intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Khoa học Vật lý: Nghiên cứu động học laser Ce-Fluoride phát bức xạ trong vùng bước sóng tử ngoại

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST
Báo xấu
17
lượt xem 4
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của Luận văn là nghiên cứu tường minh các quá trình động học của các laser phát trực tiếp bức xạ trong vùng tử ngoại sử dụng môi trường hoạt chất là các tinh thể Ce:Fluoride đặc biệt là hai môi trường Ce:LLF và Ce:LiCAF. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học Vật lý: Nghiên cứu động học laser Ce-Fluoride phát bức xạ trong vùng bước sóng tử ngoại

  1. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HỌC VIÊN: BÙI THỊ THÚY DƯƠNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC LASER Ce:FLUORIDE PHÁT BỨC XẠ TRONG VÙNG TỬ NGOẠI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ THÁI NGUYÊN, NĂM 2018
  2. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HỌC VIÊN: BÙI THỊ THÚY DƯƠNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC LASER Ce: FLUORIDE PHÁT BỨC XẠ TRONG VÙNG TỬ NGOẠI Chuyên ngành: Quang học Mã số: 84 40 110 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM HỒNG MINH THÁI NGUYÊN, NĂM 2018
  3. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 MỤC LỤC Trang BẢNG KÝ HIỆU HOẶC CHỮ CÁI VIẾT TẮT…………………………………… i DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……………………………………………………. ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ……………………………………………………… iii MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………… 1 CHƯƠNG I:………………………………………………………………………….. 4 TỔNG QUAN VỀ LASER TỬ NGOẠI VÀ CÁC CẤU HÌNH BƠM CHO LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE………………………………………………. 4 1.1. Tổng quan về một số loại loại laser tử ngoại………………………………….. 4 1.2. Môi trường laser rắn pha tạp ion Ce3+………………………………………… 10 1.2.1. Đặc điểm của môi trường tinh thể laser Fluoride pha tạp ion Cerium……… 11 1.2.2. Môi trường tinh thể Ce:LiLuF và Ce:LiCAF……………………………….. 13 1.3. Các cấu hình bơm cho laser tử ngoại Ce:Fluoride……………………………. 15 KẾT LUẬN CHƯƠNG I………………………………………………………… 19 CHƯƠNG II:……………………………………………………………………….. 20 ĐỘNG HỌC LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE………………………………. 20 2.1. Mô hình lý thuyết…………………………………………………………….. 20 2.2. Các thông số sử dụng trong mô phỏng……………………………………….. 21 2.3. Độ khuếch đại của môi trường laser Ce:LLF và Ce:LiCAF…………………. 23 2.4. Động học trong phát xạ laser Ce:LLF và Ce:LiCAF…………………………. 24 2.4.1. Ảnh hưởng của năng lượng bơm…………………………………………… 24 2.4.2. Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương ra……………………………………. 28 2.4.3. Ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng………………………………. 32 KẾT LUẬN CHƯƠNG II……………………………………………………….. 36 CHƯƠNG III……………………………………………………………………….. 37 HỆ LASER Ce:LiCAF PHÁT TRỰC TIẾP BỨC XẠ TỬ NGOẠI…………….. 37 3.1. Sự phụ thuộc của ngưỡng bơm vào thông số buồng cộng hưởng (R2, L)……. 37 3.2. Sự phụ thuộc của ngưỡng phá hủy và ngưỡng bão hòa tại bước sóng bơm vào kích thước vết bơm………………………………………………………………... 38 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương 1
