Tóm tắt: Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường

Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280 – 320 nm và định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN VĂN ĐIỆP NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC KHUẾCH ĐẠI XUNG LASER TỬ NGOẠI 280-320 NM VÀ ĐỊNH HƯỚNG DỤNG TRONG QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Quang học Mã số: 944 01 10 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – Năm 2023 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Hồng Minh GS TS Nguyễn Đại Hưng Phản biện 1: …………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Phản biện 3: …………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … ’, ngày … tháng … năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Khí Trái đất hỗn hợp gồm hai loại khí chiếm tỉ lệ lớn Nitơ (~78 %), Oxy (~21%) Mặc dù chiếm lượng nhỏ khí hạt aerosol số khí phát thải từ trình hoạt động người như: Ozone (O3), Carbon dioxite (CO2), Sulfur dioxit (SO2), … có ảnh hưởng lớn đến trình phát triển động thực vật Trái đất Một số chất khí có phổ hấp thụ nằm vùng bước sóng tử ngoại Do vậy, việc phát triển nguồn laser tử ngoại có khả điều chỉnh bước sóng có độ đơn sắc cao định hướng nghiên cứu môi trường cần thiết Môi trường tinh thể laser tử ngoại Lithium Calcium Aluminum Fluoride (Ce:LiCAF) có nhiều ưu điểm ứng dụng phổ biến cho phát xung ngắn, băng hẹp, điều chỉnh bước sóng cơng suất cao Mặc dù hệ thực nghiệm laser tử ngoại Ce:LiCAF phát triển thành công, việc ứng dụng nguồn laser bị hạn chế lượng laser lối ngưỡng nhiều ứng dụng Do vậy, việc khuếch đại xung laser tử ngoại Ce:LiCAF có ý nghĩa quan trọng thực tiễn Bằng thực nghiệm, tinh thể Ce:LiCAF chứng minh môi trường khuếch đại hiệu xạ nằm vùng tử ngoại với nhiều cấu hình khuếch đại khác Tuy nhiên, nghiên cứu trước tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm Nhằm hiểu trình động học khuếch đại laser, việc nghiên cứu đồng thời thực nghiệm lý thuyết có ý nghĩa quan trọng Xuất phát từ u cầu đó, tơi chọn đề tài “Nghiên cứu động học khuếch đại xung laser tử ngoại 280-320 nm định hướng ứng dụng kĩ thuật Lidar” làm hướng nghiên cứu Mục tiêu luận án bao gồm: - Nghiên cứu động học phổ khuếch đại xung laser UV sử dụng tinh thể Ce:LiCAF Phát triển hệ khuếch đại xung laser UV sử dụng tinh thể - Ce:LiCAF Bước đầu ứng dụng nguồn laser UV Ce:LiCAF phát triển vào nghiên cứu, quan trắc môi trường Các nội dung nghiên cứu luận án Sử dụng phương trình Frantz-Nodvik mở rộng, nghiên cứu động học phổ khuếch đại xung laser UV sử dụng tinh thể Ce:LiCAF Phát triển hệ thực nghiệm laser phát xung tín hiệu hệ khuếch đại xung laser UV sử dụng tinh thể Ce:LiCAF Đánh giá đặc trưng xung laser tín hiệu xung laser sau khuếch đại Ứng dụng laser UV Ce:LiCAF vào hệ quang phổ hấp thụ vi sai nghiên cứu nồng độ khí nhiễm SO2 đánh giá đặc trưng tán xạ số hạt sol khí phổ biến CHƯƠNG 1: VẬT LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TRONG KHUẾCH ĐẠI LASER 1.1 Tổng quan khuếch đại laser 1.1.1 Nguyên lý khuếch đại laser Nguyên lý khuếch đại laser dựa tượng phát xạ cưỡng Hình 1.1 Hình 1.1 Nguyên lý khuếch đại laser 1.1.2 Một số vấn đề vật lý khuếch đại laser Trong khuếch đại laser cần ý đến số vấn đề như: Lựa chọn môi trường khuếch đại; Nguồn bơm cấu hình bơm; Khuếch đại phát xạ tự phát (ASE); Phân bố lượng chùm laser sau khuếch đại; Hiệu ứng quang học phi tuyến 1.1.3 Cấu hình khuếch đại laser Việc lựa chọn cấu thành phần khuếch đại laser quan trọng, phụ thuộc vào yêu cầu công suất laser sau khuếch đại, đặc trưng xung laser tín hiệu đặc trưng mơi trường khuếch đại 1.1.4 Phương trình Franz-Nodvik cổ điển Năng lượng laser sau khuếch đại tính tốn theo phương trình Frantz – Nodvik cổ điển: 𝐸𝑖𝑛 𝐸𝑜𝑢𝑡 = 𝐸𝑠 ln {1 + [exp ( ) − 1] exp⁡(𝑔0 𝑙)}⁡ 𝐸𝑠 1.2 Tổng quan môi trường laser Ce:LiCAF 1.2.1 Môi trường fluoride pha tạp ion Cerium Đến nay, người ta phát triển thành công sáu môi trường tinh thể Ce:Fluoride phát trực tiếp xạ tử ngoại dải phổ rộng 1.2.2 Các đặc trưng mơi trường Ce:LiCAF Hình 1.13 Phổ hấp thụ phát xạ môi trường Ce:LiCAF Trong môi trường Ce-Fluoride, môi trường Ce:LiCAF môi trường phát khuếch đại laser tử ngoại hiệu với nhiều ưu điểm vượt trội Môi trường hấp thụ mạnh bước sóng 266 nm (Hình 1.13) Tiết diện phát xạ lớn, phổ phát xạ Ce:LiCAF rộng từ 275 nm đến 325 nm Thời gian sống huỳnh quang ion Ce3+ trạng thái kích thích 25 ns ÷ 30 ns, mật độ lượng bão hòa cao cỡ 115 mJ/cm2, ngưỡng phá hủy cao J/cm2 1.2.3 Hệ laser tử ngoại dựa tinh thể Ce:LiCAF Với ưu điểm vượt trội trên, môi trường Ce:LiCAF nhiều nhóm nghiên cứu lựa chọn cho việc phát triển nguồn laser UV băng hẹp, laser UV xung ngắn laser UV công suất cao 1.3 Ứng dụng laser tử ngoại Trải qua sáu thập kỷ phát triển, laser nói chung laser UV nói riêng gắn liền với nhiều thành tự khoa học mang tính đột phá nhiều lĩnh vực khác gia cơng vật liệu, vi khí, y học nghiên cứu môi trường Kết luận chương 1: Trong chương 1, tổng quan vấn đề khuếch đại laser phương trình khuếch đại Franz-Nodvik cổ điển trình bày Phương trình Franz-Nodvik cổ điển khơng cho phép khảo sát trình khuếch đại xung laser tín hiệu băng rộng Do phương trình Franz-Nodvik mở rộng cho phép khảo sát khuếch đại toàn miền phổ laser tín hiệu trình bày chương Đến nay, việc nghiên