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

- Phát triển hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF rắn được bơm bằng họa ba bậc 4 của laser switching Nd:YAG ở bước sóng 266 nm phát băng rộng, đơn xung ngắn và phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng

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

Chuyên ngành: QUANG HỌC

Mã số: 944 01 10

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

HÀ NỘI – 2021

Công trình được hoàn thành tại: Khoa Vật lý, Học viện Khoa Học và 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 sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Học viện Khoa học và Công nghệ chấm luận án họp tại:

Thời gian:

Luận án được lưu giữ tại:

 Thư viện Quốc gia Việt Nam

 Thư viện, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

1 “Development of a short pulse broadband and narrow linewidth ultraviolet

laser using Ce:LiCAF crystal”, Communications in Physics, 29(3SI), (2019),

pp 341-349

2 “Tunable narrow linewidth picoseconds pulses from a single grating

gain-switched Ce:LiCAF laser, Laser Phys 28 (2018) 085802 (5pp) DOI:

10.1088/1555-6611/aac369

3 “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

4 “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

5 “Nghiên cứu và thiết kế hệ laser Ce:LiCAF hoạt động trong 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

6 “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

7 Nghiên cứu và phát triển các 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 được phát hiện bởi nhà Vật lý người Đức J W

Ritter (1801) khi quan sát thấy bức xạ phía dưới vùng ánh sáng khả kiến, thường được gọi dưới tên “tia oxy hóa”, "tia hóa học", "tithonic rays” Năm 1878 ảnh hưởng của ánh sáng bước sóng ngắn lên vi khuẩn, có hiệu quả khử trùng đã được phát hiện Các quan sát thấy được khi đánh giá khả năng hấp thụ mạnh của bức xạ tử ngoại dưới 200 nm trong không khí

và được đặt tên bức xạ tử ngoại chân không vào năm 1893 bởi nhà Vật lý người Đức Victor Schumann Vào năm 1903, bức xạ tử ngoại được biết đến với bước sóng 250 nm có ảnh hưởng hiệu quả nhất tới vi khuẩn và phải đến năm 1960, ảnh hưởng của bức xạ tử ngoại lên các phân tử DNA mới được biết đến

Sự ra đời của laser năm 1960 với đặc trưng ưu việt của nó đã mang lại bước tiến nhảy vọt trong công nghệ của các nguồn phát bức xạ tử ngoại Tùy thuộc vào vùng bước sóng, đặc trưng của từng loại laser khác nhau mà chúng có ứng dụng riêng Laser UV có rất nhiều ứng dụng quan trọng trải rộng trên nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ như trong hóa học, vật

lý, kỹ thuật, khoa học vật liệu, y học, thông tin lượng tử, quang điện tử, sinh học và khoa học môi trường Các ứng dụng của laser tử ngoại như: tia UV công suất cao có thể được sử dụng

để cắt và khoan lỗ nhỏ trong nhiều loại vật liệu, bao gồm các vật liệu trong suốt với ánh sáng nhìn thấy, nguồn UV liên tục được ứng dụng trong in thạch bản kích thước nhỏ, trong sản xuất chip bán dẫn Các nguồn UV phát liên tục và xung có thể được sử dụng để chế tạo cách

tử Bragg, phẫu thuật mắt, chữa trị tật về khúc xạ bằng laser …

Các nguồn laser tử ngoại thông dụng hiện đang sử dụng bao gồm: laser khí phân tử N2,

H2 ; laser khí hiếm (Ar+, Kr+, Ne+); laser excimer; laser màu phát bức xạ tử ngoại; laser bán dẫn; các nguồn laser tử ngoại thu được bằng phương pháp biến đổi tần số Nhược điểm chung của nguồn phát bức xạ tử ngoại này là thiết kế phức tạp, môi trường độc tính; hoặc là những vấn đề về kích thước, bảo dưỡng, hiệu suất, độ rộng xung, khả năng điều chỉnh bước sóng và tính linh hoạt, độ rộng phổ, độ rộng xung của các laser này chưa phù hợp cho các ứng dụng rộng rãi trong vùng UV Vì những lý do này, giải pháp tối ưu để thu được một nguồn bức xạ tử ngoại hiệu quả, đáng tin cậy, nhỏ gọn và chi phí hợp lý là phát triển các nguồn laser rắn