  4. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 3.3. Sự phụ thuộc vị trí đặt tinh thể vào đường kính vết bơm trên tinh thể……….. 39 3.3. Xây dựng hệ thực nghiệm laser tử ngoại Ce:LiCAF được bơm bằng hòa ba bậc bốn của laser Nd:YAG………………………………………………… 42 KẾT LUẬN CHƯƠNG III……………………………………………………… 49 KẾT LUẬN CHUNG……………………………………………………………….. 50 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ………………………………. 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….. 52 PHỤ LỤC……………………………………………….............................................54 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương 2
  5. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 BẢNG KÝ HIỆU HOẶC CHỮ CÁI VIẾT TẮT UV Tử ngoại Ce-Fluoride Vật liệu Fluoride pha tạp Cerium (Ce3+) BCH Buồng cộng hưởng ESA Sự hấp thụ ở trạng thái kích thích N0 Độ tích lũy ở trạng thái cơ bản N1 Độ tích lũy ở trạng thái kích thích N Nồng độ ion Ce3+ n Chiết suất môi trường c Vận tốc ánh sáng L Chiều dài BCH t Thời gian để ánh sáng thực hiện một chu trình đi-về trong BCH R Hệ số phản xạ của gương l Chiều dài môi trường hoạt chất  Bước sóng laser Ii Cường độ laser trong BCH tại bước sóng i Rp Tốc độ bơm    Hệ số khuếch đại tại bước sóng   ai Tiết diện hấp thụ tại bước sóng i  ei Tiết diện bức xạ cưỡng bức tại bước sóng i  Hệ số mất mát trong một chu trình đi-về trong BCH  Thời gian sống huỳnh quang của ion hoạt chất (ion Ce3+) c Thời gian sống photon trong BCH Pabs Công suất bơm được hấp thụ Pin Công suất bơm vào a Hệ số hấp thụ của môi trường hoạt chất p Độ rộng xung bơm r Bán kính vết bơm Học viên: Bùi Thị Thúy Dương i
  6. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng biểu Trang Bảng 1.1. Một số môi trường hoạt chất màu phát bức xạ tử ngoại 4 Bảng 1. 2. Một số laser excimer phát bức xạ tử ngoại. 6 Bảng 2.1. Các thông số của môi trường Ce:LLF 22 Bảng 2.2. Các thông số của môi trường Ce:LiCAF 22 Bảng 3.1. Vùng năng lượng bơm cho các buồng cộng hưởng 39 khác nhau Học viên: Bùi Thị Thúy Dương ii
  7. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Bảng biểu Trang Hình 1.1. Sơ đồ hệ laser tử ngoại bằng phương pháp nhân sốtừ laser 7 Ti:sapphire Hình 1. 2. Hệ laser tử ngoại thu được bằng việc nhân tần từ laser màu 8 phản hồi phân bố Hình 1.3. Bước sóng laser ban đầu 565,8 nm và bước sóng laser tử 8 ngoại sau khi nhân tần 282,9 nm Hình 1.4. Bước sóng laser ban đầu 572.8 nm và bước sóng laser 9 sau khi nhân tần 286.4nm Hình 1.5. Các vật liệu Ce:Fluoride phát trực tiếp bức xạ tử ngoại 10 Hình 1.6. Cấu trúc mức năng lượng của ion Ce3+ trong nền Fluoride 12 Hình 1.7. Phổ hấp thụ của tinh thể Ce:LLF 14 Hình 1.8. Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Ce: LiLuF 14 Hình 1.9. Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của Ce:LiCAF 15 Hình 1.10. Hệ thực nghiệm cho laser công suất cao Ce:LLF 16 được bơm ngang bằng laser KrF Hình 1.11. Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF được bơm ngang bởi hòa ba 16 bậc bốn của laser Nd:YAG từ hai phía Hình 1.12. Tinh thể Ce:LiCAF được bơm dọc bằng hoa ba bậc bốn của 17 laser Nd:YAG ở bước sóng 266 nm Hình 1.13. Hệ laser Ce:LiCAF với cấu hình bơm xiên 18 Hình. 1.14. Phổ hấp thụ của Ozone 19 Hình 2.1. Công tua hệ số khuếch đại của môi trường laser UV Ce:LLF 23 Hình 2.2. Công tua hệ số khuếch đại của môi trường laser UV 24 Ce:LiCAF Hình 2.3. Tiến trình phổ-thời gian của phát xạ laser Ce:LLF ứng với 25 các năng lượng bơm khác nhau Học viên: Bùi Thị Thúy Dương iii
