Nghiên cứu các tính chất động học và phát triển hệ laser rắn tử ngoại sử dụng vật liệu pha tạp ion ce3+ TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - 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 HÀ NỘI – 2021 Cơng trình hồn thành tại: Khoa Vật lý, Học viện Khoa Học Công Nghệ, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Học viện Khoa học Công nghệ chấm luận án họp tại: Thời gian: Luận án lưu giữ tại:  Thư viện Quốc gia Việt Nam  Thư viện, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ “Development of a short pulse broadband and narrow linewidth ultraviolet laser using Ce:LiCAF crystal”, Communications in Physics, 29(3SI), (2019), pp 341-349 “Tunable narrow linewidth picoseconds pulses from a single grating gainswitched Ce:LiCAF laser, Laser Phys 28 (2018) 085802 (5pp) DOI: 10.1088/1555-6611/aac369 “Total internal reflection-based side-pumping configuration for terawatt ultraviolet amplifier and laser oscillator development”, Applied Physics B, (2018,) 124:125, https://doi.org/10.1007/s00340-018-6995-9 “A High Q-Factor, Easy-To-Use, Broadband Ce:LiCAF Laser Resonator Based On Total Internal Reflection”, Communications in Physics, Vol 26(3), (2016), pp 245-249, DOI:10.15625/0868-3166/26/3/8945 “Nghiên cứu thiết kế hệ laser Ce:LiCAF hoạt động vùng tử ngoại có độ phẩm chất khác nhau”, Kỷ yếu Hội nghị Vật lý Kỹ thuật Toàn quốc lần thứ V, ISBN: 978-604-913-232-2, (2018), trang 425-431 “Recent research and development of solid state ultraviolet lasers using Ce:LiCAF crystal”, Advances in Optics, Photonics, Spectroscopy & Applications IX, ISBN: 978-604-913-578-1, (2017), pp119-124 Nghiên cứu phát triển hệ laser tử ngoại rắn sử dụng tinh thể Ce:LiCAF, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học kỷ niệm 45 năm thành lập Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, Tiểu ban CNTT-ĐT-TĐH- CNVT; ngày 14/10/2020, ISBN: 978-604-9985-06-5, trang 81- 88 MỞ ĐẦU Bức xạ tử ngoại (UV radiation) lần đầu phát nhà Vật lý người Đức J W Ritter (1801) quan sát thấy xạ phía vùng ánh sáng khả kiến, thường gọi tên “tia oxy hóa”, "tia hóa học", "tithonic rays” Năm 1878 ảnh hưởng ánh sáng bước sóng ngắn lên vi khuẩn, có hiệu khử trùng phát Các quan sát thấy đánh giá khả hấp thụ mạnh xạ tử ngoại 200 nm khơng khí đặt tên xạ tử ngoại chân không vào năm 1893 nhà Vật lý người Đức Victor Schumann Vào năm 1903, xạ tử ngoại biết đến với bước sóng 250 nm có ảnh hưởng hiệu tới vi khuẩn phải đến năm 1960, ảnh hưởng xạ tử ngoại lên phân tử DNA biết đến Sự đời laser năm 1960 với đặc trưng ưu việt mang lại bước tiến nhảy vọt công nghệ nguồn phát xạ tử ngoại Tùy thuộc vào vùng bước sóng, đặc trưng loại laser khác mà chúng có ứng dụng riêng Laser UV có nhiều ứng dụng quan trọng trải rộng nhiều lĩnh vực khoa học cơng nghệ hóa học, vật lý, kỹ thuật, khoa học vật liệu, y học, thông tin lượng tử, quang điện tử, sinh học khoa học môi trường Các ứng dụng laser tử ngoại như: tia UV cơng suất cao sử dụng để cắt khoan lỗ nhỏ nhiều loại vật liệu, bao gồm vật liệu suốt với ánh sáng nhìn thấy, nguồn UV liên tục ứng dụng in thạch kích thước nhỏ, sản xuất chip bán dẫn Các nguồn UV phát liên tục xung sử dụng để chế tạo cách tử Bragg, phẫu thuật mắt, chữa trị tật khúc xạ laser … Các nguồn laser tử ngoại thông dụng sử dụng bao gồm: laser khí phân tử N2, H2 ; laser khí (Ar+, Kr+, Ne+); laser excimer; laser màu phát xạ tử ngoại; laser bán dẫn; nguồn laser tử ngoại thu phương pháp biến đổi tần số Nhược điểm chung nguồn phát xạ tử ngoại thiết kế phức tạp, mơi trường độc tính; vấn đề kích thước, bảo dưỡng, hiệu suất, độ rộng xung, khả điều chỉnh bước sóng tính linh hoạt, độ rộng phổ, độ rộng xung laser chưa phù hợp cho ứng dụng rộng rãi vùng UV Vì lý này, giải pháp tối ưu để thu nguồn xạ tử ngoại hiệu quả, đáng tin cậy, nhỏ gọn chi phí hợp lý phát triển nguồn laser rắn Trong nghiên cứu mơi trường, ví dụ nghiên cứu mật độ phân bố ozone, đặc điểm phổ hấp thụ nằm vùng bước sóng 240 – 340 nm nên nguồn laser tử ngoại dùng làm nguồn kích thích cho hệ Lidar Raman Cụ thể như, nghiên cứu mơi trường khảo sát tầng khí vùng phổ hấp thụ 288-299 nm cho ozone (O3), vùng hấp thụ 299-305 nm cho phân tử khí sulphur dioxide (SO2) Nghiên cứu vật lý công nghệ cho vật liệu laser laser rắn hướng khoa học công nghệ thời sự, phát triển mạnh giới, khơng mang ý nghĩa khoa học phát triển công nghệ mà cịn có ý nghĩa thực tiễn ứng dụng cấp thiết Do đó, nhiều trung tâm, viện nghiên cứu trường đại học giới có chương trình nghiên cứu việc phát triển vật liệu nguồn phát laser đánh giá tính thực tiễn hệ thống laser nhiều ứng dụng khác Ví dụ, Trung tâm nghiên cứu Quang tử, Đại học Macquarie Sydney, Úc cố gắng phát triển nguồn laser rắn phát xung cực ngắn vùng bước sóng tử ngoại cho ứng dụng quang phổ laser Trung tâm nghiên cứu biến đổi khí hậu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Đài Loan trung tâm khơng phát triển laser lại có nhu cầu cấp thiết sử dụng laser quan trắc môi trường thông qua kỹ thuật LIDAR (Light Detection and Ranging - LIDAR) Viện nghiên cứu Vật liệu thuộc Đại học Tohoku, Nhật Bản nuôi tinh thể định hướng ứng dụng, có ứng dụng làm mơi trường phát laser Trên giới, vật liệu công nghệ laser tử ngoại nhà khoa học đặc biệt quan tâm nghiên cứu Bằng việc tính tốn thực nghiệm, người ta chứng minh thay đổi áp suất, nhiệt độ lên tinh thể theo hay ba chiều dẫn đến thay đổi độ rộng vùng cấm vật liệu Ce:Fluoride, từ mở rộng phổ phát xạ laser Gần đây, số nghiên cứu cho laser tử ngoại phát xung ngắn điều chỉnh bước sóng thực Với việc sử dụng chế độ khóa mode BCH laser xung ngắn ps phát triển thành công Hơn nữa, sử dụng phin lọc lưỡng chiết BCH, laser xung ngắn điều chỉnh bước sóng nghiên cứu Trước kết KH-CN mang tính cách mạng giới khoa học quốc tế dựa sở phát triển ứng dụng laser, nước, sở nghiên cứu khoa học, ứng dụng đào tạo (về vật lý, khoa học vật liệu, hố lý, y-sinh học, thơng tin mơi trường ) ngày có nhu cầu việc ứng dụng nguồn laser, đặc biệt nguồn laser đặc chủng để nâng cao khả năng, chất lượng trình độ nghiên cứu, ứng dụng đào tạo - đáp ứng đòi hỏi hội nhập Khoa học - Công nghệ khu vực quốc tế Ở Việt Nam, không nhiều nhà khoa học viện nghiên cứu tập trung vào hướng vật liệu cơng nghệ laser, đó, nghiên cứu định hướng ứng dụng laser hạn chế Gần đây, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, hệ laser màu tử ngoại phát xung pico-giây dựa phương pháp nhân tần số, ứng dụng hệ LIDAR nghiên cứu phát triển thành công Sử dụng phương pháp phản hồi phân bố với môi trường hoạt chất Rhodamine 6G bơm hòa ba bậc hai laser Nd:YAG bước sóng 532 nm bước sóng phát 565,8 nm 572,6 nm Sau sử dụng tinh thể BBO để nhân tần, bước sóng laser tử ngoại 282,9 nm 286,4 nm phát triển Tuy nhiên với việc sử dụng chất màu làm môi trường hoạt chất cho laser, sử dụng tinh thể BBO để chuyển đổi bước sóng laser từ vùng khả kiến sang vùng tử ngoại nên lượng laser lối nhỏ, cỡ vài nano-jun, hiệu suất chuyển đổi bước sóng thấp cỡ vài %, độ ổn định laser khơng cao, chất màu có khả gây độc hại tới môi trường xung quanh người sử dụng Do vậy, hạn chế nhiều ứng dụng, ứng dụng hệ LIDAR Trong vài thập niên gần đây, việc sử dụng vật liệu Fluoride pha tạp ion đất dựa dịch chuyển 4f-5d, người ta phát triển thành công môi trường hoạt chất laser phát trực tiếp xạ tử ngoại như: Ce3+:LiSrAlF6 (280-320 nm); Ce3+:LiCaAlF6 (Ce:LiCAF, 280-320 nm); Ce3+:LuLiF4 (Ce:LLF, 300-340 nm) Ce3+:YLiF4 (Ce:YLF, 300-340 nm); Ce3+:LaF3 Ce3+:LuF3 (Ce:LaF Ce:LuF, 275-315 nm) Ưu điểm môi trường hoạt chất laser phổ phát xạ rộng, hiệu suất laser cao, mật độ công suất bơm bão hòa ngưỡng bơm phá hủy lớn Trong vật liệu tinh thể laser tử ngoại Ce-Fluoride mơi trường tinh thể Ce:LiCAF ứng dụng rộng rãi cả, có ưu điểm vượt trội so với môi trường Ce-Fluoride khác Môi trường tinh thể Ce:LiCAF có đỉnh phổ hấp thụ mạnh bước sóng 266 nm phù hợp với bơm quang học họa ba bậc bốn laser Nd:YAG, vùng điều chỉnh bước sóng rộng (280 - 320 nm), tiết diện phát xạ laser lớn (σe= 6x10-18 cm2), mật độ lượng bơm bão hòa cao (115 mJ/cm2), ngưỡng phá hủy lớn (5 J/cm2), hiệu suất lên đến 46% … Tất ưu điểm môi trường Ce:LiCAF thuận lợi cho việc phát triển laser tử ngoại rắn, phát xung ngắn, băng hẹp, điều chỉnh bước sóng cơng suất cao Từ phân tích trên, việc nghiên cứu phát triển nguồn laser rắn tử ngoại: công suất cao, xung ngắn, băng hẹp có khả điều chỉnh bước sóng Việt Nam mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học tính ứng dụng cao Xuất phát từ yêu cầu đó, tơi chọn đề tài “Nghiên cứu tính chất động học phát triển hệ laser rắn tử ngoại sử dụng vật liệu pha tạp ion Ce3+” làm hướng nghiên cứu Mục tiêu luận án bao gồm: - Nghiên cứu trình động học phát xạ cho laser rắn tử ngoại Ce:LiCAF băng rộng, có khả phát đơn xung ngắn nano giây Đánh giá ảnh hưởng lượng laser bơm, thông số BCH lên độ rộng xung laser lối - Nghiên cứu động học phát xạ băng hẹp điều chỉnh bước sóng laser tử ngoại sử dụng tinh thể Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow Đánh giá ảnh hưởng lượng laser bơm, thông số BCH lên độ rộng phổ phát xạ độ rộng xung laser lối - Phát triển hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF rắn bơm họa ba bậc laser Qswitching Nd:YAG bước sóng 266 nm phát băng rộng, đơn xung ngắn phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử dụng cấu hình cách tử Littrow - Nghiên cứu số cấu hình mở rộng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF tiền đề cho việc phát triển khuếch đại công suất cao điều kiện hoạt động đặc biệt Luận án thực nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm Các nghiên cứu lý thuyết động học phát xạ đơn xung ngắn sử dụng phương pháp độ buồng cộng hưởng; phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử dụng cấu hình cách tử Littrow cho mơi trường Ce:LiCAF thực hiện, kết tối ưu sử dụng việc thiết kế hệ thực nghiệm cho laser tử ngoại Ce:LiCAF Nghiên cứu thực nghiệm thực với BCH laser tử ngoại Ce:LiCAF xung đơn ngắn, băng hẹp điều chỉnh bước sóng Ngồi ra, việc phát triển cấu hình sử dụng tinh thể cắt dạng kim cương cấu hình phản xạ nội toàn phần để mở rộng khả phát xạ ứng dụng laser tử ngoại Ce:LiCAF thực Từ nghiên cứu này, luận án trình bày 03 chương: Chƣơng 1: Vật liệu laser tử ngoại Ce:LiCAF Chƣơng 2: Động học phát xạ laser tử ngoại sử dụng môi trường tinh thể Ce:LiCAF Chƣơng 3: Nghiên cứu phát triển hệ laser tử ngoại rắn sử dụng môi trường tinh thể Ce:LiCAF Luận án thực Khoa Vật lý, Học viện Khoa học Công nghệ Trung tâm Điện tử học Lượng tử - Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Hồng Minh GS TS Nguyễn Đại Hưng CHƢƠNG I VẬT LIỆU VÀ LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE Chương I trình bày số nguồn laser phát trực tiếp xạ tử ngoại sử dụng nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt đặc trưng quang học môi trường hoạt chất pha tạp ion đất pha tạp ion Ce3+ có khả phát xạ laser vùng bước sóng tử ngoại nhờ dịch chuyển 4f-5d Ngồi ra, chúng tơi trình bày số kỹ thuật phát xung ngắn phát xạ băng hẹp, điều chỉnh bước sóng cho laser tử ngoại sử dụng môi trường Ce:LiCAF Môi trường tinh thể Ce:LiCAF Môi trường laser Ce:LiCAF công bố lần vào năm 1993 nhóm nghiên cứu M A Dubinskii Đến nay, môi trường chứng minh hiệu cho phát triển hệ laser tử ngoại rắn Cho đến nay, tinh thể Ce:LiCAF nuôi kỹ thuật Bridgeman-Stockbarger, Czochraski, micro pulling down, đạt kết bật việc phát xạ tử ngoại với khả điều chỉnh bước sóng dải rộng lên đến 40 nm tùy thuộc nồng độ, hiệu suất lượng tử Ce:LiCAF 90%, hiệu suất laser lên đến 46% Ưu điểm lớn môi trường tinh thể Ce:LiCAF có dải hấp thụ từ 250 nm đến 282 nm, với cực đại bước sóng 266 nm (phân cực π) 272 nm (phân cực σ), thế, mơi trường tinh thể bơm họa ba bậc bốn laser Nd3+ bước sóng 266 nm, Hình 1.10 Hơn nữa, phổ phát xạ môi trường tinh thể Ce:LiCAF dải rộng, từ 280 nm đến 320 nm, vậy, mơi Hình 1.10 Phổ hấp thụ phát xạ môi trường tinh thể thích hợp cho việc phát trường Ce:LiCAF, ứng với phân cực khác nguồn bơm triển nguồn laser điều chỉnh bước sóng phát xung ngắn Ngồi ra, tiết diện phát xạ lớn mơi trường Ce:LiCAF ưu điểm để giảm ngưỡng phát laser Bên cạnh đó, tinh thể Ce:LiCAF có mật độ lượng bão hòa lớn (115 mJ/cm2) ngưỡng phá hủy cao (5 J/cm2) nên thích hợp để phát triển nguồn laser UV công suất cao Tinh thể Ce:LiCAF lại có thời gian sống huỳnh quang đủ dài (25÷30 ns), tùy thuộc vào nồng độ pha tạp ion Ce3+ chất nền) phù hợp cho khuếch đại nhiều lần truyền qua Với ưu điểm bật môi trường tinh thể Ce:LiCAF, lựa chọn môi trường làm môi trường hoạt chất phát triển nguồn laser tử ngoại nghiên cứu luận án Với mục tiêu phát triển nguồn laser tử ngoại phát xung ngắn, băng rộng, băng hẹp điều chỉnh bước sóng cho