơm…………………………………………… 24

2.4.2. Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra……………………………………. 28

2.4.3. Ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng………………………………. 32

KẾT LUẬN CHƯƠNG II……………………………………………………….. 36

CHƯƠNG III……………………………………………………………………….. 37

HỆ LASER Ce:LiCAF PHÁT TRỰC TIẾP BỨC XẠ TỬ NGOẠI…………….. 37

3.1. Sự phụ thuộc của ngưỡng bơm vào thông số buồng cộng hưởng (R2, L)……. 37 3.2. Sự phụ thuộc của ngưỡng phá hủy và ngưỡng bão hòa tại bước sóng bơm vào kích thước vết bơm………………………………………………………………... 38

1 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

3.3. Sự phụ thuộc vị trí đặt tinh thể vào đường kính vết bơm trên tinh thể……….. 39

3.3. Xây dựng hệ thực nghiệm laser tử ngoại Ce:LiCAF được bơm bằng hòa ba bậc bốn của laser Nd:YAG………………………………………………… 42

KẾT LUẬN CHƯƠNG III……………………………………………………… 49

KẾT LUẬN CHUNG……………………………………………………………….. 50

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ………………………………. 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….. 52

PHỤ LỤC……………………………………………….............................................54

2 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

BẢNG KÝ HIỆU HOẶC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

Tử ngoại

UV Ce-Fluoride Vật liệu Fluoride pha tạp Cerium (Ce3+)

BCH Buồng cộng hưởng

ESA Sự hấp thụ ở trạng thái kích thích

Độ tích lũy ở trạng thái cơ bản

Độ tích lũy ở trạng thái kích thích

Nồng độ ion Ce3+

Chiết suất môi trường

Vận tốc ánh sáng

Chiều dài BCH

t

Thời gian để ánh sáng thực hiện một chu trình đi-về trong BCH

Hệ số phản xạ của gương

Chiều dài môi trường hoạt chất



Bước sóng laser

i

Cường độ laser trong BCH tại bước sóng

Tốc độ bơm

  

Hệ số khuếch đại tại bước sóng 

ai

i

Tiết diện hấp thụ tại bước sóng

ei

i

Tiết diện bức xạ cưỡng bức tại bước sóng



Hệ số mất mát trong một chu trình đi-về trong BCH



Thời gian sống huỳnh quang của ion hoạt chất (ion Ce3+)

c

Thời gian sống photon trong BCH

absP

Công suất bơm được hấp thụ

inP

Công suất bơm vào

a

Hệ số hấp thụ của môi trường hoạt chất

p

Độ rộng xung bơm

Bán kính vết bơm

i Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng biểu Trang

Bảng 1.1. Một số môi trường hoạt chất màu phát bức xạ tử ngoại 4

Bảng 1. 2. Một số laser excimer phát bức xạ tử ngoại. 6

Bảng 2.1. Các thông số của môi trường Ce:LLF 22

Bảng 2.2. Các thông số của môi trường Ce:LiCAF 22

Bảng 3.1. Vùng năng lượng bơm cho các buồng cộng hưởng 39 khác nhau

ii Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Bảng biểu Trang

7 Hình 1.1. Sơ đồ hệ laser tử ngoại bằng phương pháp nhân sốtừ laser Ti:sapphire

Hình 1. 2. Hệ laser tử ngoại thu được bằng việc nhân tần từ laser màu 8 phản hồi phân bố

Hình 1.3. Bước sóng laser ban đầu 565,8 nm và bước sóng laser tử 8 ngoại sau khi nhân tần 282,9 nm

9 Hình 1.4. Bước sóng laser ban đầu 572.8 nm và bước sóng laser sau khi nhân tần 286.4nm

Hình 1.5. Các vật liệu Ce:Fluoride phát trực tiếp bức xạ tử ngoại 10

Hình 1.6. Cấu trúc mức năng lượng của ion Ce3+ trong nền Fluoride 12

Hình 1.7. Phổ hấp thụ của tinh thể Ce:LLF 14

Hình 1.8. Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Ce: LiLuF 14

Hình 1.9. Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Ce:LiCAF 15

16 Hình 1.10. Hệ thực nghiệm cho laser công suất cao Ce:LLF được bơm ngang bằng laser KrF

16 Hình 1.11. Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF được bơm ngang bởi hòa ba bậc bốn của laser Nd:YAG từ hai phía

17 Hình 1.12. Tinh thể Ce:LiCAF được bơm dọc bằng hoa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở bước sóng 266 nm

Hình 1.13. Hệ laser Ce:LiCAF với cấu hình bơm xiên 18

Hình. 1.14. Phổ hấp thụ của Ozone 19

Hình 2.1. Công tua hệ số khuếch đại của môi trường laser UV Ce:LLF 23

24 Hình 2.2. Công tua hệ số khuếch đại của môi trường laser UV Ce:LiCAF

25 Hình 2.3. Tiến trình phổ-thời gian của phát xạ laser Ce:LLF ứng với các năng lượng bơm khác nhau

iii Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

25 Hình 2.4. Tiến trình phổ-thời gian của phát xạ laser Ce:LiCAF ứng với các năng lượng bơm khác nhau

26 Hình 2.5. Phổ laser tích phân của laser Ce:LLF với năng lượng bơm khác nhau

26 Hình 2.6. Phổ laser tích phân của laser Ce:LiCAF với năng lượng bơm khác nhau

Hình 2.7. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LLF và độ tích lũy 27 theo thời gian ứng với các năng lượng bơm khác nhau

Hình 2.8. Sự phụ thuộc của cường độ laserCe:LiCAF và độ tích lũy 28 theo thời gian ứng với các năng lượng bơm khác nhau

29 Hình 2.9. Tiến trình phổ - thời gian của phát xạ laser UV Ce:LLF ứng với các hệ số phản xạ gương ra khác nhau

30 Hình 2.10. Tiến trình phổ - thời giancủa phát xạ laser UV Ce:LiCAF ứng với các hệ số phản xạ gương ra khác nhau

30 Hình 2.11. Phổ laser tích phân của laser Ce:LLF với hệ số phản xạ gương ra của BCH khác nhau

31 Hình 2.12. Phổ laser tích phân của laser Ce:LiCAF với hệ số phản xạ gương ra của BCH khác nhau

Hình 2.13. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LLF và độ tích lũy 31 theo thời gian ứng với hệ số phản xạ của gương ra BCH khác nhau

32 Hình 2.14. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LiCAF và độ tích lũy 1N theo thời gian ứng với hệ số phản xạ của gương ra BCH khác nhau

33 Hình 2.15. Tiến trình phổ - thời gian của phát xạ laser UV Ce:LLF ứng với chiều dài BCH khác nhau

34 Hình 2.16. Tiến trình phổ - thời gian của phát xạ laser UV Ce:LiCAF ứng với chiều dài BCH khác nhau

Hình 2.17. Phổ laser tích phân của laser Ce:LLF với chiều dài BCH 34 khác nhau

34 Hình 2.18. Phổ laser tích phân của laser Ce:LiCAF với chiều dài BCH khác nhau

iv Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

35 Hình 2.19. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LLF và độ tích lũy

theo thời gian ứng với chiều dài BCH khác nhau

38 Hình 2.20. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LiCAF và độ tích lũy N1 theo thời gian ứng với L khác nhau. Hình 3. 1. Sự phụ thuộc của ngưỡng bơm vào hệ số phản xạ của gương ra ứng với chiều dài buồng cộng hưởng khác nhau

38 Hình 3. 2. Sự phụ thuộc của năng lượng phá hủy và năng bão hòa của tinh thểtại bước sóng bơm vào bán kính vết bơm

Hình 3.3. Phân bố chùm laser sau thấu kính hội tụ 40

Hình 3.4. Bán kính vếtụ hội trên tinh thể 41

41 Hình 3.5. Sự phụ thuộc của đường kính và tiết diện của chùm laser và vị trí đặt tinh thể

42 Hình 3.6. Sự phụ của đường kính và tiết diện của chùm laservào vị trí đặt tinh thể với 0

Hình 3.7a. Sơ đồ thiết kế hệ thực nghiệm hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF 42

Hình 3.7b. Hệ thực nghiệm hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF 43

Hình 3.8. Khảo sát phổ của laser bơm được đo bằng máy quang phổ 43

Hình 3.9. Khảo sát độ ổn định của laser bơm theo thời gian 44

Hình 3.10. Đặc trưng của xung bơm 44

Hình 3.11. Buồng cộng hưởng laser tử ngoại Ce:LiCAF 45

46 Hình 3.12. Sự phụ thuộc của công suất laser ra vào công suất laser bơm

47 Hình 3.13. Đặc trưng phổ laser tử ngoại Ce:LiCAF trong vùng 287- 291nm

Hình 3.14. Độ rộng xung laser tử ngoại Ce:LiCAF 48

49 Hình 3.15. Xung laser tử ngoại Ce:LiCAF nhận được khi thay đổi độ phẩm chất BCH

Hình 3.16. Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF 50

v Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

MỞ ĐẦU

Laser (Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation) là một trong

những phát minh khoa học quan trọng nhất của thế kỷ XX. Sự ra đời của Laser bắt

nguồn từ thuyết lượng tử do nhà bác học A. Einstein phát minh ra năm 1916. Cuối

thập niên 1950 nhiều khái niệm cơ bản cho sự hình thành tia laser đã được phát triển

bởi các nhà khoa học như Townes và Arthur Schawlow và Gordon Gould ở trường đại

học Columbia, Mỹ. Tháng 2 năm 1960, tại phòng nghiên cứu Hughes ở Malibu,

California nhà bác học Theodore Maiman đã chế tạo thành công laser đầu tiên trên thế

giới đó là Laser Ruby [1, 2] và đến tháng 6 năm 1960 Javan đã chế tạo ra laser khí He

- Ne đầu tiên. Đến nay đã có hàng nghìn loại laser khác nhau, phát ở các bước sóng

trải dài từ vùng tử ngoại cho đến vùng hồng ngoại [1, 2].

Tùy theo trạng thái, bản chất của môi trường hoạt chất mà người ta phân loại ra

các loại laser khác nhau: laser rắn có môi trường hoạt chất ở thể rắn [1, 2]. Có hàng

trăm loại như laser Ruby, laser YAG, laser bán dẫn, laser thủy tinh, vv… laser lỏng có

môi trường hoạt chất ở thể lỏng điển hình như các laser màu (có khoảng 50 loại khác

nhau). Laser khí có môi trường hoạt chất ở thể khí như laser CO2, laser Heli-Neon, laser Argon,... Laser có thể hoạt động ở chế độ phát xung và chế độ phát liên tục.

Trong đó chế độ phát xung có 3 chế độ là chế độ phát xung tự do, chế độ điều biến độ

phẩm chất buồng cộng hưởng, chế độ khóa mode [1, 2].

Từ khi được phát minh cho tới nay laser đã không ngừng được nghiên cứu phát

triển. Với những ứng dụng to lớn của chúng trong hầu hết các lĩnh vực khoa học và

đời sống cùng với những tiến bộ trong khoa học vật liệu và quang điện tử laser ngày

càng được phát triển đa dạng về chủng loại đồng thời kỹ thuật laser ngày càng được

hoàn thiện. Các nguồn laser nói chung và các nguồn laser tử ngoại (UV) nói riêng

được ứng dụng rộng rãi không chỉ trong khoa học mà còn cả trong đời sống như: trong

nghiên cứu Lidar, gia công vật liệu, vi cơ khí, truyền thông quang học, sinh học, y học,

quân sự…Các nguồn laser UV thương mại chủ yếu là laser excimer hoặc laser tử

ngoại thu được bằng việc sử dụng tinh thể phi tuyến để nhân tần số từ những bức xạ

laser nằm trong vùng bước sóng dài hơn. Hạn chế chung của các nguồn laser này là giá

thành cao, hiệu suất chuyển đổi thấp, dải phổ hẹp [22].

1 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Trong vài thập niên gần đây, bằng việc sử dụng vật liệu Fluoride pha tạp ion đất

hiếm Cerium ba cộng người ta đã phát triển thành công nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại như: Ce3+:LiSrAlF6 (280-325 nm); Ce3+:LiCaAlF6 (280-325 nm); Ce3+:LuLiF4 (305-335 nm); Ce3+:YLiF4 (305-335 nm); Ce3+:LaF3 (275-315 nm). Ưu điểm của các laser này là phổ phát xạ rộng, hiệu suất laser cao, mật độ năng lượng bão

hòa lớn.

Trong các vật liệu laser Ce-Fluoride thì hai môi trường Ce3+:LuLiF4 (Ce:LLF) và Ce3+:LiCaAlF6 (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. Đặc điểm nổi bật của môi trường tinh thể Ce3+:LuLiF4 (Ce:LLF) có đỉnh phổ hấp thụ tại bước sóng 248 nm và 213 nm [12, 22]. Do vậy, ta có thể sử dụng laser KrF hay hòa ba bậc 5 của laser

Nd:YAG làm nguồn bơm cho môi trường laser này. Hơn nữa, Ce:LiLuF đã chứng

minh là môi trường laser tử ngoại với dải bước sóng điều chỉnh rộng (trên 30 nm) và

hiệu suất laser có thể lên đến 62% [12]. Với 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 bão hòa cao (cỡ 115 mJ/cm2) [15- 17]…

Tại Việt Nam, trong những năm gần đây công nghệ laser toàn rắn phát triển rất

mạnh mẽ đặc biệt trong vùng bước sóng hồng ngoại và nhìn thấy [8, 9]. Tuy nhiên,

việc nghiên cứu và phát triển cũng như ứng dụng các nguồn laser phát trong vùng

bước sóng tử ngoại chỉ mới được quan tâm. Bằng nghiên cứu lý thuyết, động học của

laser Ce:LiCAF đã được nghiên cứu tường minh [5]. Hơn nữa, với việc sử dụng tinh

thể Ce:LiCAF nhóm nghiên cứu thuộc trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện vật lý đã

nghiên cứu và phát triển thành công hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF, với hiệu suất laser

thu được lên đến 33% [4]. Bằng việc sử dụng buồng cộng hưởng ngắn, chất lượng thấp

và bơm gần ngưỡng, nhóm đã phát triển thành công hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF phát

xung ngắn, độ rộng xung có thể xuống dưới nano giây [3].

Với nhu cầu ứng dụng càng lớn của các laser tử ngoại, việc nghiên cứu tường

minh các quá trình vật lý của laser Ce:Fluoride là rất cần thiết. Xuất phát từ yêu cầu

đó, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu động học laser Ce-Fluoride phát bức xạ trong vùng

bước sóng tử ngoại”.

2 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

- Mục đích của luận văn là nghiên cứu tường minh các quá trình động học của

các laser phát trực tiếp bức xạ trong vùng tử ngoại sử dụng môi trường hoạt

chất là các tinh thể Ce:Fluoride đặc biệt là hai môi trường Ce:LLF và

Ce:LiCAF.