  8. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 Hình 2.4. Tiến trình phổ-thời gian của phát xạ laser Ce:LiCAF ứng với 25 các năng lượng bơm khác nhau Hình 2.5. Phổ laser tích phân của laser Ce:LLF với năng lượng bơm 26 khác nhau Hình 2.6. Phổ laser tích phân của laser Ce:LiCAF với năng lượng bơm 26 khác nhau Hình 2.7. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LLF và độ tích lũy N1 27 theo thời gian ứng với các năng lượng bơm khác nhau Hình 2.8. Sự phụ thuộc của cường độ laserCe:LiCAF và độ tích lũy N1 28 theo thời gian ứng với các năng lượng bơm khác nhau Hình 2.9. Tiến trình phổ - thời gian của phát xạ laser UV Ce:LLF ứng 29 với các hệ số phản xạ gương ra khác nhau Hình 2.10. Tiến trình phổ - thời giancủa phát xạ laser UV Ce:LiCAF 30 ứng với các hệ số phản xạ gương ra khác nhau Hình 2.11. Phổ laser tích phân của laser Ce:LLF với hệ số phản xạ 30 gương ra của BCH khác nhau Hình 2.12. Phổ laser tích phân của laser Ce:LiCAF với hệ số phản xạ 31 gương ra của BCH khác nhau Hình 2.13. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LLF và độ tích lũy N1 31 theo thời gian ứng với hệ số phản xạ của gương ra BCH khác nhau Hình 2.14. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LiCAF và độ tích lũy 32 N1 theo thời gian ứng với hệ số phản xạ của gương ra BCH khác nhau Hình 2.15. Tiến trình phổ - thời gian của phát xạ laser UV Ce:LLF ứng 33 với chiều dài BCH khác nhau Hình 2.16. Tiến trình phổ - thời gian của phát xạ laser UV Ce:LiCAF 34 ứng với chiều dài BCH khác nhau Hình 2.17. Phổ laser tích phân của laser Ce:LLF với chiều dài BCH 34 khác nhau Hình 2.18. Phổ laser tích phân của laser Ce:LiCAF với chiều dài BCH 34 khác nhau Học viên: Bùi Thị Thúy Dương iv
  9. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 Hình 2.19. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LLF và độ tích lũy N1 35 theo thời gian ứng với chiều dài BCH khác nhau Hình 2.20. Sự phụ thuộc của cường độ laser Ce:LiCAF và độ tích lũy 35 N1 theo thời gian ứng với L khác nhau. Hình 3. 1. Sự phụ thuộc của ngưỡng bơm vào hệ số phản xạ của gương 38 ra ứng với chiều dài buồng cộng hưởng khác nhau Hình 3. 2. Sự phụ thuộc của năng lượng phá hủy và năng bão hòa của 38 tinh thểtại bước sóng bơm vào bán kính vết bơm Hình 3.3. Phân bố chùm laser sau thấu kính hội tụ 40 Hình 3.4. Bán kính vếtụ hội trên tinh thể 41 Hình 3.5. Sự phụ thuộc của đường kính và tiết diện của chùm laser và 41 vị trí đặt tinh thể Hình 3.6. Sự phụ của đường kính và tiết diện của chùm laservào vị trí 42 đặt tinh thể với 0
  10. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 MỞ ĐẦU Laser (Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation) là một trong những phát minh khoa học quan trọng nhất của thế kỷ XX. Sự ra đời của Laser bắt nguồn từ thuyết lượng tử do nhà bác học A. Einstein phát minh ra năm 1916. Cuối thập niên 1950 nhiều khái niệm cơ bản cho sự hình thành tia laser đã được phát triển bởi các nhà khoa học như Townes và Arthur Schawlow và Gordon Gould ở trường đại học Columbia, Mỹ. Tháng 2 năm 1960, tại phòng nghiên cứu Hughes ở Malibu, California nhà bác học Theodore Maiman đã chế tạo thành công laser đầu tiên trên thế giới đó là Laser Ruby [1, 2] và đến tháng 6 năm 1960 Javan đã chế tạo ra laser khí He - Ne đầu tiên. Đến nay đã có hàng nghìn loại laser khác nhau, phát ở các bước sóng trải dài từ vùng tử ngoại cho đến vùng hồng ngoại [1, 2]. Tùy theo trạng thái, bản chất của môi trường hoạt chất mà người ta phân loại ra các loại laser khác nhau: laser rắn có môi trường hoạt chất ở thể rắn [1, 2]. Có hàng trăm loại như