Luận án tiến sĩ vật lý nghiên cứu các tính chất động học và phát triển hệ laser rắn tử ngoại sử dụng vật liệu pha tạp ion ce3+

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - PHẠM VĂN DƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC VÀ PHÁT TRIỂN HỆ LASER RẮN TỬ NGOẠI SỬ DỤNG VẬT LIỆU PHA TẠP ION Ce3+ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - PHẠM VĂN DƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC VÀ PHÁT TRIỂN HỆ LASER RẮN TỬ NGOẠI SỬ DỤNG VẬT LIỆU PHA TẠP ION Ce3+ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 944 01 10 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS PHẠM HỒNG MINH GS TS NGUYỄN ĐẠI HƯNG HÀ NỘI – 2021 LỜI CẢM ƠN Luận án thực hoàn thành Khoa Vật lý, Học viện Khoa học & Công nghệ Trung tâm Ðiện tử học Lượng tử, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam duới hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Hồng Minh GS.TS Nguyễn Ðại Hưng Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến hai Thầy hướng dẫn, PGS.TS Phạm Hồng Minh, người Thầy trực tiếp dẫn dắt, bảo tận tình tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian thực luận án Tôi xin gửi tới GS.TS Nguyễn Ðại Hưng, nguời Thầy dã bảo tận tình, định huớng phương pháp nghiên cứu khoa học động viên suốt q trình học tập Tơi xin trân trọng cảm ơn Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam hỗ trợ thời gian nghiên cứu thực luận án Dưới hỗ trợ tận tâm Lãnh đạo, Phòng, Ban tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian qua Ðồng thời, học viên gửi lời cảm ơn chân thành tới Trung tâm Vật lý Quốc tế GS N.Sarukura, Ðại học Osaka, Nhật Bản có hỗ trợ to lớn NCS thời gian thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn tất Thầy, Cô, Anh Chị đồng nghiệp Viện Vật lý nơi học tập công tác, cộng tác giúp đỡ quý báu để tơi hồn thành luận án Tơi xin ghi nhớ quan tâm bảo tất Thầy, Cô, Anh Chị người Cuối cùng, tơi đặc biệt gửi lời cảm ơn tới gia đình, người luôn yêu thương, tin tưởng, cổ vũ động viên tơi q trình học tập Hà nội, ngày tháng năm 20 Nghiên cứu sinh Phạm Văn Dương LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan luận án Tiến sỹ Vật lý, chuyên ngành Quang học với đề tài: “Nghiên cứu tính chất động học phát triển hệ laser rắn tử ngoại sử dụng vật liệu pha tạp ion Ce3+” đề tài nghiên cứu riêng tôi, hướng dẫn khoa học PGS TS Phạm Hồng Minh GS.TS Nguyễn Ðại Hưng Các số liệu tài liệu luận án trung thực chưa công bố công trình nghiên cứu Tất tham khảo, kế thừa trích dẫn tham chiếu đầy đủ Hà nội, ngày tháng năm 20 Nghiên cứu sinh Phạm Văn Dương MỤC LỤC BẢNG KÝ HIỆU HOẶC CHỮ CÁI VIẾT TẮT i DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ iii MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: VẬT LIỆU VÀ LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE 1.1 Các nguồn laser phát trực tiếp xạ tử ngoại môi trƣờng Ce:Fluoride 1.1.1 Các nguồn laser phát trực tiếp xạ tử ngoại .6 1.1.2 Laser tử ngoại sử dụng môi trường tinh thể pha tạp ion đất 1.1.3 Môi trường tinh thể Ce:LaF Ce:LuF 12 1.1.4 Môi trường tinh thể Ce:LLF Ce:YLF 13 1.1.5 Môi trường tinh thể Ce:LiSAF .15 1.1.6 Môi trường tinh thể Ce:LiCAF .17 1.2 Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn 21 1.2.1 Phát xung ngắn nguồn bơm xung ngắn 21 1.2.2 Phát xung ngắn phương pháp tự tiêm thụ động 22 1.2.3 Phát xung ngắn phương pháp khóa mode BCH 23 1.2.4 Phát xung ngắn phương pháp độ BCH 24 1.3 Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng hẹp