LUẬN văn THẠC sĩ HAY phát triển nguồn laser nd YAG biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng thụ động tích hợp trong hệ lidar di động quan trắc mây ti tầng cao​

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

VŨ THỊ HOÀN

PHÁT TRIỂN NGUỒN LASER Nd:YAG
BIẾN ĐIỆU ĐỘ PHẨM CHẤT BUỒNG
CỘNG HƯỞNG THỤ ĐỘNG TÍCH HỢP
TRONG HỆ LIDAR DI ĐỘNG QUAN TRẮC
MÂY Ti TẦNG CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

THÁI NGUYÊN - 2018

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI KHOA HỌC

VŨ THỊ HOÀN

PHÁT TRIỂN NGUỒN LASER Nd:YAG
BIẾN ĐIỆU ĐỘ PHẨM CHẤT BUỒNG
CỘNG HƯỞNG THỤ ĐỘNG TÍCH HỢP
TRONG HỆ LIDAR DI ĐỘNG QUAN TRẮC
MÂY Ti TẦNG CAO
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8.44. 01.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Người hướng dẫn khoa học: TS. BÙI VĂN HẢI

THÁI NGUYÊN - 2018

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


i

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn với tiêu đề “ Phát triển nguồn Laser Nd: YAG biến điệu độ phẩm
chất buồng cộng hưởng thụ động tích hợp trong hệ Lidar di động quan trắc mây Ti
tầng cao” được thực hiện tại Viện Vật lý- Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt
Nam dưới sự hướng dẫn của TS Bùi Văn Hải.
Tôi xin cam đoan tồn bộ nội dung khoa học trình bày trong luận văn là cơng
trình nghiên cứu của tơi dưới sự hướng dẫn của TS Bùi Văn Hải và sự giúp đỡ của
nhóm Lidar mà trưởng nhóm là PGS. TS Đinh Văn Trung. Các số liệu và kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trước đây cả trong và ngoài nước
Thái Nguyên, tháng 11 năm 2018
Học viên

Vũ Thị Hoàn

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian học tập cũng như tiến hành nghiên cứu và thực hiện làm
làm luận văn, em đã nhận được sự quan tâm, chỉ bảo, giúp đỡ của thầy cơ, gia đình
và bạn bè.
Với tấm lịng biết ơn vô cùng sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến
các Thầy Cô của khoa Vật lí và Cơng nghệ trường Đại Học Khoa Học – Đại Học Thái
Nguyên đã tâm huyết truyền đạt cho em nhiều kiến thức quý báu trong thời gian em
học tập tại trường.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn TS. Bùi Văn Hải đã tận tâm chỉ bảo
hướng dẫn em trong suốt quá trình em thực hiện luận văn tại Viện Vật lí - Viện Hàn
lâm khoa học và Cơng nghệ Việt Nam, nhờ có những lời hướng dẫn dạy bảo của thầy,
luận văn này của em đã có được kết quả tốt. Em cũng muốn gửi lời cảm ơn tới nhóm
Lidar mà trưởng nhóm là PGS.TS Đinh Văn Trung đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong
quá trình nghiên cứu, đo đạc và xử lý số liệu tại Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam.
Trong quá trình làm luận văn khơng tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong
nhận được góp ý của q Thầy Cơ và các bạn lớp K10B1 để luận văn của em được
hoàn thiện hơn.
Học viên

Vũ Thị Hoàn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG ANH

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


iii

Thuật
ngữ

Tiếng Anh

Tiếng Việt

laser

Light Amplification by Stimulated Bộ khuếch đại ánh sáng bằng phát
Emission of Radiation
xạ kích thích

Lidar

Light detection and ranging

Cảm biến quang học và đo xa

PMT

Photomultiplier Tube

Ống nhân quang điện

APD

Avalanche photodiode

Điốt quang thác lũ

ADC

Analog to digital converter

Bộ chuyển đổi tương tự - số

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


iv

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Các thông số của một số môi trường laser Neodymium [5 tr. 372, 3]. ......5
Bảng 2.1: Thành phần và nồng độ chất khí trong khí quyển Trái đất [13, 1]. ..........15
Bảng 2.2: Phân nhóm các tầng mây chủ yếu [15, 2]. ................................................17
Bảng 2.3: Phân hạng mây quốc tế theo hình dạng và độ cao của mây [15, 1, 2]. ....18
Bảng 2.4: Các thông số đặc trưng khối phát của hệ Lidar Raman nhiều bước
sóng [1]. ...................................................................................................30
Bảng 2.5: Các thông số đặc trưng khối thu của hệ Lidar Raman& đàn hồi [1]. ...........32
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật cơ bản của khối phát laser di động. ............................43
Bảng 3.2. Thông số quang đặc trưng của lớp mây Ti xác định từ tín hiệu đàn hồi
của hệ lidar di động..................................................................................52