Trong nghiên cứu môi trường, ví dụ nghiên cứu mật độ và phân bố ozone, do đặc điểm phổ hấp thụ nằm trong vùng bước sóng 240 – 340 nm nên các nguồn laser tử ngoại sẽ được dùng làm nguồn kích thích cho hệ Lidar Raman Cụ thể như, nghiên cứu môi trường khi khảo sát tầng khí quyển như 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 và công nghệ cho vật liệu laser và laser rắn là hướng khoa học và công nghệ thời sự, đang được phát triển rất mạnh trên thế giới, vì nó không chỉ mang ý nghĩa khoa học cơ bản và phát triển công nghệ mà còn có ý nghĩa thực tiễn và ứng dụng cấp thiết

Do đó, nhiều trung tâm, viện nghiên cứu và trường đại học trên thế giới có các chương trình nghiên cứu trong việc phát triển vật liệu và nguồn phát laser cũng như đánh giá tính thực tiễn của các hệ thống laser này trong nhiều ứng dụng khác nhau Ví dụ, Trung tâm nghiên cứu Quang tử, Đại học Macquarie Sydney, Úc đang cố gắng phát triển nguồn laser rắn phát xung cực ngắn trong vùng bước sóng tử ngoại cho ứng dụng quang phổ laser Trung tâm nghiên cứu về biến đổi khí hậu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Đài Loan là một trong những trung

tâm không phát triển laser nhưng lại có nhu cầu cấp thiết sử dụng laser trong 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, trong đó có ứng dụng làm môi trường phát laser

Trên thế giới, vật liệu và công nghệ laser tử ngoại vẫn đang được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm nghiên cứu Bằng việc tính toán và thực nghiệm, người ta đã chứng minh khi thay đổi áp suất, nhiệt độ lên tinh thể theo một hay ba chiều sẽ dẫn đến sự thay đổi độ rộng vùng cấm của vật liệu Ce:Fluoride, từ đó có thể mở rộng phổ phát xạ của laser Gần đây, một

số nghiên cứu cho laser tử ngoại phát xung ngắn và điều chỉnh bước sóng cũng đã được thực hiện Với việc sử dụng chế độ khóa mode BCH một laser xung ngắn 6 ps đã được phát triển thành công Hơn nữa, khi sử dụng phin lọc lưỡng chiết trong BCH, một laser xung ngắn và điều chỉnh bước sóng đã được nghiên cứu

Trước những kết quả KH-CN mang tính cách mạng của giới khoa học quốc tế dựa trên

cơ sở phát triển và ứng dụng laser, hiện nay ở trong nước, các cơ sở nghiên cứu khoa học, ứng dụng và đào tạo (về vật lý, khoa học vật liệu, hoá lý, y-sinh học, thông tin và môi trường ) đang ngày càng có nhu cầu trong việc ứng dụng các nguồn laser, đặc biệt là các nguồn laser đặc chủng để nâng cao khả năng, chất lượng và trình độ nghiên cứu, ứng dụng

và đào tạo - đáp ứng các đòi hỏi của sự hội nhập Khoa học - Công nghệ trong khu vực và quốc tế