- Xây dựng hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng nguồn bơm họa 3 bậc 4 của

Nd:YAG ở bước sóng 266 nm. Đánh giá các đặc trưng của laser lối ra.

Luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về laser tử ngoại và các cấu hình bơm cho laser tử

ngoại Ce:Fluoride.

Chương 2: Động học laser tử ngoại Ce:Fluoride.

Chương 3: Hệ laser Ce:LiCAF phát trực tiếp bức xạ tử ngoại.

Luận văn được thực hiện tại nhóm Quang tử, Trung tâm Điện tử học Lượng tử - Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn khoa

học của TS. Phạm Hồng Minh.

3 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ LASER TỬ NGOẠI VÀ CÁC CẤU HÌNH BƠM CHO LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE

Trong chương này, tôi sẽ tìm hiểu một số nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử

ngoại như laser màu, laser khí, laser excimer, laser bán dẫn, laser Ce:Fluoride cũng

như laser tử ngoại thu được bằng việc biến đổi tần số. Phân tích các cấu hình bơm cho

laser tử ngoại cũng như các ứng dụng của chúng.

1.1. Tổng quan về một số loại loại laser tử ngoại

Laser màu phát bức xạ tử ngoại

Một số chất màu hữu cơ có thể sử dụng để làm môi trường để phát trực tiếp các bức xạ tử ngoại. Hoạt chất là các phân tử màu đa nguyên tử nên mỗi mức năng lượng tồn tại nhiều mức con dao động, mức quay dẫn đến phổ hấp thụ và bức xạ của laser màu thường là băng rộng cỡ hàng chục nm. Do vậy, các laser màu có khả năng điều chỉnh được bước sóng trên một dải rộng. Đến nay, với việc dùng các chất màu hữu cơ làm môi trường hoạt chất laser, người ta có thể phát được các bức xạ trong vùng tử ngoại với bước sóng ngắn nhất khoảng 320 nm (Bảng 1.1) [10, 25].

Bảng 1.1. Một số môi trường hoạt chất màu phát bức xạ tử ngoại

Hoạt chất

Cấu tạo hóa học Dải phổ (nm)

Đỉnh phổ (nm)

BM – terphenyl

312 ÷ 343

334

P – terphenyl

322 ÷ 365

339

TMQ

338 ÷ 361

350

BMQ

335÷ 375

357

DMQ

346 ÷ 377

360

Butyl - PBD

354 ÷ 388

362

TMI

355 ÷395

372

PPO

368 ÷ 382

375

C20H18 C18H14 C28H26 C26H22 C29H28 C24H22N2O C34H30 C15H11NO

Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chất màu là năng lượng bão hòa thấp cỡ 1 mJ/cm2 nên khó để phát triển các nguồn laser tử ngoại công suất lớn. Hơn nữa, do hệ số dẫn nhiệt của các môi trường chất màu thấp nên môi trường hoạt chất nhanh bị

4 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

nóng, điều này làm cho laser hoạt động không ổn định. Ngoài ra, các môi trường chất

màu thường rất độc hại.

Laser khí phát bức xạ tử ngoại

Một số loại laser khí cũng có khả năng phát bức xạ tử ngoại, ví dụ như:

Điển hình là laser khí Nitơ phát ở bước sóng 337,1 nm, sử dụng nitơ phân tử làm môi trường hoạt chất, được kích thích bằng quá trình phóng điện trong chất khí, áp

suất khí Nitơ trong ống có thể từ vài torr cho đến 670 torr. Trước đây kiểu phóng điện

dọc theo ống được sử dụng, tuy nhiên ngày nay người ta thường phóng điện cho ống

theo kiểu ngang với nhiều ưu điểm nổi trội hơn như điện áp phóng điện thấp, phóng ổn

định và đồng nhất, tối ưu thể tích khí được kích thích [1, 2, 10, 25].

Do mức laser dưới là mức siêu bền, các laser Nitơ chỉ có thể hoạt động ở chế độ

xung với tần số lặp lại có thể lên đến vài trăm Hz. Năng lượng của laser này có thể từ vài chục µJ lên đến vài mJ. Ngoài ra, một số loại laser khí khác cũng phát bức xạ trong vùng tử ngoại như laser khí hidro phát bức xạ 160 nm và 116 nm; laser ion – argon phát bức xạ 351 nm và 363 nm. Laser khí có thể hoạt động ở công suất cao, tuy nhiên laser khí chỉ phát được các xung cỡ nano giây, độ rộng phổ hẹp nên không có khả năng điều chỉnh bước sóng.

Laser excimer phát bức xạ tử ngoại

Laser eximer là một loại laser khí phân tử, môi trường hoạt chất của laser là các phân tử excimer, các phân tử chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích, trạng thái có năng lượng cực tiểu sẽ bị phân ly. Hiện nay chúng ta có nhiều hệ excimer sau [6, 11]:

 Các phân tử hai nguyên tử của khí hiếm (He2, Ne2 …).

 Các Ha-lô-gê-nuya của khí hiếm (ArF, KrF, XeF…).

 Các hợp chất khác nhau của khí hiếm như XeO.

 Các hợp chất kim loại khác nhau như HgBr.

Nguyên lý hoạt động: laser excimer hoạt động trên các chuyển dời từ trạng thái

kích thích điện tử bền (các phân tử khí hiếm chỉ có thể tồn tại khi ở trạng thái kích

thích) xuống trạng thái cơ bản không bền (ở trạng thái cơ bản các phân tử khí hiếm

tách thành các nguyên tử) của các phân tử khí hiếm. Người ta sử dụng sự phóng điện

ngang, với điện áp cao làm nguồn bơm cho laser excimer, khi đó quá trình kích thích

là do các nguyên tử va chạm với điện tử.

5 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Phân tử khí

Bước sóng (nm)

Phân tử khí

Bước sóng (nm)

126

KrCl

222

146

KrF

248

157

259

Ar2 Kr2 F2

172

Cl2 XeBr

282

Xe2

175

XeCl

309

ArF

193

337

193

N2 XeF

351

CaF2

Bảng 1. 2. Một số laser excimer phát bức xạ tử ngoại.

Nhược điểm lớn nhất của các laser tử ngoại excimer là không có khả năng điều

chỉnh bước sóng, chỉ phát xung, hiệu suất laser thấp chỉ khoảng 0.2% đến 2%, và độ

rộng xung ngắn nhất chỉ cỡ nano-giây.

Laser bán dẫn phát bức xạ tử ngoại

Một số loại laser bán dẫn cũng có khả năng phát bức xạ trong vùng tử ngoại như: ZnS phát bước sóng 330nm, ZnO phát bước sóng 370nm, CdxS phát bước sóng từ 320nm đến 490nm, GaN phát bước sóng 340 nm. Nhược điểm của các laser bán dẫn là công suất thấp, độ định hướng không cao, bức xạ có tính đơn sắc cao nên không có khả năng điều chỉnh bước sóng [25].

Ngoài ra, các laser điện tử tự do có thể phát ra ánh sáng cực tím về cơ bản nó có thể phát ra bất kỳ bước sóng nào, và với cường độ trung bình cao. Tuy nhiên, trên thế giới mới chỉ có một vài nước có hệ laser điện tử tự do, hơn nữa để vận hành chúng rất tốn kém.

Phát bức xạ tử ngoại bằng biến đổi tần số

Laser tử ngoại có thể thu được bằng việc sử dụng các tinh thể phi tuyến KDP, KD*P, BBO,.. để biến đổi tần số (nhân tần, cộng tần, trộn tần…) từ các laser phát

trong vùng bước sóng dài hơn [10, 25].

Phương pháp nhân tần số về bản chất đó là sự tương tác phi tuyến tính của ánh sáng với môi trường tinh thể phi tuyến. Các tương tác này liên quan đến sự biến đổi

 phi tuyến của vectơ phân cực ⃗ theo cường độ điện trường E

của ánh sáng.

Cấu hình hệ phát laser tử ngoại bằng phương pháp nhân tần số từ laser

Ti:Sapphire (Hình 1.1).

6 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Hình 1.1. Sơ đồ hệ laser tử ngoại bằng phương pháp nhân tần số từ laser Ti:sapphire.

Như vậy, laser có bước sóng nằm trong vùng hồng ngoại, nhờ sử dụng tinh thể

phi tuyến sau hai lần nhân tần hoặc trộn tần bức xạ phát ra nằm trong vùng tử ngoại.

Tại Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, nhóm nghiên

cứu của PGS. Đỗ Quang Hòa đã nghiên cứu và phát triển thành công hệ laser màu tử

ngoại dựa trên phương pháp nhân tần số (Hình 1.2). Với việc 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 (Hình

1.3) và 286.4 nm (Hình 1.4) đã được phát triển thành công. Tuy nhiên hiệu suất

chuyển đổi bước sóng này rất thấp chỉ cỡ vài % [21].

7 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Hình 1.2. Hệ laser tử ngoại thu được bằng việc nhân tần

từ laser màu phản hồi phân bố.

Hình 1.3. Bước sóng laser ban đầu 565,8 nm và bước sóng laser tử ngoại

sau khi nhân tần 282,9 nm [21].

8 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Hình 1.4. Bước sóng laser ban đầu 572.8 nm và bước sóng laser

sau khi nhân tần 286.4nm [21].

Laser rắn Ce:Fluoride

Trong vài thập niên gần đây, với việc sử dụng các tinh thể Fluoride pha tạp ion đất hiếm Ce3+ người ta đã chứng minh đây là môi trường rắn hiệu quả để phát trực tiếp cũng như khuếch đại các bức xạ laser trong vùng bước sóng tử ngoại [12-17, 22, 24]. Với vùng điều chỉnh bước sóng rộng, tiết diện phát xạ laser lớn, mật độ năng lượng bão hòa cao các vật liệu Ce:Fluoride đã được ứng dụng trong việc phát triển các nguồn laser tử ngoại xung ngắn, công suất cao. Đến nay đã có năm môi trường Ce-Fluoride Ce3+:LaF3; Ce3+:YLiF4; Ce3+:LuLiF4; Ce3+:LiCaAlF6; Ce3+:LiSrAlF6 đã chứng minh được khả năng phát các bức xạ laser trong vùng bước sóng tử ngoại (Hình 1.5).

Các nguồn bơm cho loại laser này cũng rất thông dụng, với môi trường Ce3+:LiCaAlF6; Ce3+:LiSrAlF6 ta có thể bơm bằng hoa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở bước sóng 266 nm. Với môi trường Ce3+:YLiF4; Ce3+:LuLiF4 ta có thể sử dụng nguồn bơm là laser excimer KrF ở bước sóng 248 nm hay hòa ba bậc năm của laser Nd:YAG

ở bước sóng 213 nm [22].

Các đặc trưng quang học của môi trường tinh thể Ce:Fluoride sẽ được chúng tôi

trình bày chi tiết trong phần sau.

9 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Hình 1.5. Các vật liệu Ce:Fluoride phát trực tiếp bức xạ tử ngoại [22].

Ngoài ra, các laser điện tử tự do có thể phát ra bức xạ tử ngoại về cơ bản nó có thể phát ra bất kỳ bước sóng nào, với cường độ trung bình cao. Tuy nhiên, trên thế giới mới chỉ có một vài nước có hệ laser điện tử tự do, hơn nữa để vận hành chúng rất tốn kém.

1.2. Môi trường laser rắn pha tạp ion Ce3+

Năm 1977, K. H. Yang và J. A. Deluca đã đề xuất một hướng mới trong việc

nghiên cứu phát triển laser UV điều chỉnh liên tục bước sóng [14]. Đó là việc sử dụng sự dịch chuyển 5d – 4f của ion đất hiếm hóa trị 3 pha tạp trong các tinh thể Fluoride. Do lớp điện tử 5d và cấu trúc mạng có sự tương tác mạnh nên dẫn đến sự mở rộng phổ huỳnh quang trong dịch chuyển 5d – 4f. Các kết quả đã được chỉ ra đối với Ce3+:LaF3 (276 nm - 312 nm) và Ce3+:LuF3 (288 nm - 322 nm). Điều này cho thấy các vật liệu này có thể là môi trường laser tiềm năng để phát triển các nguồn laser UV điều chỉnh liên tục bước sóng.

Các môi trường laser sử dụng ion Ce3+ có thời gian sống ở mức laser trên cỡ nano giây, độ rộng phổ lớn (30 nm đến 40 nm) và mật độ năng lượng bão hòa cao… Từ đó, có thể thấy các môi trường laser sử dụng ion Ce3+ là môi trường laser tiềm năng cho các phát xạ ở vùng tử ngoại hoạt động ở công suất cao, có khả năng điều chỉnh

bước sóng và phát xung cực ngắn [22]. Hiện nay, các môi trường Ce – Fluoride được

10 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

sử dụng làm môi trường hoạt chất cho laser tử ngoại gồm: Ce3+:YLiF4; Ce3+:LuLiF4; Ce3+:YLiCaAlF6; Ce3+:LiSrAlF6; Ce3+:LaF3 ....

Tuy nhiên, một số nghiên cứu trên vật liệu Ce3+:Y3Al5O12 (Ce:YAG) và Ce3+:YLiF4 (Ce:YLF) đã cho thấy, trong các môi trường này có hiện tượng hấp thụ mạnh ở trạng thái kích thích (Excited State Absorption - ESA) từ mức laser trên đối với bức xạ tại bước sóng huỳnh quang hoặc bước sóng bơm. Chính sự tự hấp thụ này

gây ra mất mát quang học và dập tắt hoàn toàn hoạt động laser. Hơn nữa, ESA còn dẫn

đến sự hình thành các tâm màu (color center). Các tâm màu này có tác dụng hấp thụ

bức xạ tại bước sóng laser, do đó nó sẽ làm giảm hiệu suất hoạt động của laser. Vấn đề

trên có thể được giải quyết bằng sự lựa chọn thích hợp giữa mạng nền - chất kích hoạt

quang học và sự kết hợp giữa nguồn bơm - môi trường hoạt chất, qua đó có thể tạo ra

những nguồn laser UV điều chỉnh liên tục bước sóng hoạt động hiệu quả bằng việc sử dụng dịch chuyển 5d - 4f trong ion Ce3+.

1.2.1. Đặc điểm của môi trường tinh thể laser Fluoride pha tạp ion Cerium

s 1 2 2 s

6 p s

2 3 3

6 p d 3

2 s 4 4

6 p d 4

2 s 5 5

2 p d s 5 6

Ở trạng thái cơ bản Cerium có 58 electron và có cấu hình electron như sau:

Khi Cerium được pha tạp trong các nền Flouride thì ion này có hóa trị ba với

điện tử ở lớp vỏ hóa trị 4f. Cấu hình điện tử của ion sẽ là: ...4f15d55p6.

