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

Động học phát xạ băng hẹp, đơn xung ngắn của laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow...52 Kết luận chương II...58 CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ LASER TỬ NGOẠI RẮN SỬ DỤNG MÔI TR

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ

CÔNG NGHỆ

-

-PHẠ

M VĂN DƯƠ NG

NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC VÀ PHÁT TRIỂN HỆ LASER RẮN

TỬ NGOẠI SỬ DỤNG VẬT

LIỆU PHA TẠP ION Ce3+

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

HÀ NỘ

I – 202 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ

CÔNG NGHỆ

- - - -

-P H Ạ M V Ă

N DƯƠNG

NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC

VÀ PHÁT TRIỂN HỆ LASER RẮN

TỬ NGOẠI

SỬ DỤNG VẬT LIỆU PHA TẠP ION

Ce3+

Chuyên ngành: QUANG HỌC

Mã số: 944 01 10

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS TS PHẠM HỒNG

MINH

H

À N ỘI – 20 21

LỜI CẢM ƠN

Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Khoa Vật lý, Học viện Khoahọc & Công nghệ và Trung tâm Ðiện tử học Lượng tử, Viện Vật lý, Viện Hàn lâmKH&CN Việt Nam duới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phạm Hồng Minh vàGS.TS Nguyễn Ðại Hưng

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai Thầy hướng dẫn, đầutiên là PGS.TS Phạm Hồng Minh, người Thầy trực tiếp dẫn dắt, chỉ bảo tận tình vàtạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án này.Tôi xin gửi tới GS.TS Nguyễn Ðại Hưng, nguời Thầy dã chỉ bảo tận tình, địnhhuớng phương pháp nghiên cứu khoa học và động viên tôi trong suốt quá trình họctập

Tôi xin trân trọng cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâmKhoa học và Công nghệ Việt Nam đã hỗ trợ tôi trong thời gian nghiên cứu và thựchiện luận án Dưới sự hỗ trợ tận tâm của Lãnh đạo, các Phòng, Ban đã tạo mọi điềukiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian qua

Ðồng thời, học viên cũng gửi lời cảm ơn chân thành tới Trung tâm Vật lýQuốc tế và GS N.Sarukura, Ðại học Osaka, Nhật Bản đã có sự hỗ trợ to lớn đối vớiNCS trong thời gian thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy, Cô, các Anh Chị và đồng nghiệptại Viện Vật lý nơi tôi học tập và công tác, vì sự cộng tác và giúp đỡ quý báu để tôihoàn thành bản luận án này Tôi xin ghi nhớ sự quan tâm chỉ bảo của tất cả cácThầy, Cô, các Anh Chị và mọi người

Cuối cùng, tôi đặc biệt gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người luôn luônyêu thương, tin tưởng, cổ vũ và động viên tôi trong quá trình học tập

Hà nội, ngày tháng năm 20

Nghiên cứu sinh

Phạm Văn Dương

LỜI CAM ÐOAN

Tôi xin cam đoan luận án Tiến sỹ Vật lý, chuyên ngành Quang học với 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+ ” là đề tài nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng

dẫn khoa học của PGS TS Phạm Hồng Minh và GS.TS Nguyễn Ðại Hưng

Các số liệu và tài liệu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trongbất kỳ công trình nghiên cứu nào Tất cả những tham khảo, các kế thừa đều đượctrích dẫn và tham chiếu đầy đủ

Hà nội, ngày tháng năm 20

Nghiên cứu sinh

Phạm Văn Dương

MỤC LỤC

BẢNG KÝ HIỆU HOẶC CHỮ CÁI VIẾT TẮT i

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ iii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: VẬT LIỆU VÀ LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE 6

1.1 Các nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại và môi trường Ce:Fluoride 6

1.1.1 Các nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại 6

1.1.2 Laser tử ngoại sử dụng môi trường tinh thể pha tạp ion đất hiếm 9

1.1.3 Môi trường tinh thể Ce:LaF và Ce:LuF 12

1.1.4 Môi trường tinh thể Ce:LLF và Ce:YLF 13

1.1.5 Môi trường tinh thể Ce:LiSAF 15

1.1.6 Môi trường tinh thể Ce:LiCAF 17

1.2 Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn 21

1.2.1 Phát xung ngắn bằng các nguồn bơm xung ngắn 21

1.2.2 Phát xung ngắn bằng phương pháp tự tiêm thụ động 22

1.2.3 Phát xung ngắn bằng phương pháp khóa mode BCH 23

1.2.4 Phát xung ngắn bằng phương pháp quá độ BCH 24

1.3 Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng hẹp và điều chỉnh bước sóng 25

1.3.1 Cấu hình sử dụng lăng kính 25

1.3.2 Cấu hình sử dụng phin lọc lưỡng chiết 26

1.3.3 Cấu hình sử dụng cách tử 27

Kết luận chương I 31

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC CHO LASER TỬ NGOẠI SỬ DỤNG TINH THỂ Ce:LiCAF 32 2.1 Mô hình lý thuyết cho động học phát xạ laser đa bước sóng 32

2.1.1 Sơ đồ các mức năng lượng của ion Ce 3+ pha tạp trong nền Fluoride 32

2.1.2 Hệ phương trình tốc độ đa bước sóng mô tả động học phát xạ laser 34

2.1.3 Thông số tính toán động học phát xạ sử dụng môi trường tinh thể Ce:LiCAF 36

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 37

2.2.1 Động học phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng rộng 37

2.2.2 Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên độ rộng xung laser lối ra 40

2.2.3 Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra lên độ rộng xung laser lối ra 42 2.2.4 Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối ra 44

2.2.5 Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn quá độ BCH 46

2.3 Động học phát xạ laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử dụng cách tử Littrow 48

2.3.1 Mô hình nghiên cứu động học cho laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử dụng cách tử Littrow 49

2.3.2 Động học phát xạ băng hẹp và điều chỉnh bước sóng của laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow 49

2.3.3 Động học phát xạ băng hẹp, đơn xung ngắn của laser Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow 52

Kết luận chương II 58

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ LASER TỬ NGOẠI RẮN SỬ DỤNG MÔI TRƯỜNG TINH THỂ Ce:LiCAF 59 3.1 Hệ thực nghiệm laser tử ngoại rắn Ce:LiCAF 59

