CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ LASER TỬ NGOẠI RẮN SỬ DỤNG MÔI TRƯỜNG TINH THỂ Ce:LiCAF
3.1. Hệ thực nghiệm laser tử ngoại rắn Ce:LiCAF
3.1.1. Các thiết bị và linh kiện quang học sử dụng trong hệ thực nghiệm
Kết quả nghiên cứu động học phát xạ cho laser tử ngoại Ce:LiCAF cho thấy, việc phát triển hệ thực nghiệm cho laser tử ngoại là hoàn toàn phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm tại Trung tâm Điện tử học Lượng tử - Viện Vật lý.
Các thông số tính toán, thiết kế và xây dựng hệ thực nghiệm được sử dụng là thông số của các linh kiện, thiết bị được liệt kê dưới đây:
Đầu đo năng lượng. Đầu đo năng lượng Power/Energy Meter của hãng Coherent, hoạt động ở chế độ quang – điện, với thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, điều kiện ghép nối đơn giản, kích thước nhỏ. Dải bước sóng đo:
250 nm – 1064 nm, dải công suất: 1 mW – 30 W; độ phân giải: 1 mW, ngưỡng phá hủy: 6 KW/cm2 (1,75 J/cm2).
Dao động ký. Dao động ký Tektronix TDS7154B Digital Phosphor có độ phân giải 1,5 GHz (thời gian đáp ứng 250 ps) được dùng khảo sát các đặc trưng về thời gian của laser (độ rộng xung).
Photodiode. Photodiode S9055 của hãng Hamamatsu, vùng bước sóng hoạt động từ 250 – 1000 nm, thời gian đáp ứng xung 250 ps.
Máy quang phổ. Máy quang phổ Princeton Instruments SP 2500, gồm ba cách tử với số vạch lần lượt: 600, 1200 và 1800 vạch/mm. Vạch phổ được ghi nhận bằng CCD camera hoặc Streak camera. Độ phân giải của máy quang phổ 0,2 nm.
Laser bơm. Họa ba bậc 4 của laser Nd:YAG hoạt động ở chế độ Q-switch (Spectra Physics) ở bước sóng 266 nm, tần số lặp lại 10 Hz, độ rộng xung 7 ns, năng lượng cực đại tại bước sóng 266 nm: 55 mJ, phân cực ngang; độ ổn định công suất ±5%.
Các linh kiện quang học
Tinh thể Ce:LiCAF. Tinh thể Ce:LiCAF được nuôi bằng phương pháp Czochralski tại Đại học Tohoku, Nhật Bản, được cắt ở góc Brewter. Các thông số của tinh thể Ce:LiCAF được đưa ra trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Các thông số của môi trường Ce:LiCAF [71].
Nồng độ ion Ce3+ 1 %;3x1017 cm-3
Trục quang học c-axis
Độ hấp thụ tại 266 nm 4 cm-1 Kích thước tinh thể 10x5x5 mm
Tiết diện hấp thụ, σai 2,606x10-19 cm-2 tại 290 nm Tiết diện phát xạ, σei 9,6x10-18 cm-2 tại 266 nm
Chiết suất, n 1,41
Thời gian sống huỳnh quang, 30 ns Hệ số phát xạ tự phát, Ai 10−10 cm.s−2 Tinh thể cắt góc Brewster 54o
Cách tử. Cách tử Jobin-Yvon, Pháp được sử dụng trong thực nghiệm phát laser băng hẹp và điều chỉnh bước sóng. Các thông số của cách tử bao gồm: Hằng số cách tử 2400 vạch/mm; kích thước 20x20x5 mm, hệ số phản xạ tại nhiễu xạ bậc 1 là 30% ở bước sóng 290 nm.
Gương tử ngoại. i) Trong hệ thí nghiệm này sử dụng hai gương 266 nm phản xạ cao R~100%, ở góc 45o làm gương dẫn chùm laser bơm. ii) Các gương có hệ số phản xạ lần lượt 96,7%, 30%, 25%, 14% ở vùng bước sóng 280-310 nm, kích thước 50x20x1 mm ở góc 0o được sử dụng để làm gương cuối và gương ra của BCH laser.
Lăng kính Pellin – Broca: Fused Silica, 38 x 66 x 22 mm, Φ 78o26’.
Thấu kính: Thấu kính bơm, Fused Silica, tiêu cự f1 = 400 mm, Φ50mm.
Hiện nay, tại Viện Vật lý – Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam các linh kiện và thiết bị hoạt trong vùng bước sóng tử ngoại mới bắt đầu được quan tâm đầu tư.