điều chỉnh bƣớc sóng 25 1.3.1 Cấu hình sử dụng lăng kính 25 1.3.2 Cấu hình sử dụng phin lọc lưỡng chiết 26 1.3.3 Cấu hình sử dụng cách tử .27 Kết luận chƣơng I 31 CHƢƠNG II: NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC CHO LASER TỬ NGOẠI SỬ DỤNG TINH THỂ Ce:LiCAF 32 2.1 Mơ hình lý thuyết cho động học phát xạ laser đa bƣớc sóng 32 2.1.1 Sơ đồ mức lượng ion Ce3+ pha tạp Fluoride 32 i 2.1.2 Hệ phương trình tốc độ đa bước sóng mơ tả động học phát xạ laser 34 2.1.3 Thơng số tính tốn động học phát xạ sử dụng môi trường tinh thể Ce:LiCAF 36 2.2 Động học phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF băng rộng phát xung ngắn phƣơng pháp độ buồng cộng hƣởng 37 2.2.1 Động học phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng rộng .37 2.2.2 Ảnh hưởng lượng laser bơm lên độ rộng xung laser lối 40 2.2.3 Ảnh hưởng hệ số phản xạ gương lên độ rộng xung laser lối 42 2.2.4 Ảnh hưởng chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối .44 2.2.5 Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn độ BCH 46 2.3 Động học phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bƣớc sóng sử dụng cách tử Littrow 48 2.3.1 Mơ hình nghiên cứu động học cho laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử dụng cách tử Littrow .49 2.3.2 Động học phát xạ băng hẹp điều chỉnh bước sóng laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow .49 2.3.3 Động học phát xạ băng hẹp, đơn xung ngắn laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow 52 Kết luận chƣơng II 58 CHƢƠNG III: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ LASER TỬ NGOẠI RẮN SỬ DỤNG MÔI TRƢỜNG TINH THỂ Ce:LiCAF 59 3.1 Hệ thực nghiệm laser tử ngoại rắn Ce:LiCAF 59 3.1.1 Các thiết bị linh kiện quang học sử dụng hệ thực nghiệm .59 3.1.2 Sự phụ thuộc thông số chùm bơm lên thiết kế hệ thực nghiệm cho laser tử ngoại Ce:LiCAF .61 3.1.3 Thiết kế hệ laser Ce:LiCAF rắn phát trực tiếp xạ tử ngoại 63 3.2 Laser tử ngoại Ce:LiCAF băng rộng phát đơn xung ngắn 65 3.2.1 Đặc trưng laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng rộng 65 3.2.2 Nghiên cứu động học phát xạ băng rộng laserUV Ce:LiCAF 67 ii 3.2.2 Ảnh hưởng thông số lên độ rộng xung lối 69 3.2.3 Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát đơn xung ngắn phương pháp độ buồng cộng hưởng 73 3.3 Laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bƣớc sóng, đơn xung ngắn sử dụng cấu hình cách tử Littrow… …………………………… 74 3.3.1 Laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình cách tử Littrow 75 3.3.2 Laser Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bước sóng, đơn xung ngắn .75 3.4 Laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng tinh thể cắt dạng kim cƣơng 79 3.4.1 Tinh thể Ce:LiCAF cắt dạng kim cương 80 3.4.2 Sự phân bố huỳnh quang tinh thể cắt dạng kim cương 81 3.4.3 Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng tinh thể cắt dạng kim cương 82 3.5 Laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình phản xạ nội tồn phần 84 3.5.1 Cấu hình BCH vịng sử dụng cặp lăng kính Pellin-Broca .84 3.5.2 Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình phản xạ nội toàn phần 85 3.5.3 Đặc trưng phát xạ laser Ce:LiCAF sử dụng cấu hình phản xạ nội tồn phần .86 Kết luận chƣơng III 88 KẾT LUẬN CHUNG 89 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 PHỤ LỤC 104 iii BẢNG KÝ HIỆU HOẶC CHỮ CÁI VIẾT TẮT UV VUV Ce:Fluoride BCH ESA N0 N1 N n c L τt R l λ Ii Rp σai σei β τ τc Pabs Pin αa τp r TIR PB SSPT SHG FHG