3.1.1 Các thiết bị và linh kiện quang học sử dụng trong hệ thực nghiệm 59

3.1.2 Sự phụ thuộc của thông số chùm bơm lên thiết kế hệ thực nghiệm cho laser tử ngoại Ce:LiCAF 61

3.1.3 Thiết kế hệ laser Ce:LiCAF rắn phát trực tiếp bức xạ tử ngoại 63

3.2 Laser tử ngoại Ce:LiCAF băng rộng phát đơn xung ngắn 65

3.2.1 Đặc trưng của laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng rộng 65

3.2.2 Nghiên cứu động học phát xạ băng rộng của laserUV Ce:LiCAF 67

3.2.2 Ảnh hưởng của các thông số lên độ rộng xung lối ra 69

3.2.3 Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát đơn xung ngắn bằng phương pháp quá độ buồng cộng hưởng 73

3.3 Laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bước sóng, đơn xung ngắn sử dụng cấu hình cách tử Littrow… ……… 74

3.3.1 Laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình cách tử Littrow 75

3.3.2 Laser Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bước sóng, đơn xung ngắn .75

3.4 Laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng tinh thể cắt dạng kim cương 79

3.4.1 Tinh thể Ce:LiCAF cắt dạng kim cương 80

3.4.2 Sự phân bố huỳnh quang trong tinh thể cắt dạng kim cương 81

3.4.3 Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng tinh thể cắt dạng kim cương 82

3.5 Laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình phản xạ nội toàn phần 84

3.5.1 Cấu hình BCH vòng sử dụng cặp lăng kính Pellin-Broca 84

3.5.2 Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình phản xạ nội toàn phần 85 3.5.3 Đặc trưng phát xạ của laser Ce:LiCAF sử dụng cấu hình phản xạ nội toàn phần 86

Kết luận chương III 88

KẾT LUẬN CHUNG 89

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

PHỤ LỤC 104

BẢNG KÝ HIỆU HOẶC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

Ce:Fluoride Vật liệu Fluoride pha tạp Cerium (Ce3+)

σ ai Tiết diện hấp thụ tại bước sóng λi

σ ei Tiết diện phát xạ tại bước sóng λi

β Hệ số mất mát trong một chu trình đi-về trong BCH

τ Thời gian sống huỳnh quang của ion hoạt chất

τ c Thời gian sống của photon trong BCH

P abs Công suất laser bơm được hấp thụ

P in Công suất laser bơm

α a Hệ số hấp thụ của môi trường hoạt chất

TIR Phản xạ nội toàn phần (Total internal reflection)

PB Lăng kính Pellin – Broca

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng

Bảng 1.1.Một số môi trường laser màu phát bức xạ tử ngoại

điển hình

Bảng 1.3.Thông số của môi trường Ce:LiSAF

Bảng 1.4.Tiết diện hấp thụ và phát xạ của môi trường Ce:LiCAF

cho laser tử ngoại Ce:LiCAF

Bảng 2.2.Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên độ rộng xung

laser lối ra đối với laser Ce:LiCAF phát băng rộng

Bảng 2.3.Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra lên độ rộng xung

laser lối ra đối với laser Ce:LiCAF phát băng rộng

Bảng 2.4.Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối

ra đối với laser Ce:LiCAF phát băng rộng

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.

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

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

Bảng 3.1.Các thông số của môi trường Ce:LiCAF

Hình 3.6.

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 sángkhả kiến, thường được gọi dưới tên “tia oxy hóa”, "tia hóa học", "tithonic rays”[1-2] Năm 1878 ảnh hưởng của ánh sáng bước sóng ngắn lên vi khuẩn, có hiệuquả khử trùng đã được phát hiện [3-6] Các quan sát thấy được khi đánh giá khảnăng hấp thụ mạnh của bức xạ tử ngoại dưới 200 nm trong không khí và được đặttên bức xạ tử ngoại chân không vào năm 1893 bởi nhà Vật lý người Đức VictorSchumann 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 củabức xạ tử ngoại lên các phân tử DNA mới được biết đến [4, 7-9]

Sự ra đời của laser năm 1960 với đặc trưng ưu việt của nó đã mang lạibước tiến nhảy vọt trong công nghệ của các nguồn phát bức xạ tử ngoại Tùythuộc vào vùng bước sóng, đặc trưng của từng loại laser khác nhau mà chúng cóứng dụng riêng

Laser UV có rất nhiều ứng dụng quan trọng trải rộng trên nhiều lĩnh vựckhoa học và công nghệ như trong hóa học, vật lý, kỹ thuật, khoa học vật liệu, yhọc, thông tin lượng tử, quang điện tử, sinh học và khoa học môi trường [10-17].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 suốtvới ánh sáng nhìn thấy, nguồn UV liên tục được ứng dụng trong in thạch bản kíchthước nhỏ, trong sản xuất chip bán dẫn [18] 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 vềkhúc xạ bằng laser …

Các nguồn laser tử ngoại thông dụng hiện đang sử dụng bao gồm: laser khíphân tử N2, H2 [19-21]; laser khí hiếm (Ar+, Kr+, Ne+) [22, 23]; laser excimer[24-27]; laser màu phát bức xạ tử ngoại [28-32]; laser bán dẫn [33, 34]; cácnguồn laser tử ngoại thu được bằng phương pháp biến đổi tần số [35-38] Nhượcđiểm chung của nguồn phát bức xạ tử ngoại này là thiết kế phức tạp, môi trườngđộc tính; hoặc là những vấn đề về kích thước, bảo dưỡng, hiệu suất, độ rộngxung, 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 trongvùng UV Vì những lý do này, giải pháp tối ưu để thu được một nguồn bức xạ tửngoại hiệu quả, đáng tin cậy, nhỏ gọn và chi phí hợp lý là phát triển các nguồnlaser 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 nguồnlaser tử ngoại sẽ được dùng làm nguồn kích thích cho hệ Lidar Raman Cụ thểnhư, nghiên cứu môi trường khi khảo sát tầng khí quyển như vùng phổ hấp thụ288-299 nm cho ozone (O3), vùng hấp thụ 299-305 nm cho phân tử khí sulphurdioxide (SO2) [16, 17]