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


v

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Cấu trúc mức năng lượng của mơi trường laser Nd:YAG [5 tr. 5, 3]. ........7
Hình 1.2: Phổ hấp thụ của môi trường Nd:YAG đo ở nhiệt độ 300 0K [5 tr. 208, 3]. ....7

Hình 1.3. Công tua khuếch đại laser và độ rộng vạch bức xạ của các mode dọc [5, 3]. ......8
Hình 1.4: Quá trình phát xung ML với bộ hấp thụ bão hịa chậm [3, 5], .................10
Hình 1.5: BCH laser và quá trình phát xung khóa mode với bộ SA chậm [8]. ........11
Hình 2.1: Biểu đồ mơ tả tỉ lệ các chất khí trong khí quyển Trái Đất [13, 1]. ...........15
Hình 2.2: Mơ tả sự hình thành mây: khi khơng khí càng lên cao nhiệt độ càng
giảm. Mây hình thành khi hơi nước lạnh bên dưới điểm sương [14] ........16
Hình 2.3: Phân bố các loại mây trong tầng đối lưu theo hiệp hội khí tượng thế giới
MWO [16, 2]. .............................................................................................20
Hình 2.4: Một số hình ảnh Mây tầng tích [17, 2]......................................................21
Hình 2.5: Một số hình ảnh Mây vũ tầng [17, 2]........................................................21
Hình 2.6: Một số hình ảnh Mây tích [2, 19]. ............................................................22
Hình 2.7: Một số hình ảnh Mây tầng [2, 20].............................................................22
Hình 2.8: Một số hình ảnh Mây vũ tích [2, 21] ........................................................23
Hình 2.9: Một số hình ảnh Mây trung tích [2, 21] ....................................................23
Hình 2.10: Một số hình ảnh Mây trung tầng [2, 19] .................................................24
Hình 2.11: Một số hình ảnh Mây Ti tích [1, 2, 22] ...................................................24
Hình 2.12: Một số hình ảnh Mây Ti tầng [2, 23]. .....................................................25
Hình 2.13: Một số hình ảnh về Mây Ti [2, 24]. ........................................................25
Hình 2.14: Sơ đồ khối hệ Lidar xây dựng tại Viện Vật lý [1]. .................................29
Hình 2.15: Hình ảnh hệ Lidar sử dụng laser Nd: YAG bao gồm: kính thiên văn,
khối phát laser và máy tính ghi nhận dữ liệu [1]. ......................................31
Hình 2.16: a): Khoảng khơng gian tín hiệu đàn hồi đã chuẩn hóa theo khoảng cách
đo sụt giảm mạnh nhất được hiểu là vị trí đỉnh của lớp son khí bề mặt,
b): Đồ thị hàm H(z) tương ứng đạt cực tiểu tại vị trí đỉnh lớp son khí [35].
....................................................................................................................35
Hình 3.1: Khối mạch điện cao thế cấp nguồn cho đèn flash, mạch điện tử điều
khiển thay đổi tần số xung phát và cường độ xung laser phát, khối thu sử
dụng ăng ten quang telescope hiệu Meade 200 mm, ADC 12 bit và máy
tính ghép nối để lưu dữ liệu nhận được [25]..............................................39