Trong mạng tinh thể, ion phải chịu ảnh hưởng của môi trường nền dẫn đến sự suy biến các mức năng lượng. Người ta gọi sự suy biến đó là sự tách mức Stark. Do quỹ đạo 5d nằm trên các quỹ đạo 5s và 5p nên tương tác trường tinh thể sẽ đóng vai trò chủ đạo hơn so với tương tác spin – quỹ đạo, vì thế cấu trúc 5d bị nén và bị phân chia thành nhiều mức Stark rộng (điển hình là 4 hoặc 5 mức), mỗi mức cách nhau khoảng cách cỡ 5000 cm-1. Ngoài ra, lớp vỏ ở phía ngoài 5s và 5p bảo vệ lớp 4f khỏi trường tinh thể. Do đó tương tác của các trường tinh thể trong trường hợp này xem như yếu và chỉ dẫn đến sự phân chia Stark của đa mức 2F7/2và2F5/2 với khoảng cách phân chia các mức Stark cỡ 100 cm-1.

7 2F và 2

Ở mức laser dưới, cấu trúc 4f bị phân chia thành các mức 2

5 2F là do sự tương tác spin – quỹ đạo và hai mức năng lượng này khác nhau một khoảng 2253 cm-1. Trạng thái kích thích đầu tiên thì cấu trúc của Ce3+ được hình thành do sự dịch chuyển của điện tử ở lớp 4f lên lớp 5d. Và cấu trúc lớp 5d cũng bị phân chia do tương tác spin 5 2D lần lượt nằm tại 49737 cm-1 và 52226 cm-1. Hình 1.6

3 2D và 2

– quỹ đạo thành 2

11 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

biểu diễn cấu trúc mức năng lượng của ion Ce3+ khi pha tạp trong nền Fluoride. Theo đó ta có ion Ce3+ trong nền Fluoride hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng. Khi nhận được năng lượng phù hợp điện tử ở mức 4f sẽ nhảy lên mức cao nhất của 5d. Sau một

khoảng thời gian ngắn thì điện tử trên mức 5d cao nhất sẽ dịch chuyển không bức xạ

về mức 5d thấp. Từ mức 5d thấp này có chuyển dời bức xạ về mức 4f khi đó phát ra bức xạ tử ngoại [6].

Hình 1.6. Cấu trúc mức năng lượng của ion Ce3+ trong nền Fluoride.

Hình 1.6 cho thấy, bức xạ laser UV xuất hiện dọc các dịch chuyển 5d – 4f, ngược với dịch chuyển hồng ngoại 4f – 4f phổ biến trong laser đất hiếm hóa trị ba khác như Nd:YAG. Những dịch chuyển từ 5d – 4f có những thành phần ma trận lưỡng cực điện cao và thời gian sống bức xạ nhỏ hơn một cách tương ứng so với những dịch chuyển hồng ngoại quen thuộc (vài chục nano-giây so với hàng trăm micro-giây) còn những

dịch chuyển bên trong đa mức 4f chỉ được cho phép bởi quy tắc chẵn lẻ (của các trạng thái 4f). Ngoài ra có khoảng cách năng lượng giữa các mức laser Ce3+ lớn (từ 20000 đến 30000 cm-1), vì vậy nên xác suất của những dịch chuyển không bức xạ đa phonon thấp, điều này làm cho hiệu suất lượng tử cao (trên 90%). Ở một vài môi trường laser

Ce-Fluoride thì dịch chuyển 5d – dải dẫn gây ra bởi ESA và cơ chế hình thành tâm

màu (color center) là quan trọng, bởi vì chúng làm suy giảm đặc tính hoạt động của

môi trường laser.

Quá trình hấp thụ ở trạng thái kích thích ESA diễn ra gồm hai quá trình: Thứ

nhất, điện tử ở trạng thái cơ bản 4f sẽ hấp thụ photon để dịch chuyển lên trạng thái 5d.

12 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Sau đó, khi ở trạng thái kích thích 5d, điện tử sẽ tiếp tục hấp thụ photon thứ hai ở bước

sóng laser để hình thành các tâm màu.

Hiệu ứng solarization (hay tâm màu) xảy ra khi ánh sáng của nguồn bơm hay

phát xạ bị hấp thụ bởi các tâm màu trong môi trường hoạt chất, làm chuyển dời các

electron lên vùng dẫn của môi trường nền. Các tâm màu thường xuất hiện trong quá

trình nuôi tinh thể hay trong quá trình chế tạo laser. Vì vậy, các tâm màu có thể tồn tại

vĩnh viễn hoặc xuất hiện khi có các chuyển dời giữa các mức năng lượng trong tinh

thể. Khoảng cách năng lượng giữa các tâm màu và vùng dẫn thường tương ứng với

năng lượng của nguồn bơm hay của laser phát xạ. Một phần của laser bơm hay laser

phát xạ bị hấp thụ bởi các tâm màu nên hiệu ứng tâm màu thường được gọi là sự hấp

thụ ở mức kích thích. Sự mất mát do hấp thụ không mong muốn này làm giảm sự

khếch đại của laser dẫn đến việc hiệu suất bơm hoặc phát xạ thấp.

Trong các môi trường Ce:Fluoride, thì hai môi trường được ứng dụng nhiều nhất

trong việc phát triển các nguồn laser tử ngoại là môi trước Ce:LLF và Ce:LiCAF. Đây

là các môi trường có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các môi trường Ce:Fluoride

khác. Các đặc trưng cơ bản của hai môi trường này sẽ được trình bày chi tiết trong

phần sau.

1.2.2. Môi trường tinh thể Ce:LiLuF và Ce:LiCAF

Môi trường tinh thể Ce:LiLuF

Môi trường Ce:LiLuF ( hay Ce:LLF) được công bố lần đầu tiên vào năm 1992

bởi GS. Dubinskii [15, 22]. Vật liệu này đã chứng minh được khả năng điều chỉnh

bước sóng trong một dải phổ rộng có thể lên tới 30 nm và hiệu suất laser có thể lên tới

62% [12].

Tinh thể Ce: LiLuF có thời gian sống huỳnh quang khoảng 40±2 ns. Mặt độ năng lượng bão hòa của tinh thể Ce:LiLuF khoảng 50 mJ/cm2. Với mật độ năng lượng bão

hòa lớn, môi trường Ce:LiLuF đã được ứng dụng trong việc phát triển các nguồn laser

tử ngoại công suất cao. Phổ hấp thụ của môi trường Ce:LiLuF được trình bày trong

Hình 1.7. Ta thấy đỉnh phổ hấp thụ của tinh thể Ce:LiLuF ở bước các sóng 213 nm,

248 nm và 290 nm do vậy chúng ta có thể sử dụng laser excimer KrF, hòa ba bậc năm

của laser Nd:YAG hay hòa ba bậc 3 của laser Ti:sapphire làm nguồn bơm cho

laser này.

13 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Hình 1.7. Phổ hấp thụ của tinh thể Ce:LLF [22].

Phổ phát xạ của tinh thể Ce:LiLuF là một dải rộng từ 300 nm - 345 nm với hai

đỉnh cực đại nằm ở bước sóng 311 nm và 327 nm (Hình 1.8).

Hình 1.8. Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Ce: LiLuF [15, 22].

Môi trường tinh thể Ce:LiCAF

Môi trường Ce:LiCAF được công bố lần đầu tiên vào năm 1993 bởi nhóm nghiên

cứu của GS. Dubinskii với nhiều ưu điểm vượt trội so với các môi trường laser

Fluoride pha tạp Cerium khác [16-18].

 Tiết diện phát xạ laser lớn (σe = 6x10-18 cm2), điều này cho phép thu được hiệu

suất laser cao cũng như ngưỡng laser thấp.

14 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce c laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng t trong vùng tử ngoại 2018

ợng bão hòa cao (cỡ115 mJ/cm2) phù hợp cho vi p cho việc phát triển

 Mật độ năng lượ các nguồn laser t n laser tử ngoại công suất cao.

ng huỳnh quang khoảng 25 ns phù hợp đ p để phát triển các hệ

 Thời gian sống hu khuếch đại nhiều l u lần truyền qua.

i bước sóng 266 nm (Hình 1.9) nên rất phù h t phù hợp với việc bơm

 Hấp thụ mạnh tạ quang học bằng h ng họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG.

a Ce:LiCAF rộng (275 nm - 325 nm) (Hình 1.10) thích h

 Phổ phát xạ của Ce:LiCAF r việc phát triển các ngu 325 nm) (Hình 1.10) thích hợp cho c sóng. Đặc biệt với n các nguồn laser toàn rắn điều chỉnh bước sóng. Đ

phổ phát xạ rộng môi trư ng môi trường này còn được ứng dụng cho các ngu ng cho các nguồn laser tử

ngoại phát xung ng i phát xung ngắn (có thể xuống tới 1,5 fs).

Hình 1.9. Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Ce:LiCAF Hình 1.9. a Ce:LiCAF.

1.3. Các cấu hình bơm cho laser t ơm cho laser tử ngoại Ce:Fluoride

Vùng bước sóng tử ử ngoại: 200- 400 nm tương ứng với năng lư i năng lượng tương ứng:

3÷12 eV do vậy để kích thích các ngu kích thích các nguồn laser này thì nguồn kích thích c n kích thích cần năng lượng

cao để làm nguồn bơm. V n bơm. Vì các môi trường Ce:Fluoride là các môi trư ng Ce:Fluoride là các môi trường tinh thể do

vậy phương pháp bơm quang h bơm quang học thường được sử dụng.

Đến nay đã có ba c dụng là cấu hình bơm ngang, c ã có ba cấu hình bơm quang học cho tinh thể Ce:Fluoride đ Ce:Fluoride đã được sử ơm dọc [7, 22]. ơm ngang, cấu hình bơm xiên và cấu hình bơm d

ơm ngang Cấu hình bơm ngang

15 Thúy Dương Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Bức xạ laser bơm được tập trung dọc theo cạnh của thanh tinh thể. Bơm có thể từ

một phía, hai phía hoặc nhiều hơn tuy theo yêu cầu của công suất phát của laser (Hình

1.10 và Hình 1.11).

Hình 1.10. Hệ thực nghiệm cho laser công suất cao Ce:LLF

được bơm ngang bằng laser KrF.

Hình 1.11. Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF được bơm ngang bởi hòa ba bậc bốn

của laser Nd:YAG từ hai phía [18].

Theo mỗi phương bơm, từ cạnh vào tâm thanh tinh thể, số tâm hoạt động laser được kích thích giảm theo hàm mũ. Nghĩa là số tâm được kích thích lớn nhất là ở sát

cạnh tinh thể. Trong khi đó, mode cơ bản của laser thường không trùm hết tinh thể nên

không chồng chập không gian với vùng được kích thích nhiều nhất.

Trong cấu hình bơm ngang, các mode bậc cao có thể lại chồng chập không gian

tốt với vùng được kích nhiều và do đó được phát đồng thời với mode cơ bản. Khi đó,

chất lượng chùm laser sẽ bị ảnh hưởng. Để triệt các mode bậc cao, người ta thường sử

16 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

dụng diaphram trong buồng cộng hưởng. Xong cách này lại làm tăng mất mát và làm

giảm hiệu suất của laser. Tuy gặp phải những nhược điểm trên, nhưng cấu hình bơm

này cho phép tạo vùng khuếch đại dài dọc theo môi trường laser (vài cm đến hàng

chục cm) nên thích hợp khi cần laser công suất cao.

Cấu hình bơm dọc

Hình 1.12. Tinh thể Ce:LiCAF được bơm dọc bằng

hòa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở bước sóng 266 nm.

Khác với bơm ngang, bức xạ laser bơm trong cấu hình bơm dọc sẽ được bơm qua gương cuối của buồng cộng hưởng vào dọc theo tinh thể laser. Cấu hình bơm này cho phép tạo sự chồng chập không gian tốt của chùm bơm và laser ra trong tinh thể. Nhờ đó, chất lượng chùm laser và hiệu suất laser tốt hơn so với bơm ngang. Với cầu hình bơm dọc điều kiện là một trong hai gương của laser phải truyền qua gần như hoàn toàn với bước sóng laser bơm và phản xạ cao với bước sóng laser, với loại gương như thế này chi phí tương đối cao. Cấu hình bơm dọc cho laser Ce:Fluoride được chỉ ra trên Hình 1.12.

Cấu hình bơm xiên

Cấu hình bơm xiên cũng được ứng dụng nhiều trong hệ laser Ce:Flouride, Trong

cấu hình này, chùm laser bơm được hội tụ vào trong tinh thể tạo với trục buồng cộng hưởng một góc nhỏ. Với cấu hình bơm xiên, hiệu suất laser phụ thuộc rất lớn vào sự

chồng chập không gian giữa chùm laser bơm và chùm laser tín hiệu bên trong tinh thể.

Sự chồng chập này phụ thuộc vào góc tới của chùm laser bơm so với trục quang học

của buồng cộng hưởng. Do vậy, để sự để sự chồng chập này là lớn nhất thì góc giữa

chùm laser bơm và trục quang học của buồng cộng hưởng phải nhỏ nhất có thể. Hệ

laser Ce:LiCAF sử dụng cấu hình bơm xiên được trình bày trên Hình 1.13 [18].

17 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce c laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng t trong vùng tử ngoại 2018

ơm xiên. Hình 1.13. Hệ laser Ce:LiCAF với cấu hình bơm xiên. Hình 1.1

1.4. Các ứng dụng của laser t a laser tử ngoại

Với ưu điểm bước sóng ng c sóng ngắn, laser UV hiện là sự lựa chọn hàng đ n hàng đầu trong nhiều

ứng dụng công nghiệp, đờ ời sống, nghiên cứu khoa học…[18], cụ th thể:

 Sử dụng trong ngành thi ngành thiết bị ngoại vi, ngành bán dẫn, cơ khí vi mô ho

n, cơ khí vi mô hoặc khắc bóc lớp bề mặt c phẩu thuật (mắt) với đặc tính nổi bật “kh

ngành y học ph (Ablation)”.

có công suất cao có thể được ứng dụng trong gia công v

trong gia công vật liệu u, bao gồm các vật liệu t laser công nghệ tử ngoại ng quét laser (thấu kính) giúp tạo t thấp để có thể xử lý

 Laser tử ngoại có công su như để cắt và khoan các l t và khoan các lỗ nhỏ trong nhiều loại vật liệu, bao g trong suốt với ánh sáng nhìn th i ánh sáng nhìn thấy. Máy khắc và cắt laser thiết bị phát tia laser, hệ thống quét laser (th được trang bị thi chùm tia laser UV cực nhỏ và tạo vùng ảnh hưởng nhiệt th chùm tia laser UV c trên các chi tiết c t cực kỳ tinh xảo và các vật liệu đặc biệt.

 Các nguồn laser t

laser tử ngoại liên tục là cần thiết cho việc in th p bán dẫn. Các laser tử ngoại liên tục và laser t c in thạch bản nhỏ, như c và laser tử ngoại xung đều

sản xuất chíp bán d có thể được sử dụ ụng để chế tạo cách tử Bragg.