Nghiên cứu vật lý và công nghệ cho vật liệu laser và laser rắn là hướngkhoa học và công nghệ thời sự, đang được phát triển rất mạnh trên thế giới, vì nókhông chỉ mang ý nghĩa khoa học cơ bản và phát triển công nghệ mà còn có ýnghĩa 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 pháttriển vật liệu và nguồn phát laser cũng như đánh giá tính thực tiễn của các hệthống laser này trong nhiều ứng dụng khác nhau Ví dụ, Trung tâm nghiên cứuQuang tử, Đại học Macquarie Sydney, Úc đang cố gắng phát triển nguồn laserrắn phát xung cực ngắn trong vùng bước sóng tử ngoại cho ứng dụng quang phổlaser [39-41] Trung tâm nghiên cứu về biến đổi khí hậu thuộc Viện Hàn lâmKhoa học Đài Loan là một trong những trung tâm không phát triển laser nhưnglại có nhu cầu cấp thiết sử dụng laser trong quan trắc môi trường thông qua kỹthuật LIDAR (Light Detection and Ranging - LIDAR) [42, 43] Viện nghiên cứuVật liệu thuộc Đại học Tohoku, Nhật Bản nuôi tinh thể định hướng ứng dụng,trong đó có ứng dụng làm môi trường phát laser [44-46]

Trên thế giới, vật liệu và công nghệ laser tử ngoại vẫn đang được các nhàkhoa 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 [47-56]

Gần đây, một số nghiên cứu cho laser tử ngoại phát xung ngắn và điềuchỉnh bước sóng cũng đã được thực hiện Với việc sử dụng chế độ khóa modeBCH một laser xung ngắn 6 ps đã được phát triển thành công Hơn nữa, khi sửdụng phin lọc lưỡng chiết trong BCH, một laser xung ngắn và điều chỉnh bướcsóng đã được nghiên cứu [39, 40]

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 sởnghiên 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 ứngdụng 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 vàohướng vật liệu và công nghệ laser, do đó, các nghiên cứu và định hướng ứngdụng laser còn hạn chế Gần đây, tại Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học vàCông nghệ Việt Nam, hệ laser màu tử ngoại phát xung pico-giây dựa trên phươngpháp nhân tần số, ứng dụng trong hệ LIDAR đã được nghiên cứu và phát triểnthành công [57-59] Sử dụng phương pháp phản hồi phân bố với môi trường hoạtchất Rhodamine 6G được bơm bằng hòa ba bậc hai của laser Nd:YAG ở bướcsóng 532 nm bước sóng phát ra 565,8 nm và 572,6 nm Sau khi sử dụng tinh thểBBO để nhân tần, bước sóng laser tử ngoại ở 282,9 nm và 286,4 nm đã được pháttriển 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 kiếnsang vùng tử ngoại nên năng lượng laser lối ra là nhỏ, chỉ cỡ vài nano-jun, hiệusuất chuyển đổi bước sóng này rất thấp chỉ cỡ vài %, độ ổn định của laser khôngcao, chất màu có khả năng gây độc hại tới môi trường xung quanh và người sửdụng 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 tạpion đất hiếm dựa trên dịch chuyển 4f-5d, người ta đã phát triển thành công cácmôi trường hoạt chất laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại như: Ce3+:LiSrAlF6

(280-320 nm); Ce3+:LiCaAlF6 (Ce:LiCAF, 280-320 nm) [60-64]; Ce3+:LuLiF4

(Ce:LLF, 300-340 nm) và Ce3+:YLiF4 (Ce:YLF, 300-340 nm) [65-67]; Ce3+:LaF3

và Ce3+:LuF3 (Ce:LaF và Ce:LuF, 275-315 nm) [68-70] Ưu điểm của các môitrường hoạt chất laser này là phổ phát xạ rộng, hiệu suất laser cao, mật độ côngsuất bơm bão hòa và ngưỡng bơm phá hủy lớn

Trong các vật liệu tinh thể laser tử ngoại Ce-Fluoride thì môi trường tinhthể Ce:LiCAF được ứng dụng rộng rãi hơn cả, do nó có những ưu điểm vượt trộihơn so với các môi trường Ce-Fluoride khác Môi trường tinh thể Ce:LiCAF cóđỉnh phổ hấp thụ mạnh tại bước sóng 266 nm phù hợp với bơm quang học bằnghọa ba bậc bốn của laser Nd:YAG, vùng điều chỉnh bước sóng rộng (280 - 320nm), tiết diện phát xạ laser lớn (σe= 6x10-18 cm2), mật độ năng lượng bơm bãohòa cao (115 mJ/cm2), ngưỡng phá hủy lớn (5 J/cm2), hiệu suất lên đến 46% [60-

63, 71]… Tất cả các ưu điểm của môi trường Ce:LiCAF là thuận lợi cho việcphát 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 tửngoại: công suất cao, xung ngắn, băng hẹp và có khả năng điều chỉnh bước sóngtại 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 ngoạiCe: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 củalaser tử ngoại sử dụng tinh thể Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow Đánhgiá ảnh hưởng của năng lượng laser bơm, thông số BCH lên độ rộng phổphát xạ và độ rộng xung laser lối ra

4

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

- Nghiên cứu một số cấu hình mở rộng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF làtiền đề cho việc phát triển các bộ khuếch đại công suất cao và ở trong cácđiều kiện hoạt động đặc biệt

Luận án được thực hiện bằng cả nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thựcnghiệm Các nghiên cứu lý thuyết về động học phát xạ đơn xung ngắn sử dụngphương pháp quá độ buồng cộng hưởng; phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sửdụng cấu hình cách tử Littrow cho môi trường Ce:LiCAF đã được thực hiện, cáckết quả tối ưu được sử dụng trong việc thiết kế hệ thực nghiệm cho laser tử ngoạiCe:LiCAF Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện với BCH laser tử ngoạiCe:LiCAF xung đơn ngắn, băng hẹp và điều chỉnh bước sóng Ngoài ra, việc pháttriển cấu hình sử dụng tinh thể cắt dạng kim cương cũng như cấu hình phản xạnội toàn phần để mở rộng khả năng phát xạ cũng như ứng dụng của laser tử ngoạiCe: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(GUST, VAST) và Trung tâm Điện tử học Lượng tử - Viện Vật lý, Viện Hàn lâmKH&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 hiệnđang được sử dụng trong nghiên cứu và ứng dụng, đặc biệt là đặc trưng quanghọc của các môi trường hoạt chất pha tạp ion đất hiếm pha tạp ion Ce3+ có khảnăng 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 bănghẹp, điều chỉnh bước sóng cho laser tử ngoại sử dụng môi trường Ce:LiCAF