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


vi

Hình 3.2: Buồng cộng hưởng Fabry-Perot, bổ sung thêm phin lọc không gian và
tinh thể nhân tần BBO cho phép phát xung laser họa ba bậc hai tại bước
sóng 532 nm [25]. ......................................................................................41
Hình 3.3. Trong hình A trường hợp kích thước chùm tia ~ 4 mm tương đương góc
mở 2,5 mrad và trong hình B là trường hợp kích thước chùm tia ~ 1 mm
tương ứng với góc mở chùm tia dưới 1 mrad. ...........................................42
Hình 3.4: Mức cường năng lượng xung tại bước sóng 532 nm thay đổi theo thơng
số điều khiển [25].......................................................................................42
Hình 3.5: A) Cận ảnh của hệ lidar di động được gắn trên bàn giảm chấn thực hiện
đo đạc trong Quang Bình. B) BCH của laser được mở ra để lắp đặt các
chi tiết quang học. ......................................................................................44
Hình 3.6: A) Hệ lidar gồm khối phát laser xung và telescope loại Cassegrain với giá
đỡ cố định. B) Hình ảnh hệ triển khai trong đo đạc thực tế ngồi trời. .........44
Hình 3.7. Hai tín hiệu đàn hồi ghi nhận bởi hệ lidar di động trong cùng khoảng
thời gian 50 phút tương đương với 50000 xung laser................................45
Hình 3.8. Là kết quả phép đo phân bố mật độ vật chất trong đám mây trơi qua vị
trí đo theo thời gian từ 15 h tới 17h 30 phút tại Hà Nội. ...........................47
Hình 3.9. Hình ảnh mây Ti tầng cao được ghi nhận tại Quảng Bình bằng hệ lidar
đàn hồi sử dụng laser xung di động được chế tạo tại Việt Nam. ...............48
Hình 3.10. Hình ảnh mây Ti tầng cao được nghi nhận tại thành phố Hồ Chí Minh
bằng hệ lidar đàn hồi sử dụng laser xung di động. ....................................48
Hình 3.11: Đồ thị cho phép xác định độ cao đỉnh và đáy lớp mây Ti kết quả phép
đo được lấy lấy trung bình từ 50000 xung laser tương đương 50 phút
quan trắc ở chế độ đếm photon được thực hiện tại Quảng Bình sử dụng
hệ lidar di động. .........................................................................................49

Hình 3.12: Đồ thị thể hiện tiết hệ số tán xạ ngược của lớp mây Ti theo thuật tốn
Fernald [1]. .................................................................................................50
Hình 3.13: Tỷ số tán xạ ngược của lớp mây Ti so với lớp phân tử khí từ 10 km tới
18 km. ........................................................................................................50
Hình 3.14: Sự thay đổi độ sâu quang học của lớp khí quyển có mây Ti trong miền
từ 7 tới 18 km, độ sâu quang học đã được chuẩn hóa về 1 đơn vị trên toàn
miền dưới 18 km. .......................................................................................51

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


vii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG ANH.................... ii
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH .........................................................................................v
MỤC LỤC ............................................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: LASER Nd:YAG CÔNG SUẤT CAO .............................................4
1.1. Tổng quan về laser rắn và các ứng dụng ..............................................................4
1.1.1. Tổng quan về laser rắn ......................................................................................4
1.1.2. Ứng dụng laser rắn trong nghiên cứu ................................................................6
1.2. Mơ hình laser Nd:YAG điều tần thụ động với buồng cộng hưởng Fabry-perot ......7
1.2.1. Mơi trường laser Nd:YAG ................................................................................7
1.2.2. Tính tốn lý thuyết cho laser Nd: YAG với buồng cộng hưởng Fabryperot. ................................................................................................................8
CHƯƠNG 2: VAI TRỊ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG ĐỐI LƯU VÀ KỸ
THUẬT LIDAR ............................................................................................14

2.1. Cấu trúc khí quyển và vai trị của mây Ti ..........................................................14
2.1.1 Cấu trúc khí quyển ...........................................................................................14
2.1.2 Quá trình hình thành và vai trị của mây Ti .....................................................16
2.1.3. Vai trị của mây Ti đối với khí quyển tầng đối lưu .........................................26
2.2 Kỹ thuật Lidar .....................................................................................................28
2.2.1. Khối phát .........................................................................................................29
2.2.2. Khối thu ...........................................................................................................30
2.2.3. Kỹ thuật đo tương tự .......................................................................................32
2.2.4. Kỹ thuật đếm photon .......................................................................................33
2.3. Xử lý số liệu xác định các đặc trưng cơ bản của mây Ti ...................................33
CHƯƠNG 3: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA LASER XUNG Nd:YAG ĐÃ
CHẾ TẠO VÀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MÂY TI SỬ DỤNG
HỆ LIDAR DI ĐỘNG ..................................................................................38

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


viii

3.1. Thông số kỹ thuật của laser Nd:YAG di động ...................................................38
3.1.1. Khối điện tử. ....................................................................................................38
3.1.2. Khối quang học ...............................................................................................39
3.1.3. Đặc trưng mode ngang và kích thước chùm tia laser ......................................41
3.1.4. Đặc trưng cơng suất laser tại bước sóng 532 nm ............................................42
3.2. Kết quả quan trắc mây Ti tầng cao sử dụng hệ lidar di động. ...........................44
3.2.1. Đánh giá chất lượng tín hiệu của hệ lidar di động ..........................................45
3.2.2. Đặc trưng phân bố không gian của mây Ti tầng cao ......................................46
3.2.3. Các đặc trưng vi mô của mây Ti tầng cao .......................................................48
3.3. Kết luận chương 3 ..............................................................................................52
KẾT LUẬN ..............................................................................................................54

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ......................................................55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................56
PHỤ LỤC .................................................................................................................60

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


1

MỞ ĐẦU
Nhu cầu sử dụng nguồn laser xung công suất cao phát bức xạ trong miền ánh
sáng nhìn thấy và vùng tử ngoại gần hiện nay là rất lớn bởi được ứng dụng phổ biến
trong nghiên cứu các hiệu ứng quang phổ nhanh. Đặc biệt nguồn bơm xung càng có
ý nghĩa hơn trong điều kiện nghiên cứu tại Việt Nam, khi các nguồn phát laser xung
trong miền bước sóng ngắn dạng rắn công suất cao thường được sử dụng là các laser
công nghiệp của hãng Quantel với chất lượng tốt nhưng giá thành quá cao so với điều
kiện đầu tư cho nghiên cứu của các trung tâm, các viện và các trường đại học. Việc
chế tạo các laser rắn công suất cao có tính năng di động càng trở thành một nhiệm vụ
cấp bách và khó khăn hơn đối với các nghiên cứu ứng dụng cần di chuyển liên tục,
cần thay đổi các thông số kỹ thuật của laser trên một dải rộng.
Xuất phát từ thực tế đó, nhóm tác giả đề tài đã đặt ra mục tiêu nghiên cứu là làm
chủ hoàn toàn thiết kế, chế tạo và lắp ráp hệ laser Nd:YAG cơng suất cao phát xung
có thể thay đổi nhiều thông số kỹ thuật đồng thời và có khả năng hoạt động ổn định
trong q trình di động. Để khẳng định rằng sản phẩm chế tạo hoạt động theo đúng
thơng số kỹ thuật, nhóm nghiên cứu tiếp tục tích hợp khối laser vào trong hệ lidar di
động phục vụ cho mục đích nghiên cứu khí quyển tầng cao tại nhiều nơi nhằm phát
triển hướng nghiên cứu chính của nhóm trong lĩnh vực khí quyển và mơi trường bằng
kỹ thuật lidar.
Ở nước ta hiện nay kỹ thuật Lidar đã được triển khai ứng dụng bởi nhiều nhóm
nghiên cứu khác nhau và đã thu được một số thành tựu bước đầu trong cả các mục

đích quân sự, nghiên cứu mơi trường và dự báo khí tượng thủy văn.... Tuy nhiên
mong muốn làm chủ hoàn toàn một hệ lidar di động lần đầu chế tạo hoàn toàn tại
Việt Nam vẫn là một mơ ước mà chưa một nhóm nghiên cứu nào giải quyết được.
Bởi thế, việc chế tạo một laser phát xung ánh sáng xanh với công suất tới hàng trăm
mJ, tần số lặp lại cỡ 10 Hz với độ rộng xung cỡ vài chục ns là yêu cầu trước tiên dần
hiện thực hóa mơ ước đó.
Vì những lý do ấy, tác giả và nhóm nghiên cứu đã mạnh dạn lựa chọn mục tiêu
và lấy tên của luận văn là: “Phát triển nguồn laser Nd:YAG biến điệu độ phẩm chất
buồng cộng hưởng thụ động tích hợp trong hệ lidar di động quan trắc mây Ti tầng
cao”. Luận văn được thực hiện với mục đích và đối tượng nghiên cứu cụ thể sau:

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


2

Mục đích của luận văn:
 Thực hiện thiết kế, chế tạo và cải tiến nhằm chủ động hoàn toàn khối laser
phát xung cơng suất cao tại bước sóng 1064 nm và 532 nm với các thông số kĩ thuật
như tần số lặp lại, cơng suất phát, kích thước chùm tia, góc mở chùm tia có thể điều
chỉnh trong một khoảng cố định.
 Tích hợp khối phát xung cơng suất cao trong 01 hệ lidar có khả năng di động
phục vụ các mục đích quan trắc khí quyển tầng cao trên 20 km.
 Tìm hiểu ngun lý, cấu trúc các thơng số kỹ thuật của hệ lidar tán xạ đàn
hồi.
 Tìm hiểu phương trình tốn, các chương trình số xác định các thơng số quang
đặc trưng của mây Ti từ tín hiệu lidar đàn hồi.
 Tiến hành quan trắc, ghi nhận dữ liệu, đánh giá chất lượng tín hiệu ghi nhận,
chất lượng hệ đo lidar và nguồn phát laser đã được chế tạo.
 Thảo luận và đề xuất các công việc tương lai theo hướng nghiên cứu đã thực

hiện.
Đối tượng nghiên cứu của luận văn:
 Nghiên cứu cấu tạo, thiết kế mạch điện tử điều khiển cho laser rắn Nd:YAG
phát xung tần số thấp.
 Nghiên cứu thiết kế cấu trúc buồng cộng hưởng quang, nâng cao chất lượng
chùm tia laser với góc mở nhỏ dưới 2 mrad.
 Lắp đặt tích hợp nguồn laser trong hệ Lidar khảo sát khí quyển đơn kênh tín
hiệu đàn hồi tới 20 km.
 Xử lý tín hiệu xác định một số thông số quang đặc trương của lớp mây Ti
tầng cao qua đó đánh giá chất lượng hệ lidar cũng như xác nhận chất lượng chùm tia
và khối phát laser đã chế tạo.
Luận văn được chia thành 3 chương gồm:
Chương 1: LASER Nd:YAG CÔNG SUẤT CAO
Chương 1, chúng tơi đã trình bày những tìm hiểu tổng quan về laser và cụ thể
là laser rắn với môi trường hoạt chất là tinh thể Nd: YAG. Những kết quả nghiên cứu
lý thuyết với mơ hình laser Nd:YAG điều tần thụ động sử dụng tinh thể hấp thụ bão
hòa chậm với buồng cộng hưởng Fabry-Perot.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


3

Chương 2: VAI TRỊ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG ĐỐI LƯU VÀ KỸ
THUẬT LIDAR
Chúng tơi trình bày những hiểu biết cơ bản về cấu trúc khí quyển bao quanh
Trái đất, những thông số cơ bản như thành phần vật chất trong miền khí quyển, tổng
khối lượng, sự hình thành, ảnh hưởng của sinh quyển tới khí quyển và ảnh hưởng
cũng như vai trị trực tiếp của khí quyển tới sinh quyển. Trong đó tác giả tập trung
luận giải về vai trị của lớp son khí tầng cao, đó là lớp mây Ti với độ cao phân bố từ

6 – 18 km, diện tích bao phủ khoảng 30% tổng diện tích khí quyển Trái đất, và vai
trị của chúng đối với các mơ hình dự báo thời tiết hiện đại. Bên cạnh đó, chúng tơi
cũng trình bày ngun lý hoạt động và cấu tạo cơ bản của một hệ lidar đàn hồi, hoạt
động cả chế độ tương tự và đếm photon.
Chương 3: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA LASER XUNG Nd:YAG VÀ CÁC
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MÂY TI SỬ DỤNG HỆ LIDAR DI ĐỘNG
Chương 3, chúng tơi trình bày 2 phần kết quả chính của luận văn. Phần thứ nhất
trình bày về kết quả nghiên cứu chế tạo và những cải tiến được thực hiện trên khối
phát laser Nd: YAG công suất cao với đặc tính dễ tháo lắp, cơng suất cao đáp ứng
được mục đích nghiên cứu di động trong hệ lidar sử dụng quan trắc cho khí quyển
tầng đối lưu. Phần thứ hai chúng tơi trình bày những kết quả xác định một số đặc
trưng vĩ mô và vi mô cơ bản của lớp mây Ti tầng cao từ tín hiệu của hệ lidar di động
sử dụng khối phát laser đã được cải tiến.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


4

CHƯƠNG 1: LASER Nd:YAG CƠNG SUẤT CAO
Chương 1, tơi trình bày tổng quan các nghiên cứu lý thuyết về mô hình laser Nd:YAG
điều tần thụ động sử dụng tinh thể hấp thụ bão hòa trong buồng cộng hưởng loại
Fabry-Perot.
1.1. Tổng quan về laser rắn và các ứng dụng
1.1.1. Tổng quan về laser rắn
Laser, một phát minh vĩ đại của thế kỉ XX đã và đang chứng tỏ vai trò trong sự
phát triển của khoa học kĩ thuật cũng như trong các ứng dụng của nhiều ngành khoa
học kỹ thuật.
Ngay từ khi laser mới xuất hiện, việc nghiên cứu laser phát xung ngắn đã được
quan tâm. Cuối những năm 1960, xuất hiện các laser biến điệu độ phẩm chất buồng

cộng hưởng cho phép phát xung “khổng lồ” có độ rộng xung cỡ nano-giây. Sự phát
triển các laser xung cực ngắn đã dẫn đến sự ra đời và phát triển các phương pháp
quang phổ laser phân giải thời gian. Phương pháp này cho phép làm sáng tỏ các quá
trình quá độ cực nhanh xảy ra trong vật lý, sinh học, hóa học... Đây là một lĩnh vực
khoa học hiện đại đã và đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới mà điều kiện tiên quyết
cho các nghiên cứu này là các nguồn laser xung cực ngắn.
Các laser rắn phát xung ngắn, trong các loại laser rắn thì laser Neodymium
chiếm một tỉ phần lớn trên thị trường sử dụng - là một nguồn kích thích quang học
quan trọng đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các phịng thí nghiệm quang học
và quang phổ trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Trong điều kiện nghiên cứu tại Việt
Nam nhu cầu sử dụng laser rắn Neodymium trong nghiên cứu với các quá trình động
học, các hiện tượng cực nhanh đang được nhiều phịng thí nghiệm quan tâm và có
nhu cầu sử dụng rộng rãi và cấp thiết.
Để phát các xung laser ngắn chúng ta có thể sử dụng các kỹ thuật như: biến điệu
độ phẩm chất, chiết tách năng lượng buồng cộng hưởng và các kỹ thuật khóa mode
trong buồng cộng hưởng… Ở nước ta hiện nay, việc phát triển vật lý và cơng nghệ
laser rắn xung ngắn có ý nghĩa khoa học cơng nghệ cao và có tính ứng dụng thực tiễn.
Điều đó được thể hiện rõ hơn trong các lĩnh vực cụ thể như sau:

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


5

Vấn đề thứ nhất, nó cho phép chúng ta làm chủ khoa học và công nghệ laser
xung ngắn, tạo tiền đề cho các nghiên cứu phát triển các phương pháp quang phổ hiện
đại.
Vấn đề thứ hai, trực tiếp đào tạo những cán bộ khoa học đủ năng lực làm việc
trong lĩnh vực khoa học công nghệ thuộc lĩnh vực quang học quang tử.
Vấn đề thứ ba, việc tự xây dựng các hệ laser rắn phát xung cực ngắn tại Việt

Nam sẽ cho phép tiết kiệm chi phí đáng kể vì các hệ laser xung cực ngắn thương mại
rất đắt tiền và khó phù hợp với phần lớn các trung tâm, viện và trường đại học do cịn
nhiều khó khăn và ít có sự đầu tư thích đáng cho các nghiên cứu dài hơi.
Cùng với sự phát triển của công nghệ laser, khả năng chúng ta hồn tồn có thể
xây dựng một hệ laser rắn (Neodymium) phát xung cực ngắn bơm bằng đèn flash tại
Việt Nam. Môi trường laser Neodymium là môi trường laser tinh thể được sử dụng
khá phổ biến hiện nay. Môi trường nền chủ yếu thường là tinh thể Y3Al5O12 (viết tắt
là YAG), trong đó các ion Y3+ được thay thế bởi các ion Nd3+.
Các thông số quang học chính của các mơi trường laser Neodymium được trình
bày trong bảng 1.1 sau đây:
Bảng 1.1: Các thông số của một số môi trường laser Neodymium [5 tr. 372, 3].
Nd:YAG

Nd:YVO4

Nd:YLF

Nd:glass

 = 1064 nm

 = 1064 nm

 = 1053 nm

 = 1054 nm

1

1

1

3,8

Nt (1020 ion/cm3)

1,38

1,5

1,3

3,2

 (s)

230

98

450

300

 (cm-1)

4,5

11,3

13

180

e (10-19 cm2)

2,8

7,6

1,9

0,4

n = 1,82

n1 = 1,82

n1 = 1,4481

n = 1,54

n2 = 2,168

n2 = 1,4704

Nồng độ pha tạp
ion Nd (%)

Chiết suất

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


6

Trong đó: Nt là mật độ của ion Neodymium;  là thời gian sống huỳnh quang;
 là độ rộng phổ laser; e là tiết diện phát xạ cưỡng bức.
Các laser Neodymium hoạt động trên nguyên lý laser 4 mức, chuyển dịch quang
học cho bức xạ laser là chuyển dịch giữa các mức năng lượng của ion Nd3+. Tùy theo
việc pha tạp vào các nền quang học khác nhau mà các mức năng lượng tham gia quá
trình laser bị suy biến, vì vậy chúng ta thấy rằng trong các mơi trường YAG chuyển
dịch quang học có xác suất lớn nhất ứng với bước sóng 1064 nm [3].
1.1.2. Ứng dụng laser rắn trong nghiên cứu
Với nhiều ưu điểm nổi bật của laser rắn như:
a. Bền chắc về cấu trúc lý hóa, đảm bảo cho sức bền của buồng hoạt chất hoạt
động ổn định trong thời gian làm việc lâu dài và trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt
của hoạt chất cũng như môi trường làm việc của laser.
b. Cấu trúc hoạt chất có thể là tinh thể ni cấy tự nhiên hoặc nhân tạo cũng có
thể là mơi trường vơ định hình thuận lợi về mặt cơng nghệ và có khả năng sản xuất
hàng loạt.
c. Tính đồng nhất quang học trong chế tạo cơng nghiệp đảm bảo tính đối xứng,
tiêu hao năng lượng bơm cũng như độ phẩm chất BCH lớn. Thuận lợi cho điều kiện
ngưỡng bơm của laser không cần quá cao, dẫn tới dễ vận hành và tính kén chọn
phương pháp bơm dễ dàng hơn.
d. Chất nền thường là thủy tinh, pha tạp ion đất hiếm với hàm lượng cỡ vài %
do vậy môi trường hoạt chất gần như là trong suốt với bức xạ bơm quang và bức xạ
phát laser.
e. Do đặc tính đồng nhất và chịu nhiệt cao của nền hoạt chất mà laser loại rắn

có thể hoạt động trong miền nhiệt độ rộng, tính ổn định tốt khi hoạt động trong thời
gian dài.
f. Vì là dạng rắn nên hoạt chất thuận tiện hơn trong việc gia công bề mặt để tạo
buồng cộng hưởng với nhiều hình dạng khác nhau phù hợp với các ứng dụng yêu cầu
kích thước laser khác nhau và loại bơm khác nhau… [5, 3].
Ngồi các đặc tính về mơi trường hoạt chất như trên. Các laser rắn mà cụ thể là
laser Nd: YAG có đặc tính về cơng suất phát cao, vạch phổ phát xạ tại tần số cơ bản
- 1064 nm, tần số hòa ba bậc hai – 532 nm, hòa ba bậc ba - 355 nm, hòa ba bậc bốn
– 266 nm, cho công suất cao và bức xạ nằm trong toàn miền quang phổ từ hồng ngoại

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


7

gần cho tới tử ngoại gần. Vì thế các bức xạ đó có thể ứng dụng làm nguồn bơm kích
thích cho các quá trình quang phổ phân tử của nhiều chất khác nhau.
Với những đặc tính cơ bản trên đây là công suất cao, dễ chế tạo, hoạt động ổn
định, miền phổ phù hợp, giá thành hợp lý. Do đó, laser Nd: YAG được ứng dụng từ
rất lâu và là lựa chọn đầu tiên của nhóm nghiên cứu khi tiến vào lĩnh vực ứng dụng
trong các hệ lidar phục vụ các kĩ thuật quan trắc từ xa các đối tượng của khí quyển.
1.2. Mơ hình laser Nd:YAG điều tần thụ động với buồng cộng hưởng Fabry-perot
1.2.1. Môi trường laser Nd:YAG
Đây là môi trường laser đang được sử dụng rất rộng rãi hiện nay, cấu trúc năng
lượng và chuyển dịch quang học cho bức xạ laser được mơ tả trên hình 1.1 [5, 3].
Dịch chuyển không phát xạ

Hấp thụ

Phát xạ

Tiết diện hấp thụ (10-20 cm2)

Hình 1.1: Cấu trúc mức năng lượng của mơi trường laser Nd:YAG [5 tr. 5, 3].

Bước sóng (nm)
Hình 1.2: Phổ hấp thụ của mơi trường Nd:YAG đo ở nhiệt độ 300 0K [5 tr. 208, 3].