 Ngoài ra trong y Ngoài ra trong y học người ta sử dụng laser tử ngoại trong i trong phẫu thuật mắt

phương pháp LASIK LASIK (Laser Insitu Kenatomileusis). Trong k ). Trong kỹ thuật LASIK,

laser được điều khi u khiển làm bốc hơi mô một cách tinh vi mà không làm t t cách tinh vi mà không làm tổn hại

đến phần xung quanh li n xung quanh liền kề. Các lớp mô loại bỏ có thể ể dày đến hàng chục

micromet.

 Trong khoa học, laser t c, laser tử ngoại có thể được sử dụng làm ngu ng làm nguồn bơm cho các

laser khác.

18 Thúy Dương Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

 Trong nghiên cứu môi trường, nhờ sự hấp thụ mạnh của các tầng Ozone ở bước sóng tử ngoại (Hình 1.14) mà laser tử ngoại còn được ứng dụng trong

các hệ Lidar để nghiên cứu các tầng ozone.

Hình. 1.14. Phổ hấp thụ của Ozone.

KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Trong chương I, tôi đã tìm hiểu và phân tích về một số nguồn laser thông dụng phát bức xạ tử ngoại như laser excimer, laser nhân tần, laser màu, laser khí, laser bán dẫn, laser rắn qua đó đánh giá được các ưu nhược điểm của từng nguồn laser.

Từ việc tổng hợp và phân tích các nghiên cứu về vật liệu Fluoride pha tạp ion Cerium, chúng tôi thấy đây là vật liệu có nhiều ưu điểm trong việc phát bức xạ tử ngoại điển hình là hai môi trường Ce:LiCAF và Ce:LLF.

Các cấu hình bơm cho laser tử ngoại Ce:Fluoride cũng đã được tìm hiểu và phân tích. Ba cấu hình bơm thường được sử dụng cho loại laser này là cấu hình bơm dọc, bơm xiên và bơm ngang. Tùy vào điều kiện cũng như yêu cầu mà mỗi cấu hình bơm

khác nhau đã được sử dụng.

Ngoài ra, các ứng dụng của laser tử ngoại cũng đã được tìm hiểu và phân tích. Ta

thấy rằng, laser tử ngoại có rất nhiều ứng dụng khác nhau, không chỉ trong khoa học,

quân sự mà càng ngày càng được sử dụng trong đời sống, y học.

19 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

CHƯƠNG II:

ĐỘNG HỌC LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE

Bằng sử dụng hệ phương trình tốc độ mở rộng cho nhiều bước sóng, chúng tôi đã

nghiên cứu lý thuyết động học phổ của laser tử ngoại Ce:Fluoride. Sự ảnh hưởng của

năng lượng laser bơm, thông số buồng cộng hưởng (chiều dài, hệ số phản xạ gương)

lên đặc trưng phổ-thời gian của phát xạ laser Ce:Fluoride trong vùng tử ngoại băng

rộng sẽ được nghiên cứu chi tiết trong chương này.

2.1. Mô hình lý thuyết

Mô hình buồng cộng hưởng laser bao gồm môi trường khuếch đại Ce:Fluoride có

chiều dài l được đặt giữa hai gương có hệ số phản xạ R1, R2. Hai gương được đặt cách

nhau một khoảng L. Giả sử hai gương của buồng cộng hưởng có hệ số phản xạ giống

nhau cho toàn miền phổ phát xạ của laser. Hệ phương trình tốc độ mở rộng được biểu

diễn như sau [5, 19, 20, 23]:









    t N t

  t

  N t 1

   N t 1  t

n   ai 1  i

n   ei i  1

  

  

  

 1   



(2.1)







  N t 1

 ai

  N t 0

  A N t 1

(2.2)

  ei



 

  

I i 

  t t

  t i  t

trong đó:

 Phương trình (2.1) biểu diễn sự biến thiên độ tích lũy của mức laser trên, và

phương trình (2.2) biểu diễn sự biến thiên cường độ laser trong BCH.

0N ,

1N là độ tích lũy của ion ở mức cơ bản và mức laser trên.







N N N 1 0

 là tổng số ion hoạt chất của môi trường khuếch đại (cm-3).

iI là cường độ laser trong BCH tại bước sóng

i (photon.cm-2.s-1).



pR (s-1) là tốc độ bơm được xác định bởi phương trình sau:



20 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương



4 ln 2



2

exp

P abs

 t 2  p

   

   

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018



  R t p

  P t E V p

E V p







(2.3)

inP là

P in

 l a

1 exp  

 là công suất bơm được hấp thụ trong tinh thể, 

với absP =

p là độ rộng

a là hệ số hấp thụ của môi trường khuếch đại;

công suất bơm vào,

P



; là năng lượng photon bơm;

  P t

abs

hc  p

2 r l

xung bơm, và 0t là thời gian tại đó

V trên bề mặt tinh thể.

là thể tích của vùng được bơm trong môi trường laser, r là bán kính vết bơm

ai , sóng

ei lần lượt là tiết diện hấp thụ và tiết diện bức xạ cưỡng bức tại bước i (cm2).



  là thời gian sống huỳnh quang của ion hoạt chất (ion Ce3+).

  là hệ số mất mát trong một chu trình đi-về trong BCH. Hệ số  được định

  

nghĩa như sau:



 ln R R 1 2

(2.4)

 t là thời gian để ánh sáng thực hiện một chu trình đi-về trong BCH. Thời gian

 1





t được xác định như sau:

(2.5)

  L l n

 1

 t

 

 

với c là tốc độ ánh sáng và n là chiết suất môi trường laser.

  iA N t 1

 là đại lượng biểu thị sự đóng góp của bức xạ tự phát khởi đầu cho quá



trình laser, giá trị

iA ít bị ảnh hưởng với các bước sóng khác nhau nên có thể (cm.s-2) [5].



lấy như nhau cho mọi bước sóng:

i khác nhau.

 i = 1, 2, 3… là chỉ số tương ứng với các bước sóng

2.2. Các thông số sử dụng trong mô phỏng

Động học phổ trong phát xạ laser Ce:Fluoride băng rộng được nghiên cứu dựa

trên hệ phương trình tốc độ mở rộng (2.1) và (2.2), cho toàn miền phổ phát xạ của laser tử ngoại. Trong chương II của luận văn, tôi lựa chọn hai môi trường Ce:Fluoride

tiêu biểu là Ce:LLF và Ce:LiCAF vì đây là hai môi trường phát laser tử ngoại có phổ

21 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

phát xạ rộng, chúng đã gần như bao phủ toàn bộ miền phổ phát xạ của laser

Ce:Fluoride trong vùng tử ngoại. Cụ thể, laser UV Ce:LLF có phổ phát xạ từ 300 nm -

340 nm, còn laser UV Ce:LiCAF có phổ phát xạ từ 280 nm - 320 nm.

Để nghiên cứu động học laser tử ngoại Ce:Fluoride tôi giải 200 phương trình cho

cường độ và 01 phương trình cho độ tích lũy trên mức laser trên với bước chia theo bước sóng 0.2 nm cho từng môi trường Ce:LLF và Ce:LiCAF bằng phần mềm Matlap.

Các thông số laser được lấy từ thực nghiệm và trình bày trong Bảng 2.1 và Bảng 2.2.

Bảng 2.1. Các thông số của môi trường Ce:LLF [22] .

Nồng độ ion Ce3+: 1 mol%, 3x1017 cm-3 Chiết suất: n =1.45

Thời gian sống huỳnh quang: Chiều dài tinh thể: 1 cm  = 40 ns

Độ hấp thụ tại 248 nm là: αa=2.7 cm-1 Hệ số phát xạ tự phát: Ai= 10−10 cm.s−2

Bước sóng laser bơm:

Tiết diện hấp thụ, σai = 0.101210-17cm2tại 308nm và σai = 0.03210-17cm2tại 328nm. p= 248 nm

Bán kính vết bơm: 0.1 cm

Tiết diện phát xạ, σei=0.289710-17cm2 tại 308nm và σei=0.986210-17cm2 tại 328nm.

Hệ số phản xạ của gương cuối: R1= 100% Độ rộng xung bơm: 7 ns

Bảng 2.2.Các thông số của môi trường Ce:LiCAF [22].

Nồng độ ion Ce3+: 1 mol%, 3x1017 cm-3 Chiết suất: n =1.41

Thời gian sống huỳnh quang: Chiều dài tinh thể Ce:LiCAF là: 1 cm  = 25 ns

Độ hấp thụ tại 266 nm là: 3.7 cm-1 Hệ số phát xạ tự phát: Ai=10−10 cm.s−2

Bước sóng laser bơm:

Tiết diện hấp thụ tại 290 nm: σai = 2.6 x10-19 cm2 p= 266 nm

22 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce c laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng t trong vùng tử ngoại 2018

t bơm: 0.1 cm Bán kính vết bơm: 0.1 cm

i 290 nm: Tiết diện phát xạ tại 290 nm: σei = 9.6x10-18 cm2

Độ rộng xung bơm: 7 ng xung bơm: 7 ns Hệ số phản xạ của gương cu a gương cuối: R1= 100%

2.3. Độ khuếch đại của môi trư Ce:LLF và Ce:LiCAF a môi trường laser Ce:LLF và Ce:LiCAF

Độ khuếch đại của môi trư a môi trường hoạt chất là một thông số quan tr quan trọng, nó quyết

định đến công suất, ngưỡ ỡng phát của laser.. Hệ số khuếch đại  c của môi trường laser

được biểu diễn như sau:



     







    a

(2.6)







hoặc:



    a

N N / 1

 a

(2.7)

/ N của Ce:LLF và

Hình 2.1 và Hình và Hình 2.2biểu diễn công tua khuếch đại 

1 /N N khác nhau.

Ce:LiCAF với các tỷ số N N

Ta thấy rằng, độ khu

i theo bước sóng và phụ Ce:LiCAF đạt giá trị

thuộc vào tỷ số N1/N. Độ cực đại quanh vùng bước sóng khuếch đại của môi trường thay đổi theo bư ộ khuếch đại của môi trường Ce:LLF và Ce:LiCAF đ c sóng 327 nm và 288.5 nm tương ứng.

Hình 2.1. Công tua h ng laser UV Ce:LLF Công tua hệ số khuếch đại (γ/N) của môi trường laser UV Ce:LLF

(với các giá trị N1/N khác nhau).

23 Thúy Dương Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce c laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng t trong vùng tử ngoại 2018

Hình 2.2. Công tua h ng laser UV Ce:LiCAF Công tua hệ số khuếch đại (γ/N) của môi trường laser UV Ce:LiCAF

(với các giá trị N1/N khác nhau).

2.4. Động học trong phát x c trong phát xạ laser Ce:LLF và Ce:LiCAF

2.4.1. Ảnh hưởng của năng lư a năng lượng bơm

Sự ảnh hưởng của năng lư

a năng lượng bơm lên phát xạ laser Ce:LLF i hệ phương trình tốc độ mở rộng (2.1) và (2.2) cho toàn mi Ce:LLF (300 nm-340 nm) và laser Ce:LiCAF (280 nm

ới các tham số được trình bày trong Bảng 2.1

gương ra R2 = 30% và chiều dài của BCH là L

laser Ce:LLF và laser Ce:LiCAF ng (2.1) và (2.2) cho toàn miền và laser Ce:LiCAF (280 nm-320 nm) ng 2.1 và Bảng 2.2 cùng = 2 cm. Các kết quả và Hình 2.4 cho laser c trình bày trên Hình 2.3 cho laser Ce:LLF và Hình 2.4

thu được bằng việc giải h phổ phát xạ của laser Ce:LLF (300 nm với bước chia 0.2 nm, vớ với hệ số phản xạ gương ra mô phỏng được trình bày trên Ce:LiCAF.

y, cường độ laser là một hàm theo thời gian và bư

c sóng khác nhau hoặc thời gian khác nhau thì cư

Kết quả cho thấy, cư với mỗi vị trí bước sóng k nhau. Cùng với thông số ố của BCH, khi năng lượng bơm tăng dần ch i gian và bước sóng, ứng ường độ laser là khác n chúng tôi thấy với

laser Ce:LLF thì ngưỡng ng phát của laser ứng với năng lượng bơm kho ng bơm khoảng 5mJ còn với

laser Ce:LiCAF ngưỡng bơm kho mJ (Hình 2.3) và (Hình 2.4) ng bơm khoảng 4 mJ (Hình 2.3) và (Hình 2.4)

Hơn nữa, đối với cả ả hai laser này, khi năng bơm gần ngưỡng thì laser phát ng thì laser phát đơn

xung với Ce:LLF năng lư i Ce:LLF năng lượng bơm khoảng 5mJ đến 12mJ còn vớ ới laser Ce:LiCAF thì

năng lượng bơm khoảng 4mJ đ ng 4mJ đến 8mJ.

Vì cường độ laser là m laser là một hàm theo thời gian và bước sóng I( c sóng I(,t) do vậy, để quan

sát về mặt phổ thì ta lấy tích phân toàn mi y tích phân toàn miền phát xạ của laser theo th a laser theo thời gian và biểu

diễn theo bước sóng, còn n c sóng, còn nếu muốn quan sát về mặt thời gian thì l i gian thì lấy tích phân toàn

24 Thúy Dương Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce c laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng t trong vùng tử ngoại 2018

miền phổ phát xạ laser theo bư laser theo bước sóng và biểu diễn theo thời gian. K i gian. Kết quả nghiên cứu

sự ảnh hưởng của năng lư a Ce:LLF và Ce:LiCAF a năng lượng bơm lên phổ laser tích phân của Ce:LLF và Ce:LiCAF

c trình bày trên Hình 2.5 và Hình 2.6. được trình bày trên Hình 2.5 và Hình 2.6.

Hình 2.3. Tiến trình ph n trình phổ - thời gian của phát xạ laser Ce:LLF laser Ce:LLF ứng với

các năng lượng bơm khác nhau.

Hình 2.4. Tiến trình ph n trình phổ - thời gian của phát xạ laser Ce:LiCAF laser Ce:LiCAF ứng với

các năng lượng bơm khác nhau.

25 Thúy Dương Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce c laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng t trong vùng tử ngoại 2018

Vì cường độ laser là m laser là một hàm theo thời gian và bước sóng I( c sóng I(,t) do vậy, để quan

sát về mặt phổ thì ta lấy tích phân toàn mi y tích phân toàn miền phát xạ của laser theo th a laser theo thời gian và biểu

diễn theo bước sóng, còn n c sóng, còn nếu muốn quan sát về mặt thời gian thì l i gian thì lấy tích phân toàn

miền phổ phát xạ laser theo bư laser theo bước sóng và biểu diễn theo thời gian. K i gian. Kết quả nghiên cứu

sự ảnh hưởng của năng lư a Ce:LLF và Ce:LiCAF a năng lượng bơm lên phổ laser tích phân của Ce:LLF và Ce:LiCAF

c trình bày trên Hình 2.5 và Hình 2.6. được trình bày trên Hình 2.5 và Hình 2.6.