Ce:Fluoride

Ánh sáng tử ngoại (Ultraviolet light – UV) là các bức xạ điện từ trongvùng bước sóng từ 10 nm đến 400 nm (30 PHz÷750 THz) Cho đến nay, một sốnguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại đã được sử dụng trong nghiên cứukhoa học, chế tạo, đời sống và y-sinh học [1-6] Sau đây, chúng tôi trình bàymột số nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại đã được biết đến, và các môitrường tinh thể Fluoride pha tạp ion Ce3+ được phát triển cho laser trong vùng tửngoại

1.1.1 Các nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại

Laser khí phân tử Môi trường hoạt chất của các laser khí phân tử như:

Laser khí nitrogen N2 (337,1 nm) [19, 20]; laser khí Hydro (160 nm, 116 nm)[21] Nguồn bơm cho laser khí thường sử dụng phương pháp phóng điện vớiđiện áp cao hoặc đèn cao áp Laser nguồn laser này thường có công suất lên đếnhàng chục W, tuy nhiên chỉ phát ở chế độ xung (ns) và không có khả năng điềuchỉnh bước sóng

Laser khí hiếm Một số môi trường laser ion khí hiếm cũng phát xạ liên

tục trong vùng tử ngoại như ion argon (Ar+, 351,1-385,8 nm, 333,6-363,8 nm,275,4-305,5 nm) hoặc ion krypton (Kr+, 275,4-305,5 nm, 337,5-365,4 nm), neon(Ne+, 332,4 nm) với công suất lên đến hàng oát, laser khí hiếm được sử dụngrộng rãi cho các mục đích nghiên cứu khoa học và công nghệ [21-23]

Laser eximer Laser eximer (Excited Dimmer) là laser khí phân tử, hoạt

động dựa trên sự dịch chuyển giữa các mức điện tử dao động, phát bức xạ nằmtrong vùng tử ngoại, tử ngoại chân không và có công suất phát xạ lớn [24-27].Môi trường hoạt chất của laser excimer là các phân tử excimer và chỉ hoạt động ởchế độ xung [25, 26], bao gồm: He2, Ne2; ArF, KrF, XeF, XeO HgBr Hiện nay,laser excimer được ứng dụng trong khoa học kỹ thuật, y sinh học, phẫu thuật, làmnguồn kích thích cho một số môi trường laser, khoan cắt công nghiệp Nhượcđiểm của dòng laser này chỉ phát xung nano giây, không có khả năng điều chỉnhbước sóng, môi trường độc hại, dẫn đến nhiều hạn chế về ứng dụng

Laser màu phát bức xạ tử ngoại Một số hoạt chất là chất màu phát bức xạ

tử ngoại được chỉ ra ở Bảng 1.1 [28, 29] Laser màu với môi trường hoạt chất làchất màu hữu cơ đa nguyên tử, dễ dàng tan trong các dung môi ethyl, rượu, haynước Các phân tử chất màu với năng lượng được chia thành nhiều mức daođộng và mức quay dẫn đến laser màu thường phát băng rộng, có khả năng điềuchỉnh bước sóng và phát xung cực ngắn tốt [28-32]

Bảng 1.1 Một số môi trường laser màu phát bức xạ tử ngoại [28, 29].

Laser bán dẫn phát bức xạ tử ngoại Một số chất bán dẫn cũng có khả

năng phát bức xạ laser trong vùng tử ngoại như: AlN (210 nm), ZnS (330 nm),ZnO (370 nm), CdxS (320 nm - 490 nm), GaN (340 nm) Các laser bán dẫn với

7

đặc tính nhỏ gọn Tuy nhiên, nhược điểm của các laser bán dẫn là công suất thấp,

độ định hướng không cao, phát xạ chủ yếu trong vùng tử ngoại A, bức xạ có tínhđơn sắc cao nên không có khả năng điều chỉnh bước sóng [33, 34]

Laser tử ngoại thu được bằng phương pháp biến đổi tần số Đây là một

trong những kỹ thuật laser bước sóng ngắn phổ biến hiện nay dựa trên các hiệuứng phi tuyến [35] Thông thường, kỹ thuật phát các bức xạ UV và VUV đượcdùng như: phát họa ba bậc cao, trộn tần số thông qua việc sử dụng các tinh thểphi tuyến [35, 36], sơ đồ nguyên lý cho việc phát bức xạ tử ngoại sử dụngphương pháp biến đổi tần số được trình bày trên Hình 1.1 Bằng cách sử dụng cáctinh thể phi tuyến khác nhau cho các quá trình tạo ra họa ba, người ta có thể dễdàng chuyển đổi bức xạ laser từ vùng bước sóng dài thành bước sóng vùng UV

Hình 1.1 a) Sơ đồ nguyên lý cho việc phát họa ba bậc cao để phát các bức xạ tử

ngoại gần và tử ngoại chân không b) Hệ phát họa ba bậc bốn và họa ba bậc năm của laser Nd:YAG [35, 36]

Hiện nay, các tinh thể phi tuyến được sử dụng phổ biến nhất trong việcphát UV và một phần trong VUV bao gồm: KDP, ADP, KTP, LBO và BBO,CLBO, CBO, và LB4 [35-38], được trình bày trong Bảng 1.2

Tại Việt Nam, bằng việc sử dụng phương pháp phản hồi phân bố với môitrường hoạt chất Rhodamine 6G được bơm bằng hòa ba bậc hai của laserNd:YAG ở bước sóng 532 nm, bước sóng laser phát xạ 565,8 nm và 572,6 nm.Sau khi sử dụng tinh thể BBO để nhân tần, nhóm Đỗ Quang Hòa, Viện Vật lý thu

nhận được laser tử ngoại ở bước sóng 282,9 nm và 286,4 nm được sử dụng trongquan trắc khí quyển [57].

Bảng 1.2 Đặc trưng quang học của một số tinh thể phi tuyến điển hình.

