CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC CHO LASER TỬ NGOẠI SỬ DỤNG TINH THỂ Ce:LiCAF
2.3. Động học phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử dụng cách tử Littrow
2.3.2. Động học phát xạ băng hẹp và điều chỉnh bước sóng của laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow
Động học phát xạ băng hẹp cho laser tử ngoại Ce:LiCAF
Đối với cấu hình sử dụng cách tử Littrow, như đã trình bày trong mục 1.3.3, độ rộng phổ phát xạ phụ thuộc vào các thông số như: bậc nhiễu xạ, hằng số cách tử, vết laser trên bề mặt cách tử, góc quay cách tử, số lần làm hẹp phổ và
bước sóng được điều chỉnh. Do đó, trong phần này chúng tôi đánh giá khả năng làm hẹp phổ laser lối ra nhờ việc sử dụng cách tử Littrow.
Động học phát xạ băng hẹp, điều chỉnh bước sóng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow đã được nghiên cứu, với các thông số: chiều dài BCH L=20 mm, hằng số cách tử G=2400 vạch/mm, hệ số phản xạ của cách tử tại bước sóng laser Rg=30%, hệ số phản xạ gương ra R2=14%, bán kính vết laser trong BCH ωo=0,5 mm (tương ứng bán kính vết laser trên bề mặt cách tử ωg=0,53 mm), tại năng lượng laser bơm Eb=9,5 mJ, góc quay cách tử βi=20,3o. Trong tính toán này, do hệ số phản xạ của cách tử tại bước sóng laser ra là thấp, do đó chỉ tính cho nhiễu xạ bậc một (m=1) bởi cách tử. Phổ phát xạ của laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow được biểu diễn trong Hình 2.9.
Hình 2.9. Phổ phát xạ băng hẹp của laser tử ngoại Ce:LiCAF, cấu hình sử dụng cách tử Littrow với đỉnh phổ tại bước sóng 288,5 nm được bơm tại năng lượng laser bơm Eb=9,5 mJ; góc quay cách tử βi=20,3o.
Hình 2.9 biểu diễn phổ phát xạ băng hẹp của laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình cách tử Littrow, đỉnh phổ phát xạ tại bước sóng 288,5 nm, độ rộng phổ là 30 pm. Khi so sánh với khả năng làm hẹp phổ của cách tử Littrow trong
biểu thức (1.8) và (1.9) cho thấy, cách tử làm hẹp phổ gấp 3 lần khi được sử dụng làm yếu tố lọc lựa và điều chỉnh bước sóng. Điều này cũng có nghĩa rằng, photon cần hoàn thành 3 chu trình đi-về trong BCH trước khi phát laser băng hẹp.
Kết quả độ rộng phổ phát xạ băng hẹp thu được cho thấy, cấu hình sử dụng cách tử Littrow hoạt động hiệu quả trong việc lọc lựa bước sóng và làm hẹp phổ cho laser tử ngoại Ce:LiCAF khi so sánh với phổ phát xạ của BCH Fabry- Perot (Hình 2.8a) phát xạ trong vùng bước sóng 286 nm đến 289 nm, khi cả hai cấu hình được mô phỏng trong cùng điều kiện.
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 được thực hiện bằng việc thay đổi góc quay cách tử βi theo biểu thức (1.4), góc quay tương ứng với từng bước sóng được điều chỉnh. Kết quả cho sự điều chỉnh bước sóng của laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow được chỉ ra trong Hình 2.10.
Hình 2.10. Sự điều chỉnh bước sóng phát xạ của laser tử ngoại Ce:LiCAF khi quay cách tử Littrow. Góc quay cách tử 18,9o ÷ 23,3o, vùng bước sóng ghi nhận từ 278 nm đến 302 nm với BCH L=20 mm, gương ra R2=14%, năng lượng laser bơm Eb=15 mJ.
Để khảo sát vùng điều chỉnh bước sóng trong miền phổ phát xạ, cần đảm bảo năng lượng laser bơm là đủ lớn để phát xạ tại các bước sóng có tiết diện nhỏ là ổn định. Nhận thấy trong phần phát xạ băng hẹp, tại đỉnh phổ phát xạ của môi
trường hoạt chất Ce:LiCAF (288,5 nm), tiết diện phát xạ là lớn nhất, do đó ngưỡng phát laser là thấp nhất tại năng lượng laser bơm 4,9 mJ. Trong khi các thông số ban đầu của BCH được giữ không đổi, để phát được laser tại các bước sóng có tiết diện phát xạ nhỏ hơn thì việc tăng năng lượng laser bơm là cần thiết.