Kết quả cho thấy, khi năng lư y, khi năng lượng bơm tăng lên thì với c i cả laser Ce:LLF và

Ce:LiCAF cường phổ laser laser tích phân tăng lên (Hình 2.5a và Hình 2.6a ). và Hình 2.6a ). Điều này

được giải thích như sau khi năng lư i thích như sau khi năng lượng bơm tăng dẫn đến năng lư năng lượng laser lối ra cũng

tăng do vậy mà cường độ ộ phổ laser tích phân tăng. Hơn nữa, ta th a, ta thấy ứng với cùng cấu

hình buồng cộng hưởng và năng lư ng và năng lượng laser bơm nhưng cường độ ộ laser Ce:LiCAF lớn

hớn so với laser Ce:LLF, đi i laser Ce:LLF, điều này là do tiết diện phát xạ ở bước sóng laser và ti c sóng laser và tiết diện

c sóng bơm của môi trường Ce:LiCAF lớn hơn so v n hơn so với môi trường

hấp thụ ở bước sóng bơm c Ce:LLF.

Hình 2.5. Phổ laser tích phân c laser tích phân của laser Ce:LLF với năng lượng bơ ng bơm khác nhau.

Hình 2.6. Phổ laser tích phân c ng bơm khác nhau. laser tích phân của laser Ce:LiCAF với năng lượng bơm khác nhau.

26 Thúy Dương Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Hình 2.5b và Hình 2.6b là cường độ phổ laser tích phân sau khi đã được chuẩn

hóa. Ta thấy rằng, khi năng lượng bơm tăng lên thì phổ laser được mở rộng. Điều này

được giải thích như sau: khi năng lượng laser bơm tăng, các thông số BCH giữa

nguyên thì với những bước sóng có tiết diện phát xạ yếu hơn nằm xung quanh đỉnh

phổ phát xạ cũng được khuếch đại do vậy mà phổ laser được mở rộng.

Để quan sát phát xạ laser Ce:LLF và Ce:LiCAF theo thời gian ứng với năng

lượng bơm khác nhau tôi lấy tích phân cường độ laser theo bước sóng. Kết quả được

trình bày trên Hình 2.7 và Hình 2.8.

Hình 2.7. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LLF và độ tích lũy

theo thời gian ứng với các năng lượng bơm khác nhau.

Ta thấy rằng, với laser Ce:LLF khi năng lượng bơm trong khoảng 5mJ đến 12mJ và với laser Ce:LiCAF năng lượng bơm trong khoảng 4 đến 8mJ thì xung laser là một

xung đơn Hình 2.7a,b và Hình 2.8a,b. Tuy nhiên với khi năng lượng bơm khoảng 13

mJ với laser Ce:LLF và 9mJ với laser Ce:LiCAF thì dao động thứ hai bắt đầu xuất

hiện. Với cả hai laser, năng lượng bơm tăng lên thì số dao động của cường độ laser

cũng tăng lên và đồng thời laser xuất hiện càng sớm.

Các kết quả này được giải thích dựa trên cơ sở sự tích thoát của độ tích lũy ở

mức kích thích. Khi năng lượng bơm thấp hay bơm gần ngưỡng thì quá trình để đạt

được nghịch đảo độ tích lũy giữa hai mức laser trên và laser dưới xảy ra lâu hơn cũng

27 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

như sự tái tích lũy khó có thể đạt đến ngưỡng phát sau quá trình laser đầu tiên xảy ra

điều này làm cho laser phát muộn hơn và chỉ xuất hiện một dao động.

Hình 2.8. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LiCAF và độ tích lũy

theo thời gian ứng với các năng lượng bơm khác nhau.

Khi năng lượng bơm cao thì mật độ ion ở mức kích thích có thể được tái tích lũy đến mật độ ngưỡng sau khi phát laser, do đó số lần dao động của cường độ laser được tăng lên. Riêng trong trường hợp năng lượng bơm quá cao trên ngưỡng, quá trình tích lũy và quá trình laser có thể đạt đến trạng thái dừng, vì vậy xung laser lặp lại xung bơm. Mặt khác, năng lượng bơm càng tăng cũng đồng nghĩa với tốc độ tích thoát của độ tích lũy ion ở mức kích thích càng tăng, cho nên laser xuất hiện càng sớm, cũng như khoảng cách giữa các dao động càng hẹp lại.

Từ kết quả trên ta thấy, để thu được xung laser lối ra có độ rộng ngắn thì ứng với

một cấu hình BCH ta chỉ cần tối ưu năng lượng của laser bơm, tốt nhất là bơm gần

ngưỡng.

2.4.2. Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra

Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ phẩm chất buồng cộng hưởng hay hệ số

phản xạ của gương laser ra lên động học phát xạ laser Ce:LLF và laser Ce:LiCAF

chúng tôi giữa nguyên các thông số khác của BCH như hệ số phản xạ của gương cuối

R1 = 100%; chiều dài BCH L= 2cm; Năng lượng của laser bơm Eb = 20mJ cho cả hai môi trường laser. Với việc thay đổi hệ số phản xạ gương ra R2 từ 5% đến 70% các kết

28 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce c laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng t trong vùng tử ngoại 2018

c trình bày trên Hình 2.9 cho laser Ce:LLF và Hình 2.10 cho laser quả mô phỏng được trình bày trên Hình 2.9 cho laser Ce:LLF và Hình 2.10 cho laser c trình bày trên Hình 2.9 cho laser Ce:LLF và Hình 2.10 cho laser

Ce:LiCAF.

Các kết quả chỉ ra r laser Ce:LLF và Ce:LiCAF khi thay ra rằng, với cả hai phát xạ laser Ce:LLF và Ce:LiCAF khi thay

đổi hệ số phản xạ của gương ra, th a gương ra, thì tiến trình phổ-thời gian cũng thay đ ũng thay đổi. Phổ laser

ư độ rộng của xung laser lối ra tăng lên (thờ ời gian phát laser lâu

được mở rộng cũng như đ hơn trong một xung bơm) khi tăng h t xung bơm) khi tăng hệ số phản xạ gương.

Để quan sát về phổ ổ laser khi thay đổi hệ số phản xạ gương, tôi l gương, tôi lấy tích phân

cường độ laser trên toàn b laser trên toàn bộ vùng bước sóng theo thời gian. Kết qu t quả về phổ laser tích

phân khi thay đổi hệ số ph phản xạ gương được chỉ ra trên Hình 2.11a và Hình 2.11b v ra trên Hình 2.11a và Hình 2.11b với

laser Ce:LLF và Hình 2.12 a và Hình 2.12b với laser Ce:LiCAF. laser Ce:LLF và Hình 2.12 a và Hình 2.12b v

2R cũng đ a BCH khiến cường độ cũng như độ rộng c

Kết quả cho thấy, vi y, việc tăng hệ số phản xạ gương ra ũng đồng nghĩa với việc

ng của phổ laser lối ra tăng độ phẩm chất của BCH khi

tăng lên.

laser UV Ce:LLF n trình phổ - thời gian của phát xạ laser UV Ce:LLF Hình 2.9. Tiến trình ph ứng v gương ra khác nhau. ng với các hệ số phản xạ gương ra khác nhau.

ể được giải thích như sau: khi hệ số phản x n, do vậy chỉ có vùng bước sóng xung quanh đ n xạ gương thấp, mất c sóng xung quanh đỉnh cực đại của Kết quả này có thể mát trong BCH là lớn, do v công tua khuếch đại có kh i có khả năng phát laser.

29 Thúy Dương Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce c laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng t trong vùng tử ngoại 2018

Hình 2.10. Ti ứng v laser UV Ce:LiCAF . Tiến trình phổ - thời gian của phát xạ laser UV Ce:LiCAF gương ra khác nhau. ng với các hệ số phản xạ gương ra khác nhau.

ản xạ gương ra cũng có nghĩa là làm tăng đ

t mát do gương sẽ giảm. Điều này dẫn đến tăng độ

Khi tăng hệ số phả BCH nên mất mát do gương s vùng phát xạ của laser, do đó phạt xạ của laser được m Ce:LiCAF đỉnh phổ laser g à làm tăng độ phẩm chất của khuếch đại cho toàn c mở rộng dẫn đến phổ , do đó công tua khuếch đại của laser được m hai laser Ce:LLF và laser c mở rộng. Ta thấy rằng, với cả hai laser Ce:LLF và laser phản xạ gương ra. laser gần như không thay đổi khi tăng hệ số ph

Để quan sát phát xạ ạ laser Ce:LLF và Ce:LiCAF theo thời gian

a gương ra BCH khác nhau tôi lấy tích phân cường độ laser theo t

i gian ứng với các hệ số laser theo tất cả bước phản xạ của gương ra BCH khác nhau tôi l c trình bày trên Hình 2.13 cho laser Ce:LLF và Hình 2.14 cho laser c trình bày trên Hình 2.13 cho laser Ce:LLF và Hình 2.14 cho sóng. Kết quả được trình bày trên Hình 2.13 cho laser Ce:LLF và Hình 2.14 cho Ce:LiCAF.

Hình 2.11. Ph Phổ laser tích phân của laser Ce:LLF với h i hệ số phản xạ

gương ra của BCH khác nhau.

30 Thúy Dương Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce c laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng t trong vùng tử ngoại 2018

Hình 2.12. Phổ laser tích phân của laser Ce:LiCAF v Hình 2.12. a laser Ce:LiCAF với

hệ số ố phản xạ gương ra của BCH khác nhau.

Hình 2.13. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LLF và đ laser Ce:LLF và độ tích lũy

theo thời gian ứ a gương ra BCH khác nhau. ứng với hệ số phản xạ của gương ra BCH khác nhau.

Kết quả cho thấy, khi h y, khi hệ số phản xạ gương ra là 5% thì v ì với laser Ce:LLF chỉ

phát một dao động còn v ng còn với laser Ce:LiCAF đã bắt đầu phát hai dao đ u phát hai dao động. Khi tăng hệ

số phản xạ gương ra thì th ì thời gian phát laser cũng sớm hơn trong m m hơn trong một xung laser bơm

và số dao động cũng tăng l ũng tăng lên. Nếu hệ số phản xạ của gương ra cao xung laser s a gương ra cao xung laser sẽ lặp lại

gương ra nhỏ, mất mát phát muộn hơn so với

xung bơm. Điều này đượ trong BCH là lớn, dẫn đế trường hợp BCH có hệ số ợc giải thích như sau: khi hệ số phản xạ gương ra nh ến ngưỡng phát laser cao, do đó laser sẽ phát mu ố phản xạ gương ra cao.

31 Thúy Dương Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Hình 2.14. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LiCAF và độ tích lũy theo thời gian ứng với hệ số phản xạ của gương ra BCH khác nhau.

Hơn nữa, do sự mất mát lớn này mà laser chỉ phát được một vài dao động sau một xung laser bơm. Khi gương ra có hệ số phản xạ cao thì mất mát trong BCH là nhỏ, do đó sau quá trình laser đầu tiên, sự tái tích lũy trên ngưỡng vẫn đạt được nên laser có thể phát ra vài dao động.

Từ kết quả nghiên cứu này ta cũng có thể thấy ngưỡng phát của laser Ce:LiCAF nhỏ hơn so với laser Ce:LLF. Với cùng chiều dài BCH, cùng năng lượng của laser bơm thì để thu được đơn xung với laser Ce:LiCAF cần BCH có độ phẩm chất thấp hơn so với BCH của laser Ce:LLF.

2.4.3. Ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng

Sự ảnh hưởng của chiều dài BCH lên tiến trình phổ-thời gian trong phát xạ laser

Ce:LLF và laser Ce:LiCAF thu được bằng việc giải hệ phương trình tốc độ đa bước

sóng (2.1) và (2.2) cho toàn miền phổ phát xạ của laser Ce:LLF (300 nm-340 nm) và

Ce:LiCAF (280nm-320nm). Hệ số phản xạ gương ra là 30%, năng lượng của laser

bơm là 20 mJ , chiều dài BCH thay đổi từ 2 cm đến 20 cm cho cả hai laser Ce:LLF và

Ce:LiCAF. Các kết quả mô phỏng được trình bày trên Hình 2.15 cho laser Ce:LLF và

Hình 2.16 cho laser Ce:LiCAF.

32 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce c laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng t trong vùng tử ngoại 2018

Kết quả cho thấy rằ ằng: với BCH ngắn, phát xạ laser sớm đạ ạt được, phổ phát xạ

laser hẹp và nhiều dao độ ộng.

Khi tăng chiều dài BCH thì ph u dài BCH thì phổ phát xạ laser được mở rộng, hi ng, hiện tượng dao động

Sự phụ thuộc của ph

a phổ laser tích phân trong phát xạ laser Ce:LLF vào chi

laser Ce:LLF vào chiều dài c trình bày trên Hình 2.17 và laser Ce:LiCAF trên Hình 2.18. Ta thấy c trình bày trên Hình 2.17 và laser Ce:LiCAF trên Hình 2.18. Ta th BCH được trình bày trên Hình 2.17 và laser Ce:LiCAF trên Hình 2.18. Ta th giảm điều này gây ra u dài BCH thì cường độ của phổ phát xạ gi rằng, khi tăng chiều dài BCH thì c ũng có nghĩa hệ số mất mát a BCH do khi chiều dài BCH tăng cũng có nghĩa h bởi sự mất mát của BCH do khi chi y rằng, khi chiều dài ình 2.17a và Hình 2.18a). Hơn nữa ta thấy r BCH tăng theo (Hình 2.17a và a laser Ce:LLF và laser Ce:LiCAF được mở rộng (Hình của laser Ce:LLF và laser Ce:LiCAF đư BCH tăng, phổ phát xạ 2.17b và Hình 2.18b).

hồi phục trong quá trình laser suy gi c trong quá trình laser suy giảm, và phát laser khó đạt được hơn. c hơn.

c giải thích như sau: trong một xung laser bơm, th a photon trong với BCH dài là lớn hơn so với BCH ng

Kết quả này được gi chu trình đi-về của photon tron dẫn đến số lần đi-về trong m t xung laser bơm, thời gian một i BCH ngắn. Điều này ủa BCH dài là ít hơn trong một chu trình laser của chùm photon củ

p BCH ngắn hay ảnh hưởng của hiệu ứng Fabry ng Fabry-Perot lên BCH dài

so với trường hợp BCH ng nhỏ hơn.

Hình 2.15. Tiến trình ph laser UV Ce:LLF n trình phổ - thời gian của phát xạ laser UV Ce:LLF ứng với chiều dài BCH khác nhau.