Các linh kiện thiết bị này có giá thành cao hoặc chỉ được sản xuất riêng cho từng nhóm nghiên cứu, do đó, chúng tôi gặp một số khó khăn về các thiết bị linh kiện khi thực hiện việc phát triển hệ thực nghiệm trong vùng tử ngoại. Dưới sự hỗ trợ của nhóm GS. Sarukura (Đại học Osaka, Nhật Bản) về các linh kiện quang học như: tinh thể Ce:LiCAF và gương phản xạ hoạt động trong vùng tử ngoại, chúng tôi đã phát triển thành công hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF.
3.1.2. Sự phụ thuộc của thông số chùm bơm lên thiết kế hệ thực nghiệm cho laser tử ngoại Ce:LiCAF
Sự phụ thuộc của ngưỡng phá hủy và năng lượng bơm bão hòa vào bán kính vết bơm
Mật độ dòng bơm bão hòa và ngưỡng bơm phá hủy đối với môi trường tinh thể Ce:LiCAF có ảnh hưởng rất lớn đến năng lượng laser bơm cũng như tiết diện vết laser bơm phân bố trên bề mặt tinh thể. Mật độ dòng bơm bão hòa và ngưỡng bơm phá hủy đối với môi trường tinh thể Ce:LiCAF lần lượt là 115 mJ/cm2 và 5 J/cm2 [60, 71, 81, 82]. Chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của mật độ dòng bơm theo bán kính vết bơm trên bề mặt tinh thể gây ra hiện tượng bơm bão hòa và phá hủy tinh thể để có thể xác định được điều kiện phù hợp khi hội tụ chùm bơm lên tinh thể trong thực nghiệm.
Năng lượng bơm gây phá hủy cho môi trường tinh thể Ce:LiCAF theo bán kính vết bơm với mật độ ngưỡng bơm phá hủy [71], được tính:
(3.1)
trong đó r - bán kính vết bơm trên bề mặt tinh thể (mm).
Năng lượng bơm bão hòa cho môi trường tinh thể Ce:LiCAF theo bán kính vết bơm [60]:
(3.2)
Tùy thuộc vào bán kính vết bơm trong tinh thể mà ngưỡng phá hủy và ngưỡng bão hòa cũng thay đổi, khi tăng bán kính vết bơm từ 0,1 mm đến 2 mm.
Kết quả tính toán được chỉ ra trong Hình 3.1 cho thấy, khi thực hiện các thí nghiệm phát laser, cần chú ý để tinh thể được bơm với năng lượng nhỏ hơn ngưỡng phá hủy. Đường kính của vết bơm trên bề mặt tinh thể là 1 mm, điều đó có nghĩa rằng năng lượng xung bơm không được vượt quá 40 mJ. Điều này hoàn toàn có thể thực hiện với môi trường tinh thể Ce:LiCAF sử dụng cấu hình bơm xiên và không hội tụ vào tinh thể.
Hình 3.1. Sự phụ thuộc của ngưỡng phá hủy và năng lượng bơm bão hòa của tinh thể Ce:Fluoride vào bán kính vết bơm.
Sự phụ thuộc của tiết diện chùm laser bơm vào vị trí đặt tinh thể
Sự thay đổi mật độ năng lượng bơm được thực hiện bằng việc thay đổi khoảng các từ thấu kính hội tụ đến vị trí của tinh thể. Chùm laser bơm được hội tụ vào tinh thể nhờ một thấu kính hội tụ có tiêu cự f. Đường kính chùm laser bơm trên bề mặt tinh thể phụ thuộc không chỉ vào bước sóng laser bơm, tiêu cự thấu kính mà còn phụ thuộc vào vị trí đặt tinh thể.
Giả sử chùm laser có bước sóng λ được chuẩn trực với đường kính chùm là D đến thấu kính hội tụ có tiêu cự f. Bán kính chùm laser sau thấu kính 0 được xác định bằng biểu thức [103]:
(3.3)
Việc đánh giá sự phụ thuộc của đường kính và tiết diện vết bơm trên mặt tinh thể là cần thiết, để từ đó có thể tránh được sự phá hủy của tinh thể cũng như đánh giá được năng lượng ngưỡng phá hủy cũng như mật độ dòng bơm bão hòa của laser. Sự phụ thuộc của đường kính và tiết diện vết bơm vào vị trí đặt tinh thể được chỉ ra trên Hình 3.2, trong khoảng 0<z<100 mm. Nhận thấy rằng, khi tinh thể càng đặt gần vị trí tiêu điểm của thấu kính (z=0) thì tiết diện chùm laser càng nhỏ vì vậy cần hết sức chú ý vào việc điều chỉnh năng lượng laser sao cho không gây phá hủy tinh thể laser.