Ở Việt Nam, không nhiều nhà khoa học và viện nghiên cứu tập trung vào hướng vật liệu và công nghệ laser, do đó, các nghiên cứu và định hướng ứng dụng laser còn hạn chế Gần đây, tại Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, hệ laser màu tử ngoại phát xung pico-giây dựa trên phương pháp nhân tần số, ứng dụng trong hệ LIDAR đã được nghiên cứu và phát triển thành công Sử dụng phương pháp phản hồi phân bố với môi trường hoạt chất Rhodamine 6G được bơm bằng hòa ba bậc hai của laser Nd:YAG ở bước sóng 532 nm bước sóng phát ra 565,8 nm và 572,6 nm Sau khi sử dụng tinh thể BBO để nhân tần, bước sóng laser tử ngoại ở 282,9 nm và 286,4 nm đã được phát triển Tuy nhiên với việc sử dụng chất màu làm môi trường hoạt chất cho laser, cũng như sử dụng tinh thể BBO để chuyển đổi bước sóng laser từ vùng khả kiến sang vùng tử ngoại nên năng lượng laser lối ra là nhỏ, chỉ cỡ vài nano-jun, hiệu suất chuyển đổi bước sóng này rất thấp chỉ cỡ vài %, độ ổn định của laser không cao, chất màu có khả năng gây độc hại tới môi trường xung quanh và người sử dụng Do vậy, nó hạn chế nhiều ứng dụng, ngay cả ứng dụng trong

hệ LIDAR

Trong vài thập niên gần đây, bằng việc sử dụng vật liệu Fluoride pha tạp ion đất hiếm dựa trên dịch chuyển 4f-5d, người ta đã phát triển thành công các môi trường hoạt chất laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại như: Ce3+:LiSrAlF6 (280-320 nm); Ce3+:LiCaAlF6 (Ce:LiCAF, 280-320 nm); Ce3+:LuLiF4 (Ce:LLF, 300-340 nm) và Ce3+:YLiF4 (Ce:YLF, 300-340 nm);

Ce3+:LaF3 và Ce3+:LuF3 (Ce:LaF và Ce:LuF, 275-315 nm) Ưu điểm của các môi trường hoạt chất laser này là phổ phát xạ rộng, hiệu suất laser cao, mật độ công suất bơm bão hòa và ngưỡng bơm phá hủy lớn

Trong các vật liệu tinh thể laser tử ngoại Ce-Fluoride thì môi trường tinh thể Ce:LiCAF được ứng dụng rộng rãi hơn cả, do nó có những ưu điểm vượt trội hơn so với các môi trường Ce-Fluoride khác Môi trường tinh thể Ce:LiCAF có đỉnh phổ hấp thụ mạnh tại bước sóng

266 nm phù hợp với bơm quang học bằng họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG, vùng điều chỉnh bước sóng rộng (280 - 320 nm), tiết diện phát xạ laser lớn (σe= 6x10-18 cm2), mật độ năng lượng bơm bão hòa cao (115 mJ/cm2), ngưỡng phá hủy lớn (5 J/cm2

), hiệu suất lên đến 46% … Tất cả các ưu điểm của môi trường Ce:LiCAF là thuận lợi cho việc phát triển các laser tử ngoại rắn, phát xung ngắn, băng hẹp, điều chỉnh bước sóng và công suất cao

Từ các phân tích trên, việc nghiên cứu và phát triển các nguồn laser rắn tử ngoại: công suất cao, xung ngắn, băng hẹp và có khả năng điều chỉnh bước sóng tại Việt Nam mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và tính ứng dụng cao Xuất phát từ các yêu cầu đó, tôi chọn đề

tài “Nghiên cứu các tính chất động học và phát triển hệ laser rắn tử ngoại sử dụng vật liệu pha tạp ion Ce 3+ ” làm hướng nghiên cứu chính của mình

Mục tiêu của luận án bao gồm:

- Nghiên cứu các quá trình động học phát xạ cho laser rắn tử ngoại Ce:LiCAF băng rộng,

có khả năng phát đơn xung ngắn dưới nano giây Đánh giá ảnh hưởng của năng lượng laser bơm, thông số BCH lên độ rộng xung laser lối ra