33 Thúy Dương Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce c laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng t trong vùng tử ngoại 2018

Hình 2.16. Tiến trình ph laser UV Ce:LiCAF n trình phổ-thời gian của phát xạ laser UV Ce:LiCAF ứng với chiều dài BCH khác nhau.

Hình 2.17. Phổ laser tích phân c laser tích phân của laser Ce:LLF với chiều dài BCH khác nhau. u dài BCH khác nhau.

Hình 2.18. Phổ laser tích phân c u dài BCH khác nhau. laser tích phân của laser Ce:LiCAF với chiều dài BCH khác nhau.

34 Thúy Dương Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Sự ảnh hưởng của chiều dài BCH laser lên động học thời gian trong phát xạ laser

Ce:LLF và Ce:LiCAF được trình bày trên Hình 2.19 và Hình 2.20.

Hình 2.19. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LLF và độ tích lũy

theo thời gian ứng với chiều dài BCH khác nhau.

Hình 2.20. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LiCAF và độ tích lũy N1

theo thời gian ứng với L khác nhau.

35 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Kết quả cho thấy: khi chiều dài BCH càng lớn, hiện tượng dao động hồi phục

trong quá trình laser càng suy giảm và laser xuất hiện càng trễ. Kết quả này có thể

được giải thích như sau: một trong những điều kiện để có dao động hồi phục trong

phát xạ laser là thời gian sống của photon trong BCH phải nhỏ hơn thời gian sống



huỳnh quang của môi trường laser. Khi chiều dài BCH càng tăng thì thời gian sống của photon c ở trong BCH càng lớn, do đó hiện tượng dao động hồi phục càng khó xảy ra.

 c

 L t   

2 c

(2.9)

KẾT LUẬN CHƯƠNG II

Trong Chương 2, trên cơ sở hệ phương trình tốc độ mở rộng đa bước sóng,

động học phổ của laser UV Ce:LLF và Ce:LiCAF băng rộng đã được nghiên cứu chi

tiết. Ngoài ra, sự ảnh hưởng của năng lượng bơm lên năng lượng phát xạ laser cũng

được nghiên cứu. Các kết quả thu được như sau:

1. Cường độ laser UV Ce:LLF và Ce:LiCAF là một hàm theo thời gian và bước

sóng. Hiện tượng dao động hồi phục tắt dần của laser phụ thuộc mạnh vào bước sóng

và sự dập tắt dao động diễn ra nhanh hơn ở phía bước sóng ngắn.

2. Năng lượng bơm và các thông số của BCH ảnh hưởng mạnh lên tiến trình phổ -

thời gian trong phát xạ laser UV Ce: LLL và Ce:LiCAF.

- Năng lượng bơm càng tăng thì phổ laser càng rộng, số dao động laser càng tăng

và thời gian phát laser càng ngắn. Khi năng lượng bơm gần ngưỡng thì thu được xung

laser đơn, khi năng lượng bơm quá cao trên ngưỡng thì xung laser lặp lại xung bơm.

- Gương ra có hệ số phản xạ càng cao thì phổ laser càng rộng và bước sóng cực đại của phổ laser càng bị dịch chuyển về phía sóng dài. Hiện tượng dao động hồi phục cũng bị suy giảm khi hệ số phản xạ gương tăng.

- Chiều dài BCH càng ngắn thì phổ laser càng hẹp và bước sóng cực đại của phổ laser càng bị dịch chuyển về phía sóng dài. Hiện tượng dao động hồi phục xuất hiện càng rõ khi chiều dài BCH giảm.

3. Những thay đổi về thông số BCH tác động mạnh lên hoạt động laser. Vì thế, để

laser hoạt động hiệu quả cần phải tối ưu các thông số BCH.

36 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

CHƯƠNG III:

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

HỆ LASER Ce: LiCAF PHÁT TRỰC TIẾP BỨC XẠ TỬ NGOẠI

Trong chương này, bằng mô hình lý thuyết tôi sẽ tập trung thiết kế và xây dựng

hệ laser Ce:LiCAF tử ngoại được bơm bằng họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở bước

sóng 266 nm với độ rộng xung 7 ns. Các thông số như ngưỡng bơm, ngưỡng phá hủy,

năng lượng bão hòa cho các buồng cộng hưởng có độ phẩm chất và chiều dài khác

nhau sẽ được nghiên cứu và đánh giá chi tiết. Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết,

bằng thực nghiệm, chúng tôi đã phát triển hệ laser Ce:LiCAF với các buồng cộng

hưởng khác nhau.

3.1. Sự phụ thuộc của ngưỡng bơm vào thông số buồng cộng hưởng (R2, L)

 n



Ngưỡng bơm là năng lượng bơm tối thiểu để có thể phát laser. Ứng với mỗi thông số buồng cộng hưởng cũng như vết bơm khác nhau thì ngưỡng bơm là khác nhau. Để nghiên cứu sự phụ thuộc của ngưỡng bơm vào thông số buồng cộng hưởng chúng tôi giải hệ phương trình tốc độ được trình bày trong Chương II với năng lượng của laser ra được xác định theo công thức (3.1):

  ,



out

  

)  R r hc 2 

 1

(3.1)

Sử dụng các tham số tính toán được trình bày trong Bảng 2.2, cùng với hệ số phản xạ gương ra thay đổi từ 10 đến 90% và chiều dài BCH thay đổi từ 1.5 cm đến 5 cm, kết thu được trình bày trên Hình 3.1.

Ta thấy rằng, khi chiều dài BCH và vết bơm không thay đổi thì buồng cộng

hưởng có hệ số phản xạ gương ra càng thấp hay nói khác đi chất lượng buồng cộng

hưởng càng thấp thì ngưỡng bơm càng cao. Ví dụ với buồng cộng hưởng có chiều dài

5 cm, vết bơm 1 mm thì với buồng cộng hưởng có hệ số phản xạ gương ra 90% ta chỉ

cần năng lượng bơm ở bước sóng 266 nm là 5 mJ trong khi nếu hệ số phản xạ gương

ra là 10% thì ta cần một năng lượng bơm 15 mJ mới có thể phát được laser. Với

trường hợp thay đổi chiều dài BCH khi các thông số khác của BCH không thay đổi thì

chiều dài BCH càng tăng thì ngưỡng bơm cũng tăng theo Hình 3.1.

37 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce c laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng t trong vùng tử ngoại 2018

Hình 3. 1. Sự phụ thu thuộc của ngưỡng bơm vào hệ số phản xạ ạ của gương ra

ứng vớ u. ới chiều dài buồng cộng hưởng khác nhau.

ng bão hòa tại bước sóng bơm

3.2. Sự phụ thuộc của ngư a ngưỡng phá hủy và ngưỡng bão hòa t t bơm vào kích thước vết bơm

ủa tinh thể Ce:LiCAF tại bước sóng 266 nm là

c sóng 266 nm là  = 7.5x10-18 ng phá hủy tinh thể ở bước

Tiết diện hấp thụ củ cm2, nồng độ ion Ce3+ là N = sóng 266 nm khoảng 2 mJ/cm a môi trường Ce:LiCAF tại là N = 3x1017 cm-3, mật độ năng lượng phá h ng 2 mJ/cm2[22].Hệ số hấp thụ a của môi trư

xN thay các thông số vào ta được

c tính theo công thức: a = xN thay các thông s photon được bơm vào trong tinh thể trong m trong một xung laser bơm

bước sóng 266 nm được tính theo công th a = 2.2 cm-1. Tổng số photon đư được tính theo công thức: là năng lượng bơm. c: Nabs = [1-exp(-al)]Ein/(hc/p) với Ein là năng lư

Hình 3. 2. Sự phụ y và năng bão hòa của tinh thể

thuộc của năng lượng phá hủy và năng b i bước sóng bơm vào bán kính vết bơm. tại bư

38 Thúy Dương Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Tùy thuộc vào bán kính vết bơm và thể tích trong tinh thể được bơm khác nhau

mà ngưỡng phá hủy và ngưỡng bão hòa khác nhau. Với việc tăng vết bơm từ 0.1 mm

đến 2 mm thì sự phụ thuộc của năng lượng bơm bão hòa và năng lượng bơm gây phá

hủy tinh thể vào bán kính vết bơm được trình bày trên Hình 3.2.

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.5

10.7mJ

8.6mJ

7mJ

5.9mJ

5.2mJ

4.6mJ

3.9mJ

3.4mJ

3.1mJ

80mJ

2.5

11.5mJ

9.5mJ

7.7mJ

6.5mJ

5.6mJ

5mJ

4.5mJ

4mJ

3.6mJ

80mJ

13mJ

10.8mJ

9mJ

7.8mJ

6.9mJ

6.1mJ

5.4mJ

4.8mJ

4.4mJ

80mJ

Bảng 3. 1. Vùng năng lượng bơm cho các buồng cộng hưởng khác nhau.

Khi vết bơm càng lớn thì năng lượng bơm đạt tới ngưỡng phá hủy và ngưỡng bão hòa càng lớn. Nếu trong thực nghiệm, chúng ta sử dụng bán kính vết bơm là 0.15 cm thì năng lượng bơm cực đại để tránh không xảy ra sự bão hòa là 80 mJ, còn năng lượng bơm cực đại không gây ra sự phá hủy tinh thể là 141 mJ. Để thỏa mãn hai điều kiện này chúng ta chỉ có thể bơm năng lượng tối đa là 80 mJ cho vết bơm 0.15 cm với chiều dài tinh thể 1 cm.

Như vậy, tùy thuộc vào thông số của buồng cộng hưởng khác nhau thì vùng giới hạn năng lượng bơm là khác nhau. Bảng 3.1, trình bày khoảng năng lượng bơm cho từng buồng cộng hưởng có hệ số phản xạ gương ra và chiều dài buồng cộng hưởng khác nhau với bán kính vết bơm 0.15 cm, hệ số phản xạ gương laser cuối 100%.

3.3. Sự phụ thuộc vị trí đặt tinh thể vào đường kính vết bơm trên tinh thể

Việc thay đổi mật độ năng lượng bơm được thực hiện bằng việc thay đổi khoảng các từ thấu kính hội tụ đến vị trí của tinh thể. Để hội tụ chùm laser bơm vào tinh thể,

tôi sử dụng một thấu kính hội tụ có tiêu cự f. Đường kính chùm laser bơm trên bề mặt

tinh thể phụ thuộc không chỉ vào bước sóng laser bơm, tiêu cự thấu kính mà còn phụ

thuộc vào vị trí đặt tinh thể. Hình 3.3 minh họa cho sự hội tụ của chùm laser sau thấu

kính lên tinh thể.

39 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Giả sử chùm laser có bước sóng λ được chuẩn trực với đường kính chùm là D

đến thấu kính hội tụ có tiêu là f. Bán kính chùm laser sau thấu kính được xác định

bằng công thức [25 ].

() = 1 +

(3.2)

trong đó:

 0 là bán kính vết hội tụ của chùm laser tại tiêu điểm của thấu kính và được

λ (3.3)

xác định bằng công thức:

 z là khoảng cách của tinh thể so với tiêu cự.  ZR chiều dài Rayleigh hay độ sâu của vết hội tụ và được xác định bằng công

thức:

(3.4)

Hình 3.4 biểu diễn các đại lượng 0; z; và ZR này. Trước khi tiến hành thực nghiệm, việc đánh giá sự phụ thuộc của đường kính và tiết diện vết bơm trên mặt tinh thể là vô cùng cần thiết, để từ đó có thể tránh được sự phá hủy của tinh thể cũng như đánh giá được mật độ năng lượng ngưỡng bơm cũng như ngưỡng bão hòa của laser. Sử dụng phần mềm matlab, chúng tôi giải phương trình (3.2); (3.3) và (3.4). Giả sử thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 40 cm; chùm laser bơm đến thấu kính có đường kính là 1 cm.

Hình 3.3. Phân bố chùm laser sau thấu kính hội tụ.

40 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce c laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng t trong vùng tử ngoại 2018

Hình 3.4. Bán kính vết hội tụ trên tinh thể. Hình 3.4

a đường kính và tiết diện vết bơm vào vị trí đ

Sự phụ thuộc của đư ra trên Hình 3.5. Ta thấy r y rằng, khi tinh thể càng đặt gần vị trị tiêu c trí đặt tinh thể được chỉ tiêu cự thấu kính (z=0)

n chùm laser càng nhỏ vì vậy chúng ta phải hết sức chú ý vào vi c chú ý vào việc điều

thì tiết diện chùm laser càng nh chỉnh năng lượng laser sao cho kh ng laser sao cho không gây phá hủy tinh thể laser.

Hình 3.5. Sự ph phụ thuộc của đường kính và tiết diện của chùm laser a chùm laser

và vị trí đặt tinh thể.

Hình 3.6 được phóng to trong kho c phóng to trong khoảng 0

3.6 chúng ta có thể điều ch u chỉnh năng lượng bơm sao cho phù hợp.

41 Thúy Dương Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce c laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng t trong vùng tử ngoại 2018

Hình 3.6. Sự ph phụ của đường kính và tiết diện của chùm laser a chùm laser vào

vị trí đặt tinh thể với 0

c nghiệm laser tử ngoại Ce:LiCAF được bơm b c bơm bằng

3.3. Xây dựng hệ thực nghi a laser Nd:YAG hòa ba bậc bốn của laser Nd:YAG

Sơ đồ thực nghiệm h m hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF được bố trí như trên H trí như trên Hình 3.7.

Hình 3.7a. Sơ đồ ồ thiết kế hệ thực nghiệm hệ laser tử ngoạ ại Ce:LiCAF.

42 Thúy Dương Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce c laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng t trong vùng tử ngoại 2018

i Ce:LiCAF. Hình 3.7b. Hệ thực nghiệm laser tử ngoại Ce:LiCAF. Hình 3.7b.

ba bậc 4 của laser Nd:YAG Quanta Ray, c ủa laser bơm đã được khảo sát và chỉ ra a laser Nd:YAG Quanta Ray, của hãng Spectra ra ở các Hình 3.8 đến

Nguồn bơm: Nguồn bơm là hòa Physics. Các thông số củ 3.10.

Hình 3.8. Khảo sát ph o sát phổ của laser bơm được đo bằng máy ng máy quang phổ.

43 Thúy Dương Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Hình 3.9. Khảo sát độ ổn định của laser bơm theo thời gian.

Các thông số của nguồn bơm bao gồm: bước sóng 266 nm, tần số lặp lại 10 Hz, độ rộng xung cỡ 7 ns năng lượng cực đại có thể lên đến 55 mJ, độ ổn định năng lượng nhỏ hơn 0.5 % trong 60 phút.

Hình 3.10. Đặc trưng của xung bơm.