cứu tường minh trình động học khuếch đại xung laser băng rộng sử dụng tinh thể Ce:LiCAF chưa thực Do vậy, việc nghiên cứu đồng thời động học phát triển thực nghiệm hệ khuếch đại xung laser UV sử dụng tinh thể Ce:LiCAF nghiên cứu chương chương CHƯƠNG ĐỘNG HỌC PHỔ KHUẾCH ĐẠI CÁC XUNG LASER TỬ NGOẠI SỬ DỤNG TINH THỂ Ce:LiCAF 2.1 Cấu hình hệ khuếch đại nhiều lần truyền qua sử dụng tinh thể Ce:LiCAF Hệ khuếch đại laser UV Ce:LiCAF tám lần truyền qua thiết kế, cấu hình hệ Hình 2.1 Hình 2.1 Cấu hình hệ khuếch đại xung laser UV nhiều lần truyền qua sử dụng tinh thể Ce:LiCAF 2.2 Mô hình lý thuyết cho khuếch đại laser Để khảo sát trình khuếch đại xung laser băng rộng, Peter Kroetz cộng đề xuất phương trình Frantz-Nodvik mở rộng, phương trình định nghĩa đại lượng hệ số nghịch đảo độ tích lũy 𝛽: 𝛽= 𝑛𝑒 𝑁 (2.1) Tiết diện khuếch đại xác định theo công thức: 𝜎𝑔,𝑖−1 (𝜆) = 𝛽𝑖 (𝜎𝑒𝑚 (𝜆) + 𝜎𝑎𝑏𝑠 (𝜆)) − 𝜎𝑎𝑏𝑠 (𝜆) (2.2) Hệ số khuếch đại lần truyền qua xác định công thức: 𝐺𝑖−1 (𝜆) = exp⁡(𝜎𝑔,𝑖−1 (𝜆)𝑁𝐿) (2.3) Thông lượng laser lối 𝐽𝑖 liên hệ với thông lượng đầu vào: 𝐽 (𝜆) 𝐽𝑖 (𝜆) = 𝐽𝑠𝑎𝑡 (𝜆)𝑇(𝜆)ln [1 + 𝐺𝑖−1 (exp⁡( 𝐽𝑖−1(𝜆) − 1)] 𝑠𝑎𝑡 (2.4) Thơng lượng bão hịa xác định bằng: 𝐽𝑠𝑎𝑡 (𝜆) = ℎ𝑐 𝜆(𝜎𝑒𝑚 (𝜆)+𝜎𝑎𝑏𝑠 (𝜆)) (2.5) Hệ số nghịch đảo độ tích lũy⁡được cập nhật sau lần khuếch đại: 𝐽 (𝜆) 𝛽𝑖 = 𝛽𝑖−1 − 𝑖 −𝐽𝑖−1 (𝜆))]𝑑𝜆 ∫[𝜆( 𝑇(𝜆) ℎ𝑐𝑙𝑁 (2.6) Khi tính đến mát phát xạ tự phát: 𝛽𝑖∗ = 𝛽𝑖 exp⁡(− Δ𝑡 ) 𝜏 (2.7) Q trình mơ khuếch đại chia thành ba bước: (1) (2) (3) Thông lượng laser tín hiệu đầu vào chia thành lát cắt theo khoảng thời gian Δt Các lát cắt liên tục qua môi trường khuếch đại, hệ số 𝛽 cập nhật sau lát cắt qua Thông lượng laser lối tổng thơng lượng thành phần sau q trình khuếch đại Hình 2.4 Sơ đồ khối cho trình mô khuếch đại xung laser 2.3 Thông số sử dụng mô 2.3.1 Thông số linh kiện thiết bị quang Các thông số sử dụng mô lấy từ linh kiện, thiết bị có phịng thí nghiệm Quang tử - Viện Vật lý 2.3.2 Tiết diện khuếch đại hấp thụ mơi trường Ce:LiCAF Hình 2.5 Tiết diện khuếch đại hấp thụ môi trường Ce:LiCAF giá trị 𝛽 khác 2.4 Động học khuếch đại xung laser UV sử dụng tinh thể Ce:LiCAF 2.4.1 Sự thay đổi nghich đảo độ tích lũy trình bơm khuếch đại Hình 2.6 Ảnh hưởng công suất laser bơm lên hệ số nghịch đảo độ tích lũy Cơng suất bơm lớn hệ số nghịch đảo độ tích lũy nhanh đạt đến trạng thái bão hịa Trong đó, suy giảm nghịch đảo độ tích lũy laser tín hiệu vào mơi trường khuếch đại thể Hình 2.7 Hình 2.7 a) Nghịch đảo độ tích lũy sau lần khuếch đại b) Hệ số nghịch đảo độ tích lũy lần khuếch đại 2.4.2 Ảnh hưởng công suất laser bơm lên công suất laser sau khuếch đại Kết khảo sát ảnh hưởng laser bơm lên công suất laser lối ra