Nghiên cứu Động học Laser Ce:Fluoride Phát Bức Xạ Vùng Tử Ngoại - Luận văn Thạc sĩ

Dưới đây là meta tags cho bài viết "Luận văn thạc sĩ nghiên cứu động học laser ce fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại": { "ai_description": "Nghiên cứu

• Tác giả: Bùi Thị Thúy Dương
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Hồng Minh
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Nghiên cứu động học laser Ce: Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Khám Phá Động học Laser Ce Fluoride Vùng Tử Ngoại Tổng Quan Toàn Diện

Nghiên cứu về động học laser Ce:Fluoride vùng tử ngoại đóng vai trò thiết yếu trong việc tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng của các hệ thống laser tiên tiến. Laser tử ngoại (UV laser) đã và đang chứng tỏ giá trị vượt trội trong nhiều lĩnh vực như y tế, công nghiệp, và khoa học cơ bản, nhờ khả năng tương tác độc đáo với vật chất ở cấp độ phân tử. Trong số các loại laser UV, laser Ce:Fluoride nổi bật với hiệu suất cao và khả năng phát xạ ổn định trong dải sóng tử ngoại, đặc biệt là các bước sóng ngắn. Sự phát triển của môi trường tinh thể pha tạp ion Cerium (Ce3+) trong ma trận fluoride đã mở ra tiềm năng lớn, cho phép chế tạo các nguồn laser rắn gọn nhẹ, bền bỉ và hiệu quả. Việc phân tích sâu sắc về động học phát xạ, bao gồm các cơ chế bơm, quá trình hấp thụ, phát xạ và suy giảm năng lượng, là chìa khóa để khai thác tối đa tiềm năng của loại laser này. Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan về laser Ce:Fluoride và các khía cạnh liên quan đến động học laser Ce:Fluoride vùng tử ngoại, từ đặc điểm vật liệu đến các phương pháp mô phỏng và ứng dụng thực tiễn, nhằm cung cấp kiến thức nền tảng và định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo.

1.1. Sự Ra Đời và Tầm Quan Trọng của Laser Tử Ngoại Ce Fluoride

Laser tử ngoại (UV laser) là một công cụ mạnh mẽ với bước sóng ngắn, năng lượng photon cao, mang lại khả năng tương tác độc đáo với vật chất. Trong các nguồn laser UV, laser Ce:Fluoride đã trở thành một lựa chọn ưu việt nhờ khả năng phát xạ trực tiếp trong vùng tử ngoại (UV) mà không cần chuyển đổi tần số. Điều này giúp đơn giản hóa cấu trúc hệ thống và tăng hiệu quả năng lượng. Sự ra đời của các môi trường tinh thể fluoride pha tạp ion Cerium (Ce3+), như Ce:LiLuF (Ce:LLF) và Ce:LiCAF, đã đánh dấu một bước tiến quan trọng. Các vật liệu này sở hữu dải hấp thụ rộng và dải phát xạ mạnh trong vùng UV, đặc biệt là quanh 280-320 nm, làm cho chúng trở nên lý tưởng cho nhiều ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao và bước sóng ngắn. Tầm quan trọng của laser Ce:Fluoride vùng tử ngoại được thể hiện rõ qua vai trò của nó trong quang phổ học, y sinh học, công nghiệp bán dẫn và các nghiên cứu khoa học vật liệu, nơi mà năng lượng photon cao có thể kích hoạt các quá trình quang hóa hoặc cắt gọt vật liệu với độ phân giải siêu cao.

1.2. Đặc Điểm Nổi Bật của Môi Trường Tinh Thể Fluoride Pha Tạp Ion Cerium

Môi trường tinh thể fluoride pha tạp ion Cerium (Ce3+) là yếu tố cốt lõi tạo nên hiệu suất của laser Ce:Fluoride. Ion Cerium ba hóa trị (Ce3+) có cấu hình electron [Xe]4f1, với quá trình chuyển dải giữa 4f và 5d là cơ chế phát xạ chính. Quá trình này tạo ra các photon năng lượng cao trong vùng tử ngoại. Các tinh thể fluoride như LiCAF (LiCaAlF6) và LiLuF (LiLuF4) được chọn làm vật liệu chủ vì chúng có độ trong suốt cao trong vùng UV, độ dẫn nhiệt tốt, và cấu trúc mạng tinh thể phù hợp để pha tạp ion Ce3+ mà không gây biến dạng đáng kể. Một đặc điểm nổi bật khác là khả năng kháng hư hỏng bởi bức xạ UV cao, đảm bảo tuổi thọ và độ ổn định cho thiết bị. Hơn nữa, các môi trường này cho phép mật độ pha tạp ion Ce3+ tương đối cao, góp phần tăng cường độ khuếch đại và công suất phát của laser. Việc hiểu rõ các đặc tính này là cơ sở để nghiên cứu sâu hơn về động học laser Ce:Fluoride và tối ưu hóa thiết kế các hệ thống laser UV trong tương lai.

