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.