laser Ruby, laser YAG, laser bán dẫn, laser thủy tinh, vv… laser lỏng có môi trường hoạt chất ở thể lỏng điển hình như các laser màu (có khoảng 50 loại khác nhau). Laser khí có môi trường hoạt chất ở thể khí như laser CO2, laser Heli-Neon, laser Argon,... Laser có thể hoạt động ở chế độ phát xung và chế độ phát liên tục. Trong đó chế độ phát xung có 3 chế độ là chế độ phát xung tự do, chế độ điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng, chế độ khóa mode [1, 2]. Từ khi được phát minh cho tới nay laser đã không ngừng được nghiên cứu phát triển. Với những ứng dụng to lớn của chúng trong hầu hết các lĩnh vực khoa học và đời sống cùng với những tiến bộ trong khoa học vật liệu và quang điện tử laser ngày càng được phát triển đa dạng về chủng loại đồng thời kỹ thuật laser ngày càng được hoàn thiện. Các nguồn laser nói chung và các nguồn laser tử ngoại (UV) nói riêng được ứng dụng rộng rãi không chỉ trong khoa học mà còn cả trong đời sống như: trong nghiên cứu Lidar, gia công vật liệu, vi cơ khí, truyền thông quang học, sinh học, y học, quân sự…Các nguồn laser UV thương mại chủ yếu là laser excimer hoặc laser tử ngoại thu được bằng việc sử dụng tinh thể phi tuyến để nhân tần số từ những bức xạ laser nằm trong vùng bước sóng dài hơn. Hạn chế chung của các nguồn laser này là giá thành cao, hiệu suất chuyển đổi thấp, dải phổ hẹp [22]. Học viên: Bùi Thị Thúy Dương 1
  11. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 Trong vài thập niên gần đây, bằng việc sử dụng vật liệu Fluoride pha tạp ion đất hiếm Cerium ba cộng người ta đã phát triển thành công nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại như: Ce3+:LiSrAlF6 (280-325 nm); Ce3+:LiCaAlF6 (280-325 nm); Ce3+:LuLiF4 (305-335 nm); Ce3+:YLiF4 (305-335 nm); Ce3+:LaF3 (275-315 nm). Ưu điểm của các laser này là phổ phát xạ rộng, hiệu suất laser cao, mật độ năng lượng bão hòa lớn. Trong các vật liệu laser Ce-Fluoride thì hai môi trường Ce3+:LuLiF4 (Ce:LLF) và Ce3+:LiCaAlF6 (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. Đặc điểm nổi bật của môi trường tinh thể Ce3+:LuLiF4 (Ce:LLF) có đỉnh phổ hấp thụ tại bước sóng 248 nm và 213 nm [12, 22]. Do vậy, ta có thể sử dụng laser KrF hay hòa ba bậc 5 của laser Nd:YAG làm nguồn bơm cho môi trường laser này. Hơn nữa, Ce:LiLuF đã chứng minh là môi trường laser tử ngoại với dải bước sóng điều chỉnh rộng (trên 30 nm) và hiệu suất laser có thể lên đến 62% [12]. Với 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 bão hòa cao (cỡ 115 mJ/cm2) [15- 17]… Tại Việt Nam, trong những năm gần đây công nghệ laser toàn rắn phát triển rất mạnh mẽ đặc biệt trong vùng bước sóng hồng ngoại và nhìn thấy [8, 9]. Tuy nhiên, việc nghiên cứu và phát triển cũng như ứng dụng các nguồn laser phát trong vùng bước sóng tử ngoại chỉ mới được quan tâm. Bằng nghiên cứu lý thuyết, động học của laser Ce:LiCAF đã được nghiên cứu tường minh [5]. Hơn nữa, với việc sử dụng tinh thể Ce:LiCAF nhóm nghiên cứu thuộc trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện vật lý đã nghiên cứu và phát triển thành công hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF, với hiệu suất laser thu được lên đến 33% [4]. Bằng việc sử dụng buồng cộng hưởng ngắn, chất lượng thấp và bơm gần ngưỡng, nhóm đã phát triển thành công hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF phát xung ngắn, độ rộng xung có thể xuống dưới nano giây [3]. Với nhu cầu ứng dụng càng lớn của các laser tử ngoại, việc nghiên cứu tường minh các quá trình vật lý của laser Ce:Fluoride là rất cần thiết. Xuất phát từ yêu cầu đó, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu động học laser Ce-Fluoride phát bức xạ trong vùng bước sóng tử ngoại”. Học viên: Bùi Thị Thúy Dương 2