II. Bí Quyết Nâng Cao Hiệu Suất Các Cấu Hình Bơm Tối Ưu cho Laser Ce Fluoride Vùng Tử Ngoại

Để đạt được hiệu suất tối đa từ laser Ce:Fluoride vùng tử ngoại, việc lựa chọn và tối ưu hóa cấu hình bơm quang học là vô cùng quan trọng. Các môi trường tinh thể Ce:Fluoride yêu cầu nguồn bơm có năng lượng cao, thường là laser UV khác (ví dụ: laser KrF, hòa ba/bốn của Nd:YAG) để kích thích các ion Ce3+ lên trạng thái kích thích 5d. Năng lượng bơm phải đủ lớn để vượt ngưỡng laser và duy trì quá trình phát xạ liên tục hoặc xung. Ba cấu hình bơm quang học chính đã được nghiên cứu và ứng dụng cho tinh thể Ce:Fluoride bao gồm bơm ngang, bơm xiên và bơm dọc. Mỗi cấu hình có những ưu và nhược điểm riêng biệt, ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố năng lượng trong tinh thể, hiệu quả hấp thụ, và chất lượng chùm tia laser đầu ra. Việc phân tích kỹ lưỡng các cấu hình này giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư đưa ra quyết định tối ưu, phù hợp với mục tiêu ứng dụng cụ thể. Sự hiểu biết sâu sắc về các yếu tố như đường kính vết bơm, vị trí tinh thể, và cường độ bơm sẽ cải thiện đáng kể động học laser Ce:Fluoride và khả năng phát xạ UV.

2.1. Phân Tích Cơ Chế Bơm Quang Học và Ảnh Hưởng Đến Phát Xạ UV

Cơ chế bơm quang học trong laser Ce:Fluoride liên quan đến sự hấp thụ photon bơm bởi ion Ce3+, chuyển chúng từ trạng thái cơ bản 4f lên trạng thái kích thích 5d. Sau đó, các ion này nhanh chóng chuyển xuống trạng thái thấp hơn của dải 5d và phát xạ photon tử ngoại khi trở về trạng thái 4f cơ bản. Quá trình này diễn ra rất nhanh, thường trong vài chục nanosecond, cho phép tạo ra các xung laser ngắn và mạnh. Hiệu quả của quá trình bơm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ dài bước sóng bơm phù hợp với dải hấp thụ của Ce3+, mật độ năng lượng bơm, và khả năng chồng chập không gian giữa chùm bơm và mode laser. Sự hấp thụ ở trạng thái kích thích (ESA - Excited State Absorption) là một cơ chế cạnh tranh có thể làm giảm hiệu suất phát xạ, do các ion ở trạng thái kích thích hấp thụ thêm photon bơm thay vì phát xạ. Do đó, việc thiết kế hệ thống bơm cần tối thiểu hóa ESA để đảm bảo hiệu quả chuyển đổi năng lượng và tối ưu hóa động học laser Ce:Fluoride.

2.2. So Sánh Ưu Nhược Điểm của Các Cấu Hình Bơm Ngang Xiên Dọc

Mỗi cấu hình bơm quang học (ngang, xiên, dọc) mang lại những lợi ích và hạn chế khác nhau cho laser Ce:Fluoride vùng tử ngoại. Bơm ngang, ví dụ, thường được sử dụng cho laser công suất cao, trong đó bức xạ bơm được tập trung dọc theo cạnh của thanh tinh thể [18]. Ưu điểm là giảm thiểu sự gia nhiệt tại tâm tinh thể, nhưng nhược điểm là sự phân bố mật độ tâm kích thích không đồng đều, giảm theo hàm mũ từ cạnh vào tâm. Điều này có thể dẫn đến việc kích thích các mode bậc cao, ảnh hưởng đến chất lượng chùm tia laser. Để khắc phục, có thể sử dụng các bộ lọc mode hoặc buồng cộng hưởng ổn định. Bơm dọc là cấu hình lý tưởng nhất cho việc chồng chập không gian với mode cơ bản của laser, tạo ra chùm tia chất lượng cao. Tuy nhiên, nó đòi hỏi tinh thể phải có độ hấp thụ thấp tại bước sóng bơm để ánh sáng đi sâu vào vật liệu, hoặc cần tinh thể rất mỏng. Bơm xiên là một sự kết hợp, cố gắng cân bằng giữa việc kích thích thể tích và chất lượng chùm tia. Việc lựa chọn cấu hình phụ thuộc vào yêu cầu về công suất, chất lượng chùm, và kích thước hệ thống.