Độ ổn đinh của nguồn bơm đã được khảo sát ở 100 mW (Hình 3.9). Ta thấy rằng,

laser trong thời gian 60 phút ban đầu, nguồn bơm hoạt động ổn định với biên độ dao

động trong vùng 0,5 %, sau thời gian này, công suất laser giảm. Điều này được giải

44 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

thích rằng, sau khi hoạt động một thời gian, nhiệt độ của nguồn bơm tăng, dẫn đến mất

mát trong BCH của laser Nd:YAG. Vì vậy, chúng ta cần thiết lập chế độ hoạt động

thích hợp cho laser bơm.

Các đặc trưng về mặt thời gian của laser bơm, cụ thể là độ rộng xung bơm cũng

đã được khảo sát. Kết quả được chỉ ra trên Hình 3.10, được đo bằng dao động ký và photodiode.

Sau khi được tách ra khỏi chùm 1064 nm và 532 nm bởi lăng kính Pellin – Broca

(G), chùm laser bơm (266 nm) sau khi được phản xạ trên các gương dẫn M1; M2; M3

sẽ được hội tụ vào tinh thể Ce:LiCAF nhờ thấu kính hội tụ L với f= 40 cm (Hình 3.7).

Buồng cộng hưởng được cấu tạo bởi 2 gương phản xạ ở bước sóng 290 nm với

hệ số phản xạ khác nhau. Gương R1 với hệ số phản xạ khoảng trên 90% được sử dụng là gương cuối buồng cộng hưởng, gương R2 với hệ số phản xạ khoảng 25% được sử dụng là gương ra cho laser. Các gương R1 và R2 được đặt trên các giá vi chỉnh ba chiều. Tinh thể Ce:LiCAF được sử dụng trong hệ thực nghiệm này có kích thước 2x1x1.8 cm với nồng độ ion Ce3+ là 1%, độ hấp thụ ở bước sóng 266 nm là 2.7 cm-1, thời gian sống huỳnh quang 25 ns được đặt giữa hai gương R1 và R2. Để tránh hiện tượng phản xạ của bước sóng laser phát trên bề mặt tinh thể thì tinh thể Ce:LiCAF được cắt ở góc Brewter (620).

Hình 3.11. Buồng cộng hưởng laser tử ngoại Ce:LiCAF.

Cấu hình bơm xiên được sử dụng trong hệ thí nghiệm này, với cấu hình bơm này,

hiệu suất laser phụ thuộc rất lớn vào sự chồng chập không gian giữa chùm laser bơm

và chùm laser tín hiệu bên trong tinh thể. Sự chồng chập này phụ thuộc vào góc tới của

chùm laser bơm so với trục quang học của buồng cộng hưởng. Do vậy, để sự chồng

45 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce c laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng t trong vùng tử ngoại 2018

chập này là lớn nhất thì góc gi t thì góc giữa chùm laser bơm và trục quang h c quang học của buồng cộng

hưởng phải nhỏ nhất có th t có thể.

Hơn nữa, để tránh phá h tránh phá hủy tinh thể cũng như vết laser bơm trong tinh th t laser bơm trong tinh thể đủ lớn

để dễ dàng cho việc tinh ch c tinh chỉnh chúng tôi đặt thấu kính hội t i tụ L cách tinh thể

Ce:LiCAF khoảng 30 cm. Như v ng 30 cm. Như vậy, vết laser bơm trên tinh thể có đư

tiết diện chùm laser bơm trên tinh th

có đường kính 0.2 cm, n chùm laser bơm trên tinh thể 0.03 cm2. Với vết bơm này, chúng ta không nên t bơm này, chúng ta không nên t trung bình laser lên quá 400 a laser bơm quá 40 mJ hay công suất trung bình laser lên quá 400 tăng năng lượng của laser bơm quá 40 mJ hay công su

mW. Để đánh giá công su đánh giá công suất của laser bơm cũng như laser lối ra nhóm tôi dùng i ra nhóm tôi dùng đầu đo

năng lượng Power/Energy Meter của hãng Coherent đã đư Energy Meter của hãng Coherent đã được sử d dụng với giới hạn đo

từ 1 mW đến 3 W. Sự ph phụ thuộc của công suất laser lối ra vào công su i ra vào công suất của laser bơm

c trình bày trên Hình 3.12. được trình bày trên Hình 3.12.

Cấu hình BCH này, chúng tôi s u hình BCH này, chúng tôi sử dụng các linh kiện quang h n quang học được hỗ trợ từ

Đại học Osaka Nhật bản, trong Chương tr n, trong Chương trình Hợp tác giữa đại học Osaka, Nh c Osaka, Nhật Bản và

Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa h m Khoa học và Công nghệ Việt nam.

Kết quả phát triển h n hệ laser tử ngoại

Đặc trưng công suấ ất của laser tử ngoại Ce:LiCAF

i cấu hình buồng cộng hưởng này, hiệu su

ng phát của laser tại công suất trung bình của laser bơm là kho

u suất laser thu được a laser bơm là khoảng ng 30 mW ở công suất bơm

Ta thấy rằng, với c khoảng 26,5%, ngưỡng phát c 30 mW. Công suất trung bình laser phát l trung bình 150 mW, với BCH có: L=5 cm, R t trung bình laser phát lớn nhất khoảng 30 mW 5%. i BCH có: L=5 cm, R1=96.7% và R2=25%.

Hình 3.12. Sự phụ ụ thuộc của công suất laser ra vào công su t laser ra vào công suất laser bơm.

46 Thúy Dương Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Đặc trưng phổ của laser tử ngoại Ce:LiCAF

Để quan sát phổ phát xạ của laser tử ngoại Ce:LiCAF, chúng tôi sử dụng máy

quang phổ Compact Spectrometer của hãng ThorLabs. Thiết bị này có dải phổ hoạt

động từ 200 – 1000 nm, độ phân giải là  < 2nm.

Hình 3.13, chỉ ra phổ của laser bơm ở 266 nm và phổ laser ra. Kết quả thu được

là vùng phổ từ 287 nm đến 292.5 nm đỉnh phổ xung quanh 290 nm. Như ta đã biết, với

môi trường Ce:LiCAF, có vùng phổ rộng từ 280 – 320 nm, tuy nhiên chúng tôi chỉ thu

được một vùng phổ với độ rộng ~ 5 nm, điều này được giải thích rằng, đối với các

BCH có độ mất mát cao, dẫn đến chỉ phát các bức xạ thỏa mãn.

Hình 3.13. Đặc trưng phổ laser tử ngoại Ce:LiCAF trong vùng 287-291nm.

Đặc trưng thời gian

Để đo độ rộng xung của laser lối ra, chúng tôi sử dụng Photodiode S90557 nhanh

và dao động ký Tektronix TDS7154B Digital Phosphor.

Kết quả thu được, khi công suất trung bình của laser bơm là 80 mW với độ rộng

xung bơm 7 ns ta thu được độ rộng xung laser UV là 4 ns (Hình 3.14). Trong trường hợp này, chiều dài BCH là khá lớn (5 cm), ảnh hưởng tới độ rộng xung laser ra.

47 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Hình 3.14. Độ rộng xung laser tử ngoại Ce:LiCAF.

Độ rộng xung laser lối ra chịu ảnh hưởng của các yếu tố như: năng lượng của laser bơm, đặc trưng của môi trường hoạt chất, các thông số của BCH, chế độ phát của laser... Do đó, việc đạt được các xung laser ngắn hơn nữa là hoàn toàn có khả năng. Bằng việc giữ nguyên thông số buồng cộng hưởng, tôi khả sát khả năng phát các xung ngắn hơn cho laser tử ngoại Ce:LiCAF bằng việc đo dộ rộng xung laser khi được bơm gần ngưỡng. Kết quả chỉ ra rằng, khi năng lượng bơm gần ngưỡng, độ rộng xung laser lối ra giam đi đáng kể. Với năng lượng bơm xấp sỉ 40 mW, độ rộng xung laser lối ra thu được là 1,8ns (Hình 3.15). Điều này mở ra hướng phát triển các nguồn laser tử ngoại phát xung cực ngắn.

Hình 3.15. Xung laser tử ngoại Ce:LiCAF nhận được

khi thay đổi độ phẩm chất BCH.

48 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Hệ thực nghiệm laser tử ngoại Ce:LiCAF được xây dựng thành công tại trung

tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý được thể hiện ở Hình 3.16.

Hình 3.16. Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF.

KẾT LUẬN CHƯƠNG III

Trong chương này, tôi đã xây dựng thành công hệ thực nghiệm laser UV Ce:LiCAF với BCH sử dụng hai gương phẳng có hệ số phản xạ khác nhau. Kết quả hiệu suất laser thu được 24,6 % ứng với BCH có L=5 cm, R1=96.7% và R2=25%; đồng thời tôi đã đánh giá được đặc trưng phổ laser ở bước sóng 290 nm và đánh giá được độ

rộng xung laser ở hai mức năng lượng bơm khác nhau, cụ thể:

- Khi công suất trung bình của laser bơm là 80 mW với độ rộng xung bơm 7 ns

ta thu được độ rộng xung laser UV là 4 ns.

- Khi công suất trung bình của laser bơm giảm xuống còn khoảng 40 mW với

độ rộng xung bơm 7 ns thì độ rộng xung laser lối ra thu được là 1,8ns.

49 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

KẾT LUẬN CHUNG

Trong luận văn này tôi đã thu được các kết quả như sau:

 Phân tích các nguồn laser phát trực tiếp, gián tiếp bức xạ tử ngoại như laser excimer, laser màu, laser khí, laser bán dẫn, laser nhân tần, laser rắn Ce: Fluoride để từ đó đánh giá được ưu, nhược điểm cơ bản của từng loại laser. Các môi trường laser Ce:Fluoride cũng đã phân tích khá chi tiết và nêu được những đặc tính nổi bật của hai môi trường Ce:LLF và Ce:LiCAF so với các môi trường laser Floride khác. Hơn nữa, học viên cũng đã tìm hiểu về các cấu hình bơm quang học cho loại môi trường Ce:Fluoride này.  Bằng việc giải hệ phương trình tốc độ mở rộng học viên đã nghiên cứu tường minh các quá trình vật lí xảy ra đối laser Ce:LiCAF được bơm ở bước sóng 266 nm và laser Ce:LLF bơm ở bước sóng 248 nm.

- Đánh giá chi tiết sự ảnh hưởng của năng lượng laser bơm, và các thông số của buồng cộng hưởng như chiều dài buồng cộng hưởng, hệ số phản xạ gương ra lên tiến trình phổ - thời gian của hai laser này.

- Đánh giá được ngưỡng bơm, ngưỡng phá hủy, ngưỡng bão hòa cho laser Ce:LiCAF với độ rộng các vết bơm, độ phẩm chất và chiều dài buồng cộng hưởng khác nhau.  Phát thành công hệ laser tử ngoại sử dụng tinh thể Ce:LiCAF với buồng cộng hưởng sử dụng hai gương phẳng (R1=96.7% và R2=25%.), chiều dài buồng cộng hưởng L = 5cm. Hiệu suất laser thu được 24,6 % với đỉnh phổ ở xung quanh bước sóng 290 nm. Các đặc trưng phổ, độ rộng xung của laser lối ra cũng đã được đánh giá.

Kết quả nghiên cứu này nằm trong hướng nghiên cứu của đề tài nghiên cứu cơ bản trong khoa học tự nhiên và kỹ thuật thuộc Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc Gia “Nghiên cứu các quá trình động học phát xạ của các hệ laser toàn rắn, định hướng phát triển công nghệ laser”, mã số: 103.03-2015.29 do TS. Phạm Hồng Minh làm chủ nhiệm.

Các kết quả nghiên cứu trong luận văn này là tiền đề cho các nghiên cứu, phát triển và ứng dụng laser tử ngoại Ce:Fluoride tại Trung tâm Điện tử học Lượng tử - Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

50 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

laser oscillator development” Applied Physics B

1. Marilou Cadata Raduban, Minh Hong Pham, Duong Van Pham, Duong Thi Thuy Bui, Kohei Yamanoi, Kohei Takeda, Melvin John F. Empizo, Luong Viet Mui, Toshihiko Shimizu, Hung Dai Nguyen, Nobuhiko Sarukura, Tsuguo Fukuda “Total internal reflection-based side-pumping configuration for terawatt ultraviolet amplifier and (2018) 124:125, https://doi.org/10.1007/s00340-018-6995-9.

51 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tham khảo tiếng Việt 1. Đinh Văn Hoàng, Trịnh Đình Chiến, Vật lý laser và ứng dụng, Nhà xuất bản

Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003.

2. Nguyễn Đại Hưng, Vật lý và kỹ thuật laser, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia

Hà Nội.

3. Nguyễn Thị Minh Tâm, “Phát trực tiếp các xung laser sub-nano giây tử ngoại ở 285-310 nm từ hệ laser rắn Ce:LiCAF”, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Viện Vật lý,

2016.

4. Nguyễn Xuân Lợi, “Nghiên cứu các đặc trưng hoạt động của hệ laser tử ngoại

sử dụng tinh thể Ce: LiCAF”, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Viện Vật lý, 2016.

5. Phan Nhật Nguyên, “Nghiên cứu động học của laser tử ngoại toàn rắn

Ce:LiCAF”, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Viện Vật lý, 2013.

Tài liệu tham khảo tiếng Anh

6. Basting D. and Marowsky G. (Eds.), “Excimer Laser Technology”, Springer,

2005, pp. 81-88.

7. D. W. Coutts, A. J. S. Mc. Gonigle, “Cerium-doped fluoride lasers”, IEEE J.

Quan. Elec., 40, 2004, p.1430-1440.

8. D. Q. Khanh, N. T. Nghia, G. Denardo, V. T. Bich, P. Long and N. D. Hung, “Generation of Picosecond Laser Pulses at 1064 nm From All Solid-state Passively Mode-locked Lasers”, Comm. Phys., 19, 2009, p. 125-136.

9. D. Q. Khanh, N. T. Nghia, P. Long, T. D. Huy, P. Brechignac, N. T. Binh and N. D. Hung, “An All-Solid Laser Kit for Education and Training on Photonics and Lasers in Universities”, Adv. Opts., Photonics, Spec. and App. VI, 2007, p. 488-493.

10. F. J. Duarte, Tunable Lasers Handbook, Chapter 3, Academic, New York, 1995. 11. Jain K., “Excimer Laser Lithography”, SPIE Press., Bellingham, WA, 1990. 12. Johnson K., Pask H., Withford M. and Coutts D., “Efficient lasing of a Ce: LiLuF laser pumped with a frequency doubled, all-solid-state, yellow laser source”. In C. Webb, C. Gracie, & J. Jones (Eds.), Photon, 02, 2002, p. 21-21. 13. K.H. Yang and J.A. Deluca, “UV fluorescence of cerium-dope lutetium and lanthanum trifluorides, potential tunable coherent sources from 2760 to 3220 Å”, Appl. Phys. Lett., 31, 1997, p. 594-596.

52 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

14. K.H. Yang and J.A. Deluca, “Vacuum-ultraviolet excitation studies of 5d14fn−1 to 4fn and 4fn to 4fn transitions of Nd3+, Er3+, and Tm3+-doped trifluorides”, Phys. Rev. B, 17, 1978, p. 42-46.