ứng dụng nghiên cứu mơi trường, luận án trình bày số kết nghiên cứu công bố công nghệ laser tử ngoại, bao gồm: phát xung ngắn, băng hẹp, điều chỉnh bước sóng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF Kết luận chƣơng I Trong chương I, giới thiệu, phân tích cách tổng quan phát triển laser tử ngoại, đặc biệt laser UV sử dụng tinh thể Ce:Fluoride môi trường hoạt chất, cho thấy: i) Việc phát triển laser UV rắn cho ứng dụng khoa học công nghệ cấp thiết, đặc biệt nguồn laser tử ngoại rắn sử dụng môi trường hoạt chất pha tạp ion đất ii) Các ưu điểm môi trường Ce:LiCAF thuận lợi cho việc phát triển laser tử ngoại rắn, phát xung ngắn, băng hẹp, điều chỉnh bước sóng cơng suất cao Việt Nam iii) Các vấn đề khoa học công nghệ cần nghiên cứu trước dừng lại việc phát triển hệ thực nghiệm, mà chưa có nghiên cứu mô để mô tả chế phát xạ laser UV Ce:LiCAF Do đó, Chương luận án lựa chọn phương pháp độ BCH để phát xung ngắn nano giây cấu hình sử dụng cách tử Littrow có khả phát xạ laser băng hẹp, điều chỉnh bước sóng để định hướng cho nghiên cứu, phát triển laser tử ngoại sử dụng môi trường Ce:LiCAF Các nghiên cứu động học phát xạ cho laser UV Ce:LiCAF dựa hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho cấu hình khác CHƢƠNG II NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC CHO LASER TỬ NGOẠI SỬ DỤNG TINH THỂ Ce:LiCAF Chương II, chúng tơi trình bày kết nghiên cứu động học phát xạ cho laser tử ngoại Ce:LiCAF với cấu hình laser: i) Cấu hình Fabry-Perot băng rộng phát xung ngắn; ii) Cấu hình phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng vf xung ngắn sử dụng cách tử Littrow Trong hai cấu hình, chúng tơi hướng tới việc phát đơn xung ngắn phương pháp độ buồng cộng hưởng Sự ảnh hưởng thông số lượng bơm, chiều dài BCH, hệ số phản xạ gương lên động học phát xạ laser chế độ phát đơn xung laser lối đánh giá 2.1 Mơ hình lý thuyết cho động học phát xạ laser đa bƣớc sóng Hệ phương trình tốc độ đa bước sóng mơ tả động học phát xạ laser Động học phát xạ laser tử ngoại thực dựa hệ phương trình tốc độ đa bước sóng với thơng số tính toán lấy từ thực nghiệm, xây dựng cho hai mức laser rộng với mơ hình tính tốn động học phát xạ laser cho BCH Fabry-Perot gồm môi trường khuếch đại chiều dài l, hai gương phẳng có hệ số phản xạ R1, R2, chiều dài buồng cộng hưởng L Mơ hình tính tốn giả thiết mức laser mức laser mở rộng đồng nhất, bỏ qua hiệu ứng hấp thụ bước sóng bơm bước sóng laser trạng thái kích thích khơng tồn tâm màu Tinh thể bơm quang học với cấu hình bơm dọc xung bơm dạng Gauss với phân bố bên tinh thể đồng Để biểu diễn cho phát xạ băng rộng với n bước sóng khác nhau, hệ phương trình tốc độ viết dạng: ( ) ( ) [∑ ( )] ( ) [∑ ( ) I i  t  I t     ei N1  t    N  t   l    i  Ai N1  t  t t N=N0+N1 ] ( ) (2.4) (2.5) (2.6) Phương trình (2.4) biểu diễn biến thiên độ tích lũy mức laser trên; phương trình (2.5) biểu diễn biến thiên cường độ laser BCH Đại lượng β - hệ số mát gương, với việc thay đổi giá trị β theo đặc trưng BCH, hệ phương trình tốc độ mơ tả chế độ phát laser, băng rộng băng hẹp Tùy thuộc vào thơng số BCH lượng laser bơm đánh giá đặc trưng phát xạ laser như: ngưỡng phát, cường độ laser, độ rộng phổ, độ rộng xung, Sự mát trongg BCH đặc trưng mát gương mát chiều dài BCH, đặc trưng thời gian đi-về BCH 2.2 Động học phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF băng rộng phát xung ngắn phƣơng pháp độ buồng cộng hƣởng Động học phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng rộng Đối với cấu hình sử dụng BCH hai gương phẳng, hệ số mát gương chu trình đi-về BCH, xác định sau: β= - ln(R1R2); R1, R2 hệ số phản xạ gương BCH; Động học phát xạ băng rộng laser tử ngoại Ce:LiCAF với cấu hình BCH: L=20 mm, R1=100%, R2=30%, lượng bơm thay đổi Hình 2.2 a Động học phát xạ băng rộng với lượng laser bơm ≤2 lần ngưỡng b Động học phát xạ băng rộng với lượng laser bơm từ lần đến lần ngưỡng c Động học phát xạ băng rộng với lượng laser bơm cao lần so với ngưỡng Hình 2.2 Động học phát xạ băng rộng laser tử ngoại Ce:LiCAF với lượng laser bơm thay đổi từ ngưỡng phát đến cao ngưỡng Các kết nghiên cứu cho thấy, ngưỡng phát laser lượng laser bơm Eb=2,8 mJ Khi lượng bơm gần ngưỡng (khoảng lần với ngưỡng phát laser), laser phát đơn xung (Hình 2.2a) Tiếp tục tăng lượng laser bơm, laser tử ngoại Ce:LiCAF phát đa xung, tăng lượng số lượng xung laser nhiều (Hình 2.2b) Khi lượng laser bơm cao so với ngưỡng phát (trên lần so với ngưỡng phát laser) sườn sau xung laser lối bão hòa gần lặp lại xung bơm (Hình 2.2c) Các kết giải thích dựa sở tích độ tích lũy mức kích thích Khi lượng bơm thấp (bơm gần ngưỡng) trình để đạt nghịch đảo độ tích lũy hai mức laser laser xảy lâu hơn, tái tích lũy khó đạt đến ngưỡng phát sau trình laser xảy ra; điều làm cho thời điểm phát xung laser muộn xuất dao động Khi lượng bơm cao so với ngưỡng phát mật độ ion mức kích thích tái tích lũy đến mật độ ngưỡng sau phát laser, số lần dao động cường độ laser tăng lên Riêng trường hợp lượng bơm cao ngưỡng, q trình tích lũy q trình laser đạt đến trạng thái dừng, Hình 2.9 biểu diễn phổ phát xạ băng hẹp laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình cách tử Littrow, đỉnh phổ phát xạ bước sóng 288,5 nm, độ rộng phổ 30 pm Khi so sánh với khả làm hẹp phổ cách tử Littrow biểu thức (1.8) (1.9) cho thấy, cách tử làm hẹp phổ gấp lần sử dụng làm yếu tố lọc lựa điều chỉnh bước sóng Điều có nghĩa rằng, photon cần hồn thành chu trình đi-về BCH trước phát laser băng hẹp Kết độ rộng phổ phát xạ băng hẹp thu cho thấy, cấu hình sử dụng cách tử Littrow hoạt động hiệu việc lọc lựa bước sóng làm hẹp phổ cho laser tử ngoại Ce:LiCAF so sánh với phổ phát xạ BCH Fabry-Perot (Hình 2.8a) phát xạ vùng bước sóng 286 nm đến 289 nm, hai cấu hình mơ điều kiện Hình 2.9 Phổ phát xạ băng hẹp laser tử ngoại Ce:LiCAF, cấu hình sử dụng cách tử Littrow với đỉnh phổ bước sóng 288,5 nm bơm lượng laser bơm 9,5 mJ; góc quay cách tử βi=20,3o Laser tử ngoại Ce:LiCAF điều chỉnh bước sóng Việc điều chỉnh bước sóng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow thực việc thay đổi góc quay cách tử βi, góc quay tương ứng với bước sóng điều chỉnh Góc quay cách tử βi thay đổi từ 18,9o đến 23,3o (tương ứng với vùng bước sóng từ 270 nm đến 330 nm), điều chỉnh bước sóng laser phát xạ ghi nhận Kết cho điều chỉnh bước sóng laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow Hình 2.10 Vùng bước sóng điều chỉnh ghi nhận từ 278 nm đến 302 nm, để phát bước sóng hai bên sườn phổ phát xạ môi trường hoạt chất Ce:LiCAF cần phải tăng lượng laser bơm lên Tuy nhiên, tăng lượng laser bơm cần ý đến ngưỡng phá hủy tinh thể, đối Hình 2.10 Sự điều chỉnh bước sóng phát xạ laser tử với môi trường Ce:LiCAF, ngưỡng ngoại Ce:LiCAF quay cách tử Littrow Góc quay phá hủy 40 mJ cho bán kính vết cách tử 18,9o ÷ 23,3o, vùng bước sóng ghi nhận từ 278 laser bơm bề mặt tinh thể nm đến 302 nm với BCH L=20 mm, gương R2=14%, ωo=0,5 mm lượng laser bơm E =15 mJ b Có thể thấy rằng, phát xạ băng hẹp với vùng điều chỉnh bước sóng rộng laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow với cấu hình đơn giản, dễ dàng điều chỉnh hồn tồn thực với điều kiện phịng thí nghiệm Việt Nam Vùng điều chỉnh bước 10 sóng khơng phụ thuộc góc quay cách tử, lượng laser bơm mà phụ thuộc vào tiết diện phát xạ mơi trường Ce:LiCAF bước sóng điều chỉnh Động học phát xạ băng hẹp, đơn xung ngắn laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow Trong cấu hình sử dụng cách tử Littrow, cách tử với hệ số phản xạ thấp (Rg=30%) việc phát xung laser tử ngoại băng hẹp, xung đơn ngắn phương pháp độ BCH khảo sát Từ việc đánh giá ảnh hưởng thông số lượng laser bơm, chiều dài BCH hệ số phản xạ gương lên độ rộng phổ phát xạ độ rộng xung laser lối tối ưu thông số để phát đơn xung ngắn cho laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, có khả điều chỉnh bước sóng sử dụng cách tử Littrow Ảnh hưởng lượng laser bơm lên độ rộng xung độ rộng phổ băng hẹp Sự ảnh hưởng lượng laser bơm lên độ rộng phổ phát xạ độ rộng xung laser lối laser tử ngoại Ce:LiCAF khảo sát Kết rằng, laser tử ngoại Ce:LiCAF có khả phát băng hẹp cỡ vài chục pico mét, có khả điều chỉnh bước sóng đồng thời phát đơn xung ngắn nano giây, độ rộng xung laser lối nhận 300 ps lượng laser bơm Eb=9,5 mJ, tương ứng 1,9 lần ngưỡng Ảnh hưởng chiều dài BCH lên độ rộng xung độ rộng phổ băng hẹp Sự ảnh hưởng chiều dài BCH lên động học phát xạ cho laser tử ngoại băng hẹp, phát xung đơn ngắn khảo sát Kết rằng, tăng chiều dài BCH độ rộng xung laser tăng theo, thời điểm phát xung dịch phía cuối xung bơm giải thích trước Đồng thời, tăng chiều dài BCH độ rộng phổ băng hẹp tăng theo, điều do, tăng chiều dài BCH dẫn đến làm giảm số lần lại photon BCH, điều đồng nghĩa với việc thời gian tương tác photon với cách tử giảm nên độ rộng phổ phát xạ tăng Ảnh hưởng hệ số phản xạ gương lên độ rộng xung độ rộng phổ băng hẹp Ảnh hưởng hệ số phản xạ gương lên động học phát xạ laser tử ngoại băng hẹp, phát xung đơn ngắn bơm gần ngưỡng khảo sát Kết rằng, tăng hệ số phản xạ gương độ rộng xung laser giảm theo giống ảnh hưởng lượng laser bơm lên độ rộng xung laser lối Phát đơn xung ngắn độ BCH cho cấu hình sử dụng cách tử Littrow Đối với cấu cấu hình phát băng hẹp cho laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cách tử Litrrow, phương pháp độ BCH với hệ số phản xạ Rg=30%, hệ số phản xạ gương R2=14%, chiều dài BCH L=20 mm có khả phát xung đơn ngắn 299 ps với xung bơm ns Kết luận chƣơng II Nghiên cứu động học phát xạ cho laser tử ngoại Ce:LiCAF thực có hệ thống cho hai cấu hình, kết đạt bao gồm: Với BCH laser Fabry-Perot băng rộng sử dụng hai gương phẳng, động học phát xạ băng rộng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF nghiên cứu, kết tập trung vào việc phát xung đơn ngắn Sự ảnh hưởng thông số BCH lượng laser bơm lên 11 độ rộng xung laser lối đánh giá Sử dụng phương pháp độ BCH, laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung với độ rộng 267 ps bơm xung ns Với BCH laser băng hẹp, thay gương cuối BCH cách tử Littrow với hệ số nhiễu xạ hiệu dụng thay hệ số phản xạ, động học phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF nghiên cứu Độ rộng phổ băng hẹp thu 30 pm bước sóng đỉnh phổ 288,5 nm, vùng điều chỉnh bước sóng khảo sát, phát xạ vùng 278 nm đến 302 nm, có khả phát xung 300 ps phương pháp độ BCH Ảnh hưởng thông số lượng laser bơm, chiều dài BCH, hệ số phản xạ gương lên độ rộng phổ độ rộng xung laser lối ra Các kết nghiên cứu động học phát xạ cho laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng hệ phương trình tốc độ đa bước sóng tiền đề để xây dựng hệ thực nghiệm cho laser tử ngoại băng hẹp, điều chỉnh bước sóng đơn xung ngắn trình bày Chương III CHƢƠNG III NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ LASER TỬ NGOẠI RẮN SỬ DỤNG MÔI TRƢỜNG TINH THỂ Ce:LiCAF Chương III trình bày kết nghiên cứu việc phát triển số hệ thực nghiệm laser tử ngoại rắn Ce:LiCAF Bằng việc sử dụng cấu hình Fabry-Perot, hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng rộng, đơn xung ngắn phát triển thành công Sự ảnh hưởng thông số lượng laser bơm, chiều dài BCH, hệ số phản xạ gương lên độ rộng xung laser lối đánh giá Từ việc tối ưu thông số cho việc phát triển phương pháp độ BCH, hệ laser phát xung ngắn nano giây thực Với việc sử dụng cách tử Littrow làm gương cuối BCH cho phép phát triển hệ laser tử ngoại phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng, xung ngắn Nghiên cứu mở rộng cho việc phát triển laser tử ngoại sử dụng môi trường Ce:LiCAF cắt dạng kim cương cấu hình phản xạ nội tồn phần sử dụng hai lăng kính Pellin-Broca 3.1 Hệ thực nghiệm laser tử ngoại rắn Ce:LiCAF Thiết kế cho hệ thực nghiệm cho laser tử ngoại rắn Ce:LiCAF bơm họa ba bậc bốn laser Q-switched Nd:YAG bước sóng 266 nm trình bày Hình 3.3 Mơi trường hoạt chất: Tinh thể Ce:LiCAF đặt hai gương với hệ số phản xạ khác Buồng cộng hưởng Fabry-Perot bao gồm hai gương R1 (gương cuối) có hệ số phản xạ 96,7%; R2 (gương ra) có hệ số phản xạ thay đổi (30%, 25%, 14%) Nguồn bơm: Laser Q-switched Nd:YAG Hình 3.3 Hệ laser tử ngoại rắn Ce:LiCAF bơm phát họa ba bậc bốn, 10 Hz, ns, lượng xung cực đại 55 mJ bước sóng laser Nd:YAG Q-switching 266 nm Dựa mục tiêu phát triển laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung đơn ngắn bơm gần ngưỡng phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng, thiết kế riêng biệt cho BCH 12 áp dụng, như: i) Phát triển hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF băng rộng phát xung ngắn, cấu hình Fabry-Perot hai gương phẳng với hệ số phản xạ gương cuối R1=96,7%, hệ số phản xạ gương R2 thay đổi từ 14% đến 30%, thay đổi chiều dài BCH lượng bơm ii) Phát triển hệ laser tử ngoại phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng xung ngắn, gương cuối R1 thay cách tử Littrow G=2400 vạch/mm, hệ số phản xạ nhiễu xạ bậc Rg=30% vùng bước sóng laser 280-320 nm Sự điều chỉnh bước sóng phát xạ laser Ce:LiCAF nhận cách quay cách tử 3.2 Laser tử ngoại Ce:LiCAF băng rộng phát đơn xung ngắn Đặc trưng laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng rộng Các đặc trưng hiệu suất laser, phổ phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng rộng khảo sát.