Hình 2.8 Với cơng suất laser tín hiệu mW, cơng suất laser sau tám lần khuếch đại 54 mW, 60 mW, 62 mW tương ứng với công suất laser bơm 120 mW, 160 mW 240 mW Như vậy, công suất laser sau tám lần khuếch đại tăng công suất laser bơm tăng, nguyên nhân công suất laser bơm tăng độ khuếch đại mơi trường tăng dẫn tới công suất laser sau khuếch đại tăng Hình 2.8 Ảnh hưởng cơng suất bơm lên cơng suất laser sau khuếch đại Pin=1 mW, Ppump= 120, 160, 200 mW 10 laser sau khuếch đại lớn Ngun nhân bước sóng laser tín hiệu gần đỉnh phát xạ mơi trường Ce:LiCAF tiết diện khuếch đại lớn 2.4.5 Ảnh hưởng độ rộng phổ laser tín hiệu lên phổ laser sau khuếch đại Kết khảo sát Hình 2.11.(a) cho thấy, laser sau lần khuếch đại có cường độ phổ tăng lên đỉnh phổ giữ không đổi bước sóng 288,5 nm Độ rộng phổ laser sau lần khuếch đại bị thu hẹp lại, Hình 2.11.(b) Điều giải thích tiết diện khuếch đại đỉnh phổ lớn so với hai bên sườn phổ phần lượng khuếch đại thêm vào đỉnh phổ lớn so với hai bên sườn phổ Hình 2.11.a) Phổ laser tín hiệu phổ laser sau lần khuếch đại b) Phổ laser tín hiệu laser sau lần khuếch đại 11 Phổ laser tín hiệu rộng hiệu ứng thu hẹp phổ trình khuếch đại thể rõ Tuy nhiên, với độ rộng phổ laser tín hiệu nhỏ nm hiệu ứng thu hẹp vạch phổ gần khơng đánh kể (Hình 2.12) Hình 2.12 Phổ laser sau lần khuếch đại, λ=288,5 nm, FWHM=1 nm, nm, nm, nm, 10 nm 2.4.6 Dịch đỉnh phổ laser tín hiệu trình khuếch đại Hình 2.13 Hiệu tượng thu hẹp phổ trình khuếch đại Pin= mW, λ=292 nm, FWHM=10 nm Kết khảo sát hình 2.13 cho thấy, đỉnh phổ laser lối dịch nm bước sóng 289 nm so với laser tín hiệu, đồng thời độ rộng phổ laser bị thu hẹp lại Ngun nhân mơi trừng Ce:LiCAF có tiết diện 12 khuếch đại lớn bước sóng 288,5 nm giảm dần hai bên sườn phổ, sau lần khuếch đại phổ laser có xu hướng dịch phía đỉnh phát xạ Điều dẫn tới phổ laser sau khuếch đại có xu hướng ưu tiên sườn trước phổ laser sau khuếch đại không cịn có dạng Gauss Kết luận chương 2: Trong chương việc giải phương trình khuếch đại Frantz-Nodvik mở rộng, động học phổ cho khuếch đại Ce:LiCAF tám lần truyền qua nghiên cứu tường minh, ảnh hưởng công suất laser bơm, công suất bước sóng laser tín hiệu lên cơng suất laser sau lần khuếch đại đánh giá Hiện tượng thu hẹp phổ trình khuếch đại chứng minh Chùm laser tín hiệu có đỉnh phổ bước sóng 288,5 nm độ rộng phổ 10 nm sau tám lần khuếch đại bị thu hẹp 3,5 nm Laser tín hiệu có độ rộng phổ lớn tượng thu hẹp phổ thể rõ rệt Trong đó, tượng thu hẹp phổ q trình khuếch đại gần khơng đáng kể với laser tín hiệu có độ rộng phổ nm Hiện tượng dịch đỉnh phổ trình khuếch đại khảo sát, laser tín hiệu có độ rộng phổ 10 nm đỉnh phổ bước sóng 292 nm sau tám lần khuếch đại dịch nm phía gần đỉnh phát xạ mơi trường Ce:LiCAF CHƯƠNG KHUẾCH ĐẠI XUNG LASER TỬ NGOẠI SỬ DỤNG TINH THỂ Ce:LiCAF Phát triển hệ khuếch đại xung laser tử ngoại băng rộng sử dụng tinh thể Ce:LiCAF 3.1.1 Cấu hình hệ khuếch đại 3.1 Sơ đồ hệ phát hệ khuếch đại xung laser UV sử dụng tinh thể Ce:LiCAF Hình 3.1 13 Hình 3.1 Sơ đồ hệ phát khuếch đại xung laser tử ngoại, băng rộng, bốn lần truyền qua sử dụng tinh thể Ce:LiCAF 3.1.2 Đặc trưng phát xạ hệ laser tín hiệu Ce:LiCAF sử dụng cấu hình buồng cộng hưởng Fabry-Perot Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng BCH Fabry-Perot phát xung laser băng rộng Hình 2.10 Ngưỡng phát laser xác định công suất bơm 25 mW Hiệu suất đạt 19,5 %, lượng lớn thu 18 mW lượng bơm 120 mW Hình 3.2 Hệ thực nghiệm laser UV Ce:LiCAF cấu hình BCH Fabry-Perot Tại lượng bơm 55 mW (lớn ~2 lần ngưỡng) laser hoạt động ổn định, lượng laser lối mW, độ rộng xung 3,13 ns, phổ laser lối rộng 2,0 nm Hình 2.12 14 Hình 2.12.(a) Độ rộng xung (b) độ rộng phổ laser lối 3.1.3 Khuếch đại xung laser tử ngoại băng rộng sử dụng tinh thể Ce:LiCAF Hệ thực nghiệm khuếch đại xung laser tử ngoại băng rộng sử dụng tinh thể Ce:LiCAF Hình 3.5 Thơng số xung laser tín hiệu xung laser sau khuếch đại Bảng 3.2 Hình 3.5 Hệ thực nghiệm khuếch đại xung laser tử ngoại băng rộng bốn lần truyền qua sử dụng tinh thể Ce:LiCAF Bảng 3.2 Thơng số xung laser tín hiệu xung laser sau khuếch đại (hệ khuếch đại xung laser băng rộng) Thơng tin Cơng suất (mW) Bước sóng (nm) FWHM (nm) Độ rộng xung (ns) Xung tín hiệu 7,0 288,5 2,0 3,0 Xung sau khuếch đại 54 288,5 2,0 3,0 15 Các kết thực nghiệm mô chi tiết công suất hệ số khuếch đại lần truyền qua Hình 3.7 Hình 3.7 Cơng suất hệ số khuếch đại sau lần truyền qua (hệ khuếch đại xung laser băng rộng) Kết thực nghiệm (đường màu đen) cho thấy, công suất laser lối sau lần khuếch đại 18 mW, 31 mW, 44 mW, 54 mW tương ứng với hệ số khuếch đại 2,5; 1,7, 1,4; 1,3 Hơn nữa, kết mô công suất sau khuếch đại hệ số khuếch đại (đường màu đỏ Hình 3.7) cho thấy phù hợp tốt thực nghiệm lý thuyết Phát triển hệ khuếch đại xung laser tử ngoại băng hẹp sử dụng tinh thể Ce:LiCAF 3.2.1 Cấu hình hệ khuếch đại 3.2 Hệ khuếch đại xung laser UV băng hẹp sử dụng tinh thể Ce:LiCAF Hình 3.8 16 Hình 3.8 Sơ đồ hệ khuếch đại xung laser tử ngoại, băng hẹp, bốn lần truyền qua sử dụng tinh thể Ce:LiCAF 3.2.2 Laser tín hiệu băng hẹp sử dụng cấu hình BCH Littrow Hình 2.13 Hệ thực nghiệm laser UV Ce:LiCAF phát xạ băng hẹp sử dụng cấu hình BCH Littrow Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng BCH Littrow phát xung laser tử ngoại băng