(Luận án tiến sĩ) 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, tơi xin bày tỏ lịng 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 tơi trong suốt q 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 tơi học tập và cơng tác, vì sự cộng tác và giúp đỡ q báu để tơi
hồn 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 ln ln
u thương, tin tưởng, cổ vũ và động viên tơi trong q 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 cơng 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. Mơ 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 mơ tả động học phát xạ laser ....34
2.1.3. Thơng số tính tốn động học phát xạ sử dụng mơi 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. Mơ 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 tồn phần...... 84
3.5.1. Cấu hình BCH vịng sử dụng cặp lăng kính Pellin-Broca .....................84
3.5.2. Hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình phản xạ nội tồn phần 85
3.5.3. Đặc trưng phát xạ của laser Ce:LiCAF sử dụng cấu hình phản xạ nội
tồn phần ...............................................................................................86
Kết luận chƣơng III............................................................................................ 88
KẾT LUẬN CHUNG............................................................................................. 89
DANH MỤC CƠNG 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 mơi 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 tồn 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

Thơng số của mơi 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 mơi 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 mơ 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 Hình 3.3.

Sơ đồ hệ laser tử ngoại rắn Ce:LiCAF được bơm bằng

64

laser Nd:YAG Q-switching (4ω, 266 nm, 10 Hz, 7 ns).
Hình 3.4.

Ảnh chụp hệ laser tử ngoại rắn Ce:LiCAF bơm bằng

66

họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG (266 nm, 10 Hz, 7
ns) đã được phát triển
Hình 3.5.

a) Sự phụ thuộc của năng lượng laser lối ra vào năng

66

lượng bơm hấp thụ trong tinh thể với BCH có chiều dài
L=20 mm, R1=96,7 % và R2=30 %, hiệu suất H=33%.
b) Phổ phát xạ của laser Ce:LiCAF, BCH chiều dài
L=20 mm, R1=96,7%, R2=30%, được bơm bởi laser
Nd:YAG 4ω, năng lượng xung bơm 10 mJ, đỉnh phổ
288,5 nm.

vi


Hình 3.6.

Động học phát xạ cho laser tử ngoại Ce:LiCAF băng

68

rộng với năng lượng laser bơm khác nhau.
Hình 3.7.

Ảnh hưởng của năng lượng laser bơm lên độ rộng xung

69

laser tử ngoại Ce:LiCAF với BCH 25 mm, R1= 96,7%,
R2 = 30%.
Hình 3.8.

Ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng lên độ

71

rộng xung laser tử ngoại Ce:LiCAF, R1= 96,7% và R2
= 30%, năng lượng bơm Eb=8 mJ.
Hình 3.9.

Ảnh hưởng của hệ số phản xạ gương lên độ rộng xung

72

laser tử ngoại Ce:LiCAF với L=20 mm, năng lượng
laser bơm Eb = 8 mJ, R1= 96,7%% và R2 thay đổi lần
lượt 14%, 25% và 30%.
Hình 3.10.

Xung laser 447 ps ghi nhận được bằng phương pháp

72

quá độ BCH cho laser tử ngoại Ce:LiCAF phát băng

rộng với BCH 20 mm, R1=25%, R2=14%, tại năng
lượng bơm Eb=8 mJ.
Hình 3.11.

Laser tử ngoại Ce:LiCAF băng hẹp và điều chỉnh bước

75

sóng sử dụng cấu hình cách tử Littrow được bơm bằng
họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG.
Hình 3.12.

Độ rộng phổ phá xạ băng hẹp tại bước sóng 290 nm

76

của laser tử ngoại Ce:LiCAF cấu hình sử dụng cách tử
Littrow, BCH chiều dài 20 mm, cách tử G= 2400
vạch/mm, Rg=30%; R2=14%, Eb= 14 mJ.
Hình 3.13.

Độ rộng xung laser tương ứng với bước sóng điều chỉnh

77

của laser tử ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình cách tử
Littrow tại năng lượng laser bơm Eb=14 mJ.
Hình 3.14.