Góc quay cách tử βi được thay đổi từ 18,9o đến 23,3o (tương ứng với vùng bước sóng từ 270 nm đến 330 nm), sự điều chỉnh bước sóng laser phát xạ đã được ghi nhận.
Vùng bước sóng được điều chỉnh ghi nhận từ 278 nm đến 302 nm, vùng điều chỉnh này tương đương với vùng điều chỉnh bước sóng của một số công bố thực nghiệm trước đây [39, 40, 62]. Để phát được các bước sóng hai bên sườn trong phổ phát xạ của môi trường hoạt chất Ce:LiCAF cần phải tăng năng lượng laser bơm lên. Tuy nhiên, khi tăng năng lượng laser bơm cần chú ý đến ngưỡng phá hủy của tinh thể, đối với môi trường Ce:LiCAF, ngưỡng phá hủy là 40 mJ cho bán kính vết laser bơm trên bề mặt tinh thể là ωo=0,5 mm, giới hạn này được trình bày chi tiết trong Chương III.
Có thể thấy rằng, phát xạ băng hẹp với vùng điều chỉnh bước sóng rộng của laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow với cấu hình đơn giản, dễ dàng điều chỉnh hoàn toàn thực hiện được với điều kiện tại phòng thí nghiệm Việt Nam. Vùng điều chỉnh bước sóng không chỉ phụ thuộc góc quay của cách tử, năng lượng laser bơm mà còn phụ thuộc vào tiết diện phát xạ của môi trường Ce:LiCAF tại từng bước sóng được điều chỉnh.
2.3.3. Động học phát xạ băng hẹp, đơn xung ngắn của laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow
Các ứng dụng trong quang phổ cũng như trong các nghiên cứu về môi trường đòi hỏi các nguồn laser tử ngoại đơn sắc, xung ngắn và có thể thay đổi bước sóng. Hơn nữa, trong cấu hình sử dụng cách tử Littrow, cách tử với hệ số phản xạ thấp (Rg=30%) thì việc phát các xung laser tử ngoại băng hẹp, xung đơn ngắn quá độ BCH là đáng được kỳ vọng. Vì vậy, bằng việc khảo sát ảnh hưởng của các thông số như năng lượng laser bơm, chiều dài BCH và hệ số phản xạ của gương ra lên độ rộng phổ phát xạ cũng như độ rộng xung laser lối ra. Từ đó, chúng tôi xây dựng các thông số tối ưu để phát các đơn xung ngắn cho laser tử
ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, có khả năng điều chỉnh bước sóng sử dụng cách tử Littrow bằng phương pháp quá độ BCH.
Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên độ rộng xung và độ rộng phổ băng hẹp
Hình 2.11. Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên động học phát xạ băng hẹp, xung đơn ngắn bơm gần ngưỡng của laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow. Thông số mô phỏng: L=20 mm, cách tử 2400 vạch/mm, hệ số phản xạ của cách tử Rg= 30%, gương ra R2=14%, tại bước sóng 288,5 nm với năng lượng laser bơm Eb thay đổi từ 4,9 mJ đến 9,8 mJ.
Để phát được một đơn xung ngắn bằng phương pháp quá độ BCH, chúng tôi đi tìm năng lượng tối ưu để nhận được đơn xung ngắn nhất. Sự ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên độ rộng phổ phát xạ và độ rộng xung laser lối ra của laser tử ngoại Ce:LiCAF với BCH: L=20 mm, cách tử 2400 vạch/mm, hệ số phản xạ của cách tử Rg= 30%, gương ra R2=14%, tại bước sóng 288,5 m, năng lượng laser bơm Eb thay đổi từ 4,9 mJ đến 9,8 mJ đã được khảo sát, các kết quả được biểu diễn trên Hình 2.11 và được liệt kê trong Bảng 2.5.
Bảng 2.5. Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên độ rộng xung laser lối ra và độ rộng phổ phát xạ cho laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow.