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 phatạp các ion đất hiếm như Ce3+, Pr3+, Nd3+, Tm3+… với các chuyển dời 5d → 4fđang được các nhà khoa học đặt kỳ vọng cao cho phát xạ laser tử ngoại trongvùng UV [72-77]

Điển hình như, một số môi trường như Ce:LLF và Ce:LiCAF hiện đangđược đặc biệt quan tâm, vì hiệu suất laser có thể lên tới 60% và khả năng điềuchỉnh bước sóng từ 270 nm cho đến 340 nm [64, 65] Trong vùng VUV, cho đếnnay, 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 bướcsóng 172 nm (nhờ dịch chuyển 4f5d → 4f3), đây là bước sóng laser ngắn nhấtcho đến thời nay của các môi trường hoạt chất pha tạp ion đất hiếm [73] Còn vớicác vật liệu pha tạp Tm3+, Pr3+ cho đến nay vẫn chưa phát laser thành công [74-

9

77] Sơ đồ năng lượng cho chuyển dời 4f-5d của các ion đất hiếm được chỉ ratrong Hình 1.2.

của các ion Ce 3+ , Pr 3+ , Nd 3+ , Tm 3+ [74, 75].

Vật liệu pha tạp các ion như Ce3+, Pr3+, Nd3+, hoặc Tm3+ được đặc trưngkhông chỉ bởi sự dịch chuyển quang học của cấu trúc 4f↔5d trong miền UV màcòn bởi sự chuyển tiếp nội tại 4f↔4f (đối với Pr3+, Nd3+, hoặc Tm3+) như trongHình 1.2 Điều này có nghĩa là phát xạ tử ngoại của chúng có thể được kích thíchbởi sự hấp thụ đa photon trong mức năng lượng 4f Đồng thời, năng lượng giữahai mức laser trên và mức laser dưới từ 35 eV đến 90 eV (103 cm-1), điều nàycho 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 pháthuỳnh 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 khácmới chỉ dừng lại ở việc phát huỳnh quang mà chưa phát laser [78-82] Mặc dùvậy, có thể thấy được tiềm năng trong việc phát triển các nguồn laser rắn phátbức xạ tử ngoại và tử ngoại chân không, sử dụng các môi trường pha tạp các ionđất hiếm nhờ dịch chuyển 4f-5d

Các nghiên cứu chỉ ra rằng, dịch chuyển 5d - 4f của ion đất hiếm Ce3+ phatạp 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 thấycác vật liệu pha tạp ion đất hiếm này là môi trường hoạt chất lý tưởng để pháttriển 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 củamột số môi trường laser Ce:Fluoride khác nhau với vùng điều chỉnh bước sóngtrong 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]

LaF, LiCAF, LiSAF, YLF, LiLuF, CaF 2 , (Y,Lu)PO 4 , và YAG [71].

Ưu điểm của các môi trường Fluoride pha tạp ion Ce3+ bao gồm: thời giansống ở mức laser trên cỡ nano-giây (30 ns), hiệu suất lượng tử cao, phổ phát xạ

11

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 nhấttrong việc phát triển laser vùng tử ngoại

Tuy nhiên, các vật liệu như Ce:YAG và Ce:YLF lại hấp thụ mạnh ở trạngthái kích thích (ESA) đối với bức xạ tại bước sóng huỳnh quang hoặc bước sóngbơm Điều này dẫn đến, mất mát quang học, dập tắt hoạt động laser và hìnhthành các tâm màu tạm thời hoặc vĩnh viễn [71, 80, 83] Việc lựa chọn các nềnrắn phù hợp để giảm thiểu tối đa ESA và tăng khả năng khuếch đại của môitrường là cần thiết

Dưới đây, các đặc trưng quang học cho một số môi trường Ce:Fluorideđiển hình đã được trình bày và phát triển làm môi trường hoạt chất cho phát xạlaser trong vùng tử ngoại

1.1.3 Môi trường tinh thể Ce:LaF và Ce:LuF

Một số chất nền lathanium trifluorides pha tạp Ce3+, điển hình như LaF3,

và LuF3, là một trong những lựa chọn để phát triển môi trường hoạt chất cholaser tử ngoại với các dải điều chỉnh khác nhau [68-70]

Ion Ce3+ chứa một điện tử đơn 4f1 có phổ ion tự do đã được Lang nghiên cứuchi tiết [84] Các tương tác spin quỹ đạo chia cấu hình trạng thái cơ bản thành mức

2F7/2 nằm cách 2253 cm-1 so với mức 2F5/2 Cấu hình kích thích đầu tiên bao gồmmột electron trong vỏ 5d1 Hiệu ứng trường tinh thể tác động lên điện trường ở mức4f của ion Ce3+ ít hơn nhiều so với tương tác spin Do đó, các nghiên cứu hướng tớiviệc các mức 2F5/2 và 2F7/2 sẽ chỉ bị nhiễu loạn ít hơn bởi trường tinh thể Tuy nhiên,

do bán kính hiệu dụng lớn của electron ở lớp 5d tương tác mạnh mẽ với mạng tinhthể, do đó tương tác trường tinh thể sẽ mạnh hơn tương tác spin Đối với các vị tríđối xứng cation tìm thấy trong LaF3 (C2(4)) và trong LuF3 (C1h(5)), trạng thái 5dcủa Ce3+ chia thành năm mức Sự phân tách này được phản ánh bởi phổ kích thíchnăm đỉnh, được biểu diễn trên Hình 1.4

Phổ huỳnh quang cho thấy hai đỉnh rộng là kết quả của sự chuyển tiếp từmức đáy của trạng thái 5d sang các mức 2F7/2 và 2F5/2 Trong cả hai trường hợp,phổ huỳnh quang được tách rời khỏi phổ kích thích với sự thay đổi tiết diện phát

xạ gây ra bởi dịch chuyển Stokes 4,7x103 cm-1 cho LuF3:Ce và 5,2x103 cm-1 đốivới LaF3:Ce [70].

Hình 1.4 a) Phổ hấp thụ (a) và phát xạ (b) của môi trường Ce 3+ :LaF 3 pha tạp (1) và

1% (2) Phổ hấp thụ (c) và phát xạ (d) của môi trường

Ce 3+ :LuF 3 với nồng độ pha tạp 0.1% (1) và 1% (2) [68-70].