SFG θβ Tử ngoại Tử ngoại chân không Vật liệu Fluoride pha tạp Cerium (Ce3+) Buồng cộng hưởng Sự hấp thụ trạng thái kích thích Độ tích lũy trạng thái Độ tích lũy trạng thái kích thích Nồng độ ion Chiết suất môi trường Vận tốc ánh sáng Chiều dài BCH Thời gian để ánh sáng thực chu trình đi-về BCH Hệ số phản xạ gương Chiều dài mơi trường hoạt chất Bước sóng laser Cường độ laser BCH bước sóng i Tốc độ bơm Tiết diện hấp thụ bước sóng λi Tiết diện phát xạ bước sóng λi Hệ số mát chu trình đi-về BCH Thời gian sống huỳnh quang ion hoạt chất Thời gian sống photon BCH Công suất laser bơm hấp thụ Công suất laser bơm Hệ số hấp thụ môi trường hoạt chất Độ rộng xung bơm Bán kính vết bơm Phản xạ nội tồn phần (Total internal reflection) Lăng kính Pellin – Broca Tự tiêm thụ động Second Harmonic Generation Fourth-harmonic generation Sum Frequency Generation Góc tới Brewter i DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Bảng 1.1 Bảng 1.2 Bảng 1.3 Bảng 1.4 Bảng 2.1 Trang Một số môi trường laser màu phát xạ tử ngoại 07 Đặc trưng quang học số tinh thể phi tuyến 08 điển hình Thơng số mơi trường Ce:LiSAF Tiết diện hấp thụ phát xạ môi trường Ce:LiCAF 16 19 Các thông số sử dụng nghiên cứu động học 36 cho laser tử ngoại Ce:LiCAF Bảng 2.2 Bảng 2.3 Ảnh hưởng lượng laser bơm lên độ rộng xung laser lối laser Ce:LiCAF phát băng rộng Ảnh hưởng hệ số phản xạ gương lên độ rộng xung 41 43 Bảng 2.4 laser lối laser Ce:LiCAF phát băng rộng Ảnh hưởng chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối laser Ce:LiCAF phát băng rộng 45 Bảng 2.5 Ảnh hưởng lượng laser bơm lên độ rộng xung 54 laser lối độ rộng phổ phát xạ cho laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow Bảng 2.6 Ảnh hưởng chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối 55 độ rộng phổ phát xạ cho laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow Bảng 2.7 Ảnh hưởng chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối 57 độ rộng phổ phát xạ cho laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow Bảng 3.1 Các thông số môi trường Ce:LiCAF 61 ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ Hình vẽ Hình 1.1 Trang a) Sơ đồ nguyên lý cho việc phát họa ba bậc cao để 08 phát xạ tử ngoại gần tử ngoại chân không b) Hệ phát họa ba bậc bốn họa ba bậc năm laser Nd:YAG Hình 1.2 Sơ đồ mức lượng chuyển dời 4fn – 4fn-1df 10 ion Ce3+, Pr3+, Nd3+, Tm3+ Hình 1.3 Phổ hấp thụ phát xạ ion Ce3+ 11 LaF, LiCAF, LiSAF, YLF, LiLuF, CaF2, (Y,Lu)PO4, YAG Hình 1.4 a) Phổ hấp thụ (a) phát xạ (b) môi trường 13 Ce3+:LaF3 pha tạp 0.1% Ce3+ (1) 1% (2) Phổ hấp thụ (c) phát xạ (d) môi trường Ce3+:LuF3 với nồng độ pha tạp 0.1% (1) 1% (2) Hình 1.5 Phổ hấp thụ ánh sáng phân cực Ce:LLF (a) 14 Ce:YLF (b) nhiệt độ T=300K, phân cực π (1) phân cực σ (2) với nồng độ pha tạp Ce3+ 0,2% bơm laser KrF Phổ huỳnh quang phân cực Ce:LLF (c) Ce:YLF (d) tương ứng với phân cực π (1) σ (2) Hình 1.6 Phổ hấp thụ phát xạ môi trường Ce:LiSAF, 16 với nguồn bơm phân cực khác Hình 1.7 Vùng điều chỉnh bước sóng laser Ce:LiSAF 17 Hình 1.8 Cấu trúc mạng tinh thể chất LiCAF 18 Hình 1.9 Phổ hấp thụ chất LiCAF, LiSAF LiSCAF 18 pha tạp Ce3+ Hình 1.10 Phổ hấp thụ phát xạ môi trường Ce:LiCAF, 20 ứng với phân cực khác nguồn bơm Hình 1.11 Vùng điều chỉnh bước sóng laser Ce:LiCAF 20 iii Hình 1.12 a) Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn bơm 21 xung nano giây họa ba bậc bốn laser Nd:YAG b) Laser Ce:LiCAF phát xung 75 ps với BCH ngắn, chất lượng thấp bơm laser xung 150 ps Hình 