Năng lƣợng laser
bơm (mJ) Độ rộng xung (ps)
Độ rộng phổ
phát xạ (pm) Chế độ phát xung
4,9 1143 20 Đơn xung
8,4 333 29 Đơn xung
9,5 299 29 Đơn xung
9,8 291 30 Đa xung
Hình 2.11 cho thấy, laser Ce:LiCAF sử dụng cấu hình cách tử Littrow phát đơn xung ngắn khi được bơm gần ngưỡng với cấu hình sử dụng cách tử Littrow là tương tự với kết quả nghiên cứu động học phát đơn xung ngắn được bơm gần ngưỡng với cấu hình phát băng rộng sử dụng hai gương phẳng. Có thể thấy rằng, tại ngưỡng phát laser Eb=4,9 mJ thì độ rộng xung là lớn nhất 1443 ps và độ rộng phổ là nhỏ nhất 20 pm, còn tại năng lượng laser bơm Eb=9,45 mJ để xung ngắn nhất 299 ps thì độ rộng phổ là 30 pm.
Như vậy, một laser tử ngoại Ce:LiCAF có khả năng phát băng hẹp cỡ vài chục pico mét, có khả năng điều chỉnh bước sóng đồng thời phát được đơn xung ngắn dưới nano giây, độ rộng xung laser lối ra ngắn nhất nhận được là 300 ps tại năng lượng laser bơm Eb=9,5 mJ, tương ứng 1,9 lần trên ngưỡng. Kết quả này là tương đương với độ rộng xung như đã khảo sát trong cấu hình phát băng rộng sử dụng hai gương phẳng R1=30%, R2=14%.
Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên độ rộng xung và độ rộng phổ băng hẹp Tiếp theo, chúng tôi khảo sát sự ảnh hưởng của chiều dài BCH lên động học phát xạ cho laser tử ngoại băng hẹp, phát xung đơn ngắn bơm gần ngưỡng với cấu hình BCH: Rg= 30%, R2=14%, tại bước sóng 288,5 nm với năng lượng
laser bơm Eb =9,5 mJ, chiều dài BCH thay đổi từ 20 mm đến 60 mm, các kết quả được biểu diễn trên Hình 2.12 và được liệt kê trong Bảng 2.6.
Hình 2.12 cho thấy, cũng như trường hợp phát băng rộng bơm gần ngưỡng, khi tăng chiều dài BCH độ rộng xung laser tăng theo, thời điểm phát xung dịch về phía cuối của xung bơm như đã được giải thích trước đây. Với các thông số như hệ số phản xạ, năng lượng laser bơm không đổi, khi chiều dài BCH ngắn nhất L=20 mm, độ rộng xung là nhỏ nhất (298 ps) tại năng lượng laser bơm đã được tối ưu, Eb=9,5 mJ. Ngoài ra, khi tăng chiều dài BCH thì độ rộng phổ băng hẹp cũng tăng theo từ 29 pm (L=20 mm) lên đến 37 pm (L=60 mm).
Hình 2.12. Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên độ rộng xung và độ rộng phổ laser băng hẹp sử dụng cách tử Littrow. Thông số mô phỏng: tại bước sóng 288,5 nm, năng lượng laser bơm Eb=9,5 mJ; hệ số phản xạ của cách tử Rg=30%, gương ra R2=14%, chiều dài BCH thay đổi từ 20 mm đến 60 mm.
Bảng 2.6. Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối ra và độ rộng phổ phát xạ cho laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow.
Chiều dài BCH (mm)
Độ rộng xung (ps)
Độ rộng phổ
phát xạ (pm) Chế độ phát xung
20 298 29 Đơn xung
30 360 31 Đơn xung
50 513 35 Đơn xung
60 598 37 Đơn xung
Điều này được giải thích như sau, khi tăng chiều dài BCH dẫn đến làm giảm số lần đi lại của photon trong BCH, điều này đồng nghĩa với việc thời gian tương tác của photon với cách tử giảm nên độ rộng phổ phát xạ tăng.
Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra lên độ rộng xung và độ rộng phổ băng hẹp
Hình 2.13. Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra lên độ rộng xung và độ rộng phổ laser băng hẹp sử dụng cách tử Littrow. Thông số mô phỏng tại bước sóng 288,5 nm, chiều dài BCH L=20 mm, năng lượng laser bơm Eb=9,5 mJ; hệ số
Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra lên động học phát xạ laser tử ngoại băng hẹp, phát xung đơn ngắn bơm gần ngưỡng với cấu hình BCH: chiều dài L= 20 mm, hệ số phản xạ của cách tử Rg= 30%, tại bước sóng 288,5 nm với năng lượng laser bơm Eb =9,5 mJ, hệ số phản xạ của gương ra R2 thay đổi từ 10% đến 25% cũng đã được khảo sát, kết quả được biểu diễn trên Hình 2.13.
Bảng 2.7. Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối ra và độ rộng phổ phát xạ cho laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow.
