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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- PHẠM VĂN DƯƠNG 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 NỘI – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- PHẠM VĂN 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 2. GS. TS. NGUYỄN ĐẠI HƯNG HÀ NỘI – 2021 LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Khoa Vật lý, Học viện Khoa học & Công nghệ và Trung tâm Ðiện tử học Lượng tử, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam duới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Phạm Hồng Minh và GS.TS. Nguyễn Ðại Hưng. Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai Thầy hướng dẫn, đầu tiên là PGS.TS. Phạm Hồng Minh, người Thầy trực tiếp dẫn dắt, chỉ bảo tận tình và tạo 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, định huớng phương pháp nghiên cứu khoa học và động viên tôi trong suốt quá trình học tập. Tôi xin trân trọng cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hỗ trợ tôi trong thời gian nghiên cứu và thực hiện luận án. Dưới sự hỗ trợ tận tâm của Lãnh đạo, các Phòng, Ban đã tạo mọi điều kiện 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 lý Quốc tế và GS. N.Sarukura, Ðại học Osaka, Nhật Bản đã có sự hỗ trợ to lớn đối với NCS trong thời gian thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy, Cô, các Anh Chị và đồng nghiệp tại Viện Vật lý nơi tôi học tập và công tác, vì sự cộng tác và giúp đỡ quý báu để tôi hoàn thành bản luận án này. Tôi xin ghi nhớ sự quan tâm chỉ bảo của tất cả các Thầy, Cô, các Anh Chị và mọi người. Cuối cùng, tôi đặc biệt gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người luôn luôn yêu 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 Ce3+” 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 trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Tất cả những tham khảo, các kế thừa đều được trích 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 CHƢƠNG I: VẬT LIỆU VÀ LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE................... 6 1.1. Các nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại và môi trƣờng 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 bƣớc 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 chƣơng I............................................................................................... 31 CHƢƠNG 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 bƣớc sóng.................. 32 2.1.1. Sơ đồ các mức năng lượng của ion Ce3+ pha tạp trong nền Fluoride ...32 i 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 phƣơng pháp quá độ buồng cộng hƣởng................................ 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 bƣớc 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 chƣơng II.............................................................................................. 58 CHƢƠNG III: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ LASER TỬ NGOẠI RẮN SỬ DỤNG MÔI TRƢỜNG 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 ii 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 bƣớc 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 cƣơng............ 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 chƣơng III............................................................................................ 88 KẾT LUẬN CHUNG............................................................................................. 89 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ.................................... 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 93 PHỤ LỤC................................................................................................................ 104 iii BẢNG KÝ HIỆU HOẶC CHỮ CÁI VIẾT TẮT UV VUV Ce:Fluoride BCH ESA N0 N1 N n c L τt R l λ Ii Rp σai σei β τ τc Pabs Pin αa τp r TIR PB SSPT SHG FHG SFG θβ Tử ngoại Tử ngoại chân không Vật liệu Fluoride pha tạp Cerium (Ce3+) Buồng cộng hưởng Sự hấp thụ ở trạng thái kích thích Độ tích lũy ở trạng thái cơ bản Độ tích lũy ở trạng thái kích thích Nồng độ ion Chiết suất môi trường Vận tốc ánh sáng Chiều dài BCH Thời gian để ánh sáng thực hiện một chu trình đi-về trong BCH Hệ số phản xạ của gương Chiều dài môi trường hoạt chất Bước sóng laser Cường độ laser trong BCH tại bước sóng i Tốc độ bơm Tiết diện hấp thụ tại bước sóng λi Tiết diện phát xạ tại bước sóng λi Hệ số mất mát trong một chu trình đi-về trong BCH Thời gian sống huỳnh quang của ion hoạt chất Thời gian sống của photon trong BCH Công suất laser bơm được hấp thụ Công suất laser bơm Hệ số hấp thụ của môi trường hoạt chất Độ rộng xung bơm Bán kính vết bơm Phản xạ nội toàn phần (Total internal reflection) Lăng kính Pellin – Broca Tự tiêm thụ động Second Harmonic Generation Fourth-harmonic generation Sum Frequency Generation Góc tới Brewter i DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Bảng 1.1. Bảng 1.2. Bảng 1.3. Bảng 1.4. Bảng 2.1. Trang Một số môi trường laser màu phát bức xạ tử ngoại 07 Đặc trưng quang học của một số tinh thể phi tuyến 08 điển hình Thông số của môi trường Ce:LiSAF Tiết diện hấp thụ và phát xạ của môi trường Ce:LiCAF 16 19 Các thông số sử dụng trong nghiên cứu động học 36 cho laser tử ngoại Ce:LiCAF Bảng 2.2. Bảng 2.3. Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên độ rộng xung laser lối ra đối với laser Ce:LiCAF phát băng rộng Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra lên độ rộng xung 41 43 Bảng 2.4. laser lối ra đối với laser Ce:LiCAF phát băng rộng Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên độ rộng xung laser lối ra đối với laser Ce:LiCAF phát băng rộng 45 Bảng 2.5. Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên độ rộng xung 54 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 55 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 57 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 61 ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ Hình vẽ Hình 1.1 Trang a) Sơ đồ nguyên lý cho việc phát họa ba bậc cao để 08 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 Hình 1.2. Sơ đồ các mức năng lượng trong chuyển dời 4fn – 4fn-1df 10 của các ion Ce3+, Pr3+, Nd3+, Tm3+ Hình 1.3. Phổ hấp thụ và phát xạ của ion Ce3+ trong nền 11 LaF, LiCAF, LiSAF, YLF, LiLuF, CaF2, (Y,Lu)PO4, và YAG Hình 1.4. a) Phổ hấp thụ (a) và phát xạ (b) của môi trường 13 Ce3+:LaF3 pha tạp 0.1% Ce3+ (1) và 1% (2). Phổ hấp thụ (c) và phát xạ (d) của môi trường Ce3+:LuF3 với nồng độ pha tạp 0.1% (1) và 1% (2) Hình 1.5. Phổ hấp thụ ánh sáng phân cực của Ce:LLF (a) và 14 Ce:YLF (b) ở nhiệt độ T=300K, phân cực π (1) và phân cực σ (2) với nồng độ pha tạp Ce3+ 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) Hình 1.6. Phổ hấp thụ và phát xạ của môi trường Ce:LiSAF, 16 với nguồn bơm phân cực khác nhau Hình 1.7. Vùng điều chỉnh bước sóng của laser Ce:LiSAF 17 Hình 1.8. Cấu trúc mạng tinh thể của chất nền LiCAF 18 Hình 1.9. Phổ hấp thụ của chất nền LiCAF, LiSAF và LiSCAF 18 pha tạp Ce3+ Hình 1.10. Phổ hấp thụ và phát xạ của môi trường Ce:LiCAF, 20 ứng với phân cực khác nhau của nguồn bơm Hình 1.11. Vùng điều chỉnh bước sóng của laser Ce:LiCAF 20 iii Hình 1.12. a) Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn bơm bằng 21 xung nano giây bởi họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG. b) Laser Ce:LiCAF phát xung 75 ps với BCH ngắn, chất lượng thấp được bơm bằng laser xung 150 ps Hình 1.13. a) Laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn bằng 22 phương pháp tự tiêm thụ động. 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 Hình 1.14. Laser tử ngoại Ce:LiCAF khóa mode phát xung 23 cực ngắn Hình 1.15. a) Laser tử ngoại Ce:LiCAF điều chỉnh bước sóng sử 26 dụng lăng kính tán sắc; b) vùng điều chỉnh bước sóng 280-315 nm Hình 1.16. a) Laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp, điều chỉnh bước 27 sóng sử dụng tấm phin lọc lưỡng chiết MgF2 dày 250 µm; b) vùng điều chỉnh bước sóng Hình 1.17. Cấu hình BCH sử dụng cách tử tại vị trí Littrow cho 28 phát xạ laser băng hẹp và điều chỉnh bước sóng Hình 1.18. Cấu hình cách tử góc là cho laser băng hẹp và điều 29 chỉnh bước sóng Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc mức năng lượng và chuyển dời 33 của ion Ce3+ trong nền fluoride Hình 2.2. Động học phát xạ băng rộng của laser tử ngoại 38 Ce:LiCAF với các thông số mô phỏng: L=20 mm, R1=100%, R2=30%, năng lượng laser bơm thay đổi từ ngưỡng phát đến rất cao trên ngưỡng Hình 2.3. Biểu diễn tiến trình phát xung và cường độ xung laser 39 lối ra theo hàm logarit tự nhiên. Hình 2.4. Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên động học của 41 phát xạ laser Ce:LiCAF (trái) và độ rộng xung laser lối ra (phải). Thông số BCH L=20 mm, R1=100%, R2 = iv 30%, năng lượng laser bơm thay đổi 2÷6 mJ. Hình 2.5. Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra lên động học 43 phát xạ của laser Ce:LiCAF (trái) và độ rộng xung laser lối ra (phải) với các hệ số phản xạ gương ra khác nhau. Thông số mô phỏng: R1=100%; L= 20 mm; Eb = 5,6 mJ, R2 thay đổi (từ 10% đến 30%). Hình 2.6. Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên động học phát xạ 45 của laser Ce:LiCAF (trái) và độ rộng xung laser lối ra. BCH với thông số R1=100%; R2=30%; Eb = 5,6 mJ, chiều dài BCH thay đổi từ 20÷60 mm Hình 2.7. Sự phụ thuộc của độ rộng đơn xung laser ngắn nhất 46 thu được với các BCH khác nhau theo năng lượng laser bơm Hình 2.8. Động học phát xạ xung laser pico giây Ce:LiCAF với 47 cấu hình quá độ BCH chiều dài L=20 mm: a) R1=25%, R2=14%, Eb= 9,5 mJ; b) R1=25%, R2=14%, Eb= 10,5 mJ. Độ rộng xung laser lối ra lần lượt là 292 ps và 267 ps Hình 2.9. Phổ phát xạ băng hẹp của laser tử ngoại Ce:LiCAF, 50 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 2.10. Sự điều chỉnh bước sóng phát xạ của laser tử ngoại 51 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. Hình 2.11 Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên động học 53 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%, v tại bước sóng 288,5 nm với năng lượng laser bơm Eb thay đổi từ 4,9 mJ đến 9,8 mJ. Hình 2.12 Ảnh hưởng của chiều dài BCH lên độ rộng xung và độ 55 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 Hình 2.13. Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra lên độ rộng 56 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 phản xạ của cách tử Rg=30%, gương ra thay đổi từ 10% đến 22%. Hình 3.1. Sự phụ thuộc của ngưỡng phá hủy và năng lượng bơm 62 bão hòa của tinh thể Ce:Fluoride vào bán kính vết bơm Hình 3.2. Sự phụ của đường kính và tiết diện của chùm laser vào 63 khoảng cách tinh thể so với điểm hội tụ của chùm laser bơm, 0 - Xem thêm -