- Nghiên cứu động học phát xạ băng hẹp và điều chỉnh bước sóng của laser tử ngoại sử dụng tinh thể Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow Đánh giá ảnh hưởng của năng lượng

laser bơm, thông số BCH lên độ rộng phổ phát xạ và độ rộng xung laser lối ra

- Phát triển hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF rắn được bơm bằng họa ba bậc 4 của laser switching Nd:YAG ở bước sóng 266 nm phát băng rộng, đơn xung ngắn và phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử dụng cấu hình cách tử Littrow

Q Nghiên cứu một số cấu hình mở rộng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF là tiền đề cho việc phát triển các bộ khuếch đại công suất cao và ở trong các điều kiện hoạt động đặc biệt Luận án được thực hiện bằng cả nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm Các nghiên cứu lý thuyết về động học phát xạ đơn xung ngắn sử dụng phương pháp quá độ buồng cộng hưởng; phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử dụng cấu hình cách tử Littrow cho môi trường Ce:LiCAF đã được thực hiện, các kết quả tối ưu được sử dụng trong việc thiết kế hệ thực nghiệm cho laser tử ngoại Ce:LiCAF Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện với BCH laser tử ngoại Ce:LiCAF xung đơn ngắn, băng hẹp và điều chỉnh bước sóng Ngoài ra, việc phát triển cấu hình sử dụng tinh thể cắt dạng kim cương cũng như cấu hình phản xạ nội toàn phần để mở rộng khả năng phát xạ cũng như ứng dụng của laser tử ngoại Ce:LiCAF đã được thực hiện Từ các nghiên cứu này, luận án được trình bày trong 03 chương:

Chương 1: Vật liệu và laser tử ngoại Ce:LiCAF

Chương 2: Động học phát xạ laser tử ngoại sử dụng môi trường tinh thể Ce:LiCAF Chương 3: Nghiên cứu và phát triển hệ laser tử ngoại rắn sử dụng môi trường tinh thể

Ce:LiCAF

Luận án được thực hiện tại Khoa Vật lý, Học viện Khoa học và Công nghệ và Trung tâm Điện tử học Lượng tử - Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phạm Hồng Minh và GS TS Nguyễn Đại Hưng

CHƯƠNG I VẬT LIỆU VÀ LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE

Chương I trình bày một số nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại hiện đang được sử dụng trong nghiên cứu và ứng dụng, đặc biệt là đặc trưng quang học của các môi trường hoạt chất pha tạp ion đất hiếm pha tạp ion Ce3+

có khả năng phát xạ laser trong vùng bước sóng tử

ngoại nhờ dịch chuyển 4f-5d Ngoài ra, chúng tôi cũng trình bày một số kỹ thuật phát xung ngắn và phát bức 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 được công bố lần đầu tiên vào năm 1993 bởi nhóm nghiên cứu M A Dubinskii Đến nay, môi trường này đã được chứng minh là hiệu quả nhất cho phát triển các hệ laser tử ngoại rắn Cho đến nay, tinh thể Ce:LiCAF được nuôi bằng các kỹ thuật như Bridgeman-Stockbarger, Czochraski, micro pulling down, đạt được những kết quả nổi bật trong việc phát bức xạ tử ngoại với khả năng điều chỉnh bước sóng trong dải rộng lên đến 40 nm tùy thuộc nồng độ, trong khi hiệu suất lượng tử của Ce:LiCAF trên 90%, hiệu suất laser lên đến 46%