Để đánh giá hiệu suất laser, lượng laser bơm thay đổi từ mJ đến 18 mJ Sự phụ thuộc lượng laser lối vào lượng laser bơm hấp thụ tinh thể trình bày Hình 3.5a Năng lượng bơm hấp thụ xác định lượng chùm laser bơm sau thấu kính trừ phần lượng chùm bơm truyền qua phản xạ tinh thể Với cấu hình laser này, hiệu suất laser (hiệu suất dốc) thu lên đến 33% Ngưỡng phát laser lượng laser bơm hấp thụ 3,6 mJ Năng lượng laser lối cực đại thu lên đến 3,4 mJ lượng bơm hấp thụ 14 mJ Hình 3.5 a) Hiệu suất độ rộng xung laser lối laser băng rộng Ce:LiCAF Đặc trưng phổ phát xạ laser Ce:LiCAF băng rộng với thông số BCH: chiều dài 20 mm, R1=96,7 %, R2 =30%, lượng laser bơm hấp thụ 10 mJ, ghi nhận máy quang phổ Compact Spectrometer Thorlab (độ phân giải nm) Hình 3.5b Độ rộng phổ laser 2,2 nm (FWHM) nằm vùng từ 287-293 nm với đỉnh phát xạ bước sóng 288,5 nm, đặc trưng chuyển dời lưỡng cực 5d xuống 4f ion Ce3+ Nghiên cứu động học phát xạ băng rộng laser tử ngoại Ce:LiCAF Như tính tốn, động học phát xạ cho laser tử ngoại Ce:LiCAF gồm chế: phát đơn xung ngắn bơm gần ngưỡng; phát đa xung phát đơn xung bão hịa Do đó, chúng tơi khảo sát động học phát xạ laser băng rộng thay đổi lượng laser bơm Kết khảo sảo sát động học cho laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng rộng Hình 3.6 Với cấu hình BCH sử dụng hai gương phẳng có hệ số phản xạ R1=96,7 %, R2 =30%, chiều dài L=20 mm, lượng laser bơm thay đổi từ ngưỡng phát laser (3,6 mJ) đến lượng cao so với ngưỡng (32 mJ, ~ lần ngưỡng phát laser Kết nghiên cứu động 13 học phát xạ cho laser tử ngoại Ce:LiCAF rằng, khoảng lượng ≤8 mJ laser phát đơn xung, Hình 3.6a Khi tăng lượng laser bơm mJ đến 30 mJ (tương ứng 2÷8 lần ngưỡng phát laser), laser phát đa xung, Hình 3.6b,c Số lượng xung thứ cấp tăng tăng dần lượng laser bơm Còn tăng lượng lên cao so với ngưỡng phát laser (>30 mJ), thực việc thay đổi tiết diện vết laser bơm bề mặt tinh thể, xung laser lối bão hòa lặp lại xung bơm với độ rộng xung laser lối (6 ns) Hình 3.6d gần với độ rộng xung laser bơm a) b) c) d) Hình 3.6 Động học phát xạ cho laser UV Ce:LiCAF băng rộng theo lượng laser bơm Điều hồn tồn phù hợp với kết mơ chương II động học phát xạ băng rộng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF Các nghiên cứu thực điều kiện phát đơn xung ngắn bơm gần ngưỡng Như ra, độ rộng xung laser lối phụ thuộc vào thông số lượng laser bơm, chiều dài BCH hệ số phản xạ gương Do đó, để thu nhận đơn xung ngắn nhất, khảo sát ảnh hưởng thông số lên độ rộng xung lối Từ đó, tìm tham số tối ưu cho việc phát triển hệ laser tử ngoại rắn Ce:LiCAF phát băng rộng, xung cực ngắn phương pháp độ BCH Ảnh hưởng thông số lên độ rộng xung lối Ảnh hưởng lượng laser bơm Sự phụ thuộc độ rộng xung laser lối thay đổi lượng xung laser bơm thực với lượng laser bơm thay đổi từ mJ đến mJ, chiều dài BCH 25 mm, hệ số phản xạ gương 96,7% 30% kết Hình 3.7 Tại lượng bơm gần ngưỡng phát laser mJ độ rộng xung laser lối 1,56 ns, tăng lượng bơm độ rộng xung laser lối giảm dần Khi tăng lượng bơm lên đến mJ (2 lần ngưỡng phát laser), độ rộng xung laser nhỏ (635) ps 14 Khi tiếp tục tăng lượng bơm độ rộng xung tăng trình phát xung thứ cấp, đầu thu ghi nhận độ rộng xung laser bậc 1, giống laser Ce:LLF ghi nhận Hình Ảnh hưởng lượng laser bơm lên độ rộng xung laser tử ngoại Ce:LiCAF với BCH 25 mm, R1= 96,7%, R2 = 30% Như vậy, điều kiện phát đơn xung ngắn bơm gần ngưỡng, lượng laser lần ngưỡng, độ rộng xung laser lối ngắn Điều phù hợp với kết mô Chương II phương pháp độ BCH phát đơn xung ngắn Ảnh hưởng chiều dài buồng cộng hưởng Sau tìm lượng laser bơm tối ưu, tiếp tục đánh giá ảnh hưởng chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối Các thông số lượng laser bơm Eb=8 mJ, hệ số phản xạ gương R1= 96,7%, R2 = 30%; với chiều dài BCH thay đổi 20 mm, 30 mm, 40 mm Hình 3.8 Kết rằng, với chiều dài BCH 20 mm, 30 mm, 40 mm , độ rộng xung laser lối tương ứng: 553 ps, 663 ps 811 ps Độ rộng xung nhận ngắn 553 ps So sánh với kết tính tốn ảnh hưởng chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối ra, với chiều dài BCH L=20 mm laser phát xung thứ cấp, nhiên thực nghiệm, mát thực lớn lớn đó, laser chưa đạt điều Như khẳng định, điều kiện phát đơn xung ngắn bơm gần ngưỡng, với thông số lượng laser bơm, hệ số phản xạ gương không đổi, BCH ngắn độ rộng xung laser lối ngắn Với lượng laser bơm, chiều dài BCH tối ưu, việc khảo sát ảnh hưởng hệ số phản xạ gương buồng cộng hưởng lên độ rộng xung laser lối thực Với thông số như: lượng laser bơm Eb= mJ chiều dài BCH không đổi L=20 mm; gương R2 có hệ số phản xạ thay đổi 14%, 25% 30%, kết khảo sát Hình 3.9 15 Ảnh hưởng hệ số phản xạ gương Hình Ảnh hưởng chiều dài buồng Hình Ảnh hưởng hệ số phản xạ gương cộng hưởng lên độ rộng xung laser UV lên độ rộng xung laser UV Ce:LiCAF Ce:LiCAF Với hệ số phản xạ gương thay đổi 14%, 25% 30% xung laser thu có độ rộng tương ứng 511 ps, 573 ps 647 ps Kết rằng, laser với BCH sử dụng cặp gương có hệ số phản xạ R1=96.7% R2=14% phát xung ngắn (511 ps) Điều gây mát buồng cộng hưởng, dẫn đến thời gian lại photon chu trình thay đổi theo biểu thức (1.2) Có thể rút rằng, điều kiện phát đơn xung ngắn, lượng laser bơm chiều dài BCH không đổi, BCH có hệ số phản xạ gương nhỏ có khả nhận độ rộng xung laser lối nhỏ Như vậy, thông số lượng laser bơm, chiều dài BCH hệ số phản xạ gương có ảnh hưởng trực quan tới độ rộng xung laser lối Việc xây dựng hệ laser với thơng số tối ưu có khả phát xung ngắn Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát đơn xung ngắn phương pháp độ BCH Từ khảo sát ảnh hưởng thông số BCH (chiều dài, hệ số phản xạ gương), lượng laser bơm lên độ rộng xung laser lối ra, chúng tơi xây dựng cấu hình BCH 16 với thông số tối ưu để phát xung laser tử ngoại ngắn phương pháp độ BCH với thông số như: chiều dài L=20 mm cặp gương R1=30% R2=14% Kết độ rộng xung laser lối