Năm đỉnh kích thích trải rộng (Hình 1.4a,c) trong vùng tần số lớn trùngvới bước sóng phát xạ của các laser excimer công suất cao, như laser KrF (249

nm và 250 nm), laser ArF (193,3 nm) và laser KrCl (222 nm), đây là điều kiện lýtưởng để lựa chọn nguồn bơm cho các môi trường laser Ce:LaF và Ce:LuF vớivùng điều chỉnh của Ce:LaF là 278 – 322 nm (Hình 1.4b), còn Ce:LuF là 280-

345 nm (Hình 1.4d) Tuy nhiên, quá trình nuôi cho đơn tinh thể Ce:LaF vàCe:LuF có chất lượng quang học tốt gặp nhiều khó khăn, dẫn đến việc sử dụnghai môi trường này làm môi trường hoạt chất laser là hiếm gặp Đồng thời, chođến nay chỉ có duy nhất một công bố về phát xạ cho laser Ce:LaF [68]

1.1.4 Môi trường tinh thể Ce:LLF và Ce:YLF

Do các cấu trúc mạng tinh thể Ce:LLF và Ce:YLF là tương đồng về cấutrúc, định lượng hóa học và các thông số mạng tinh thể [64-67], cho nên, các tínhchất quang học của môi trường Ce:LLF trong các nghiên cứu được so sánh vớiCe:YLF

0.1% Ce 3+

Các đơn tinh thể Ce:LLF và Ce:YLF thường được nuôi bằng kỹ thuậtBridgman-Stockbarger với nồng độ Ce3+ thay đổi từ 0,05-1,5% [65-67] Do cácliên kết mạnh của ion Ce3+ trong mạng tinh thể LLF sẽ dẫn đến sự dịch chuyểncác đỉnh hấp thụ của Ce:LLF về phía bước sóng ngắn hơn, cũng như trong phânchia các mức năng lượng của dải quang phổ là rõ rệt hơn so với môi trườngCe:YLF [67] Hình 1.5 biểu diễn phổ hấp thụ và phát xạ của môi trường Ce:LLF

và Ce:YLF, được kích thích bằng laser excimer KrF (bước sóng 245 nm) hoặchọa ba bậc 5 laser Nd:YAG Q-switchied (bước sóng 213 nm)

Hình 1.5 Phổ hấp thụ ánh sáng phân cực của Ce:LLF (a) và Ce:YLF (b) ở nhiệt

độ T=300K, phân cực π (1) và phân cực σ (2) với nồng độ pha tạp Ce 3+ 0,2% đều được bơm bằng laser KrF Phổ huỳnh quang phân cực của Ce:LLF (c) và Ce:YLF (d) tương ứng với phân cực π (1) và σ (2) [67].

Sự thay đổi năng lượng hấp thụ của ion Ce3+ trong nền LLF là nhỏ hơn sovới sự thay đổi trong nền YLF, sự thay đổi của các dải không vượt quá 340 cm-l(Hình 1.5a,b) Tuy nhiên, đối với phổ phát xạ, sự dịch chuyển của đỉnh phát xạ vềphía bước sóng ngắn của môi trường Ce:YLF diễn ra mạnh hơn khi được kíchthích bằng ánh sáng phân cực Đường cong (1) và (2) ở Hình 1.5c,d cho thấy, phổhuỳnh quang của tinh thể Ce:LLF được đặc trưng bởi sự dịch chuyển Stokes lớnhơn so với phổ huỳnh quang của Ce:YLF Đối với laser sử dụng chuyển tiếp 5d-4f trong sơ đồ của hai mức dao động điện tử, cho thấy sự giảm ngưỡng dao

động và tăng phạm vi điều chỉnh bước sóng quang phổ của tinh thể Ce:LLF mạnhhơn so với môi trường Ce:YLF.

Các thông số của môi trường Ce:LLF như: hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ(1 mJ/cm2) là 4,3 lần với mật độ năng lượng bơm 0,5 J/cm2, thời gian sống củacác ion Ce3+ ở trạng thái kích thích 40 ns, mật độ năng lượng bơm bão hòa 50mJ/cm2 ở bước sóng 325 nm là cao hơn rất nhiều so với các chất màu hữu cơ (1mJ/cm2), và tiết diện phát xạ cỡ 1017 cm2 Những kết quả này cho thấy tiềm năngcủa môi trường Ce:LLF được sử dụng làm môi trường khuếch đại công suất cholaser tử ngoại

Khả năng hấp thụ của tâm màu đối với bước sóng laser (ESA) của hai môitrường trong cùng điều kiện, đối với môi trường Ce:LLF là nhỏ hơn đáng kể sovới môi trường Ce:YLF Hơn nữa, laser Ce:LLF hoạt động ổn định ở tần số 5 Hz,trong khi laser Ce:YLF chỉ hoạt động ổn định ở tần số <1 Hz [65-67] Thực tếnày là do sự khác biệt về động học hình thành tâm màu tạm thời trong các môitrường laser này [66, 67]

1.1.5 Môi trường tinh thể Ce:LiSAF

Môi trường Ce:LiSAF có phổ phát xạ trong vùng 280-320 nm và đỉnh hấpthụ tại bước sóng 266 nm, do vậy có thể sử dụng họa ba bậc bốn của các laser

Nd3+ làm nguồn bơm [60-64, 71] Trong môi trường Ce:LiSAF, ion Ce3+ thay thếcho các vị trí bát diện Ca2+/Sr2+, điều này dẫn đến sự mất cân bằng điện tíchtrong tinh thể Đồng thời cũng dẫn đến sự khác nhau trong tương tác của các ion

Ce3+ với trường tinh thể khi được kích thích của nguồn bơm phân cực

Hình 1.6 biểu diễn phổ hấp thụ (đường liền), phát xạ (đường nét đứt) của

môi trường Ce:LiSAF khi được kích thích bởi nguồn bơm phân cực khác nhau[61, 71] Nhận thấy rằng, đối với môi trường Ce:LiSAF, tiết diện hấp thụ và tiếtdiện phát xạ đều phụ thuộc vào sự phân cực của nguồn kích thích Đỉnh phổ hấpthụ của môi trường Ce:LiSAF tương ứng với nguồn bơm phân cực σ và phân cực

π so với trục tinh thể lần lượt là 272 nm và 266 nm Đỉnh phát xạ tương ứng 290

nm (σ) và 285 nm (π) với hiệu suất laser ra cho đến nay mới chỉ đạt được 17%.Thời gian sống huỳnh quang của ion Ce3+ ở mức năng lượng 5d là 28 ns [60]

Hình 1.6 Phổ hấp thụ (đường liền) và phát xạ (đường nét đứt) của môi trường

Ce:LiSAF, với nguồn bơm phân cực khác nhau [61].

