Chương 1: Vật lý và công nghệ trong khuếch đ¿i laser tử ngo¿i Chương 2: Động học phổ khuếch đ¿i các xung laser tử ngo¿i sử dụng tinh thể Ce:LiCAF Chương 3: Khuếch đ¿i các xung laser tử ngo¿i sử dụng tinh thể Ce:LiCAF Chương 4: Āng dụng laser tử ngo¿i Ce:LiCAF trong quan trắc môi trường Nội dung của luận án đ°ợc thực hiện tại Khoa Vật lý, Học viện KH&CN và Trung tâm Điện tử học L°ợng tử - Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, d°ới sự h°ớng dẫn khoa học của PGS. Phạm Hồng Minh và GS. Nguyễn Đại H°ng. 5 CH¯¡NG 1 V¾T LÝ VÀ CÔNG NGHà TRONG KHU¾CH Đ¾I LASER Ch°¡ng 1 trình bày tổng quan về khuếch đại laser bao gồm nguyên lý khuếch đại và các vấn đề vật lý trong khuếch đại laser.
Tổng hợp và phân tích đặc tr°ng của môi tr°ßng tinh thể cũng nh° các cấu hình khuếch đại đã đ°ợc phát triển cho môi tr°ßng tinh thể Ce:LiCAF. Bên cạnh đó, một số ứng dụng của laser UV trong gia công vật liệu, vi c¡ khí và trong nghiên cứu môi tr°ßng cũng đã đ°ợc tìm hiểu và trình bày [40, 41]. Táng quan vß khu¿ch đ¿i laser 1. Nguyên lý khuếch đ¿i laser Nguyên lý khuếch đại laser dựa trên hiện t°ợng phát xạ c°ỡng bức, đ°ợc chỉ ra trên Hình 1.
Quá trình b¡m sẽ kích thích các ion á trạng thái c¡ bản (E1) lên trạng thái kích thích (E2), các ion sau đó sẽ chuyển rßi do va chạm về mức năng l°ợng thấp nhất của trạng thái E2. Phát xạ c°ỡng bức xảy ra khi môi tr°ßng đạt trạng thái nghịch đảo độ tích lũy và photon có năng l°ợng đúng bằng hiệu hai mức năng l°ợng E2 và E1 đi qua môi tr°ßng khuếch đại. Các photon mới sinh ra và photon ban đầu có cùng ph°¡ng truyền, cùng pha và cùng tần số hay nói cách khác quá trình khuếch đại laser đ°ợc thực hiện [13, 14]. Nguyên lý khuếch đ¿i laser [14].
Nhiệm vụ của một bộ khuếch đại laser là khuếch đại về mặt năng l°ợng xung laser tín hiệu. Về cấu tạo, một bộ khuếch đại laser gồm hai thành phần c¡ bản có mối quan hệ mật thiết với nhau là môi tr°ßng khuếch đại và nguồn b¡m (Hình 1.2), các 6 đặc tr°ng quang học của hai thành phần này sẽ ảnh h°áng lớn đến khả năng khuếch đại cũng nh° đặc tr°ng của xung laser sau khuếch đại [13]. Sơ đồ nguyên lý một bộ khuếch đ¿i laser [14]. Môi tr°ßng khuếch đại hay môi tr°ßng hoạt chất có khả năng khuếch đại các bức xạ đi qua nó.
Các môi tr°ßng khuếch đại laser có thể phân loại thành ba nhóm chính là các môi tr°ßng khí (CO2, N2, XeCl, XeF.), môi tr°ßng lỏng (các dung dịch hữu c¡, chất lỏng chelaste,.) và môi tr°ßng rắn (tinh thể Ti-sapphire, các tinh thể pha tạp ion đất hiếm Nd3+, Ce3+, Er3+,. ) hoặc phân loại dựa trên nguyên lý làm việc ba hay bốn mức năng l°ợng. Việc lựa chọn môi tr°ßng khuếch đại sẽ phụ thuộc vào thông số của laser tín hiệu cần khuếch đại [13]. Để cung cấp năng l°ợng cho các tâm hoạt chất là các điện tử, phân tử hay ion của môi tr°ßng khuếch đại chuyển từ trạng thái c¡ bản lên trạng thái kích thích đòi hỏi phải có nguồn năng l°ợng từ bên ngoài (nguồn b¡m).
Việc lựa chọn nguồn b¡m sẽ phụ thuộc vào đặc tr°ng hấp thụ của môi tr°ßng khuếch đại. Quá trình b¡m có thể thực hiện theo các c¡ chế nh° b¡m quang học, b¡m nhß va chạm không đàn hồi với điện tử tự do, b¡m hóa học, b¡m nhiệt,. Một số vấn đề vật lý trong khuếch đ¿i laser Môi trường khuếch đ¿i: các thông số tiết diện phát xạ và hấp thụ của môi tr°ßng khuếch đại sẽ xác định hệ số khuếch đại ban đầu và thông l°ợng bão hòa. Nếu không có hiện t°ợng phát xạ tự phát (ASE), thßi gian l°u giữ năng l°ợng trong môi tr°ßng khuếch đại đ°ợc xác định bái thßi gian sống của ion á trạng thái kích thích.
7 Tuy nhiên, khoảng thßi gian này có thể rút ngắn đáng kể khi ASE xuất hiện. Do vậy, các thông số cần quan tâm đối với môi tr°ßng khuếch đại bao gồm: tiết diện khuếch đại và hấp thụ tại b°ớc sóng laser tín hiệu; Thßi gian sống huỳnh quang; Năng l°ợng bão hòa tại b°ớc sóng laser b¡m và b°ớc sóng laser tín hiệu. Bên cạnh đó, ng°ỡng phá hủy của môi tr°ßng khuếch đại á b°ớc sóng laser b¡m và b°ớc sóng laser tín hiệu cũng cần đ°ợc đặc biệt quan tâm. Một số môi tr°ßng khuếch đại phổ biến [13, 14].
B°ßc sóng Đß rßng Thái gian Môi tr°áng Ngußn b¢m (nm) phá (nm) sáng (s) XeCl 308 1,5 ~10-8 Phóng điện XeF 351 f2 ~10-8 Phóng điện KrF 249 ~2 f10-8 Phóng điện Rhodamine 6G ~578 ~ 50 5x10-9 Laser (532 nm) Fluorescein 550 ~ 30 4x10-9 Laser (532 nm) Coumarin 448 ~ 30 5x10-9 Laser (355 nm) Ti:sapphire 780 ~ 400 10-6 Laser (514-532 nm) Nd:thủy tinh 1064 ~ 21 3x10-4 Đèn flash Er:thủy tinh 1530 ~ 180 12x10-3 Laser (980 nm) Trên Bảng 1.1 là thông tin về một số môi tr°ßng khuếch đại laser phổ biến. Các môi tr°ßng laser khí Excimer nh° XeCl, XeF, KrF. có đặc điểm là tiết diện khuếch đại lớn, hoạt động đ°ợc trong vùng b°ớc sóng tử ngoại. Các môi tr°ßng laser dạng lỏng phổ biến nh° Rhodamine 6G, Fluorescein, Coumarin.
đặc điểm chung của các môi tr°ßng này là tiết diện phát xạ lớn, phổ phát xạ rộng (g 30 nm) và hoạt động chủ yếu á vùng b°ớc sóng nhìn thấy. Tuy nhiên, các môi tr°ßng này có nh°ợc điểm là thßi gian sống huỳnh quang ngắn (f 10 ns), thông l°ợng bão hòa thấp nên năng l°ợng đạt đ°ợc là không cao. H¡n nữa, chất màu th°ßng độc hại cho ng°ßi sử dụng và môi tr°ßng. Các môi tr°ßng laser rắn (Ti-sapphire, các tinh thể pha tạp ion đất hiếm Nd3+, Er3+,.) có đặc điểm là tiết diện phát xạ lớn, thông l°ợng bão hòa cao, tuy nhiên các nguồn laser rắn chủ yếu hoạt động á vùng hồng ngoại gần.
8 Nguồn bơm và cấu hình bơm: nguồn b¡m có nhiệm vụ cung cấp năng l°ợng từ bên ngoài cho môi tr°ßng hoạt chất, phần năng l°ợng đ°ợc hấp thụ giúp các tâm hoạt chất là các điện tử, phân tử hay ion của môi tr°ßng hoạt chất chuyển từ trạng thái c¡ bản lên trạng thái kích thích và tạo ra nghịch đảo mật độ độ tích lũy. Việc lựa chọn nguồn b¡m sẽ phụ thuộc vào các đặc điểm của môi tr°ßng hoạt chất, phần lớn các môi tr°ßng laser dạng khí đ°ợc b¡m bằng điện, trong khi đó các laser màu đ°ợc b¡m quang học bằng các laser khí hoặc các laser rắn biến đổi tần số sang vùng b°ớc sóng UV hoặc nhìn thấy. Các laser rắn chủ yếu đ°ợc b¡m quang học bằng đèn flash phát bức xạ phổ rộng. Tuy nhiên, môi tr°ßng rắn th°ßng chỉ hấp thụ á một hoặc một vài b°ớc sóng cụ thể.