biểu diễn Hình 3.10 Với BCH này, thời gian photon sống thời gian đi-về chu trình BCH laser Ce:LiCAF tính tốn, tương ứng 48 ps 150 ps Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát đơn xung, ngắn 447 ps Hình 3.10 Có thể thấy rằng, hệ số nén xung (tỷ số độ dài xung bơm so với xung laser) khoảng 15 lần Trong trường hợp này, lượng xung Hình 3.10 Xung laser 447 ps ghi nhận laser đầu thu 1,2 mJ với phương pháp độ BCH cho laser lượng xung laser bơm mJ, tương ứng với Ce:LiCAF phát băng rộng với BCH 20 mm, lượng bơm lần ngưỡng phát R1=25%, R2=14%, lượng bơm Eb=8 mJ laser Rõ ràng xung laser tử ngoại Ce:LiCAF ngắn đạt sau lần lại BCH Do đó, hồn tồn phát xung laser ngắn tiếp tục tối ưu điều kiện phát laser 3.3 Laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bƣớc sóng, đơn xung ngắn sử dụng cấu hình cách tử Littrow Các kết nghiên cứu động học phát xạ băng hẹp, điều chỉnh bước sóng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow cho thấy khả phát triển hệ thực nghiệm cho laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng phát xung đơn ngắn Trong phần này, chúng tơi trình bày kết phát triển thực nghiệm cho hệ laser Laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình cách tử Littrow Từ BCH phát băng rộng sử dụng hai gương phẳng laser tử ngoại Ce:LiCAF phát đơn xung ngắn, gương cuối thay cách tử Littrow, phát triển hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, phát xung ngắn Ở đây, cách tử đóng vai trị vừa gương cuối, vừa yếu tố lọc lựa điều chỉnh bước sóng Sơ đồ thực nghiệm hệ laser băng Hình 3.11 Laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp điều hẹp, điều chỉnh bước sóng chỉnh bước sóng sử dụng cấu hình cách tử Littrow bơm họa ba bậc bốn laser Nd:YAG Hình 3.11 Buồng cộng hưởng với chiều dài 20 mm, gương có hệ số phản xạ 14%, cách tử 2400 vạch/mm Hệ số phản xạ cách tử bước sóng laser nhiễu xạ bậc 30% 17 Laser Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bước sóng, đơn xung ngắn Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng hẹp sử dụng cách tử Littrow Kết ghi nhận phổ phát xạ băng hẹp của laser tử ngoại Ce:LiCAF bước sóng 290 nm với lượng laser bơm Eb=14 mJ, Hình 3.12 Chùm laser tử ngoại băng hẹp ghi nhận máy quang phổ SP2500i hãng Spectroscopy Instrument Kết rằng, độ rộng phổ băng hẹp ghi nhận có thay đổi theo bước sóng điều chỉnh, độ rộng phổ laser hẹp thu bước sóng 283 nm 0,23 nm Độ rộng phổ ghi nhận bước sóng 290 nm 0,27 nm với góc quay cách tử β=20,3o Điều giải thích rằng, bước sóng khác nhau, tiết diện hấp thụ bước sóng laser bơm tiết diện phát xạ khác nhau, dẫn đến độ khuếch đại bước sóng khác nhau, tương ứng với độ rộng phổ phát xạ khác Hình 3.12 Độ rộng phổ phát xạ Hiệu suất laser băng hẹp đạt xấp xỉ 9%, băng hẹp bước sóng 290 nm lượng laser bơm Eb=14 mJ, lượng laser tử laser tử ngoại Ce:LiCAF cấu hình sử dụng cách tử Littrow ngoại đầu 1,25 mJ Với lượng xung bơm 14 mJ (~2 lần ngưỡng phát laser), chế độ phát laser ổn định, phù hợp cho việc điều chỉnh bước sóng laser tử ngoại Ce:LiCAF Vùng điều chỉnh bước sóng cho laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow Hình 3.13 biểu diễn vùng điều chỉnh bước sóng từ 281,5 nm ÷ 299 nm độ rộng xung laser tương ứng bước sóng điều chỉnh với góc quay cách tử khác nhau, lượng laser bơm không đổi Hiệu suất laser nhận khoảng 8-10% tùy thuộc vào bước sóng phát xạ với độ rộng băng hẹp cỡ 0,2 nm (FWHM) bước sóng khác Hiệu suất, độ rộng phổ phát xạ vùng điều chỉnh bước sóng laser cải thiện việc sử dụng cách tử tối ưu vùng tử ngoại Laser UV phát băng hẹp, có khả điều chỉnh bước sóng với độ rộng băng hẹp 0,2 nm phù hợp để làm nguồn kích thích quang học cho nhiều ứng dụng quang phổ mơi trường Hình 3.13 Vùng điều chỉnh laser tử ngoại Hình 3.14 Độ rộng xung ngắn thu Ce:LiCAF sử dụng cấu hình cách tử Littrow bước sóng 281,5 nm vùng điều chỉnh lượng laser bơm Eb=14 mJ với lượng laser bơm 14 mJ Vùng điều chỉnh bước sóng khơng thay đổi q nhiều (280-300 nm) so với tính tốn lượng laser bơm xấp xỉ tính tốn thực nghiệm Đồng thời, lượng laser bơm gấp ~3 lần so với ngưỡng phát laser, lượng laser bơm đảm bảo việc 18 phát laser bước sóng có tiết diện phát xạ thấp Trong đó, giới hạn thiết bị đo dẫn đến độ rộng phổ băng hẹp ghi nhận thực nghiệm lớn nhiều so với kết tính tốn Laser Ce:LiCAF phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng, đơn xung ngắn Sự thay đổi độ rộng xung laser lối theo bước sóng điều chỉnh khảo sát, lượng laser bơm 14 mJ, độ rộng xung laser ngắn thu bước sóng 281,5 nm 453 ps phương pháp độ BCH với hệ số phản xạ cách tử 30% gương 14%, chiều dài BCH L=20 mm, biểu diễn Hình 3.14 Laser tử ngoại Ce:LiCAF có lợi điều chỉnh bước sóng vùng 280-320 nm Điều phù hợp với u cầu cho nghiên cứu mơi trường tầng khí quyển, với ozone hấp thụ dải 288-299 nm sulphur dioxide (SO2) hấp thụ vùng 299-305 nm Đối với ứng dụng laser nghiên cứu khí để tính mật độ ozone, độ rộng vạch phổ cần thiết nm Hơn nữa, để nghiên cứu mật độ tiết diện hấp thụ SO2 với hệ số hấp thụ thấp, cần độ rộng vạch phổ 0,5 nm nhỏ [16, 17] Kết đạt hệ thực nghiệm laser tử ngoại với cấu hình sử dụng cách tử Littrow chứng minh việc sử dụng cách tử BCH đóng vai trị vừa gương cuối vừa yếu tố lọc lựa điều chỉnh bước sóng laser tử ngoại Ce:LiCAF có khả phát đồng thời băng hẹp (0,2 nm) xung ngắn (453 ps) Với cấu hình đơn giản, dễ dàng điều chỉnh hiệu suất laser đáng kể phát tín hiệu đáng quan tâm cho hệ khuếch đại công suất (MOPA) [113] để đạt lượng laser cao Các kết chúng tơi hồn tồn phù hợp cho việc ứng dụng nghiên cứu quang phổ, làm nguồn kích thích quang học nghiên cứu khí kỹ thuật Lidar 3.4 Laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng tinh thể cắt dạng kim cƣơng Môi trường tinh thể Ce:LiCAF môi trường tiềm việc phát triển nguồn laser tử ngoại xung cực ngắn, công suất cao Vì vậy, mơi trường tinh thể Ce:LiCAF khơng sử dụng làm mơi trường phát laser mà cịn sử dụng làm mơi trường khuếch đại khuếch đại cho laser tử ngoại Tuy nhiên, khuếch đại laser xung cực ngắn, xung laser cần khuếch đại thường có cơng suất đỉnh xung lớn dễ dàng gây phá hủy tinh thể khuếch đại gây hiệu ứng phi tuyến Do vậy, để nâng cao hiệu suất khuếch đại tránh hiệu ứng phi tuyến phá hủy tinh thể xảy thông thường người ta thường giãn xung laser (về mặt thời gian) trước đưa vào khuếch đại nén lại sau xung laser khuếch đại (CPA) [110] Tuy