III. Hướng Dẫn Phân Tích Động học Laser Ce Fluoride Mô Hình Lý Thuyết và Các Thông Số Chủ Chốt

Phân tích động học laser Ce:Fluoride là bước quan trọng để hiểu rõ hành vi của hệ thống và dự đoán hiệu suất của nó. Mô hình lý thuyết cung cấp một khuôn khổ để mô tả các quá trình vật lý diễn ra bên trong môi trường laser, từ sự hấp thụ năng lượng bơm đến quá trình phát xạ và sự suy giảm mức năng lượng. Việc xây dựng một mô hình chính xác đòi hỏi sự xem xét các thông số vật lý quan trọng của vật liệu và thiết kế buồng cộng hưởng. Các thông số này bao gồm tiết diện hấp thụ, tiết diện phát xạ, thời gian sống của trạng thái kích thích, nồng độ ion Ce3+, và các thông số của buồng cộng hưởng như hệ số phản xạ gương, chiều dài buồng. Sử dụng các phương trình vi phân liên quan đến độ tích lũy dân số ở các mức năng lượng và cường độ photon, có thể mô phỏng động học laser trong các điều kiện bơm khác nhau. Sự hiểu biết này giúp tối ưu hóa các yếu tố thiết kế và hoạt động để đạt được động học laser Ce:Fluoride vùng tử ngoại hiệu quả nhất, giảm thiểu tổn hao và tăng cường công suất đầu ra.

3.1. Xây Dựng Mô Hình Lý Thuyết Cho Động học Laser Ce Fluoride

Mô hình lý thuyết cho động học laser Ce:Fluoride thường dựa trên hệ phương trình rate (rate equations) mô tả sự thay đổi dân số ở các mức năng lượng và số lượng photon trong buồng cộng hưởng. Các phương trình này xét đến các quá trình chính như hấp thụ bơm, phát xạ tự phát, phát xạ kích thích và suy giảm không bức xạ. Đối với ion Ce3+, mô hình thường tập trung vào hai mức năng lượng chính: trạng thái cơ bản 4f (N0) và trạng thái kích thích 5d (N1). Các thông số quan trọng trong mô hình bao gồm: tiết diện hấp thụ bơm (σp), tiết diện phát xạ laser (σe), thời gian sống bức xạ của trạng thái kích thích (τ), tần số photon bơm (νp) và laser (νL). Bên cạnh đó, các yếu tố của buồng cộng hưởng như hệ số phản xạ gương (R), tổn hao bên trong (α) và chiều dài buồng cộng hưởng (L) cũng được tích hợp. Giải các phương trình này bằng phần mềm mô phỏng (ví dụ: MATLAB) cho phép dự đoán ngưỡng bơm, công suất phát, hình dạng xung và các đặc tính khác của laser Ce:Fluoride vùng tử ngoại dưới các điều kiện vận hành khác nhau.

3.2. Tối Ưu Các Thông Số Quan Trọng Trong Mô Phỏng Laser UV

Việc tối ưu hóa các thông số trong mô phỏng là cần thiết để đạt được hiệu suất cao nhất cho laser Ce:Fluoride. Các thông số vật liệu như nồng độ ion Ce3+, chiết suất môi trường (n), và các tiết diện hấp thụ/phát xạ phải được xác định chính xác từ dữ liệu thực nghiệm hoặc lý thuyết. Các thông số thiết kế buồng cộng hưởng cũng đóng vai trò then chốt. Chẳng hạn, độ phản xạ của gương ra (R2) ảnh hưởng trực tiếp đến ngưỡng laser và hiệu suất dốc. Một hệ số phản xạ quá cao có thể tăng tổn hao, trong khi quá thấp có thể không đủ phản hồi để duy trì laser. Chiều dài buồng cộng hưởng (L) cũng tác động đến thời gian truyền ánh sáng (τt) và do đó ảnh hưởng đến thời gian hình thành xung laser. Ảnh hưởng của năng lượng bơm là rõ ràng nhất, một năng lượng bơm đủ cao sẽ đảm bảo vượt ngưỡng và duy trì phát xạ ổn định. Mô phỏng cũng cần xem xét các hiệu ứng phi tuyến tính như hấp thụ ở trạng thái kích thích (ESA) và suy giảm dân số do quá nhiệt cục bộ, để có cái nhìn toàn diện về động học laser Ce:Fluoride.