Do đó, phần lớn năng l°ợng từ đèn flash sẽ chuyển thành nhiệt, điều này đòi hỏi các hệ thống làm mát cho tinh thể cũng nh° hạn chế hiệu suất chuyển đổi laser. Để giảm thiểu các vấn đề nhiệt trong quá trình b¡m cho tinh thể, các nguồn laser diode có b°ớc sóng phát xạ phù hợp với phổ hấp thụ của môi tr°ßng hoạt chất đang dần đ°ợc thay thế cho đèn flash. Trong quá trình b¡m cho môi tr°ßng khuếch đại, xung laser b¡m cần đ°ợc đồng bộ với xung laser tín hiệu để quá trình khuếch đại đ°ợc ổn định và hiệu suất chuyển đổi từ năng l°ợng b¡m sang năng l°ợng laser sau khuếch đại đạt đ°ợc là lớn nhất. H¡n nữa, sự chồng chập giữa chùm laser tín hiệu và chùm laser b¡m cũng nh° phân phối năng l°ợng b¡m trong môi tr°ßng khuếch đại sẽ có ảnh h°áng trực tiếp đến chất l°ợng không gian của chùm laser sau khuếch đại cũng nh° hiệu suất của quá trình khuếch đại.3 chỉ ra hai cấu hình b¡m c¡ bản cho khuếch đại laser trạng thái rắn.
Với cấu hình b¡m ngang (Hình 1.a), chùm laser b¡m gần nh° vuông góc với h°ớng của chùm laser tín hiệu. ¯u điểm chính của b¡m ngang là cho phép sử dụng các 9 nguồn b¡m có độ kết hợp không gian không cao nh° các đèn flash, có thể dễ dàng kết hợp nhiều nguồn b¡m và công suất b¡m có thể đ°ợc phân bố đều dọc theo môi tr°ßng hoạt chất. Do vậy, b¡m ngang th°ßng đ°ợc sử dụng cho khuếch đại các laser trạng thái rắn công suất cao. Tuy nhiên, cấu hình b¡m ngang cũng có những hạn chế nh° hiệu suất chuyển đổi laser không cao, chất l°ợng chùm tia không tốt và c¡ chế làm mát cho tinh thể phức tạp.
Cấu hình b¡m dọc đ°ợc chỉ ra trên Hình 1.b, chùm b¡m cùng với chùm laser tín hiệu sẽ đi dọc theo trục quang học của môi tr°ßng hoạt chất. Cấu hình này cho phép đạt đ°ợc sự chồng chập tốt về không gian giữa chùm laser b¡m và laser tín hiệu giúp tăng hiệu suất chuyển đổi laser cũng nh° chất l°ợng chùm laser lối ra tốt h¡n. Phân lớn các laser trạng thái rắn đ°ợc b¡m bằng laser đi-ốt đều sử dụng cấu hình b¡m dọc. Tuy nhiên, cấu hình b¡m dọc có nh°ợc điểm là chỉ cho phép tối đa b¡m từ hai h°ớng dẫn tới hạn chế tổng công suất b¡m, h¡n nữa b¡m dọc không áp dụng đ°ợc cho đèn flash.
Khuếch đ¿i phát x¿ tự phát (ASE): là quá trình mà bức xạ phát xạ tự phát (th°ßng là huỳnh quang) có thể đ°ợc khuếch đại lên một mức đáng kể trong môi tr°ßng khuếch đại. ASE là hiện t°ợng không mong muốn trong khuếch đại laser, hiện t°ợng này làm giảm nghịch đảo độ tích lũy, tăng tín hiệu nhiễu hoặc thậm chí dập tắt laser. Môi tr°ßng có độ khuếch đại cao hoặc chiều dài khuếch đại lớn là những điều kiện thuận lợi cho hiện t°ợng phát xạ tự phát xảy ra, hiện t°ợng này còn có thể đ°ợc tăng c°ßng khi đ°ợc phản xạ bái g°¡ng và (hoặc) trên bề mặt tinh thể khuếch đại. Phân bố năng lượng cÿa chùm laser sau khuếch đ¿i: sau quá trình khuếch đại, phân bố năng l°ợng của chùm laser lối ra có thể bị biến dạng so với laser tín hiệu, phân bố năng l°ợng cao cục bộ có thể phá hủy tinh thể hoặc các hiện t°ợng quang phi tuyến không mong muốn.
Nguyên nhân phổ biến của hiện t°ợng này là nồng độ pha tạp trong tinh thể không đồng nhất, tinh thể lẫn tạp chất hoặc hiệu ứng nhiệt trong tinh thể.4 là ví dụ về ảnh h°áng của hiệu ứng nhiệt đến phân bố năng l°ợng trong tinh thể khuếch đại. Trong đó, đ°ßng màu đỏ biểu diễn phân bố năng l°ợng của chùm laser b¡m, đ°ßng màu xanh lam biểu diễn biên dạng nhiệt bên trong tinh thể Nd:YAG. Do biên dạng nhiệt gần tâm tinh thể có dạng parabol dẫn tới chùm laser lối ra có những quang sai nhất định [40, 41].