15. M. A. Dubinskii, V. V. Semashko, A.K. Naumov, R. Y. Abdulsabirov, and S. L. Korableva, “Ce3+-doped colquiriite, a new concept of all-solid-state tunable ultraviolet laser”, J. Mod. Opt., 40, 1993, p. 1-5.

16. M. A. Dubinskii, V. V. Semashko, A. K. Naumov, R. Y. Abdulsabirov, and S. L. Korableva, “Active medium for all-solid-state tunable UV laser”, OSA Proc. on Adv. Solid-State Lasers, Vol. 15, 1993, p. 195-198.

17. M. A. Dubinskii, V. V. Semashko, A. K. Naumov, R. Y. Abdulsabirov, and S. L. Korableva, “Spectroscopy of a new active medium of a solid-state UV laser with broadband single-pass gain”, Laser Phys., 3, 1993, p. 216-217.

18. M. H. Pham, Marilou M. Cadatal, T. Tatsumi, A. Saiki, Y. Furukawa, T. Nakazato, E. Estacio, N. Sarukura, T. Suyama, K. Fukuda, K. J. Kim, A. Yoshikawa and F. Saito, “Laser Quality Ce3+:LiCaAlF6 Grown by Micro- Pulling-Down Method”, Jpn. J. Appl. Phys., 47, 2008, 5605-5607.

19. N. D. Hung, P. Plaza, M. Martin, Y. Meyer, “Generation of tunable subpicosecond pulse using low-Q dye cavities”, App. Opt., 31, 1992, p. 7046- 7054.

20. N. D. Hung, Y. Segawa, P. Long, D. V. Trung, “Studies of picosecond spectro- temporal selection lasers using different dyes in microcavities with two-stage- arrangement”, Appl. Phys. B, 65, 1997, p. 19-23.

21. N. T. M. An, N. T. H. Lien, N. D. Hoang, N. T. Nghia, D. Q. Hoa, “Spectral evolution of distributed feedback laser of gold nanoparticles doped solid-state dye laser medium”, J. App. Phys., 122, 2017, p. 133110.

22. P. Misra, M. A. Dubinskii, “Ultraviolet spectroscopy and UV lasers”, Taylor &

Francis, Book chapter, 2002, p.240-291.

23. P. Flamant, “Rate equations for dye lasers: comment on the spiking

phenomenon”, Opt. Com., 25, 1978, p. 247-250.

24. V. V. Sekmashko, M. A. Dubinskii, R. Yu. Abdulsabirov, A. K. Naumov and S. L. Korableva, “Anti-solarant codoping of Ce-activated tunable UV laser materials and their laser performance”, Proc. Tech. Dig. Conf. Lasers Electro- Optics, 2001, pp. 641–642.

25. W. Demtröder, Laser Spectroscopy, 3rd Ed., Springer, 2009.

53 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC LASER CE:FLUORIDE

function dy=Ce1nano(t,y) global q1 N1 L2 sig Lc tau1 m n tip Ipeak; t1=10;tip1=tip^2;m1=m+1;c=(t-t1)^2; Ib=Ipeak*exp(-4*log(2)*c/tip1); m1=m+1; I=y(2:m1); dy1=Ib+(sum(sig(:,1).*I))*(N1-y(1))-(sum(sig(:,2).*I)+1./tau1)*y(1); dy2=[]; for j=1:m a=sig(j,2)*y(1)-sig(j,1)*(N1-y(1)); T1=2*(L2+Lc*(n-1))/30; dy2=[dy2;(2*Lc*a-q1)*y(j+1)/T1+(1e-17)*y(1)]; end; dy=[dy1;dy2]; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% close all; clear all; format short; sig= input(' Nhập vào ma trận bước sóng, tiết diện phat xạ, tiết diên hấp thụ của môi trường = '); x=sig(1):0.05:sig(end); y=spline(sig(:,1),sig(:,2),x); z=spline(sig(:,1),sig(:,3),x); sig1=[x' y' z']; sig1=sig1; [m,c1]=size(sig1); m1=m+1; sig2=sig1(:,1); sig=1e-17*[sig1(:,2),sig1(:,3)]; emiss=sig1(:,1); clear sig1;

54 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

global L2 p1 q1 N1 sig Lc tau1 m n emiss to tip Ipeak; N1=input (‘Nhập vào nồng độ ion Ce3+ = ’) Lc= input (‘Nhập vào chiều dai môi trường hoạt chất = ’) L2= input (‘Nhập vào chiều dài buồng cộng hưởng = ’) r1= input (‘Nhập vào hệ số phản xạ gương cao = ’) r2= input (‘Nhập vào hệ số phản xạ gương thấp = ’); tau= input (‘Nhập vào thời gian sống huỳnh quang = ’); n= input (‘Nhập vào chiết suất của môi trường tinh thể = ’) to= input (‘Nhập vào thời gian khảo sát = ’); tip= input (‘Nhập vào độ rộng của xung laser bơm = ’); vetbom= input (‘Nhập vào bán kính vết laser bơm = ’); lambda= input (‘Nhập vào bước sóng laser bơm = ’); PP= input(‘Nhập vào năng lượng laser bơm =’) Epump=[]; Eout=[]; for jj=1:length(PP) P=PP(jj) anpha=2;% absorption coefficient l=Lc; % chieu dai tinh the cm h=6.62606957E-34; % j.s; c=3e10; % cm/s AA=pi*vetbom.^2*l; Ipeak=P*lambda*(1 -exp(-anpha*l))./(1E9*h*c*pi*vetbom.^2*l); % Toc do bom f1=[]; Ln=[]; tau1=tau; q1=-log(r1*r2); f=zeros(m+1,1); y1=[]; x1=[]; for j=1:1:to [x y]=ode45('Ce1nano',[j-1 j],f); f=y(end,:)'; y1=[y1;y]; x1=[x1;x]; clear x y ; end; tg1=x1; tg2=y1;

55 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

Max=max(y1); MaxI=max(Max); [h,c]=size(y1); MaxY1=max(y1); a1=[x1(1);x1;x1(end)]; INTP1=[]; for i=1:m a2=[0;y1(:,i+1);0]; INT1=polyarea(a1,a2); INTP1=[INTP1;INT1]; clear a2; end; f1=[f1;INTP1]; [mIN,nIN]=size(INTP1); INTENSITY=max(INTP1); figure(1); xx=sig2(1,1):0.001:sig2(m,1); yng=spline(sig2(:,1),INTP1(:,1),xx); tgo=max(yng); ax1 = gca; plot(ax1,xx,yng,'LineWidth',2); hold on set(ax1, 'FontSize',30) figure(4); ax1 = gca; plot(ax1,xx,yng/tgo,'LineWidth',2); hold on set(ax1, 'FontSize',30) [mx1,nx1]=size(x1); INT11=[]; for i=1:mx1 c=[]; a3=[sig2(1,1);sig2;sig2(end,1)]; c=y1(i,2:m1); b=c'; a4=[b(1,1);b;b(end,1)]; IN=polyarea(a3,a4); INT11=[INT11;IN]; a4=[]; end; tg1=max(INT11) %tgg2=[tgg2 tg1] XX=x1; t1=10;tip1=tip.^2;m1=m+1;c=(XX-t1).^2;

56 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018

YY= exp(-4*log(2)*c/tip1); figure(2); subplot(3,2,jj) ax1 = gca; plot(ax1,x1,y1(:,1)/max(y1(:,1)),'B',x1,INT11/tg1,'R',XX,YY,'K','LineWidth',2);hold on; set(ax1, 'FontSize',20) h=6.62606957E-34; % j.s; c=3e10; % cm/s E=INTP1*h*c./(1e-7*sig2) a3=[sig2(1,1);sig2;sig2(end,1)]; a4=[0;E;0]; IN=polyarea(a3,a4); OutEnergy=IN*(1-r2)*(pi*vetbom.^2)*1000 PumpEnergy=P*tip*1e-9*1000 Epump=[Epump PumpEnergy]; Eout=[Eout OutEnergy]; [xx1,sigx2]=meshgrid(x1,sig2); figure(3);%important subplot(3,2,jj) ax1 = gca; MA=max(max(y1(:,2:m1))); mesh(ax1,xx1.',sigx2.',y1(:,2:m1)); set(ax1, 'FontSize',18) az = 90; el = 90; view(az, el); end.

57 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương

Luận văn Thạc sĩ Khoa học Vật lý: Nghiên cứu động học laser Ce-Fluoride phát bức xạ trong vùng bước sóng tử ngoại

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HỌC VIÊN: BÙI THỊ THÚY DƯƠNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC LASER Ce:FLUORIDE PHÁT BỨC XẠ TRONG VÙNG TỬ NGOẠI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ

THÁI NGUYÊN, NĂM 2018

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HỌC VIÊN: BÙI THỊ THÚY DƯƠNG

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC LASER Ce: FLUORIDE PHÁT BỨC XẠ TRONG VÙNG TỬ NGOẠI

Chuyên ngành: Quang học

Mã số: 84 40 110

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM HỒNG MINH

THÁI NGUYÊN, NĂM 2018

MỤC LỤC

CHƯƠNG III……………………………………………………………………….. 37

BẢNG KÝ HIỆU HOẶC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ LASER TỬ NGOẠI VÀ CÁC CẤU HÌNH BƠM CHO LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE

Hoạt chất

Cấu tạo hóa học Dải phổ (nm)

Đỉnh phổ (nm)

KẾT LUẬN CHƯƠNG I

CHƯƠNG II:

ĐỘNG HỌC LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE

  ei



  P t

  L l n

 1

Hình 2.20. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LiCAF và độ tích lũy N1

KẾT LUẬN CHƯƠNG II

HỆ LASER Ce: LiCAF PHÁT TRỰC TIẾP BỨC XẠ TỬ NGOẠI

KẾT LUẬN CHƯƠNG III

KẾT LUẬN CHUNG

Trong luận văn này tôi đã thu được các kết quả như sau:

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC LASER CE:FLUORIDE

Có thể bạn quan tâm

Nghiên cứu cấu trúc và tính chất quang của thủy tinh oxit canxi-liti-borat đồng pha tạp ion Ce3+, Sm3+

Thăng giáng exciton ngưng tụ của hệ điện tử - lỗ trống mất cân bằng khối lượng

Nghiên cứu số về phương pháp bias điện áp sử dụng trong giảm dòng nhiệt thông tới bề mặt kim loại

Ảnh hưởng của đồng pha tạp ion Bi3+ lên cường độ phát xạ đỏ của vật liệu Gd3PO7:Eu3+

Chế tạo và đặc trưng quang phổ của vật liệu strontium magnesium silicate pha tạp với các nồng độ Eu3+ khác nhau

Luận văn Thạc sĩ: Quản lý hoạt động phát triển nhận thức cho trẻ mẫu giáo ở các trường mầm non, huyện Hoàng Su Phì, tỉnh Hà Giang

Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng lên tính chất điện tử của vật liệu hai chiều đơn lớp MGe2N4 (M = Mo, W) bằng lý thuyết phiếm hàm mật độ

Nghiên cứu ứng dụng phép tính vi phân và lập trình Python để mô phỏng chuyển động không đều

Xây dựng và sử dụng bộ thí nghiệm khảo sát ba định luật thực nghiệm của chất khí

Tính toán hệ số hiệu chỉnh tự hấp thụ sử dụng mô phỏng Monte Carlo và mạng nơ-ron nhân tạo

Hiệu ứng nhiệt - từ lên phổ năng lượng của nguyên tử hydro đặt trong plasma

Tổng quan về phương pháp làm lạnh hệ vi cơ học bằng laser: Mô tả cổ điển

Luận văn Thạc sĩ tóm tắt: Pháp luật về điều kiện đầu tư kinh doanh trong lĩnh vực giáo dục, đào tạo ở Việt Nam

Luận văn Thạc sĩ: Sự nghiệp nghiên cứu phê bình văn học của Hoài Thanh

Luận văn Thạc sĩ: Tiểu thuyết của Đỗ Phấn từ góc nhìn sinh thái

Luận văn Thạc sĩ: Giải pháp ứng phó với nhập cư ở Liên minh Châu Âu

Luận văn Thạc sĩ: Diễn ngôn về giới nữ trong văn xuôi nữ Việt Nam đương đại (khảo sát sáng tác của Dạ Ngân, Y Ban, Lý Lan, Nguyễn Thị Thu Huệ)

Luận văn Thạc sĩ: Xây dựng mức phát thải tham chiếu rừng khu vực huyện Bảo Lâm tỉnh Lâm Đồng

Luận văn Thạc sĩ: Đặc điểm nhân vật chính trong ba tác phẩm của Franz Kafka: Lâu đài, Vụ án, Hóa thân

Kháo luận tốt nghiệp: Vận dụng lí thuyết học tập trải nghiệm vào dạy học Thống kê - Xác suất ở lớp Hai

Tài liêu mới

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng thuật toán thích nghi và học tăng cường cấu trúc Actor - Critic điều khiển bám quỹ đạo cho robot di động đa hướng mecanum

Luận án Tiến sĩ: Cơ cấu bệnh tim mạch và chất lượng cuộc sống của người cao tuổi mắc suy tim, rung nhĩ điều trị tại Bệnh viện Thống Nhất, thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng giải pháp đảm bảo an toàn thông tin cho quá trình học liên kết dựa trên mật mã

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Phát triển năng lực đánh giá công nghệ cho học sinh trong dạy học môn Công nghệ 11 ở trường trung học phổ thông

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu phân loại chi cầu diệp – Bulbophyllum Thouars (Orchidaceae) ở vùng Tây Nguyên bằng phương pháp hình thái và phân tử

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu đặc điểm phân bố và dinh dưỡng của các loài lưỡng cư ở Vườn Quốc gia Bến En và Khu bảo tồn thiên nhiên Pù Luông, tỉnh Thanh Hóa

Luận án Tiến sĩ: Tổng hợp luật dẫn và điều khiển cho một lớp tên lửa đối hải trên cơ sở ứng dụng mạng nơ ron và hệ mờ

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu tổng hợp hệ điều khiển góc Pitch tua bin gió trong điều kiện có nhiễu tác động

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hóa học lipid của hai loài san hô thủy tức Millepora dichotoma và Millepora platyphylla ở Việt Nam

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu kiểm soát phân phối công suất kéo trên cầu chủ động của ô tô con bằng ABS

Luận án Tiến sĩ: Ứng dụng phản ứng Domino vào tổng hợp các dẫn xuất Podophyllotoxin, Pyrimidine và đánh giá hoạt tính sinh học của các chất tổng hợp được

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và một số hoạt tính sinh học của cây chùm ngây (Moringa oleifera)

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và ứng dụng ức chế ăn mòn cho thép của cao chiết xuất từ cây Lộc vừng thuộc họ Lecythidaceae

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu