CHƯƠNG I: VẬT LIỆU VÀ LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE
1.1. Các nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại và môi trường Ce:Fluoride
1.1.2. Laser tử ngoại sử dụng môi trường tinh thể pha tạp ion đất hiếm
Việc phát triển laser rắn tử ngoại dựa trên các môi trường hoạt chất pha tạp các ion đất hiếm như Ce3+, Pr3+, Nd3+, Tm3+… với các chuyển dời 5d → 4f đang được các nhà khoa học đặt kỳ vọng cao cho phát xạ laser tử ngoại trong vùng UV [72-77].
Điển hình như, một số môi trường như Ce:LLF và Ce:LiCAF hiện đang được đặc biệt quan tâm, vì hiệu suất laser có thể lên tới 60% và khả năng điều chỉnh bước sóng từ 270 nm cho đến 340 nm [64, 65]. Trong vùng VUV, cho đến nay, mới chỉ có môi trường Nd:LaF3 phát laser ở vùng tử ngoại chân không [20].
Tinh thể Nd:LaF3 được bơm quang học bởi laser F2 (157 nm), phát xạ ở bước sóng 172 nm (nhờ dịch chuyển 4f5d → 4f3), đây là bước sóng laser ngắn nhất cho đến thời nay của các môi trường hoạt chất pha tạp ion đất hiếm [73]. Còn với các vật liệu pha tạp Tm3+, Pr3+ cho đến nay vẫn chưa phát laser thành công [74-
77]. Sơ đồ năng lượng cho chuyển dời 4f-5d của các ion đất hiếm được chỉ ra trong Hình 1.2.
Hình 1.2. Sơ đồ các mức năng lượng trong chuyển dời 4fn – 4fn-15d của các ion Ce3+, Pr3+, Nd3+, Tm3+ [74, 75].
Vật liệu pha tạp các ion như Ce3+, Pr3+, Nd3+, hoặc Tm3+ được đặc trưng không chỉ bởi sự dịch chuyển quang học của cấu trúc 4f↔5d trong miền UV mà còn bởi sự chuyển tiếp nội tại 4f↔4f (đối với Pr3+, Nd3+, hoặc Tm3+) như trong Hình 1.2. Điều này có nghĩa là phát xạ tử ngoại của chúng có thể được kích thích bởi sự hấp thụ đa photon trong mức năng lượng 4f. Đồng thời, năng lượng giữa hai mức laser trên và mức laser dưới từ 35 eV đến 90 eV (103 cm-1), điều này cho phép phổ phát xạ trải rộng từ vùng tử ngoại gần cho tới vùng tử ngoại sâu.
Đặc biệt, các mức 4fn-15d được chia thành nhiều mức con, cho khả năng phát huỳnh quang với dải phổ rộng lên đến vài chục nano mét [74, 75].
Cho đến nay, mới có một số môi trường có khả năng phát laser như:
Nd:LaF, Ce:LaF, Ce:LiSAF, Ce:LiCAF, Ce:YLF, Ce:LiLuF. Các môi trường khác mới chỉ dừng lại ở việc phát huỳnh quang mà chưa phát laser [78-82]. Mặc dù vậy, có thể thấy được tiềm năng trong việc phát triển các nguồn laser rắn phát bức xạ tử ngoại và tử ngoại chân không, sử dụng các môi trường pha tạp các ion đất hiếm nhờ dịch chuyển 4f-5d.
Các nghiên cứu chỉ ra rằng, dịch chuyển 5d - 4f của ion đất hiếm Ce3+ pha tạp trong các nền fluoride với sự tương tác mạnh giữa cấu trúc mạng với lớp điện tử 5d, dẫn đến sự mở rộng phổ huỳnh quang. Các kết quả đã được chỉ ra đối với Ce3+:LaF (276 ÷ 312 nm) và Ce3+:LuF (288 ÷ 322 nm); Ce3+:YLF và Ce3+:LLF (300 ÷ 340 nm); Ce3+:LiSAF và Ce3+:LiCAF(280 ÷ 320 nm). Điều này cho thấy các vật liệu pha tạp ion đất hiếm này là môi trường hoạt chất lý tưởng để phát triển các tinh thể cho laser UV có khả năng điều chỉnh bước sóng [60-70].
Hình 1.3 trình bày phổ hấp thụ và phổ phát xạ, bước sóng laser bơm của một số môi trường laser Ce:Fluoride khác nhau với vùng điều chỉnh bước sóng trong dải UV của vật liệu Fluoride pha tạp Ce3+ đã được biết đến (Ce:LLF, Ce:YLF, Ce:LiCAF, Ce:LSAF, và Ce:LaF) [71].
Hình 1.3. Phổ hấp thụ và phát xạ của ion Ce3+ trong nền LaF, LiCAF, LiSAF, YLF, LiLuF, CaF2, (Y,Lu)PO4, và YAG [71].
Ưu điểm của các môi trường Fluoride pha tạp ion Ce3+ bao gồm: thời gian sống ở mức laser trên cỡ nano-giây (30 ns), hiệu suất lượng tử cao, phổ phát xạ
rộng (40 nm), công suất bão hòa và ngưỡng phá hủy cao [60, 82]. Tất cả những ưu điểm này chứng minh rằng Ce:Fluoride là môi trường laser tiềm năng nhất trong việc phát triển laser vùng tử ngoại.
Tuy nhiên, các vật liệu như Ce:YAG và Ce:YLF lại hấp thụ mạnh ở trạng thái kích thích (ESA) đối với bức xạ tại bước sóng huỳnh quang hoặc bước sóng bơm. Điều này dẫn đến, mất mát quang học, dập tắt hoạt động laser và hình thành các tâm màu tạm thời hoặc vĩnh viễn [71, 80, 83]. Việc lựa chọn các nền rắn phù hợp để giảm thiểu tối đa ESA và tăng khả năng khuếch đại của môi trường là cần thiết.
Dưới đây, các đặc trưng quang học cho một số môi trường Ce:Fluoride điển hình đã được trình bày và phát triển làm môi trường hoạt chất cho phát xạ laser trong vùng tử ngoại.