nhiên phương pháp đòi hỏi thiết bị đắt tiền, giải pháp đơn giản giãn chùm laser tín hiệu (về mặt khơng gian) trước đưa vào khuếch đại Điều địi hỏi thể tích bơm kích thước tinh thể phải lớn nguồn laser bơm phải có công suất lớn Việc sử dụng môi trường tinh thể laser có kích thước lớn gặp phải khó khăn phân bố đồng chùm laser bơm môi trường tinh thể Tinh thể Ce:LiCAF cắt dạng kim cương Để giải khó khăn nêu trên, đề xuất thiết kế cho tinh thể cắt dạng kim cương với mặt cắt ngang tinh thể Ce:LiCAF biểu diễn Hình 3.15 19 Với thiết kế này, góc mặt AB BC, BC CD, CD DA, DA AB φ2, φ3, φ4 φ1 Ngoài ra, tinh thể đối xứng qua trục nằm ngang AC, điều có nghĩa φ2=φ4 Giả sử, chùm laser bơm bơm tới mặt AB, sau vào tinh thể bị phản xạ nội toàn phần mặt BC tới CD Tại mặt CD, chùm laser bơm bị phản xạ toàn phần tới mặt DA Tương tự vậy, chùm laser bơm tới mặt DA phản xạ toàn phần mặt DC CB Hình 3.15 Mặt cắt ngang tinh thể cắt Hình 3.16 Tinh thể Ce:LiCAF cắt dạng kim dạng kim cương cương sử dụng hệ thực nghiệm Điều kiện để nhận phản xạ nội toàn phần chùm laser bơm bước sóng 266 nm bên tinh thể bề mặt phía BC CD, góc tới phải lớn góc tới hạn (n1=1,41, n2=1: igh=46o) Hạn chế phản xạ vào chùm bơm góc tới chùm laser bơm bề mặt tinh thể giả thiết góc Brewter (55o) Góc tới bề mặt AB góc Brewter, theo nguyên lý Snell, góc khúc xạ tương ứng θ1i =35o Sau chùm laser bơm vào tinh thể, bị hấp thụ phần đến mặt BC Để đảm bảo phản xạ toàn phần mặt thứ hai BC góc φ2 > θ1i + θ1i φ2 >81o Tương tự, điều kiện cho phản xạ nội toàn phần mặt thứ ba CD, góc φ3 cần lớn φ3 > 92o Ta thấy rằng, chùm laser bơm bị phản xạ nội toàn phần bên tinh thể Một tinh thể Ce:LiCAF cắt dạng kim cương với thông số φ1 = 80o, φ2 = φ4 = 86o, φ3 = 108o, chiều cao h=16 mm, chiều dài l=29 mm phát triển sử dụng cho hệ thực nghiệm, Hình 3.16 Sự phân bố huỳnh quang tinh thể cắt dạng kim cương Với tinh thể Ce:LiCAF cắt dạng kim cương phát triển, đánh giá phân bố huỳnh quang bên tinh thể kích thích chùm laser bơm bước sóng 266 nm Ảnh huỳnh quang cho cấu hình bơm mặt hai mặt ghi nhận CCD camera Hình 3.17 Hình 3.17b cho thấy chùm laser Hình 3.17 a) Cấu hình bơm mặt hai mặt, b) bơm tới bề mặt AB, sau chùm bề mặt AB, c) bơm hai mặt huỳnh quang laser bơm vào tinh thể, mặt AB DA, d) bơm mặt DA lượng laser bơm sau hấp thụ lại bị phản xạ hoàn toàn mặt BC tới mặt CD Tương tự vậy, chùm laser bơm tới mặt DA (Hình 3.17c) Hình 3.17d ảnh huỳnh quang tinh thể với hai 20 chùm laser tới mặt AB DA cho phân bố huỳnh quang tốt so với trường hợp bơm mặt.Các chùm laser bơm bị phản xạ nội toàn phần tinh thể, nhờ đó, phân bố, lượng hấp thụ chùm laser bơm tinh thể tối ưu Điều có ý nghĩa quan trọng việc khuếch đại xung laser cực ngắn, công suất cao khơng vùng tử ngoại mà cịn cho laser khác Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng tinh thể cắt dạng kim cương Từ kết đánh giá phân bố huỳnh quang với cấu hình bơm hai mặt, phát triển hệ thực nghiệm laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng tinh thể cắt dạng kim cương, sơ đồ hệ thực nghiệm Hình 3.18 Hình 3.18 Hệ thực nghiệm laser tử ngoại sử Hình 3.19 Hiệu suất laser Ce:LiCAF cấu hình dụng tinh thể Ce:LiCAF cắt dạng kim cương sử dụng tinh thể cắt dạng kim cương Với BCH chiều dài 70 mm, sử dụng gương phẳng phản xạ cao (>99%) gương phẳng có hệ số phản xạ 40% bước sóng 290 nm Tinh thể Ce:LiCAF bơm hai mặt bên (AB DA) họa ba bậc bốn laser bơm Nd:YAG (bước sóng 266 nm, tần số lặp lại 10 Hz, độ rộng xung ns, phân cực π) đồng Tổng lượng laser bơm lên hai mặt AB DA 137 mJ, hội tụ hai thấu kính (f=1000 mm) vào bề mặt AB DA Khoảng cách thấu kính đến tinh thể 300 mm để đảm bảo vết laser bơm phân bố toàn bề mặt AB DA mà không gây phá hủy tinh thể Hình 3.19 cho thấy phụ thuộc hiệu suất laser vào lượng laser bơm cấu hình bơm hai mặt Hiệu suất dốc đạt 9%, với lượng laser cực đại 3,3 mJ, hiệu suất chuyển đổi đạt 2,5% Vùng lượng laser bơm đạt ~1,4 lần ngưỡng Việc phát thành công laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng tinh thể cắt dạng kim cương cho thấy khả sử dụng tinh thể làm môi trường khuếch đại mà mát quang học chùm bơm thấp Điều có ý nghĩa quan trọng cho hệ khuếch đại, đặc biệt khuếch đại xung cực ngắn với công suất đỉnh xung lên đến 1012 W 3.5 Laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình phản xạ nội tồn phần Ngồi u cầu nguồn bơm cơng suất tinh thể Ce:LiCAF lớn tối ưu hình dạng, đạt phân bố đồng chùm laser bơm lan truyền bên tinh thể đồng phân bố huỳnh quang, việc nghiên cứu cấu hình mở rộng cho laser tử ngoại hướng tới điều kiện hoạt động đặc biệt quan tâm Do phần này, chúng tơi trình bày kết nghiên cứu cho hệ laser tử ngoại sử dụng cấu hình vịng sử dụng cặp lăng kín Pellin-Broca (cấu hình phản xạ nội toàn phần -TIR) 21 Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình phản xạ nội tồn phần Cấu hình BCH laser phản xạ nội tồn phần sử dụng hai lăng kính Pellin-Broca vật liệu Calcium Fluoride (CaF2) đóng vai trị hai gương BCH Sơ đồ thiết kế hệ thực nghiệm laser tử ngoại Ce:LiCAF phản xạ nội tồn phần sử dụng hai lăng kính PellinBroca biểu diễn Hình 3.21 Nguồn bơm Laser Q-switching Nd:YAG phát họa ba bậc bốn (4ω, 266 nm, 7,6 ns, 10 Hz; phân cực π), thấu kính trụ tiêu cự f=70 cm, vết bơm bề mặt tinh thể mm Môi trường hoạt chất Ce:LiCAF Tinh thể Ce:LiCAF kích thước 5x5x10 mm, đánh bóng bề mặt, nồng độ pha tạp ion Ce3+ 1% Buồng cộng hưởng sử dụng hai lăng Hình 3.21 Cấu hình hệ thực nghiệm kính Pellin-Broca (vật liệu CaF ), chiết suất Ce:LiCAF sử dụng cấu hình TIR 1,41 Buồng cộng hưởng nhận sử dụng cấu hình phản xạ nội tồn phần hai lăng kính PB, hai lăng kính được nghiêng góc Brewter so với chùm laser tín hiệu, mát phản xạ nhỏ bước sóng laser Một lăng kính PB (lăng kính bên phải, Hình 3.21) quay hỗ trợ vi chỉnh vài độ phép phần phát xạ laser thoát khỏi BCH Đặc trưng phát xạ laser Ce:LiCAF sử dụng cấu hình phản xạ nội tồn phần Các đặc trưng hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF phản xạ nội toàn phần như: hiệu suất, độ rộng phổ độ rộng xung phát xạ laser đánh giá Hình 3.22 phụ thuộc hiệu suất laser lượng laser bơm laser tử ngoại Ce:LiCAF bơm họa ba bậc bốn laser Nd:YAG Hiệu suất dốc khoảng 3,8% hiệu suất chuyển đổi cực đại 2,1% Hiệu suất nhận cấu hình TIR thấp so sánh với cấu hình trước cơng bố [81] Hiệu suất Hình 3.22 Sự phụ thuộc lượng thấp gây mất