Chiều dài BCH (mm)
Độ rộng xung (ps)
Độ rộng phổ phát xạ (pm)
Chế độ phát xung
20 298 29 Đơn xung
30 360 31 Đơn xung
50 513 35 Đơn xung
60 598 37 Đơn xung
Kết quả chỉ ra rằng, khi tăng hệ số phản xạ gương ra độ rộng xung laser giảm theo giống như sự ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên độ rộng xung laser lối. Với cấu hình BCH Rg=30%, R2=20%, L=20 mm, Eb=9,5 mJ độ rộng xung laser lối ra là nhỏ nhất (283 ps), trước khi laser phát xung thứ 2. Trong khi đó, độ rộng phổ băng hẹp phát xạ hầu như không thay đổi (~29 pm), khi giữ nguyên năng lượng laser bơm và chiều dài BCH.
Đối với cấu cấu hình phát băng hẹp cho laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cách tử Litrrow, bằng phương pháp quá độ BCH với hệ số phản xạ Rg=30%, hệ số phản xạ gương ra R2=14%, chiều dài BCH L=20 mm có khả năng phát các xung đơn ngắn, độ đơn sắc cao. Tại năng lượng laser bơm 9,5 mJ độ rộng xung là ngắn nhất (299 ps), tại năng lượng bơm sát ngưỡng 4,9 mJ độ rộng phổ là hẹp nhất (20 pm). Độ rộng xung laser lối ra ngắn nhất trong trường hợp này gần với độ rộng xung laser lối ra của BCH quá độ băng rộng, đơn xung ngắn đã được khảo sát (R1=30%, R2=14%, L=20 mm, Eb=9,5 mJ, Δτ=292 ps).
KẾT LUẬN CHƯƠNG II
Nghiên cứu động học phát xạ cho laser tử ngoại Ce:LiCAF đã được thực hiện có hệ thống cho hai cấu hình, các kết quả đạt được 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 đã được nghiên cứu, các kết quả tập trung vào việc phát xung đơn ngắn, bơm gần ngưỡng. Sự ảnh hưởng của các thông số như: năng lượng laser bơm, hệ số phản xạ gương ra và chiều dài BCH lên động học phát xạ và độ rộng xung laser lối ra đã được đánh giá. Trong điều kiện phát đơn xung được bơm gần ngưỡng luôn tồn tại một giá trị năng lượng laser bơm để phát được xung ngắn nhất, giá trị này tiệm cận với năng lượng laser bơm trước khi phát đa xung. Đồng thời, hệ số phản xạ của gương, chiều dài BCH ảnh hưởng lên độ rộng xung laser lối ra cũng đã được đánh giá.
Từ các thông số được tối ưu và sử dụng phương pháp quá độ BCH, hệ số phản xạ gương R1=25%, R2=14%, chiều dài buồng cộng hưởng 20 mm, việc tối ưu năng lượng laser bơm để phát đơn xung ngắn nhất đã được thực hiện. Độ rộng xung laser tử ngoại Ce:LiCAF nhận được là 267 ps tại năng lượng laser bơm Eb=10,4 mJ.
Với BCH laser băng hẹp, khi thay gương cuối trong BCH bởi cách tử Littrow với hệ số nhiễu xạ hiệu dụng được thay thế bởi hệ số phản xạ, động học phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF đã được nghiên cứu. Độ rộng phổ băng hẹp thu được là 30 pm tại bước sóng đỉnh phổ 288,5 nm với năng lượng laser bơm 9,5 mJ. Vùng điều chỉnh bước sóng đã được khảo sát, phát xạ trong vùng 278 nm đến 302 nm tại năng lượng laser bơm 15 mJ.
Với cách tử Littrow G=2400 vạch/mm, hệ số phản xạ xấp xỉ 30%, gương ra 14%, hệ laser tử ngoại sử dụng cách tử Littrow có khả năng phát các xung 300 ps tại bước sóng đỉnh phổ phát xạ bằng phương pháp quá độ BCH. Ảnh hưởng của các thông số như năng lượng laser bơm, chiều dài BCH, hệ số phản xạ gương ra lên sự tương quan giữa độ rộng phổ băng hẹp và độ rộng xung laser lối ra cũng đã được chỉ ra.
Các kết quả nghiên cứu động học phát xạ cho laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng hệ phương trình tốc độ đa bước sóng là tiền đề để xây dựng các hệ thực nghiệm cho laser tử ngoại băng hẹp, điều chỉnh bước sóng và đơn xung ngắn sẽ được trình bày trong Chương III.