IV. Đánh Giá Hiệu Năng Thực Tế Ảnh Hưởng Của Các Yếu Tố Đến Động học Laser Ce Fluoride Vùng Tử Ngoại

Hiệu năng của laser Ce:Fluoride vùng tử ngoại trong thực tế không chỉ phụ thuộc vào đặc tính vật liệu mà còn chịu ảnh hưởng sâu sắc từ các thông số vận hành và thiết kế hệ thống. Việc đánh giá chi tiết ảnh hưởng của năng lượng bơm, hệ số phản xạ gương ra, và cấu trúc buồng cộng hưởng là cực kỳ quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của laser. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng các yếu tố này tác động trực tiếp đến ngưỡng laser, công suất đầu ra, và chất lượng chùm tia. Ví dụ, một ngưỡng phá hủy tinh thể thấp tại bước sóng bơm có thể giới hạn năng lượng bơm tối đa, trong khi ngưỡng bão hòa cung cấp thông tin về khả năng hấp thụ của vật liệu. Sự phụ thuộc của ngưỡng bơm vào các thông số buồng cộng hưởng (như R2, L) giúp định hình thiết kế hệ thống để đạt hiệu quả tối ưu. Ngoài ra, việc kiểm soát đường kính vết bơm và vị trí tinh thể trong buồng cộng hưởng cũng đóng vai trò quyết định trong việc tránh phá hủy tinh thể và tối đa hóa sự chồng chập giữa chùm bơm và mode laser, từ đó cải thiện động học laser Ce:Fluoride.

4.1. Tác Động Của Năng Lượng Bơm và Hệ Số Phản Xạ Gương Ra

Năng lượng bơm là yếu tố cơ bản nhất ảnh hưởng đến động học laser Ce:Fluoride. Để laser hoạt động, năng lượng bơm phải vượt qua một ngưỡng nhất định để tích lũy đủ dân số ở trạng thái kích thích. Khi năng lượng bơm tăng, công suất laser đầu ra cũng tăng theo một cách tuyến tính sau ngưỡng, cho đến khi đạt đến điểm bão hòa hoặc bị giới hạn bởi các hiệu ứng nhiệt. Tuy nhiên, việc tăng năng lượng bơm quá mức có thể gây ra hiện tượng phá hủy tinh thể, đặc biệt ở các vết bơm có đường kính nhỏ. Hệ số phản xạ của gương ra (R2) của buồng cộng hưởng cũng có tác động lớn. Hệ số R2 cao hơn sẽ giảm ngưỡng laser nhưng có thể làm giảm công suất đầu ra ở năng lượng bơm cao do tăng tổn hao trong buồng. Ngược lại, R2 thấp hơn sẽ tăng ngưỡng nhưng có thể cho phép công suất đầu ra cao hơn nếu năng lượng bơm đủ lớn. Việc lựa chọn R2 tối ưu là một sự cân bằng giữa việc đạt được ngưỡng thấp và công suất đầu ra cao nhất cho laser Ce:Fluoride vùng tử ngoại.

4.2. Khảo Sát Chiều Dài Buồng Cộng Hưởng và Vị Trí Tinh Thể

Chiều dài buồng cộng hưởng (L) là một thông số cấu hình quan trọng ảnh hưởng đến động học laser Ce:Fluoride. Nó xác định thời gian photon truyền đi trong buồng, từ đó ảnh hưởng đến thời gian sống hiệu dụng của photon và động học hình thành xung laser. Đối với các laser xung, chiều dài buồng cũng ảnh hưởng đến độ rộng xung và tần số lặp lại. Sự phụ thuộc của ngưỡng bơm vào chiều dài buồng cộng hưởng thường được khảo sát để tìm ra cấu hình tối ưu. Bên cạnh đó, vị trí đặt tinh thể trong buồng cộng hưởng và đường kính vết bơm trên tinh thể cũng rất quan trọng. Như được chỉ ra trong tài liệu [trang 40, Hình 3.4], khi tinh thể đặt càng gần tiêu cự thấu kính (z=0), tiết diện chùm laser bơm càng nhỏ. Điều này có thể gây ra mật độ năng lượng bơm rất cao, tiềm ẩn nguy cơ phá hủy tinh thể nếu không điều chỉnh năng lượng bơm phù hợp. Do đó, việc xác định vị trí tối ưu và đường kính vết bơm là cần thiết để cân bằng giữa hiệu suất kích thích và sự an toàn của vật liệu Ce:Fluoride.

V. Triển Vọng Tương Lai Của Laser Ce Fluoride Vùng Tử Ngoại Kết Luận và Định Hướng Phát Triển

Nghiên cứu về động học laser Ce:Fluoride vùng tử ngoại đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, khẳng định tiềm năng của loại laser này trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao. Các môi trường tinh thể pha tạp ion Cerium đã chứng tỏ khả năng phát xạ UV trực tiếp, hiệu suất cao, và độ bền vật liệu tốt. Thông qua việc phân tích kỹ lưỡng các mô hình lý thuyết và thực nghiệm, các nhà khoa học đã hiểu sâu hơn về cơ chế hoạt động, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất, và cách tối ưu hóa cấu hình hệ thống. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết để khai thác tối đa tiềm năng của laser Ce:Fluoride. Các hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện vật liệu, phát triển cấu hình bơm mới hiệu quả hơn, và khám phá các ứng dụng đột phá. Sự phát triển này hứa hẹn sẽ đưa laser Ce:Fluoride vùng tử ngoại trở thành một công cụ không thể thiếu trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao và khả năng tương tác ở cấp độ phân tử.

5.1. Những Thành Tựu Nổi Bật và Hạn Chế Hiện Tại

Trong lĩnh vực động học laser Ce:Fluoride vùng tử ngoại, các thành tựu đáng kể đã được ghi nhận, bao gồm việc chế tạo thành công các tinh thể Ce:LLF và Ce:LiCAF có khả năng phát xạ UV hiệu quả, cũng như phát triển các mô hình lý thuyết dự đoán chính xác hành vi laser. Công nghệ bơm quang học đã được cải tiến, cho phép đạt được công suất đầu ra cao và độ ổn định tốt. Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại một số hạn chế. Một trong số đó là sự hấp thụ ở trạng thái kích thích (ESA) có thể làm giảm hiệu suất lượng tử. Thách thức khác liên quan đến khả năng chịu tải nhiệt của vật liệu ở công suất bơm rất cao, gây ra hiệu ứng nhiệt làm giảm chất lượng chùm tia hoặc thậm chí phá hủy tinh thể. Việc tìm kiếm các vật liệu fluoride mới hoặc cải thiện quy trình tăng trưởng tinh thể để giảm thiểu các tổn hao này là một hướng đi quan trọng để nâng cao hơn nữa hiệu suất của laser Ce:Fluoride.

5.2. Định Hướng Nghiên Cứu và Ứng Dụng Tương Lai cho Laser UV Ce Fluoride

Hướng phát triển tương lai cho laser Ce:Fluoride vùng tử ngoại tập trung vào việc vượt qua các hạn chế hiện có và mở rộng phạm vi ứng dụng. Các nghiên cứu sẽ tiếp tục tìm kiếm các vật liệu chủ fluoride mới với các đặc tính quang học và nhiệt tốt hơn, cũng như tối ưu hóa nồng độ pha tạp Cerium. Phát triển các cấu hình bơm tiên tiến, chẳng hạn như bơm bằng diode laser trực tiếp (nếu khả thi về mặt bước sóng và công suất), có thể giảm kích thước và chi phí hệ thống. Ngoài ra, việc nghiên cứu các kỹ thuật điều khiển xung laser, bao gồm việc tạo ra các xung cực ngắn và siêu mạnh trong vùng UV, sẽ mở ra cánh cửa cho các ứng dụng mới trong vi gia công vật liệu, công nghệ bán dẫn và quang phổ học tiên tiến. Khả năng tích hợp laser Ce:Fluoride vào các hệ thống quang học phức tạp, như hệ thống lithography hoặc dụng cụ y sinh, cũng là một lĩnh vực đầy tiềm năng, góp phần đưa loại laser này vào ứng dụng rộng rãi hơn trong đời sống và khoa học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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. 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. 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 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 Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 Bảng 1. 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. Học viên: Bùi Thị Thúy Dương 6 Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 Hình 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. 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.

Sau khi sử dụng tinh thể BBO để nhân tần, bước sóng laser tử ngoại ở 282.4) 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 Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 Hình 1. Hệ laser tử ngoại thu được bằng việc nhân tần từ laser màu phản hồi phân bố.

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 Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 Hình 1. Bước sóng laser ban đầu 572.8 nm và bước sóng laser sau khi nhân tần 286. 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. 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 Nghiên cứu động học laser Ce:Fluoride phát bức xạ trong vùng tử ngoại 2018 Hình 1. 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. Môi trường laser rắn pha tạp ion Ce3+ Năm 1977, K. 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.