  12. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 - Mục đích của luận văn là nghiên cứu tường minh các quá trình động học của các laser phát trực tiếp bức xạ trong vùng tử ngoại sử dụng môi trường hoạt chất là các tinh thể Ce:Fluoride đặc biệt là hai môi trường Ce:LLF và Ce:LiCAF. - Xây dựng hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng nguồn bơm họa 3 bậc 4 của Nd:YAG ở bước sóng 266 nm. Đánh giá các đặc trưng của laser lối ra. Luận văn được chia làm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về laser tử ngoại và các cấu hình bơm cho laser tử ngoại Ce:Fluoride. Chương 2: Động học laser tử ngoại Ce:Fluoride. Chương 3: Hệ laser Ce:LiCAF phát trực tiếp bức xạ tử ngoại. Luận văn được thực hiện tại nhóm Quang tử, Trung tâm Điện tử học Lượng tử - Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Phạm Hồng Minh. Học viên: Bùi Thị Thúy Dương 3
  13. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LASER TỬ NGOẠI VÀ CÁC CẤU HÌNH BƠM CHO LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE Trong chương này, tôi sẽ tìm hiểu một số nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại như laser màu, laser khí, laser excimer, laser bán dẫn, laser Ce:Fluoride cũng như laser tử ngoại thu được bằng việc biến đổi tần số. Phân tích các cấu hình bơm cho laser tử ngoại cũng như các ứng dụng của chúng. 1.1. Tổng quan về một số loại loại laser tử ngoại Laser màu phát bức xạ tử ngoại Một số chất màu hữu cơ có thể sử dụng để làm môi trường để phát trực tiếp các bức xạ tử ngoại. Hoạt chất là các phân tử màu đa nguyên tử nên mỗi mức năng lượng tồn tại nhiều mức con dao động, mức quay dẫn đến phổ hấp thụ và bức xạ của laser màu thường là băng rộng cỡ hàng chục nm. Do vậy, các laser màu có khả năng điều chỉnh được bước sóng trên một dải rộng. Đến nay, với việc dùng các chất màu hữu cơ làm môi trường hoạt chất laser, người ta có thể phát được các bức xạ trong vùng tử ngoại với bước sóng ngắn nhất khoảng 320 nm (Bảng 1.1) [10, 25]. Bảng 1.1. Một số môi trường hoạt chất màu phát bức xạ tử ngoại Hoạt chất Cấu tạo hóa học Dải phổ (nm) Đỉnh phổ (nm) BM – terphenyl C20H18 312 ÷ 343 334 P – terphenyl C18H14 322 ÷ 365 339 TMQ C28H26 338 ÷ 361 350 BMQ C26H22 335÷ 375 357 DMQ C29H28 346 ÷ 377 360 Butyl - PBD C24H22N2O 354 ÷ 388 362 TMI C34H30 355 ÷395 372 PPO C15H11NO 368 ÷ 382 375 Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chất màu là năng lượng bão hòa thấp cỡ 1 mJ/cm2 nên khó để phát triển các nguồn laser tử ngoại công suất lớn. Hơn nữa, do hệ số dẫn nhiệt của các môi trường chất màu thấp nên môi trường hoạt chất nhanh bị Học viên: Bùi Thị Thúy Dương 4