Ưu điểm lớn nhất của môi trường tinh

thể Ce:LiCAF có dải hấp thụ từ 250 nm đến

282 nm, với cực đại tại bước sóng 266 nm

(phân cực π) và 272 nm (phân cực σ), vì thế,

môi trường tinh thể này có thể được bơm bởi

họa ba bậc bốn của các laser Nd3+ ở bước

sóng 266 nm, Hình 1.10 Hơn nữa, phổ phát

xạ của môi trường tinh thể Ce:LiCAF là một

dải rộng, từ 280 nm đến 320 nm, vì vậy, môi

trường tinh thể này thích hợp cho việc phát

triển các nguồn laser điều chỉnh bước sóng

) nên rất thích hợp để phát triển các 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 của ion Ce3+ trong chất nền) phù hợp cho các bộ khuếch đại nhiều lần truyền qua Với những ưu điểm nổi bật của môi trường tinh thể Ce:LiCAF, chúng tôi lựa chọn môi trường này làm môi trường hoạt chất phát triển các nguồn laser tử ngoại trong các nghiên cứu của luận án

Với mục tiêu phát triển các nguồn laser tử ngoại phát xung ngắn, băng rộng, băng hẹp

và điều chỉnh bước sóng cho các ứng dụng nghiên cứu môi trường, luận án trình bày một số kết quả nghiên cứu đã được công bố về công nghệ trong laser tử ngoại, bao gồm: phát xung ngắn, băng hẹp, điều chỉnh bước sóng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF

Kết luận chương I

Trong chương I, chúng tôi đã giới thiệu, phân tích một cách tổng quan về sự phát triển của laser tử ngoại, đặc biệt là laser UV sử dụng tinh thể Ce:Fluoride các môi trường hoạt chất, cho thấy: i) Việc phát triển các laser UV rắn cho các ứng dụng khoa học và công nghệ

là cấp thiết, đặc biệt là các nguồn laser tử ngoại rắn sử dụng môi trường hoạt chất pha tạp ion đất hiếm ii) Các ưu điểm của môi trường Ce:LiCAF là thuận lợi cho việc phát triển laser tử ngoại rắn, phát xung ngắn, băng hẹp, điều chỉnh bước sóng và công suất cao tại Việt Nam iii) Các vấn đề khoa học công nghệ cần nghiên cứu trước đây mới chỉ dừng lại ở việc phát

triển hệ thực nghiệm, mà chưa có những nghiên cứu mô phỏng để mô tả cơ chế phát xạ của laser UV Ce:LiCAF

Do đó, trong Chương 2 của luận án chúng tôi lựa chọn phương pháp quá độ BCH để phát các xung ngắn dưới nano giây và cấu hình sử dụng cách tử Littrow có khả năng 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 trên hệ phương trình tốc độ đa bước sóng cho các cấu hình khác nhau

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC CHO LASER

TỬ NGOẠI SỬ DỤNG TINH THỂ Ce:LiCAF

Chương II, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu động học phát xạ cho laser tử ngoại Ce:LiCAF với các cấu hình laser: i) Cấu hình Fabry-Perot băng rộng và phát xung ngắn; ii) Cấu hình phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng vf xung ngắn sử dụng cách tử Littrow Trong cả hai cấu hình, chúng tôi hướng tới việc phát các đơn xung ngắn bằng phương pháp quá độ buồng cộng hưởng Sự ảnh hưởng của các thông số như năng lượng bơm, chiều dài BCH, hệ số phản xạ gương lên động học phát xạ laser cũng như chế độ phát đơn xung của laser lối ra cũng đã được đánh giá

2.1 Mô hình lý thuyết cho động học phát xạ laser đa bước sóng

Hệ phương trình tốc độ đa bước sóng mô tả động học phát xạ laser

Động học phát xạ của laser tử ngoại được thực hiện dựa trên hệ phương trình tốc độ

đa bước sóng với các thông số tính toán được lấy từ thực nghiệm, được xây dựng cho hai mức laser rộng với mô hình tính toán 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 R 1 , R 2, chiều dài buồng

cộng hưởng L Mô hình tính toán này được giả thiết rằng mức laser trên và mức laser dưới là

mở rộng đồng nhất, bỏ qua các hiệu ứng hấp thụ tại bước sóng bơm và bước sóng laser ở trạng thái kích thích và không tồn tại tâm màu Tinh thể được bơm quang học với cấu hình bơm dọc bằng xung bơm dạng Gauss với phân bố bên trong tinh thể là đồng nhất Để biểu diễn cho phát xạ băng rộng với n bước sóng khác nhau, hệ phương trình tốc độ được viết dưới dạng:

2.2 Động học phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF băng rộng và phát xung ngắn bằng phương pháp quá độ buồng cộng hưởng

Động học phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng rộng

Đối với cấu hình sử dụng BCH hai gương phẳng, hệ số mất mát do gương trong một

chu trình đi-về trong BCH, được xác định như sau: β= - ln(R 1 R 2 ); R1, R2 hệ số phản xạ của gương trong BCH; Động học phát xạ băng rộng của laser tử ngoại Ce:LiCAF với cấu hình BCH: L=20 mm, R1=100%, R2=30%, năng lượng bơm thay đổi được chỉ ra trong Hình 2.2

a Động học phát xạ băng rộng với năng lượng laser bơm ≤2 lần trên ngưỡng

b Động học phát xạ băng rộng với năng lượng laser bơm từ 2 lần đến 8 lần trên ngưỡng

c Động học phát xạ băng rộng với năng lượng laser bơm cao trên 8 lần so với ngưỡng

Hình 2.2 Động học phát xạ băng rộng của laser tử ngoại Ce:LiCAF với năng lượng laser bơm

thay đổi từ ngưỡng phát đến rất cao trên ngưỡng

Các kết quả nghiên cứu cho thấy, ngưỡng phát laser tại năng lượng laser bơm Eb=2,8

mJ Khi năng lượng bơm gần ngưỡng (khoảng 2 lần trên với ngưỡng phát laser), laser phát đơn xung (Hình 2.2a) Tiếp tục tăng năng lượng laser bơm, laser tử ngoại Ce:LiCAF phát đa xung, càng tăng năng lượng thì số lượng xung laser ra càng nhiều (Hình 2.2b) Khi năng lượng laser bơm quá cao so với ngưỡng phát (trên 8 lần so với ngưỡng phát laser) thì sườn sau của xung laser lối ra là bão hòa và gần như lặp lại xung bơm (Hình 2.2c)

Các kết quả này được giải thích dựa trên cơ sở sự tích thoát của độ tích lũy ở mức kích

thích Khi năng lượng bơm thấp (bơm gần ngưỡng) thì quá trình để đạt được nghịch đảo độ

tích lũy giữa hai mức laser trên và laser dưới xảy ra lâu hơn, cũng như sự tái tích lũy khó có thể đạt đến ngưỡng phát sau quá trình laser đầu tiên xảy ra; điều này làm cho thời điểm phát xung laser muộn hơn và chỉ xuất hiện một dao động Khi năng lượng bơm cao so với ngưỡng phát thì mật độ ion ở mức kích thích có thể được tái tích lũy đến mật độ ngưỡng sau khi phát laser, do đó số lần dao động của cường độ laser tăng lên Riêng trong trường hợp năng lượng bơm quá cao trên ngưỡng, quá trình tích lũy và quá trình laser có thể đạt đến trạng thái dừng,

vì vậy xung laser lặp lại xung bơm Mặt khác, năng lượng bơm càng lớn cũng đồng nghĩa với tốc độ tích thoát của độ tích lũy ở mức kích thích càng tăng, cho nên thời điểm phát xung laser càng sớm, cũng như khoảng cách giữa các dao động càng hẹp lại

Để đáp ứng yêu cầu về sự tương tác giữa đơn xung laser được sử dụng làm nguồn kích thích và đối tượng cần nghiên cứu, do đó, các nghiên cứu về động học phát xạ cho laser tử ngoại sử dụng môi trường tinh thể Ce:LiCAF được tập trung trong điều kiện phát đơn xung ngắn được bơm gần ngưỡng; đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số như: năng lượng laser bơm, chiều dài BCH và hệ số phản xạ gương lên độ rộng của xung laser lối ra Từ các kết quả đó, chúng tôi có thể tìm được các các thông số tối ưu để đạt được độ rộng xung laser ra ngắn nhất

Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên độ rộng xung laser lối ra

Một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng lên cơ chế phát xung và độ rộng xung laser lối ra là năng lượng laser bơm Do đó, sự ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên độ rộng xung laser lối ra đã được khảo sát Kết quả chỉ ra rằng, đối với một BCH nhất định hoàn toàn có thể tối ưu năng lượng laser bơm để phát được đơn xung ngắn nhất, đây là vị trí ứng với năng lượng laser bơm trước khi laser phát đa xung Đây chính là điểm quá độ trong phương pháp quá độ BCH phát xung đơn ngắn Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên độ rộng xung laser lối ra là một trong các điều kiện phát laser xung đơn ngắn bằng phương pháp quá độ BCH

Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra lên độ rộng xung laser lối ra

Hệ số phản xạ của gương (R1, R2) hay hệ số mất mát có ảnh hưởng trực tiếp lên độ rộng xung laser lối ra Sự ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương lên độ rộng xung laser lối ra khi các thông số như năng lượng laser bơm, chiều dài BCH và R1 không thay đổi, hệ số phản

xạ R2 thay đổi cho laser Ce:LiCAF đã được đánh giá Kết quả chỉ ra rằng, trong điều kiện phát đơn xung, độ rộng xung laser lối ra giảm khi tăng hệ số phản xạ gương ra, độ rộng xung laser lối ra nhỏ nhất tương ứng với R2 mà trước khi laser phát đa xung Ngoài ra, từ biểu thức (2.8), với cấu hình BCH, độ rộng xung laser lối ra phụ thuộc vào giá trị của hệ số mất mát β,

do đó, để phát được các xung đơn càng ngắn thì hệ số phản của gương là càng nhỏ Đây cũng

là một trong những điều kiện phát đơn xung ngắn cho phương pháp quá độ BCH

Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối ra

Thời gian đi lại của photon trong BCH và độ rộng xung laser lối ra phụ thuộc rất lớn vào chiều dài BCH, do đó, chúng tôi đi khảo sát ảnh hưởng của chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối ra Các kết quả chỉ ra rằng, trong điều kiện phát đơn xung, độ rộng xung laser lối ra tăng khi chiều dài BCH tăng, do đó để phát được laser xung đơn ngắn yêu cầu chiều dài BCH ngắn

Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn quá độ BCH

Thông qua việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số như: năng lượng bơm, chiều dài và hệ số phản xạ gương trong BCH lên độ rộng xung laser lối ra với môi trường hoạt chất Ce:LiCAF, sự phụ thuộc của độ rộng xung laser lối ra với cấu hình BCH khác nhau theo năng lượng của laser bơm được chỉ ra, kết quả được tổng hợp trên Hình 2.7

Hình 2.7 cho thấy, với mỗi cấu hình BCH, độ rộng xung laser lối ra là một hàm theo năng lượng bơm Khi năng lượng bơm sát ngưỡng xung laser lối

ra là đơn xung với độ rộng xung lớn, khi tăng dần năng lượng laser, độ rộng xung lối ra giảm dần Tuy nhiên, nếu năng bơm tiếp tục tăng thì đến một giá trị nào đó, laser phát ra không còn là đơn xung nữa Do vậy, đối với mỗi BCH cần tối ưu năng lượng laser bơm để độ rộng đơn xung lối ra là nhỏ nhất tại năng lượng laser bơm mà trước khi laser phát đa xung Đường số 4 biểu diễn sự tối ưu theo năng lượng