Độ rộng xung ngắn nhất thu được tại bước sóng 281,5

78

nm trong vùng điều chỉnh với năng lượng laser bơm
14 mJ.
Hình 3.15.

Mặt cắt ngang của tinh thể cắt dạng kim cương

79

Hình 3.16.

Tinh thể Ce:LiCAF cắt dạng kim cương sử dụng trong

80

vii


hệ thực nghiệm phát xạ laser tử ngoại
Hình 3.17.

a) Cấu hình bơm một mặt và hai mặt tương ứng với

81

huỳnh quang, b) trên bề mặt AB, c) bơm hai mặt và
huỳnh quang trên mặt AB và DA, d) bơm một mặt DA.
Hình 3.18.

Hệ thực nghiệm laser tử ngoại sử dụng tinh thể

82

Ce:LiCAF cắt dạng kim cương được bơm bằng họa ba
bậc bốn của laser Nd:YAG
Hình 3.19

Sự phụ thuộc của hiệu suất laser vào năng lượng laser

83

bơm với cấu hình sử dụng tinh thể Ce:LiCAF cắt dạng
kim cương.
Hình 3.20.

a) Đường truyền của chùm laser tới tại góc Brewter (θβ)

84

trong lăng kính Pellin-Broca. b) Cấu hình vịng phản xạ
nội tồn phần được sử dụng làm BCH cho laser
Hình 3.21.

Cấu hình hệ thực nghiệm Ce:LiCAF sử dụng cấu hình

85

phản xạ nội tồn phần

Hình 3.22

Sự phụ thuộc của năng lượng laser tử ngoại Ce:LiCAF

86

vào năng lượng kích thích của laser Nd:YAG. Hiệu suất
3,8%, hiệu suất chuyển đổi cực đại 2,1%.
Hình 3.23

Phổ băng rộng (a) và độ rộng xung (b) của laser tử

87

ngoại Ce:LiCAF sử dụng cấu hình TIR với hai lăng
kính PB. Đỉnh phổ tại bước sóng 289 nm, độ rộng phổ
3,5 nm, độ rộng xung 4,4 ns.

viii


MỞ ĐẦU
Bức xạ tử ngoại (UV radiation) lần đầu được phát hiện bởi nhà Vật lý
người Đức J. W. Ritter (1801) khi quan sát thấy bức xạ phía dưới vùng ánh sáng
khả kiến, thường được gọi dưới tên “tia oxy hóa”, "tia hóa học", "tithonic rays”
[1-2]. Năm 1878 ảnh hưởng của ánh sáng bước sóng ngắn lên vi khuẩn, có hiệu
quả khử trùng đã được phát hiện [3-6]. Các quan sát thấy được khi đánh giá khả
năng hấp thụ mạnh của bức xạ tử ngoại dưới 200 nm trong không khí và được đặt
tên bức xạ tử ngoại chân khơng vào năm 1893 bởi nhà Vật lý người Đức Victor
Schumann. Vào năm 1903, bức xạ tử ngoại được biết đến với bước sóng 250 nm

có ảnh hưởng hiệu quả nhất tới vi khuẩn và phải đến năm 1960, ảnh hưởng của
bức xạ tử ngoại lên các phân tử DNA mới được biết đến [4, 7-9].
Sự ra đời của laser năm 1960 với đặc trưng ưu việt của nó đã mang lại
bước tiến nhảy vọt trong công nghệ của các nguồn phát bức xạ tử ngoại. Tùy
thuộc vào vùng bước sóng, đặc trưng của từng loại laser khác nhau mà chúng có
ứng dụng riêng.
Laser UV có rất nhiều ứng dụng quan trọng trải rộng trên nhiều lĩnh vực
khoa học và công nghệ như trong hóa học, vật lý, kỹ thuật, khoa học vật liệu, y
học, thông tin lượng tử, quang điện tử, sinh học và khoa học môi trường [10-17].
Các ứng dụng của laser tử ngoại như: tia UV công suất cao có thể được sử dụng
để cắt và khoan lỗ nhỏ trong nhiều loại vật liệu, bao gồm các vật liệu trong suốt
với ánh sáng nhìn thấy, nguồn UV liên tục được ứng dụng trong in thạch bản
kích thước nhỏ, trong sản xuất chip bán dẫn [18]. Các nguồn UV phát liên tục và
xung có thể được sử dụng để chế tạo cách tử Bragg, phẫu thuật mắt, chữa trị tật
về khúc xạ bằng laser …
Các nguồn laser tử ngoại thơng dụng hiện đang sử dụng bao gồm: laser
khí phân tử N2, H2... [19-21]; laser khí hiếm (Ar+, Kr+, Ne+) [22, 23]; laser
excimer [24-27]; laser màu phát bức xạ tử ngoại [28-32]; laser bán dẫn [33, 34];
các nguồn laser tử ngoại thu được bằng phương pháp biến đổi tần số [35-38].
Nhược điểm chung của nguồn phát bức xạ tử ngoại này là thiết kế phức tạp, mơi
trường độc tính; hoặc là những vấn đề về kích thước, bảo dưỡng, hiệu suất, độ
rộng xung, khả năng điều chỉnh bước sóng và tính linh hoạt, độ rộng phổ, độ
1


rộng xung ... của các laser này chưa phù hợp cho các ứng dụng rộng rãi trong
vùng UV. Vì những lý do này, giải pháp tối ưu để thu được một nguồn bức xạ tử
ngoại hiệu quả, đáng tin cậy, nhỏ gọn và chi phí hợp lý là phát triển các nguồn
laser rắn.
Trong nghiên cứu mơi trường, ví dụ nghiên cứu mật độ và phân bố ozone,

do đặc điểm phổ hấp thụ nằm trong vùng bước sóng 240 – 340 nm nên các nguồn
laser tử ngoại sẽ được dùng làm nguồn kích thích cho hệ Lidar Raman. Cụ thể
như, nghiên cứu mơi trường khi khảo sát tầng khí quyển như vùng phổ hấp thụ
288-299 nm cho ozone (O3), vùng hấp thụ 299-305 nm cho phân tử khí sulphur
dioxide (SO2) [16, 17].
Nghiên cứu vật lý và công nghệ cho vật liệu laser và laser rắn là hướng
khoa học và công nghệ thời sự, đang được phát triển rất mạnh trên thế giới, vì nó
khơng chỉ mang ý nghĩa khoa học cơ bản và phát triển cơng nghệ mà cịn có ý
nghĩa thực tiễn và ứng dụng cấp thiết. Do đó, nhiều trung tâm, viện nghiên cứu
và trường đại học trên thế giới có các chương trình nghiên cứu trong việc phát
triển vật liệu và nguồn phát laser cũng như đánh giá tính thực tiễn của các hệ
thống laser này trong nhiều ứng dụng khác nhau. Ví dụ, Trung tâm nghiên cứu
Quang tử, Đại học Macquarie Sydney, Úc đang cố gắng phát triển nguồn laser
rắn phát xung cực ngắn trong vùng bước sóng tử ngoại cho ứng dụng quang phổ
laser [39-41]. Trung tâm nghiên cứu về biến đổi khí hậu thuộc Viện Hàn lâm
Khoa học Đài Loan là một trong những trung tâm khơng phát triển laser nhưng
lại có nhu cầu cấp thiết sử dụng laser trong quan trắc môi trường thông qua kỹ
thuật LIDAR (Light Detection and Ranging - LIDAR) [42, 43]. Viện nghiên cứu
Vật liệu thuộc Đại học Tohoku, Nhật Bản ni tinh thể định hướng ứng dụng,
trong đó có ứng dụng làm môi trường phát laser [44-46]...
Trên thế giới, vật liệu và công nghệ laser tử ngoại vẫn đang được các nhà
khoa học đặc biệt quan tâm nghiên cứu. Bằng việc tính tốn và thực nghiệm,
người ta đã chứng minh khi thay đổi áp suất, nhiệt độ lên tinh thể theo một hay
ba chiều sẽ dẫn đến sự thay đổi độ rộng vùng cấm của vật liệu Ce:Fluoride, từ đó
có thể mở rộng phổ phát xạ của laser [47-56].

