hòa ba bậc bốn của laser Nd:YAG
Sơ đồ thực nghiệm h
Hình 3.7a. Sơ đồ
phụ của đường kính và tiết diện của chùm laser vị trí đặt tinh thể với 0<z<10 cm.
c nghiệm laser tử ngoại Ce:LiCAF được bơm b a laser Nd:YAG
m hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF được bố trí như trên H
ồ thiết kế hệ thực nghiệm hệ laser tử ngoạ
a chùm laser vào
c bơm bằng
trí như trên Hình 3.7.
Hình 3.7b.
Nguồn bơm: Nguồn bơm là hòa Physics. Các thông số củ 3.10.
Hình 3.8. Khảo sát ph
Hình 3.7b. Hệ thực nghiệm laser tử ngoại Ce:LiCAF.
ba bậc 4 của laser Nd:YAG Quanta Ray, c ủa laser bơm đã được khảo sát và chỉ ra
o sát phổ của laser bơm được đo bằng máy i Ce:LiCAF.
a laser Nd:YAG Quanta Ray, của hãng Spectra ra ở các Hình 3.8 đến
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
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
chập này là lớn nhất thì góc gi hưởng phải nhỏ nhất có th
Hơn nữa, để tránh phá h để dễ dàng cho việc tinh ch Ce:LiCAF khoảng 30 cm. Như v tiết diện chùm laser bơm trên tinh th
tăng năng lượng của laser bơm quá 40 mJ hay công su mW. Để đánh giá công su
năng lượng Power/Energy Meter của hãng Coherent đã đư từ 1 mW đến 3 W. Sự ph
được trình bày trên Hình 3.12.
Cấu hình BCH này, chúng tôi s Đại học Osaka Nhật bản, trong Chương tr Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa h
Kết quả phát triển h
Đặc trưng công suấ
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
Hình 3.12. Sự phụ
t thì góc giữa chùm laser bơm và trục quang h t có thể.
tránh phá hủy tinh thể cũng như vết laser bơm trong tinh th c tinh chỉnh chúng tôi đặt thấu kính hội t
ng 30 cm. Như vậy, vết laser bơm trên tinh thể có đư
n chùm laser bơm trên tinh thể 0.03 cm2. Với vết bơm này, chúng ta không nên a laser bơm quá 40 mJ hay công suất trung bình laser lên quá 400 đánh giá công suất của laser bơm cũng như laser lối ra nhóm tôi dùng
Energy Meter của hãng Coherent đã được sử d phụ thuộc của công suất laser lối ra vào công su c trình bày trên Hình 3.12.
u hình BCH này, chúng tôi sử dụng các linh kiện quang h
n, trong Chương trình Hợp tác giữa đại học Osaka, Nh m Khoa học và Công nghệ Việt nam.
n hệ laser tử ngoại
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 t trung bình laser phát lớn nhất khoảng 30 mW
i BCH có: L=5 cm, R1=96.7% và R2=25%.
ụ thuộc của công suất laser ra vào công su
c quang học của buồng cộng
t laser bơm trong tinh thể đủ lớn i tụ L cách tinh thể có đường kính 0.2 cm, t bơm này, chúng ta không nên t trung bình laser lên quá 400 i ra nhóm tôi dùng đầu đo dụng với giới hạn đo i ra vào công suất của laser bơm
n quang học được hỗ trợ từ c Osaka, Nhật Bản và
u suất laser thu được a laser bơm là khoảng ng 30 mW ở công suất bơm
5%.
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.
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.
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.
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.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
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 laser oscillator development” Applied Physics B (2018) 124:125,
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.
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.
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