  14. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 nóng, điều này làm cho laser hoạt động không ổn định. Ngoài ra, các môi trường chất màu thường rất độc hại. Laser khí phát bức xạ tử ngoại Một số loại laser khí cũng có khả năng phát bức xạ tử ngoại, ví dụ như: Điển hình là laser khí Nitơ phát ở bước sóng 337,1 nm, sử dụng nitơ phân tử làm môi trường hoạt chất, được kích thích bằng quá trình phóng điện trong chất khí, áp suất khí Nitơ trong ống có thể từ vài torr cho đến 670 torr. Trước đây kiểu phóng điện dọc theo ống được sử dụng, tuy nhiên ngày nay người ta thường phóng điện cho ống theo kiểu ngang với nhiều ưu điểm nổi trội hơn như điện áp phóng điện thấp, phóng ổn định và đồng nhất, tối ưu thể tích khí được kích thích [1, 2, 10, 25]. Do mức laser dưới là mức siêu bền, các laser Nitơ chỉ có thể hoạt động ở chế độ xung với tần số lặp lại có thể lên đến vài trăm Hz. Năng lượng của laser này có thể từ vài chục µJ lên đến vài mJ. Ngoài ra, một số loại laser khí khác cũng phát bức xạ trong vùng tử ngoại như laser khí hidro phát bức xạ 160 nm và 116 nm; laser ion – argon phát bức xạ 351 nm và 363 nm. Laser khí có thể hoạt động ở công suất cao, tuy nhiên laser khí chỉ phát được các xung cỡ nano giây, độ rộng phổ hẹp nên không có khả năng điều chỉnh bước sóng. Laser excimer phát bức xạ tử ngoại Laser eximer là một loại laser khí phân tử, môi trường hoạt chất của laser là các phân tử excimer, các phân tử chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích, trạng thái có năng lượng cực tiểu sẽ bị phân ly. Hiện nay chúng ta có nhiều hệ excimer sau [6, 11]:  Các phân tử hai nguyên tử của khí hiếm (He2, Ne2 …).  Các Ha-lô-gê-nuya của khí hiếm (ArF, KrF, XeF…).  Các hợp chất khác nhau của khí hiếm như XeO.  Các hợp chất kim loại khác nhau như HgBr. Nguyên lý hoạt động: laser excimer hoạt động trên các chuyển dời từ trạng thái kích thích điện tử bền (các phân tử khí hiếm chỉ có thể tồn tại khi ở trạng thái kích thích) xuống trạng thái cơ bản không bền (ở trạng thái cơ bản các phân tử khí hiếm tách thành các nguyên tử) của các phân tử khí hiếm. Người ta sử dụng sự phóng điện ngang, với điện áp cao làm nguồn bơm cho laser excimer, khi đó quá trình kích thích là do các nguyên tử va chạm với điện tử. Học viên: Bùi Thị Thúy Dương 5
  15. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 Bảng 1. 2. Một số laser excimer phát bức xạ tử ngoại. Phân tử khí Bước sóng (nm) Phân tử khí Bước sóng (nm) Ar2 126 KrCl 222 Kr2 146 KrF 248 F2 157 Cl2 259 172 XeBr 282 Xe2 175 XeCl 309 ArF 193 N2 337 CaF2 193 XeF 351 Nhược điểm lớn nhất của các laser tử ngoại excimer là không có khả năng điều chỉnh bước sóng, chỉ phát xung, hiệu suất laser thấp chỉ khoảng 0.2% đến 2%, và độ rộng xung ngắn nhất chỉ cỡ nano-giây. Laser bán dẫn phát bức xạ tử ngoại Một số loại laser bán dẫn cũng có khả năng phát bức xạ trong vùng tử ngoại như: ZnS phát bước sóng 330nm, ZnO phát bước sóng 370nm, CdxS phát bước sóng từ 320nm đến 490nm, GaN phát bước sóng 340 nm. Nhược điểm của các laser bán dẫn là công suất thấp, độ định hướng không cao, bức xạ có tính đơn sắc cao nên không có khả năng điều chỉnh bước sóng [25]. Ngoài ra, các laser điện tử tự do có thể phát ra ánh sáng cực tím về cơ bản nó có thể phát ra bất kỳ bước sóng nào, và với cường độ trung bình cao. Tuy nhiên, trên thế giới mới chỉ có một vài nước có hệ laser điện tử tự do, hơn nữa để vận hành chúng rất tốn kém. Phát bức xạ tử ngoại bằng biến đổi tần số Laser tử ngoại có thể thu được bằng việc sử dụng các tinh thể phi tuyến KDP, KD*P, BBO,.. để biến đổi tần số (nhân tần, cộng tần, trộn tần…) từ các laser phát trong vùng bước sóng dài hơn [10, 25]. Phương pháp nhân tần số về bản chất đó là sự tương tác phi tuyến tính của ánh sáng với môi trường tinh thể phi tuyến. Các tương tác này liên quan đến sự biến đổi  phi tuyến của vectơ phân cực ⃗ theo cường độ điện trường E của ánh sáng. Cấu hình hệ phát laser tử ngoại bằng phương pháp nhân tần số từ laser Ti:Sapphire (Hình 1.1). Học viên: Bùi Thị Thúy Dương 6