2


Gần đây, một số nghiên cứu cho laser tử ngoại phát xung ngắn và điều

chỉnh bước sóng cũng đã được thực hiện. Với việc sử dụng chế độ khóa mode
BCH một laser xung ngắn 6 ps đã được phát triển thành công. Hơn nữa, khi sử
dụng phin lọc lưỡng chiết trong BCH, một laser xung ngắn và điều chỉnh bước
sóng đã được nghiên cứu [39, 40]
Trước những kết quả KH-CN mang tính cách mạng của giới khoa học
quốc tế dựa trên cơ sở phát triển và ứng dụng laser, hiện nay ở trong nước, các cơ
sở nghiên cứu khoa học, ứng dụng và đào tạo (về vật lý, khoa học vật liệu, hố lý,
y-sinh học, thơng tin và mơi trường...) đang ngày càng có nhu cầu trong việc ứng
dụng các nguồn laser, đặc biệt là các nguồn laser đặc chủng để nâng cao khả
năng, chất lượng và trình độ nghiên cứu, ứng dụng và đào tạo - đáp ứng các địi
hỏi của sự hội nhập Khoa học - Cơng nghệ trong khu vực và quốc tế.
Ở Việt Nam, không nhiều nhà khoa học và viện nghiên cứu tập trung vào
hướng vật liệu và cơng nghệ laser, do đó, các nghiên cứu và định hướng ứng
dụng laser còn hạn chế. Gần đây, tại Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam, hệ laser màu tử ngoại phát xung pico-giây dựa trên
phương pháp nhân tần số, ứng dụng trong hệ LIDAR đã được nghiên cứu và phát
triển thành công [57-59]. Sử dụng phương pháp phản hồi phân bố với môi trường
hoạt chất Rhodamine 6G được bơm bằng hịa 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 và 286,4 nm đã
được phát triển. Tuy nhiên với việc sử dụng chất màu làm môi trường hoạt chất
cho laser, cũng như sử dụng tinh thể BBO để chuyển đổi bước sóng laser từ vùng
khả kiến sang vùng tử ngoại nên năng lượng laser lối ra là nhỏ, chỉ cỡ vài nanojun, hiệu suất chuyển đổi bước sóng này rất thấp chỉ cỡ vài %, độ ổn định của
laser không cao, chất màu có khả năng gây độc hại tới mơi trường xung quanh và
người sử dụng. Do vậy, nó hạn chế nhiều ứng dụng, ngay cả ứng dụng trong hệ
LIDAR.
Trong vài thập niên gần đây, bằng việc sử dụng vật liệu Fluoride pha tạp
ion đất hiếm dựa trên dịch chuyển 4f-5d, người ta đã phát triển thành công các
môi trường hoạt chất laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại như: Ce3+:LiSrAlF6
3

(280-320 nm); Ce3+:LiCaAlF6 (Ce:LiCAF, 280-320 nm) [60-64]; Ce3+:LuLiF4
(Ce:LLF, 300-340 nm) và Ce3+:YLiF4 (Ce:YLF, 300-340 nm) [65-67]; Ce3+:LaF3
và Ce3+:LuF3 (Ce:LaF và Ce:LuF, 275-315 nm) [68-70]. Ưu điểm của các môi
trường hoạt chất laser này là phổ phát xạ rộng, hiệu suất laser cao, mật độ cơng
suất bơm bão hịa và ngưỡng bơm phá hủy lớn...
Trong các vật liệu tinh thể laser tử ngoại Ce-Fluoride thì mơi trường tinh
thể 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. Mơi 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 bơm bão
hòa cao (115 mJ/cm2), ngưỡng phá hủy lớn (5 J/cm2), hiệu suất lên đến 46% [6063, 71]…. Tất cả các ưu điểm của môi trường Ce:LiCAF là thuận lợi cho việc
phát triển các laser tử ngoại rắn, phát xung ngắn, băng hẹp, điều chỉnh bước sóng
và cơng suất cao.
Từ các phân tích trên, việc nghiên cứu và phát triển các nguồn laser rắn tử
ngoại: công suất cao, xung ngắn, băng hẹp và có khả năng điều chỉnh bước sóng
tại Việt Nam mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và tính ứng dụng cao.
Xuất phát từ các yêu cầu đó, tơi chọn 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+”
làm hướng nghiên cứu chính của mình.
Mục tiêu của luận án bao gồm:
- Nghiên cứu các quá trình động học phát xạ cho laser rắn tử ngoại
Ce:LiCAF băng rộng, có khả năng phát đơn xung ngắn dưới nano giây.
Đánh giá ảnh hưởng của năng lượng laser bơm, thông số BCH lên độ
rộng xung laser lối ra.
- Nghiên cứu động học phát xạ băng hẹp và điều chỉnh bước sóng của
laser tử ngoại sử dụng tinh thể Ce:LiCAF sử dụng cách tử Littrow. Đánh
giá ảnh hưởng của năng lượng laser bơm, thông số BCH lên độ rộng phổ

phát xạ và độ rộng xung laser lối ra.
4


- Phát triển hệ laser tử ngoại Ce:LiCAF rắn được bơm bằng họa ba bậc 4
của laser Q-switching Nd:YAG ở bước sóng 266 nm phát băng rộng, đơn
xung ngắn và phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử dụng cấu hình
cách tử Littrow.
- Nghiên cứu một số cấu hình mở rộng cho laser tử ngoại Ce:LiCAF là
tiền đề cho việc phát triển các bộ khuếch đại công suất cao và ở trong các
điều kiện hoạt động đặc biệt.
Luận án được thực hiện bằng cả nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực
nghiệm. Các nghiên cứu lý thuyết về động học phát xạ đơn xung ngắn sử dụng
phương pháp quá độ buồng cộng hưởng; phát băng hẹp, điều chỉnh bước sóng sử
dụng cấu hình cách tử Littrow cho mơi trường Ce:LiCAF đã được thực hiện, các
kết quả tối ưu được sử dụng trong việc thiết kế hệ thực nghiệm cho laser tử ngoại
Ce:LiCAF. Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện với BCH laser tử ngoại
Ce:LiCAF xung đơn ngắn, băng hẹp và điều chỉnh bước sóng. Ngồi ra, việc
phát triển cấu hình sử dụng tinh thể cắt dạng kim cương cũng như cấu hình phản
xạ nội tồn phần để mở rộng khả năng phát xạ cũng như ứng dụng của laser tử
ngoại Ce:LiCAF đã được thực hiện.
Từ các nghiên cứu này, luận án được trình bày trong 03 chương:
Chƣơng 1: Vật liệu và laser tử ngoại Ce:LiCAF.
Chƣơng 2: Động học phát xạ laser tử ngoại sử dụng môi trường tinh thể
Ce:LiCAF.
Chƣơng 3: Nghiên cứu và phát triển hệ laser tử ngoại rắn sử dụng
môi trường tinh thể Ce:LiCAF.
Luận án được thực hiện tại Khoa Vật lý, Học viện Khoa học và Công nghệ
(GUST, VAST) và Trung tâm Điện tử học Lượng tử - Viện Vật lý, Viện Hàn lâm
KH&CN Việt Nam, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Phạm Hồng Minh

và GS. TS. Nguyễn Đại Hưng.

5


CHƢƠNG I
VẬT LIỆU VÀ LASER TỬ NGOẠI Ce:FLUORIDE
Chương I trình bày một số nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại hiện
đang được sử dụng trong nghiên cứu và ứng dụng, đặc biệt là đặc trưng quang
học của các môi trường hoạt chất pha tạp ion đất hiếm pha tạp ion Ce3+ có khả
năng phát xạ laser trong vùng bước sóng tử ngoại nhờ dịch chuyển 4f-5d. Ngồi
ra, chúng tơi cũng trình bày một số kỹ thuật phát xung ngắn và phát bức xạ băng
hẹp, điều chỉnh bước sóng cho laser tử ngoại sử dụng môi trường Ce:LiCAF.
1.1. Các nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại và môi trƣờng
Ce:Fluoride
Ánh sáng tử ngoại (Ultraviolet light – UV) là các bức xạ điện từ trong
vùng bước sóng từ 10 nm đến 400 nm (30 PHz÷750 THz). Cho đến nay, một số
nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại đã được sử dụng trong nghiên cứu
khoa học, chế tạo, đời sống và y-sinh học....[1-6]. Sau đây, chúng tơi trình bày
một số nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại đã được biết đến, và các môi
trường tinh thể Fluoride pha tạp ion Ce3+ được phát triển cho laser trong vùng
tử ngoại.
1.1.1. Các nguồn laser phát trực tiếp bức xạ tử ngoại
Laser khí phân tử. Mơi trường hoạt chất của các laser khí phân tử như:
Laser khí nitrogen N2 (337,1 nm) [19, 20]; laser khí Hydro (160 nm, 116 nm)
[21]... Nguồn bơm cho laser khí thường sử dụng phương pháp phóng điện với
điện áp cao hoặc đèn cao áp. Laser nguồn laser này thường có cơng suất lên đến
hàng chục W, tuy nhiên chỉ phát ở chế độ xung (ns) và khơng có khả năng điều
chỉnh bước sóng.
Laser khí hiếm. Một số mơi trường laser ion khí hiếm cũng phát xạ liên

tục trong vùng tử ngoại như ion argon (Ar+, 351,1-385,8 nm, 333,6-363,8 nm,
275,4-305,5 nm) hoặc ion krypton (Kr+, 275,4-305,5 nm, 337,5-365,4 nm), neon
(Ne+, 332,4 nm) với công suất lên đến hàng ốt, laser khí hiếm được sử dụng
rộng rãi cho các mục đích nghiên cứu khoa học và công nghệ [21-23].

6


Laser eximer. Laser eximer (Excited Dimmer) là laser khí phân tử, hoạt
động dựa trên sự dịch chuyển giữa các mức điện tử dao động, phát bức xạ nằm
trong vùng tử ngoại, tử ngoại chân khơng và có cơng suất phát xạ lớn [24-27].
Môi trường hoạt chất của laser excimer là các phân tử excimer và chỉ hoạt động ở
chế độ xung [25, 26], bao gồm: He2, Ne2; ArF, KrF, XeF, XeO HgBr... Hiện nay,
laser excimer được ứng dụng trong khoa học kỹ thuật, y sinh học, phẫu thuật,
làm nguồn kích thích cho một số mơi trường laser, khoan cắt cơng nghiệp.
Nhược điểm của dòng laser này chỉ phát xung nano giây, khơng có khả năng điều
chỉnh bước sóng, mơi trường độc hại, dẫn đến nhiều hạn chế về ứng dụng.
Laser màu phát bức xạ tử ngoại. Một số hoạt chất là chất màu phát bức xạ
tử ngoại được chỉ ra ở Bảng 1.1 [28, 29]. Laser màu với môi trường hoạt chất là
chất màu hữu cơ đa nguyên tử, dễ dàng tan trong các dung môi ethyl, rượu, hay
nước... Các phân tử chất màu với năng lượng được chia thành nhiều mức dao
động và mức quay dẫn đến laser màu thường phát băng rộng, có khả năng điều
chỉnh bước sóng và phát xung cực ngắn tốt [28-32].
Bảng 1.1. Một số môi trường laser màu phát bức xạ tử ngoại [28, 29].
Hoạt chất

Cơng thức
hóa học

Nguồn bơm (nm)

Dải phổ
(nm)

Đỉnh phổ
(nm)