Các kết quả trong [61, 63] chỉ ra rằng, đối với môi trường Ce:LiSAF tiếtdiện ESA tại 290 nm trong trường hợp phân cực σ (σESA = 4,6×10-18 cm2) thì caohơn trong trường hợp phân cực π (σESA = 2,7×10-18 cm2) Sự chênh lệch nàyxuất phát từ cấu trúc dạng lớp của tinh thể, trong đó khoảng cách năng lượng từmức 5d lên dải dẫn đối với phân cực σ (được xác định bởi các hàm sóng điệntrường Sr2+) thì thấp hơn so với trường hợp phân cực π (do các hàm sóng điệntrường Li+) Các thông số cho môi trường Ce:LiCAF được chỉ ra trong Bảng 1.3

Bảng 1.3 Thông số của môi trường Ce:LiSAF [60, 61].

Thông số

Tiết diện hấp thụ σabs (10-18 cm2)

Tiết diện phát xạ σ EM (10-18 cm2)

Tiết diện ESA σ ESA (10-18 cm2)

Tiết diện khuếch đại (10-18 cm2)

Sự hình thành tâm màu trong Ce:LiSAF phụ thuộc vào chất lượng tinh thể,

cụ thể là liên quan đến sự hiện diện của các tạp chất Nhóm Bayramian đã pháthiện ra rằng khi pha tạp kết hợp đồng thời ion Na+ cùng với ion Ce3+ vào tinh thểLiSAF để bổ sung điện tích thì dẫn đến sự suy giảm đáng kể khả năng hình thànhtâm màu, do đó làm tăng hiệu suất laser [63] Các nghiên cứu cho sự điều chỉnhbước sóng của laser Ce:LiSAF đã được thực hiện với yếu tố lọc lựa như: lăng

kính Suprasil được cắt góc Brewter, cách tử Littrow, với công suất tại bước sóng

290 nm chỉ vài trăm µJ, vùng điều chỉnh bước sóng từ 285nm đến 300 nm, đượcthể hiện trong Hình 1.7

Hình 1.7 Vùng điều chỉnh bước sóng của laser Ce:LiSAF [63].

Hạn chế của môi trường tinh thể Ce:LiSAF là có sự hấp thụ của các tâmmàu đối với bước sóng laser, dẫn đến hiệu suất laser không cao, do vậy thườngkhông được sử dụng trong các hệ thực nghiệm phát trực tiếp bức xạ tử ngoại

1.1.6 Môi trường tinh thể Ce:LiCAF

Môi trường laser Ce:LiCAF được công bố lần đầu tiên vào năm 1993 bởinhóm nghiên cứu M A Dubinskii [85] Đến nay, môi trường này đã được chứngminh là hiệu quả nhất cho phát triển các hệ laser tử ngoại rắn Cho đến nay, tinhthể Ce:LiCAF được nuôi bằng các kỹ thuật như Bridgeman-Stockbarger [80],Czochraski [82], micro pulling down [45], đạt được những kết quả nổi bật trongviệc phát bức xạ tử ngoại với khả năng điều chỉnh bước sóng trong dải rộng lênđến 40 nm tùy thuộc nồng độ, trong khi hiệu suất lượng tử của Ce:LiCAF trên90% [86], hiệu suất laser lên đến 46% [87]

Những tinh thể này có cấu trúc colquiriite và thuộc nhóm không gian P31c

với hằng số mạng a = 4,996 Å, c = 9,636 Å [60-64] Các mẫu tinh thể đơn được khảo sát bởi kỹ thuật X-ray, cho phép xác định trục quang học a và c Các khảo

sát cho thấy, điện trường bên trong môi trường hoạt chất song song với trục

quang học c [64] Tinh thể chất nền LiCAF là tinh thể đơn trục với sáu nguyên tử

flo (F-) bao quanh một nguyên tử lithium (Li+), canxi (Ca2+) hoặc nhôm (Al3+),mỗi cation Li+, Ca2+ và Al3+ chiếm một vị trí bát diện như trong Hình 1.8

Hình 1.8 Cấu trúc mạng tinh thể của chất nền LiCAF [48].

Cấu trúc này cũng được mô tả bằng cách xếp chồng các lớp nguyên tử kim

loại và flo song song với trục c [48, 64] Bằng các tính toán lý thuyết để khảo sát

các yếu tố như: khối lượng tối ưu, cấu trúc điện tử, mật độ tổng và một phần củacác trạng thái và năng lượng vùng cấm của tinh thể LiCAF đã được thực hiện[48]. Hấp thụ ở trạng thái kích thích (ESA), đặc biệt được quan tâm đối với môitrường Ce:LiCAF và thường được so sánh với môi Ce:LiSAF do có sự tương tự

về cấu trúc mạng tinh thể, các tính chất quang học Các nghiên cứu thực nghiệmcho thấy, hiện tượng ESA của môi trường Ce:LiSAF lớn hơn so với Ce:LiCAF,dẫn đến, hiệu suất lượng tử của laser Ce:LiCAF cao hơn, được biểu diễn trênHình 1.9

Hình 1.9 Phổ hấp thụ của chất nền LiCAF, LiSAF và LiSCAF pha tạp Ce 3+ [48].

Hình 1.9 cho thấy, ESA phụ thuộc mạnh vào cấu trúc mạng tinh thể củachất nền khi pha tạp ion Ce3+ ESA xảy ra khi một electron được kích thích từmức 5d của ion Ce3+ bị kẹt trong một tạp chất hoặc tâm màu được biểu hiện bởi

các dải hấp thụ rộng Các ion Ce3+ khi pha tạp trong chất nền LiCAF hoặc LiSAF sẽthay thế vị trí bát diện của Ca2+ hoặc Sr2+, tuy nhiên kích thước của ion Ce3+ (1,15Å) xấp xỉ bằng kích thước của ion Ca2+ (1,14 Å), nhưng nhỏ hơn ion Sr2+ (1,27 Å).