xảy bề mặt lăng laser tử ngoại Ce:LiCAF vào lượng kính, tinh thể Chiết suất tinh thể 1,41, kích thích laser Nd:YAG Hiệu suất hệ số mát phản xạ bề mặt tinh thể 3,8%, hiệu suất chuyển đổi cực đại 2,1% xấp xỉ 2,7% Hình 3.23 trình bày đặc trưng phổ phát xạ băng rộng độ rộng xung laser Ce:LiCAF với đỉnh phổ bước sóng 289 nm, độ rộng phổ 3,5 nm; độ rộng xung laser lối 4.4 ns Việc phát thành công laser tử ngoại với cấu hình phản xạ nội tồn phần sử dụng hai 22 lăng kính PB cho thấy việc thay gương BCH linh kiện quang học có sẵn khác hiệu Điều có ý nghĩa việc phát triển laser vùng tử ngoại mà linh kiện quang học đắt tiền, dễ bị phá hủy mặt quang học điều kiện mơi trường, ví dụ độ ẩm, nấm mốc phịng thí nghiệm Việt Nam Hình 3.23 Phổ băng rộng độ rộng xung laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình TIR Thiết kế khơng có ý nghĩa laser vùng tử ngoại mà cịn sử dụng cho laser phát xạ vùng bước sóng tử ngoại chân khơng Vật liệu làm lăng kính CaF2 có hệ số truyền qua cao vùng VUV, mát hấp thụ bên với CaF2 dày 10 mm bước sóng 157 nm nhỏ 0,5% Do đó, BCH sử dụng lăng kính PB CaF2 dễ sử dụng, thích hợp làm BCH cho laser từ vùng tử ngoại gần đến tử ngoại chân khơng Kết nghiên cứu định hướng việc phát triển laser VUV với BCH sử dụng môi trường hoạt chất fluoride khác như: Nd:LiCAF, Nd:LaF, Nd:LBF Nd:LLF Việc phát thành cơng laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình phản xạ nội tồn phần với hai lăng kính PB cho thấy với điều kiện thực nghiệm đặc biệt, cần có cấu hình, thiết kế phù hợp Kết luận chƣơng III Các kết phát triển hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF cho thấy:  Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF băng rộng phát triển thành công Hiệu suất laser lên đến 33%, với lượng laser lớn thu 3,4 mJ lượng bơm hấp thụ 14 mJ Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát đơn xung ngắn 450 ps dựa phương pháp độ BCH, tương ứng nén xung 15 lần so với xung bơm ghi nhận  Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử dụng cách tử Littrow phát triển Vùng điều chỉnh bước sóng thu vùng 281 nm – 299 nm, với phổ phát xạ laser thu 0,2 nm, độ rộng xung 453 ps bước sóng 281,5 nm phương pháp độ BCH  Các nghiên cứu mở rộng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF thực như: sử dụng tinh thể cắt dạng kim cượng; cấu hình phản xạ nội tồn phần với hai lăng kính Pellin Broca Các nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng việc khuếch đại xung laser cực ngắn, công suất cao vùng tử ngoại điều kiện hoạt động đặc biêtj 23 KẾT LUẬN CHUNG Trong trình nghiên cứu phát triển hệ laser tử ngoại rắn Ce:Fluoride, luận án đạt số kết sau đây: Tổng hợp phân tích đặc trưng môi trường Fluoride pha tạp ion Cerium sử dụng làm môi trường hoạt chất cho laser phát trực tiếp xạ tử ngoại Các kết môi trường tinh Ce:LiCAF môi trường hoạt chất với ưu điểm bật thích hợp cho việc phát triển nguồn laser UV xung ngắn, phát băng hẹp điều chỉnh bước sóng, laser cơng suất cao Nghiên cứu tường minh hệ thống động học phát xạ đơn xung ngắn bơm gần ngưỡng môi trường Ce:LiCAF sở sử dụng hệ phương trình tốc độ mở rộng đa bước sóng Sự ảnh hưởng lượng bơm, thông số BCH (hệ số phản xạ gương, chiều dài BCH) lên độ rộng xung laser lối phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF nghiên cứu Các tính tốn định hướng cho việc tối ưu thông số để phát triển phương pháp độ BCH phát xung ngắn cho laser tử ngoại đạt 267 ps sử dụng xung bơm ns Phát triển thành công hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF với hiệu suất laser lên đến 33%, lượng phát laser cực đại 3,4 mJ lượng bơm hấp thụ 14 mJ Với việc tối ưu thông số BCH lượng laser bơm, laser hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF phát đơn xung ngắn dựa phương pháp độ BCH phát xung laser có độ rộng 450 ps lượng laser bơm mJ Nghiên cứu động học phát xạ băng hẹp, điều chỉnh bước sóng hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF với cấu hình sử dụng cách tử Littrow Ảnh hưởng thông số BCH lượng laser bơm lên độ rộng phổ băng hẹp độ rộng xung laser lối đánh giá Với cách tử 2400 vạch/mm, hệ số phản xạ 30%, hệ số phản xạ gương 14%, chiều dài BCH 20 mm, laser tử ngoại có khả phát băng hẹp với độ rộng phổ 20 pm, phát đơn xung ngắn 299 ps, vùng điều chỉnh bước sóng laser tử ngoại Ce:LiCAF đạt từ 278 nm đến 302 nm Phát triển thành công hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử dụng cách tử Littrow vùng 281 nm – 299 nm, với độ rộng phổ laser thu 0,2 nm Tối ưu lượng laser bơm thông số, laser băng hẹp, điều chỉnh bước sóng phát đơn xung ngắn bơm gần ngưỡng với độ rộng xung thu ngắn 453 ps bước sóng 281,5 nm Các nghiên cứu mở rộng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF với việc sử dụng tinh thể cắt dạng kim cương cấu hình phản xạ nội toàn phần thực Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng tinh thể cắt dạng kim cương, bơm hai mặt, hiệu suất phát xạ tử ngoại 9%, độ rộng phổ nm, độ rộng xung 3,8 ns Các kết có ý nghĩa quan trọng việc khuếch đại xung laser cực ngắn, công suất cao vùng tử ngoại Nghiên cứu phát triển hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF cấu hình phản xạ nội tồn phần sử dụng lăng kính Pellin-Broca làm BCH phát xạ băng rộng 3,5 nm, đỉnh phổ 289 nm, độ rộng xung 4,4 ns Việc phát thành công laser với cấu hình mở ứng dụng số điều kiện thí nghiệm đặc biệt Trong thời gian thực luận án, NCS có 02 ISI, 02 đăng tạp chí Quốc gia 03 đăng Kỷ yếu HNKH chuyên ngành Các kết kinh nghiệm thu trình phát triển hệ laser tử ngoại rắn Ce:LiCAF khơng có ý nghĩa nghiên cứu mà cịn có tính ứng dụng cao Các kết nghiên cứu mở nhiều ứng dụng , đặc biệt nghiên cứu quang phổ laser môi trường 24 ... mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học tính ứng dụng cao Xuất phát từ yêu cầu đó, tơi chọn đề tài ? ?Nghiên cứu tính chất động học phát triển hệ laser rắn tử ngoại sử dụng vật liệu pha tạp ion Ce3+? ??... chương: Chƣơng 1: Vật liệu laser tử ngoại Ce:LiCAF Chƣơng 2: Động học phát xạ laser tử ngoại sử dụng môi trường tinh thể Ce:LiCAF Chƣơng 3: Nghiên cứu phát triển hệ laser tử ngoại rắn sử dụng môi trường... việc sử dụng cách tử Littrow làm gương cuối BCH cho phép phát triển hệ laser tử ngoại phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng, xung ngắn Nghiên cứu mở rộng cho việc phát triển laser tử ngoại sử dụng