  16. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 Hình 1.1. Sơ đồ hệ laser tử ngoại bằng phương pháp nhân tần số từ laser Ti:sapphire. Như vậy, laser có bước sóng nằm trong vùng hồng ngoại, nhờ sử dụng tinh thể phi tuyến sau hai lần nhân tần hoặc trộn tần bức xạ phát ra nằm trong vùng tử ngoại. Tại Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, nhóm nghiên cứu của PGS. Đỗ Quang Hòa đã nghiên cứu và phát triển thành công hệ laser màu tử ngoại dựa trên phương pháp nhân tần số (Hình 1.2). Với việc 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 (Hình 1.3) và 286.4 nm (Hình 1.4) đã được phát triển thành công. Tuy nhiên hiệu suất chuyển đổi bước sóng này rất thấp chỉ cỡ vài % [21]. Học viên: Bùi Thị Thúy Dương 7
  17. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 Hình 1.2. Hệ laser tử ngoại thu được bằng việc nhân tần từ laser màu phản hồi phân bố. Hình 1.3. Bước sóng laser ban đầu 565,8 nm và bước sóng laser tử ngoại sau khi nhân tần 282,9 nm [21]. Học viên: Bùi Thị Thúy Dương 8
  18. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 Hình 1.4. Bước sóng laser ban đầu 572.8 nm và bước sóng laser sau khi nhân tần 286.4nm [21]. Laser rắn Ce:Fluoride Trong vài thập niên gần đây, với việc sử dụng các tinh thể Fluoride pha tạp ion đất hiếm Ce3+ người ta đã chứng minh đây là môi trường rắn hiệu quả để phát trực tiếp cũng như khuếch đại các bức xạ laser trong vùng bước sóng tử ngoại [12-17, 22, 24]. Với vùng điều chỉnh bước sóng rộng, tiết diện phát xạ laser lớn, mật độ năng lượng bão hòa cao các vật liệu Ce:Fluoride đã được ứng dụng trong việc phát triển các nguồn laser tử ngoại xung ngắn, công suất cao. Đến nay đã có năm môi trường Ce-Fluoride Ce3+:LaF3; Ce3+:YLiF4; Ce3+:LuLiF4; Ce3+:LiCaAlF6; Ce3+:LiSrAlF6 đã chứng minh được khả năng phát các bức xạ laser trong vùng bước sóng tử ngoại (Hình 1.5). Các nguồn bơm cho loại laser này cũng rất thông dụng, với môi trường Ce :LiCaAlF6; Ce3+:LiSrAlF6 ta có thể bơm bằng hoa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở 3+ bước sóng 266 nm. Với môi trường Ce3+:YLiF4; Ce3+:LuLiF4 ta có thể sử dụng nguồn bơm là laser excimer KrF ở bước sóng 248 nm hay hòa ba bậc năm của laser Nd:YAG ở bước sóng 213 nm [22]. Các đặc trưng quang học của môi trường tinh thể Ce:Fluoride sẽ được chúng tôi trình bày chi tiết trong phần sau. Học viên: Bùi Thị Thúy Dương 9
  19. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 Hình 1.5. Các vật liệu Ce:Fluoride phát trực tiếp bức xạ tử ngoại [22]. Ngoài ra, các laser điện tử tự do có thể phát ra bức xạ tử ngoại về cơ bản nó có thể phát ra bất kỳ bước sóng nào, với cường độ trung bình cao. Tuy nhiên, trên thế giới mới chỉ có một vài nước có hệ laser điện tử tự do, hơn nữa để vận hành chúng rất tốn kém. 1.2. Môi trường laser rắn pha tạp ion Ce3+ Năm 1977, K. H. Yang và J. A. Deluca đã đề xuất một hướng mới trong việc nghiên cứu phát triển laser UV điều chỉnh liên tục bước sóng [14]. Đó là việc sử dụng sự dịch chuyển 5d – 4f của ion đất hiếm hóa trị 3 pha tạp trong các tinh thể Fluoride. Do lớp điện tử 5d và cấu trúc mạng có sự tương tác mạnh nên dẫn đến sự mở rộng phổ huỳnh quang trong dịch chuyển 5d – 4f. Các kết quả đã được chỉ ra đối với Ce3+:LaF3 (276 nm - 312 