hẹp Hình 2.13 Khi góc quay cách tử so với trục BCH giữ không đổi 20,30, tăng dần công suất laser bơm, ngưỡng phát laser xác định công suất bơm 40 mW xạ laser lối xác định bước sóng 288.5 nm Tiếp tục tăng cơng suất laser bơm, lượng laser lối tăng dần hiệu suất đạt 8,5 % 17 Tại lượng laser bơm tăng lên 120 mW (~3 lần ngưỡng), góc quay cách tử so với trục BCH thay đổi từ 19 - 230, vùng điều chỉnh bước sóng đạt 11 nm liên tục từ 285 nm đến 296 nm Tại góc quay cách tử 20,30, lượng 120 mW, độ rộng xung 3,6 ns độ rộng phổ 0,6 nm Hình 3.12 Hình 2.12.(a) Độ rộng xung (b) độ rộng phổ laser lối với cấu hình BCH Littrow 3.2.3 Laser tín hiệu băng hẹp sử dụng cấu hình BCH Littman Cấu hình hệ laser Ce:LiCAF sử dụng BCH Littman phát xung laser tử ngoại băng hẹp Hình 2.15 Hình 3.15 Hệ thực nghiệm laser UV Ce:LiCAF phát băng hẹp sử dụng cấu hình BCH Littman Ngưỡng phát hệ laser 120 mW, tiếp tục tăng lượng laser bơm lên 160 mW, lượng laser lối thu 1,5 mW (hiệu suất ~ 18 1%) Độ rộng xung laser 3,9 ns Hình 2.16.a độ rộng phổ laser lối 0,6 nm, đạt đến giới hạn thiết bị đo (Hình 2.16.b) Hình 2.16.(a) Độ rộng xung (b) độ rộng phổ laser lối với cấu hình BCH Littman Để khảo sát khả điều chỉnh bước sóng hệ laser UV Ce:LiCAF phát băng hẹp sử dụng cấu hình BCH Littman, gương cuối BCH xoay góc từ 12,500 -19,500, vùng điều chỉnh bước sóng đạt rộng 4,5 nm từ 286 nm đến 290,5 nm 3.2.4 Khuếch đại xung laser tử ngoại băng hẹp sử dụng tinh thể Ce:LiCAF Hệ thực nghiệm khuếch đại xung laser tử ngoại băng hẹp sử dụng tinh thể Ce:LiCAF Hình 3.20 Hình 3.20 Hệ thực nghiệm khuếch đại xung laser tử ngoại băng hẹp bốn lần truyền qua sử dụng tinh thể Ce:LiCAF 19 Bảng 3.3 Thơng số xung laser tín hiệu xung laser sau khuếch đại (Hệ khuếch đại xung laser tử ngoại băng hẹp) Thông tin Công suất (mW) Bước sóng (nm) FWHM (nm) Độ rộng xung (ns) Xung tín hiệu 288,5 0,7 3,5 Xung sau khuếch đại 49 288,5 0,7 3,5 Các kết thực nghiệm công suất hệ số khuếch đại lần truyền qua Hình 3.22 (đường màu đen) Công suất laser lối sau lần khuếch đại 17 mW, 29 mW, 44 mW, 49 mW tương ứng với hệ số khuếch đại 2,3; 1,7; 1,3; 1,2 Hình 3.22 Kết mô thực nghiệm công suất xạ laser sau lần truyền qua Kết luận chương 3: Chương trình bày kết thực nghiệm phát triển hệ khuếch đại xung laser UV sử dụng tinh thể Ce:LiCAF phịng thí nghiệm Trung tâm Điện tử học Lượng tử, Viện Vật lý, bao gồm: Phát triển hệ khuếch đại xung laser UV băng rộng bốn lần truyền qua sử dụng tinh thể Ce:LiCAF Hệ khuếch đại bơm họa ba bậc bốn laser Nd:YAG bước sóng 266 nm, cơng suất bơm 160 mW 20 Xung laser sau bốn lần khuếch đại có cơng suất đạt 54 mW tương ứng với hệ số khuếch đại ~8 lần, kết thực nghiệm cho thấy phù hợp tốt (sai số khoảng %) với kết mô phương trình FrantzNodvik mở rộng Hệ khuếch đại xung laser UV băng hẹp bốn lần truyền qua sử dụng tinh thể Ce:LiCAF phát triển Xung laser tín hiệu băng hẹp có cơng suất mW, độ rộng phổ 0,6 nm bước sóng 288,5 nm sau bốn lần khuếch đại đặc trưng phổ laser sau khuếch đại không thay đổi so với laser tín hiệu Trong đó, cơng suất laser sau khuếch đại 49 mW tương ứng với hệ số khuếch đại CHƯƠNG ỨNG DỤNG LASER TỬ NGOẠI Ce:LiCAF TRONG QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG 4.1 Phát triển hệ quang phổ hấp thụ vi sai xác định mật độ khí SO2 4.1.1 Hệ quang phổ hấp thụ vi sai ứng dụng laser tử ngoại Ce:LiCAF Hệ DOAS ứng dụng laser UV Ce:LiCAF xây dựng phịng thí nghiệm cho việc xác định nồng độ chất khí chuẩn SO2 Cấu tạo hệ chia thành ba phận gồm: Hệ laser; Bình chứa khí; Hệ thu tín hiệu xử lý số liệu 4.1.2 Đo mật độ khí SO2 hệ quang phổ hấp thụ vi sai Hình 4.2 Hệ thí nghiệm khảo sát nồng độ khí SO2 kĩ thuật quang phổ hấp thụ vi sai 21 Dựa sơ đồ hệ thí nghiệm thiết kế, hệ DOAS khảo sát nồng độ khí phát triển điều kiện phịng thí nghiệm (Hình 4.2) Các đặc trưng phổ laser Ce:LiCAF sau qua bình trường hợp bình khơng chứa khí SO2 có chứa khí SO2 ghi nhận Hình 4.3 Sau liệu phổ xử lý phần mềm QDOAS, kết cho thấy nồng độ khí SO2 đo 100 ppm với sai số phép đo nhỏ cỡ 6% Như vậy, ứng dụng laser tử ngoại Ce:LiCAF vào kĩ thuật DOAS cho phép xác định xác nồng độ khí SO2 với sai số thấp Hình 4.3 Phổ laser thu hai trường hợp bình chứa khí khơng chứa khí SO2 Nghiên cứu đặc trưng tán xạ số hạt sol khí laser tử ngoại điều chỉnh bước sóng Ce:LiCAF 4.2.1 Thông số sử dụng mô tán xạ 4.2 Các thông số sử dụng mô lấy từ số liệu thực nghiệm 4.2.2 Ảnh hưởng bước sóng kích thích đến tán xạ góc hạt Kết khảo sát ảnh hưởng bước sóng laser kích thích đến tán xạ góc hạt Hình 4.4 Kết cho thấy so với vùng bước sóng nhìn thấy, vùng bước sóng UV phù hợp cho khảo sát tán xạ hạt sol khí có kích thước nhỏ 22 Hình 4.4 Cường độ tán xạ theo góc hạt carbon đen, carbon nâu nước ô nhiễm với kích thước khác Kết nghiên cứu cịn bước sóng phù hợp dải điều chỉnh để khảo sát tán xạ ngược hạt sol khí từ 280 đến 290 nm từ 305 đến 320 nm Kết luận chương 4: Chương trình bày việc phát triển hệ quang phổ hấp thụ vi sai ứng laser UV Ce:LiCAF cho việc xác định mật độ khí SO2 Trong điều kiện phịng thí nghiệm, hệ quang phổ hấp thụ vi sai cho kết khảo sát với độ xác cao, sai số phép đo khoảng 6% Bên cạnh đó, cường độ tán xạ theo góc số hạt sol khí phổ biến khí carbon đen, carbon nâu nước ô nhiễm lý thuyết tán xạ Mie 23 KẾT LUẬN CHUNG Luận án đạt số kết sau: Động học phổ cho khuếch đại Ce:LiCAF tám lần truyền qua nghiên cứu tường minh, ảnh hưởng công suất laser bơm, cơng suất bước sóng laser tín hiệu lên công suất laser sau lần khuếch đại nghiên cứu Hiện tượng thu hẹp phổ, dịch đỉnh phổ trình khuếch đại khảo sát Hệ khuếch đại xung laser UV băng rộng bốn lần truyền qua sử dụng tinh thể Ce:LiCAF phát triển thành cơng, xung laser tín hiệu từ BCH Fabry-Perot với cơng suất mW bước sóng đỉnh phổ 288,5 nm độ rộng phổ nm sau qua khuếch đại, công suất laser thu 54 mW tương ứng với hệ số khuếch đại Hệ khuếch đại xung laser UV băng hẹp phát triển, xung laser UV băng hẹp từ BCH Littrow với công suất mW bước sóng 288,5 nm sau bốn lần khuếch đại công suất laser thu 49 mW tương ứng với hệ số khuếch đại Hơn nữa, kết mơ phương trình Frantz-Nodvik mở rộng thí nghiệm cho thấy phù hợp cao Bước đầu ứng dụng laser UV Ce:LiCAF hệ quang phổ hấp thụ vi sai cho việc xác định mật độ khí SO2 Kết khảo sát cho thấy độ xác cao với sai số phép đo 6% Các kết nghiên cứu luận án khơng có ý nghĩa khoa học mà cịn cho thấy tính ứng dụng thực tiễn cao Các hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF có khuếch đại phát triển thành công cho thấy triển vọng ứng dụng chúng nhiều lĩnh vực y học, sinh học, đặc biệt nghiên cứu mơi trường 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ LIÊN QUAN LUẬN ÁN Cơng bố tạp chí thuộc danh mục ISI Tunable dual wavelength and narrow linewidth laser using a single solidstate gain medium in a double Littman resonator, Optics Communications 496 (2021) 127131 Studying the Nonlinear Optical Properties of Fluoride Laser Host Materials in the Ultraviolet Wavelength Region, Appl Sci (2022), 12, 372 Theoretical and experimental study of ultraviolet broadband laser amplification using Ce:LiCAF crystal, Optics Communications Volume 530, (2022), 129165 Công bố tạp chí Quốc gia Phát triển khuếch đại laser tử ngoại, băng hẹp điều chỉnh bước sóng sử dụng tinh thể Ce:LiCAF định hướng nghiên cứu mơi trường, Tạp chí KH & CN VN-Bản B, (2022), DOI: 10.31276/VJST.65(8).29-34 Công bố kỷ yếu hội nghị Quốc gia Phát đồng thời hai xạ laser tử ngoại đơn sắc điều chỉnh liên tục dải phổ rộng với tinh thể Ce:LiCAF, Tuyển tập báo cáo Hội nghị 45 năm Viện Hàn Lâm KH & CN VN 1975-2020, (2020), ISBN 978-6049985-06-5 Nghiên cứu động học phát xạ băng hẹp điều chỉnh bước sóng laser tử ngoại Ce:LiCAF cách tử, Kỉ yếu hội nghị Vật lý Thừa Thiên Huế 2021, 2021, ISBN 978-604-974-605-4 Nghiên cứu đặc tính phi tuyến vật liệu Ce:LiCAF vùng bước sóng tử ngoại, Advances in Optics, Photonics, Spectroscopy & Applications XII, (2022), ISBN: 978-604-357-120-2