Do đó, liên kết của ion Ce3+ cần được mở rộng trong chất nền LiSAF để bù đắp chođiều này Cả hai yếu tố là ESA và sự cạnh tranh phân cực trong quá trình phát laserdẫn đến giảm hiệu suất chuyển đổi của laser ra Tiết diện hấp thụ và phát xạ của môitrường tinh thể Ce:LiCAF được chỉ ra trong Bảng 1.4

Bảng 1.4 Tiết diện hấp thụ và phát xạ của môi trường Ce:LiCAF [60, 61].

Thông số

Tiết diện hấp thụ σabs (10-18 cm2)

Tiết diện phát xạ σEM (10-18 cm2)

Tiết diện ESA σESA (10-18 cm2)

Tiết diện khuếch đại σeff (10-18 cm2)

So sánh các thông số ở Bảng 1.3 và 1.4 cho thấy, tiết diện ESA phân cực

(tại 290 và 266 nm) của môi trường Ce:LiCAF lại thấp hơn so với Ce:LiSAF,bởi vì sự lan truyền không gian hàm sóng điện trường của Sr2+ lớn hơn so với

Ca2+ Đây là ưu điểm vượt trội của môi trường tinh thể Ce:LiCAF so với

Ce:LiSAF, làm tăng hiệu suất phát xạ

Hình 1.10 Phổ hấp thụ (đường liền nét) và phát xạ (đường nét đứt) của môi

trường Ce:LiCAF, ứng với phân cực khác nhau của nguồn bơm [61].

Phổ phát xạ (đường liền) và phổ phát xạ (đường nét đứt) cũng phụ thuộc

mạnh vào sự phân cực [61] Phổ hấp thụ và phát xạ của môi trường Ce:LiCAF,ứng với phân cực khác nhau của nguồn bơm được biểu diễn bởi Hình 1.10

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 (phâncực σ), vì thế, môi trường tinh thể này có thể được bơm bởi họa ba bậc bốn củacác laser Nd3+ ở bước sóng 266 nm (như Nd:YAG, Nd:YAP, Nd:YLF, vàNd:YVO4) Hơn nữa, phổ phát xạ của môi trường tinh thể Ce:LiCAF là một dảirộng, từ 280 nm đến 320 nm, vì vậy, môi trường tinh thể này thích hợp cho việcphát triển các nguồn laser điều chỉnh bước sóng và phát xung ngắn [39-41].Ngoài ra, tiết diện phát xạ lớn của môi trường Ce:LiCAF là ưu điểm để giảmngưỡng phát của laser Vùng điều chỉnh bước sóng của laser Ce:LiCAF được chỉ

ra trong Hình 1.11 [41, 62]

Hình 1.11 Vùng điều chỉnh bước sóng của laser Ce:LiCAF [41, 62].

Bên cạnh đó, tinh thể Ce:LiCAF có mật độ năng lượng bão hòa lớn (115mJ/cm2) và ngưỡng phá hủy cao (5 J/cm2) nên rất thích hợp để phát triển cácnguồn laser UV công suất cao [71] Tinh thể Ce:LiCAF lại có thời gian sốnghuỳnh 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 [62] Vớinhững ưu điểm nổi bật của môi trường tinh thể Ce:LiCAF, chúng tôi lựa chọnmôi trường này làm môi trường hoạt chất phát triển các nguồn laser tử ngoạitrong các nghiên cứu của luận án

Các ưu điểm nổi trội của các laser màu, laser Ti:Sapphire, Cr:LiSAF, … làvùng điều chỉnh bước sóng rộng từ vùng hồng ngoại gần đến vùng nhìn thấy;phát các xung cực ngắn pico và femto giây Từ đó, người ta cũng mong đợi kếtquả của các vật liệu trong vùng tử ngoại về khả năng phát xung cực ngắn, bănghẹp và điều chỉnh bước sóng Với mục tiêu phát triển các nguồn laser tử ngoạiphát xung ngắn, băng rộng, băng hẹp và điều chỉnh bước sóng cho các ứng dụngnghiên cứu môi trường, luận án trình bày một số kết quả nghiên cứu đã đượccông 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.

1.2 Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn

1.2.1 Phát xung ngắn bằng các nguồn bơm xung ngắn

Phát xung ngắn bằng nguồn bơm nano giây Hệ phát xung ngắn của laser

Ce:LiCAF được bơm bằng nguồn bơm xung nano giây với độ rộng xung laser lối

ra dưới nano giây được chỉ ra trong Hình 1.12a BCH dài 15 mm được tạo bởimột gương phản xạ cao và gương ra có hệ số truyền qua 80% ở bước sóng laser.Tinh thể được bơm dọc bằng xung 20 mJ, 10 ns, 1 Hz, 266 nm là họa ba bậc 4 củalaser Nd:YAG, thấu kính tiêu cự 300 mm với mật độ năng lượng 300 mJ/cm2,năng lượng hấp thụ là 5 mJ

Hình 1.12 a) Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn bơm bằng xung nano

giây bởi họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG [88] b) Laser Ce:LiCAF phát xung

75 ps với BCH ngắn, chất lượng thấp được bơm bằng laser xung 150 ps [89].

Kết quả chỉ ra rằng, với xung bơm nano giây khi sử dụng BCH ngắn, xungđơn đầu ra có độ rộng là 600 ps Theo cách đơn giản này, xung dưới nano giây có

thể được tạo ra từ một laser Ce:LiCAF được bơm bởi laser Nd:YAG 10 ns switched [88].

Q-Phát xung ngắn bằng nguồn bơm xung pico giây Để tạo xung ngắn hơn,

nhóm GS N Sarukura sử dụng nguồn bơm xung pico giây là họa ba bậc bốn củalaser Nd:YAG khóa mode, tần số 10 Hz [89] Laser Ce:LiCAF phát tần số thấp,được tạo bởi gương phản xạ cao và gương ra có hệ số truyền qua 80% ở bướcsóng laser Chiều dài BCH 15 mm, tinh thể kích thước 10 mm, pha tạp 1% ion

Ce3+ Độ rộng xung laser Ce:LiCAF thu được thể hiện trong Hình 1.12b đo được

là 150 ps với độ rộng xung bơm là 75 ps

1.2.2 Phát xung ngắn bằng phương pháp tự tiêm thụ động

a)

Hình 1.13 a) Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn bằng phương pháp tự

tiêm thụ động [90] b) Xung laser tín hiệu; c) Chuỗi xung sau khi khuếch đại trong BCH phản hồi cho laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn bằng phương pháp SSPT [92].