1.13 a) Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn 22 phương pháp tự tiêm thụ động b) Xung laser tín hiệu; c) Chuỗi xung sau khuếch đại BCH phản hồi cho laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn phương pháp SSPT Hình 1.14 Laser tử ngoại Ce:LiCAF khóa mode phát xung 23 cực ngắn Hình 1.15 a) Laser tử ngoại Ce:LiCAF điều chỉnh bước sóng sử 26 dụng lăng kính tán sắc; b) vùng điều chỉnh bước sóng 280-315 nm Hình 1.16 a) Laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bước 27 sóng sử dụng phin lọc lưỡng chiết MgF2 dày 250 µm; b) vùng điều chỉnh bước sóng Hình 1.17 Cấu hình BCH sử dụng cách tử vị trí Littrow cho 28 phát xạ laser băng hẹp điều chỉnh bước sóng Hình 1.18 Cấu hình cách tử góc cho laser băng hẹp điều 29 chỉnh bước sóng Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc mức lượng chuyển dời 33 ion Ce3+ fluoride Hình 2.2 Động học phát xạ băng rộng laser tử ngoại 38 Ce:LiCAF với thông số mô phỏng: L=20 mm, R1=100%, R2=30%, lượng laser bơm thay đổi từ ngưỡng phát đến cao ngưỡng Hình 2.3 Biểu diễn tiến trình phát xung cường độ xung laser 39 lối theo hàm logarit tự nhiên Hình 2.4 Ảnh hưởng lượng laser bơm lên động học 41 phát xạ laser Ce:LiCAF (trái) độ rộng xung laser lối (phải) Thông số BCH L=20 mm, R1=100%, R2 = iv 30%, lượng laser bơm thay đổi 2÷6 mJ Hình 2.5 Ảnh hưởng hệ số phản xạ gương lên động học 43 phát xạ laser Ce:LiCAF (trái) độ rộng xung laser lối (phải) với hệ số phản xạ gương khác Thông số mô phỏng: R1=100%; L= 20 mm; Eb = 5,6 mJ, R2 thay đổi (từ 10% đến 30%) Hình 2.6 Ảnh hưởng chiều dài BCH lên động học phát xạ 45 laser Ce:LiCAF (trái) độ rộng xung laser lối BCH với thông số R1=100%; R2=30%; Eb = 5,6 mJ, chiều dài BCH thay đổi từ 20÷60 mm Hình 2.7 Sự phụ thuộc độ rộng đơn xung laser ngắn 46 thu với BCH khác theo lượng laser bơm Hình 2.8 Động học phát xạ xung laser pico giây Ce:LiCAF với 47 cấu hình độ BCH chiều dài L=20 mm: a) R1=25%, R2=14%, Eb= 9,5 mJ; b) R1=25%, R2=14%, Eb= 10,5 mJ Độ rộng xung laser lối 292 ps 267 ps Hình 2.9 Phổ phát xạ băng hẹp laser tử ngoại Ce:LiCAF, 50 cấu hình sử dụng cách tử Littrow với đỉnh phổ bước sóng 288,5 nm bơm lượng laser bơm Eb=9,5 mJ; góc quay cách tử βi=20,3o Hình 2.10 Sự điều chỉnh bước sóng phát xạ laser tử ngoại 51 Ce:LiCAF quay cách tử Littrow Góc quay cách tử 18,9o ÷ 23,3o, vùng bước sóng ghi nhận từ 278 nm đến 302 nm với BCH L=20 mm, gương R2=14%, lượng laser bơm Eb=15 mJ Hình 2.11 Ảnh hưởng lượng laser bơm lên động học 53 phát xạ băng hẹp, xung đơn ngắn bơm gần ngưỡng laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow Thông số mô phỏng: L=20 mm, cách tử 2400 vạch/mm, hệ số phản xạ cách tử Rg= 30%, gương R2=14%, v bước sóng 288,5 nm với lượng laser bơm Eb thay đổi từ 4,9 mJ đến 9,8 mJ Hình 2.12 Ảnh hưởng chiều dài BCH lên độ rộng xung độ 55 rộng phổ laser băng hẹp sử dụng cách tử Littrow Thông số mô phỏng: bước sóng 288,5 nm, lượng laser bơm Eb=9,5 mJ; hệ số phản xạ cách tử Rg=30%, gương R2=14%, chiều dài BCH thay đổi từ 20 mm đến 60 mm Hình 2.13 Ảnh hưởng hệ số phản xạ gương lên độ rộng 56 xung độ rộng phổ laser băng hẹp sử dụng cách tử Littrow Thơng số mơ bước sóng 288,5 nm, chiều dài BCH L=20 mm, lượng laser bơm Eb=9,5 mJ; hệ số phản xạ cách tử Rg=30%, gương thay đổi từ 10% đến 22% Hình 3.1 Sự phụ thuộc ngưỡng phá hủy lượng bơm 62 bão hịa tinh thể Ce:Fluoride vào bán kính vết bơm Hình 3.2 Sự phụ đường kính tiết diện chùm laser vào 63 khoảng cách tinh thể so với điểm hội tụ chùm laser bơm,