BM – terphenyl

C20H18

KrF (248 nm)

312 ÷ 343

334

P – terphenyl

C18H14

KrF (248 nm)

322 ÷ 365

339

TMQ

C28H26

Nd:YAG (266 nm)

338 ÷ 361

350

BMQ

C26H22

XeCl (308 nm)

335÷ 375

357

DMQ

C29H28

XeCl (308 nm)

346 ÷ 377

360

Butyl - PBD

C24H22N2O

Nd:YAG (266 nm)

354 ÷ 388

362

TMI

C34H30

XeCl (308 nm)

355 ÷395

372

PPO

C15H11NO

Nd:YAG (266 nm)

368 ÷ 382

375

BBD

C26H18NO

Laser Nitơ (337 nm)

372 ÷ 405

375

Nhược điểm của các laser màu là môi trường độc hại, hiệu suất và ngưỡng
bơm bão hòa thấp, hầu như chỉ phát ở vùng tử ngoại A, hạn chế trong việc phát
triển các nguồn laser công suất cao.
Laser bán dẫn phát bức xạ tử ngoại. Một số chất bán dẫn cũng có khả
năng phát bức xạ laser trong vùng tử ngoại như: AlN (210 nm), ZnS (330 nm),
ZnO (370 nm), CdxS (320 nm - 490 nm), GaN (340 nm). Các laser bán dẫn với
7


đặc tính nhỏ gọn. Tuy nhiên, nhược điểm của các laser bán dẫn là công suất thấp,
độ định hướng không cao, phát xạ chủ yếu trong vùng tử ngoại A, bức xạ có tính
đơn sắc cao nên khơng có khả năng điều chỉnh bước sóng [33, 34].
Laser tử ngoại thu được bằng phương pháp biến đổi tần số. Đây là một
trong những kỹ thuật laser bước sóng ngắn phổ biến hiện nay dựa trên các hiệu
ứng phi tuyến [35]. Thông thường, kỹ thuật phát các bức xạ UV và VUV được
dùng như: phát họa ba bậc cao, trộn tần số thông qua việc sử dụng các tinh thể
phi tuyến... [35, 36], sơ đồ nguyên lý cho việc phát bức xạ tử ngoại sử dụng
phương pháp biến đổi tần số được trình bày trên Hình 1.1. Bằng cách sử dụng
các tinh thể phi tuyến khác nhau cho các quá trình tạo ra họa ba, người ta có thể
dễ dàng chuyển đổi bức xạ laser từ vùng bước sóng dài thành bước sóng vùng
UV.

Hình 1.1. a) Sơ đồ ngun lý cho việc phát họa ba bậc cao để 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 [35, 36]
Hiện nay, các tinh thể phi tuyến được sử dụng phổ biến nhất trong việc
phát UV và một phần trong VUV bao gồm: KDP, ADP, KTP, LBO và BBO,
CLBO, CBO, và LB4 [35-38], được trình bày trong Bảng 1.2.
Tại Việt Nam, bằng 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 laser phát xạ 565,8 nm và 572,6 nm.
Sau khi sử dụng tinh thể BBO để nhân tần, nhóm Đỗ Quang Hịa, Viện Vật lý thu

8


nhận được laser tử ngoại ở bước sóng 282,9 nm và 286,4 nm được sử dụng trong
quan trắc khí quyển [57].
Bảng 1.2. Đặc trưng quang học của một số tinh thể phi tuyến điển hình.
Tinh thể
phi tuyến

Vùng truyền
qua (µm)

Cực tiểu bƣớc sóng (nm)
có thể nhận
SHG

FHG

SFG

LBO (LiB3O5)

0,16-0,32

277

242,5

160

BBO (β-BaB2O4)

0,189-3,5

204,8

189

189

CBO (CsB3O5)

0,167-3.0

272,8

236,3

167

CLBO (CsLiB6O10)

0,18-2,75

236,7

211,7

180

KB5O84H2O

0,182-1,5

217

194,8

162

LB4 (Li2B4O7)