Hình 3.2. Sự phụ của đường kính và tiết diện của chùm laser vào khoảng cách tinh thể so với điểm hội tụ của chùm laser bơm, 0 <z< 100 mm.
3.1.3. Thiết kế hệ laser Ce:LiCAF rắn phát trực tiếp bức xạ tử ngoại
Từ các linh kiện và thiết bị hiện có của PTN, thiết kế cho hệ thực nghiệm cho laser tử ngoại rắn Ce:LiCAF được bơm bằng họa ba bậc bốn của laser Q- switched Nd:YAG ở bước sóng 266 nm được trình bày ở Hình 3.3.
Môi trường hoạt chất: Tinh thể Ce:LiCAF được đặt giữa hai gương với hệ số phản xạ khác nhau. Các thông số của tinh thể này được trình bày trong Bảng 3.1.
Buồng cộng hưởng Fabry-Perot bao gồm hai gương R1 (gương cuối) có
hệ số phản xạ 96,7%; và R2 (gương ra) có hệ số phản xạ thay đổi (30%, 25%, 14%), hiện có tại Phòng Quang tử, Viện Vật lý.
Nguồn bơm: Laser Q-switched Nd:YAG phát họa ba bậc bốn, 10 Hz, 7 ns, năng lượng xung cực đại 55 mJ tại bước sóng 266 nm (Quanta-Ray Indi, Spectraphysics, Model Indi-HG10S).
Hình 3.3. Sơ đồ hệ laser tử ngoại rắn Ce:LiCAF được bơm bằng laser Nd:YAG Q-switching (4ω, 266 nm, 10 Hz, 7 ns).
Chùm laser bơm 266 nm sau khi tách chùm bởi lăng kính Pellin-Broca từ đầu ra của laser Nd:YAG, đường kính chùm laser bơm là 10 mm, phản xạ trên các gương M1, M2 và M3 (hệ số phản xạ 99% tại bước sóng 266 nm ở góc 45o).
Thấu kính L (tiêu cự f=400 mm) có tác dụng hội tụ chùm laser bơm vào tinh thể Ce:LiCAF.
Hiệu suất laser ra 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. Sự chồng chập giữa chùm laser bơm và chùm laser tín hiệu là lớn nhất đạt được với cấu hình bơm dọc. Tuy nhiên, do hạn chế về linh kiện quang học, các gương không có khả năng truyền qua cao đồng thời với bước sóng laser bơm và phản xạ đối với chùm laser tín hiệu. Do vậy, cấu hình bơm xiên và chùm bơm không hội tụ vào tinh thể được lựa chọn sử dụng trong hệ thực nghiệm này. Với cấu hình bơm xiên không hội tụ trong tinh thể, để sự chồng chập giữa chùm laser
bơm và chùm laser phát xạ là lớn nhất thì góc giữa chùm laser bơm và trục quang học của buồng cộng hưởng phải nhỏ nhất. Do đó, sử dụng các tính toán quang hình học, góc lệch giữa chùm bơm và trục quang học của buồng cộng hưởng xấp xỉ là 10o. Đây là góc lệch này là nhỏ nhất, được giới hạn bởi kích thước của gương, tinh thể và chiều dài BCH đo được trong thực tế.
Hơn nữa, để tránh phá hủy tinh thể cũng như vết laser bơm trong tinh thể đủ lớn để dễ dàng cho việc tinh chỉnh chúng tôi đặt thấu kính hội tụ L cách tinh thể Ce:LiCAF khoảng 350 mm, khi đó đường kính vết laser bơm trên bề mặt tinh thể là 1 mm. Chùm laser bơm có phân cực ngang phù hợp với góc cắt của tinh thể Ce:LiCAF (a-cut).
Dựa trên mục tiêu phát triển laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung đơn ngắn bơm gần ngưỡng cũng như phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng, các thiết kế riêng biệt cho BCH được áp dụng, như:
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 của gương cuối R1=96,7%, hệ số phản xạ gương ra R2 có thể thay đổi từ 14% đến 30%, cũng như thay đổi chiều dài BCH và năng lượng bơm.
Phát triển hệ laser tử ngoại phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng và xung ngắn, gương cuối R1 được thay thế bởi cách tử Littrow G=2400 vạch/mm, hệ số phản xạ ở nhiễu xạ bậc một Rg=30% đối với vùng bước sóng laser 280-320 nm. Sự điều chỉnh bước sóng phát xạ của laser Ce:LiCAF nhận được bằng cách quay cách tử.