laser bơm để có thể nhận được độ rộng xung laser

Hình 2.7 Sự phụ thuộc của độ rộng

đơn xung laser ngắn nhất thu được với

các BCH khác nhau theo năng lượng

laser bơm

lối ra ngắn nhất với BCH chiều dài L= 20 mm, R1=30%; R2=14% Kết quả chỉ ra rằng, với cùng hệ số phản xạ gương thì thì độ rộng xung laser lối ra ngắn nhất nhận được với BCH ngắn hơn Còn với BCH cùng chiều dài, độ rộng xung ngắn nhất nhận được với BCH có hệ

số phản xạ gương thấp hơn Trên cơ sở đó, chúng tôi khảo sát động học phát xạ xung ngắn

dưới nano giây bằng phương pháp quá độ BCH (L=20 mm) với hai cặp gương: 1) R 1 =30%

và R 2 =14%; 2) R 1 =25% và R 2 =14%, các kết quả được chỉ ra trên Hình 2.8

Kết quả đánh giá độ rộng xung laser lối ra với BCH sử dụng hai cặp gương chỉ ra rằng, sau khi tối ưu năng lượng laser bơm, độ rộng đơn xung ngắn nhất nhận được là 267 ps với năng lượng laser bơm 10,4 mJ (1,9 lần trên ngưỡng) cho cặp gương (25%, 14%) Đối với cấu hình BCH sử dụng cặp gương (R1=30% và R2=14%), độ rộng đơn xung ngắn nhất nhận được là 292 ps với năng lượng laser bơm 9,5 mJ (1,7 lần trên ngưỡng) Đối với cấu hình sử dụng cặp gương này, thời gian sống của photon và thời gian đi lại trong một chu trình đi-về trong BCH lần lượt là 48 ps và 150 ps Điều đó có nghĩa rằng, photon đi-về 3 lần trong BCH, sau khi được khuếch đại sẽ phát xung laser

Hình 2.8 Động học phát xạ xung laser pico giây Ce:LiCAF với cấu hình quá độ BCH chiều dài

L=20 mm: a) R 1 =25%, R 2 =14%, E b = 9,5 mJ; b) R 1 =25%, R 2 =14%, E b = 10,5 mJ Độ rộng xung laser lối ra lần lượt là 292 ps và 267 ps

Các kết quả nghiên cứu động học phát xạ đơn xung ngắn bơm gần ngưỡng của laser

tử ngoại Ce:LiCAF được sử dụng để định hướng cho các nghiên cứu, phát triển hệ laser tử ngoại băng rộng phát xung pico giây trong thực nghiệm

2.3 Động học phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử dụng cách tử Littrow

Dưới đây, trình bày các kết quả nghiên cứu động học phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng và khả năng phát xung ngắn sử dụng phương pháp quá độ BCH sử dụng cấu hình cách

( ) ( ) [ ( )

Rg(λi) là hệ số phản xạ được tính cho cách tử trong khoảng bước sóng khảo sát λi ±∆λi; ( ) là hệ số phản xạ tại bước sóng trung tâm λi, Từ đó, biểu thức cho hệ số mất mát được biến đổi như sau:

[ ( ) [ ( )

Tiến hành giải hệ phương trình tốc độ đa bước sóng khi sử dụng hệ phương trình (2.4), (2.5), (2.6) và (2.10), động học phát xạ băng hẹp và điều chỉnh bước sóng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF với cấu hình cách tử Littrow đã được thực hiện

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, 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

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

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 9,5 mJ; góc quay cách tử β i =20,3 o

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 β i, góc quay tương ứng với từng bước

sóng được điều chỉnh Góc quay cách tử β i 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 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

Vùng bước sóng được điều chỉnh ghi nhận từ 278 nm đến 302

nm, 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

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 18,9 o ÷ 23,3 o , vùng bước sóng ghi nhận từ 278

nm đến 302 nm với BCH L=20 mm, gương ra R 2 =14%,

năng lượng laser bơm E b =15 mJ

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