nm) và Ce3+:LuF3 (288 nm - 322 nm). Điều này cho thấy các vật liệu này có thể là môi trường laser tiềm năng để phát triển các nguồn laser UV điều chỉnh liên tục bước sóng. Các môi trường laser sử dụng ion Ce3+ có thời gian sống ở mức laser trên cỡ nano giây, độ rộng phổ lớn (30 nm đến 40 nm) và mật độ năng lượng bão hòa cao… Từ đó, có thể thấy các môi trường laser sử dụng ion Ce3+ là môi trường laser tiềm năng cho các phát xạ ở vùng tử ngoại hoạt động ở công suất cao, có khả năng điều chỉnh bước sóng và phát xung cực ngắn [22]. Hiện nay, các môi trường Ce – Fluoride được Học viên: Bùi Thị Thúy Dương 10
  20. Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 sử dụng làm môi trường hoạt chất cho laser tử ngoại gồm: Ce3+:YLiF4; Ce3+:LuLiF4; Ce3+:YLiCaAlF6; Ce3+:LiSrAlF6; Ce3+:LaF3 .... Tuy nhiên, một số nghiên cứu trên vật liệu Ce3+:Y3Al5O12 (Ce:YAG) và Ce3+:YLiF4 (Ce:YLF) đã cho thấy, trong các môi trường này có hiện tượng hấp thụ mạnh ở trạng thái kích thích (Excited State Absorption - ESA) từ mức laser trên đối với bức xạ tại bước sóng huỳnh quang hoặc bước sóng bơm. Chính sự tự hấp thụ này gây ra mất mát quang học và dập tắt hoàn toàn hoạt động laser. Hơn nữa, ESA còn dẫn đến sự hình thành các tâm màu (color center). Các tâm màu này có tác dụng hấp thụ bức xạ tại bước sóng laser, do đó nó sẽ làm giảm hiệu suất hoạt động của laser. Vấn đề trên có thể được giải quyết bằng sự lựa chọn thích hợp giữa mạng nền - chất kích hoạt quang học và sự kết hợp giữa nguồn bơm - môi trường hoạt chất, qua đó có thể tạo ra những nguồn laser UV điều chỉnh liên tục bước sóng hoạt động hiệu quả bằng việc sử dụng dịch chuyển 5d - 4f trong ion Ce3+. 1.2.1. Đặc điểm của môi trường tinh thể laser Fluoride pha tạp ion Cerium Ở trạng thái cơ bản Cerium có 58 electron và có cấu hình electron như sau: 1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 3d 10 4s 2 4 p 6 4d 10 4 f 2 5s 2 5 p 6 5d 6s 2 Khi Cerium được pha tạp trong các nền Flouride thì ion này có hóa trị ba với điện tử ở lớp vỏ hóa trị 4f. Cấu hình điện tử của ion sẽ là: ...4f15d55p6. Trong mạng tinh thể, ion phải chịu ảnh hưởng của môi trường nền dẫn đến sự suy biến các mức năng lượng. Người ta gọi sự suy biến đó là sự tách mức Stark. Do quỹ đạo 5d nằm trên các quỹ đạo 5s và 5p nên tương tác trường tinh thể sẽ đóng vai trò chủ đạo hơn so với tương tác spin – quỹ đạo, vì thế cấu trúc 5d bị nén và bị phân chia thành nhiều mức Stark rộng (điển hình là 4 hoặc 5 mức), mỗi mức cách nhau khoảng cách cỡ 5000 cm-1. Ngoài ra, lớp vỏ ở phía ngoài 5s và 5p bảo vệ lớp 4f khỏi trường tinh thể. Do đó tương tác của các trường tinh thể trong trường hợp này xem như yếu và chỉ dẫn đến sự phân chia Stark của đa mức 2F7/2và2F5/2 với khoảng cách phân chia các mức Stark cỡ 100 cm-1. Ở mức laser dưới, cấu trúc 4f bị phân chia thành các mức 2F7 2 và 2F5 2 là do sự tương tác spin – quỹ đạo và hai mức năng lượng này khác nhau một khoảng 2253 cm-1. Trạng thái kích thích đầu tiên thì cấu trúc của Ce3+ được hình thành do sự dịch chuyển của điện tử ở lớp 4f lên lớp 5d. Và cấu trúc lớp 5d cũng bị phân chia do tương tác spin – quỹ đạo thành 2 D3 2 và 2 D5 2 lần lượt nằm tại 49737 cm-1 và 52226 cm-1. Hình 1.6 Học viên: Bùi Thị Thúy Dương 11
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.01: Bộ Luận Văn Thạc Sĩ Quản Trị Kinh Doanh MBA
165 tài liệu
2062 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2