0,160-3,3

243,8

218,3

160

KBBF KBe2BO3F2

0,155-3,66

164

155

155

Nhược điểm của phương pháp biến đổi tần số là hiệu suất chuyển đổi
bước sóng thấp,...[57-59]. Từ kết quả thực nghiệm, có thể thấy rằng, sau mỗi lần
đi qua tinh thể phi tuyến để phát họa ba, hiệu suất nhận được sau khi biến đổi tần
số giảm dần. Đồng thời, chất lượng chùm sau biến đổi phụ thuộc lớn vào độ phù
hợp pha, dẫn đến yêu cầu cao về kỹ thuật điều chỉnh.
1.1.2. Laser tử ngoại sử dụng môi trường tinh thể pha tạp ion đất hiếm
Việc phát triển laser rắn tử ngoại dựa trên các môi trường hoạt chất pha
tạp các ion đất hiếm như Ce3+, Pr3+, Nd3+, Tm3+… với các chuyển dời 5d → 4f
đang được các nhà khoa học đặt kỳ vọng cao cho phát xạ laser tử ngoại trong
vùng UV [72-77].
Điển hình như, một số mơi trường như Ce:LLF và Ce:LiCAF hiện đang
được đặc biệt quan tâm, vì hiệu suất laser có thể lên tới 60% và khả năng điều
chỉnh bước sóng từ 270 nm cho đến 340 nm [64, 65]. Trong vùng VUV, cho đến
nay, mới chỉ có mơi trường Nd:LaF3 phát laser ở vùng tử ngoại chân không [20].
Tinh thể Nd:LaF3 được bơm quang học bởi laser F2 (157 nm), phát xạ ở bước
sóng 172 nm (nhờ dịch chuyển 4f5d → 4f3), đây là bước sóng laser ngắn nhất
cho đến thời nay của các môi trường hoạt chất pha tạp ion đất hiếm [73]. Còn với
các vật liệu pha tạp Tm3+, Pr3+ cho đến nay vẫn chưa phát laser thành công [74-

9

77]. Sơ đồ năng lượng cho chuyển dời 4f-5d của các ion đất hiếm được chỉ ra
trong Hình 1.2.

Hình 1.2. Sơ đồ các mức năng lượng trong chuyển dời 4fn – 4fn-15d
của các ion Ce3+, Pr3+, Nd3+, Tm3+ [74, 75].
Vật liệu pha tạp các ion như Ce3+, Pr3+, Nd3+, hoặc Tm3+ được đặc trưng
không chỉ bởi sự dịch chuyển quang học của cấu trúc 4f↔5d trong miền UV mà
còn bởi sự chuyển tiếp nội tại 4f↔4f (đối với Pr3+, Nd3+, hoặc Tm3+) như trong
Hình 1.2. Điều này có nghĩa là phát xạ tử ngoại của chúng có thể được kích thích
bởi sự hấp thụ đa photon trong mức năng lượng 4f. Đồng thời, năng lượng giữa
hai mức laser trên và mức laser dưới từ 35 eV đến 90 eV (103 cm-1), điều này
cho phép phổ phát xạ trải rộng từ vùng tử ngoại gần cho tới vùng tử ngoại sâu.
Đặc biệt, các mức 4fn-15d được chia thành nhiều mức con, cho khả năng phát
huỳnh quang với dải phổ rộng lên đến vài chục nano mét [74, 75].
Cho đến nay, mới có một số mơi trường có khả năng phát laser như:
Nd:LaF, Ce:LaF, Ce:LiSAF, Ce:LiCAF, Ce:YLF, Ce:LiLuF. Các môi trường
khác mới chỉ dừng lại ở việc phát huỳnh quang mà chưa phát laser [78-82]. Mặc
dù vậy, có thể thấy được tiềm năng trong việc phát triển các nguồn laser rắn phát
bức xạ tử ngoại và tử ngoại chân không, sử dụng các môi trường pha tạp các ion
đất hiếm nhờ dịch chuyển 4f-5d.
10