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


8

Đường liền nét ứng với Nd3+ trong nền YAG; đường đứt nét ứng với Cr3+ trong
nền Alexandrite. Trục tung bên phải ứng với Nd3+, bên trái ứng với Cr3+. Trên phổ
hấp thụ hình 1.2 chúng ta thấy rằng, mơi trường Nd:YAG có ba vùng hấp thụ mạnh
quanh vùng bước sóng 600 nm, 730 nm và 800 nm [5, 3].
1.2.2. Tính toán lý thuyết cho laser Nd: YAG với buồng cộng hưởng Fabry- perot.
Như chúng ta đã biết, buồng cộng hưởng laser có ảnh hưởng quyết định tới các
đặc điểm về công suất, phổ và xác định cấu trúc trường của bức xạ laser, hay còn gọi
là các mode dao động của buồng cộng hưởng.
Mỗi một mode được ký hiệu là TEMmnq (Transverse Electromagnetic Modes)
các mode điện từ ngang (các dao động điện từ trong một BCH được coi là ngang) m
và n là các chỉ số ngang, q là chỉ số dọc. Mỗi một mode đều được đặc trưng bởi một
cấu hình khơng gian trường xác định (có phân bố biên độ và pha xác định) theo hướng
vng góc với trục BCH. Đặc tính riêng của một cấu hình khơng gian của trường
được xác định bởi các chỉ số m và n. Mỗi một tổ hợp các chỉ số m và n xác định một
trường nhất định theo phương nằm ngang (trong BCH) lại có tương ứng một số các

Độ khuếch đại

giá trị của chỉ số q khác nhau, chúng là các mode dọc [5, 3].
Các mode dọc

Công tua khuếch

Khoảng cách

trong BCH

đại

giữa hai mode
dọc liên tiếp

Ngưỡng
laser

Tần số
Các mode dọc trong
BCH

Độ rộng vạch
của một mode
dọc

Tần số

Hình 1.3. Cơng tua khuếch đại laser và độ rộng vạch bức xạ của các mode dọc [5, 3].

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


9

Một buồng cộng hưởng Fabry-Perot gồm hai gương cách nhau một khoảng L
và chứa một môi trường khuếch đại, chỉ tồn tại một số tần số dao động (mode cộng
hưởng, mode dọc) nhất định. Nếu khơng có các thiết bị lọc lựa tần số đặt trong buồng
cộng hưởng laser thì laser sẽ phát bức xạ cưỡng bức đồng thời ở nhiều tần số mà độ
khuếch đại tương ứng với chúng G(m) > 0 (hình 1.3). Số mode dọc khả dĩ phát được
phụ thuộc vào độ rộng phổ bức xạ của môi trường hoạt chất. Trong khi đi lại trong
buồng cộng hưởng, các sóng sẽ giao thoa với nhau và chỉ có những sóng mà đối với
chúng hiệu quang trình d là một số nguyên (m) lần bước sóng (d = 2L = m) khi giao
thoa với nhau sẽ tăng cường nhau. Do đó, các tần số m = mc/2L (c là vận tốc ánh
sáng) thoả mãn điều kiện G(m) > 0 mới có thể dao động được trong buồng cộng
hưởng và cuối cùng được phát ra. Hình 1.3, mơ tả công-tua khuếch đại phổ và các
mode dọc khả dĩ của một buồng cộng hưởng laser (trong đó mỗi tần số m là gắn với
một mode dọc). Nếu giữa các mode dao động cưỡng bức khơng có quan hệ về pha
thì cường độ trường bức xạ tổng cộng là các thăng giáng ngẫu nhiên theo thời gian.
Khi có một liên hệ về pha nào đó được thiết lập giữa các mode dao động cưỡng bức
đó có thể tạo ra sự chồng chập kết hợp của biên độ các mode và dẫn tới khả năng phát
các xung cực ngắn từ ps đến fs (10-12 s  10-15 s). Mối liên hệ về pha giữa các mode
như vậy gọi là sự khoá pha của các mode dọc trong BCH. Chúng ta sẽ chứng minh
rằng nếu có sự khóa mode, năng lượng của laser là tổng kIk của tất cả các cường độ
Ik của các mode dao động tăng hoặc giảm theo thời gian và tỷ lệ với N2 (bình phương
số mode). Quan hệ giữa độ rộng xung (T) của laser được khóa mode và độ rộng phổ
() sẽ là [5, 3]:
T ~ 1/ = 2/N

(1.1)

Ở đây  là hiệu số pha giữa hai tần số (mode dọc) liên tiếp. Có nghĩa là, mơi
trường laser có phổ khuếch đại càng rộng, khi xảy ra hiện tượng khóa mode trong
buồng cộng hưởng sẽ phát ra các xung laser có độ rộng xung càng ngắn [5].
Hiện nay, về lý thuyết và thực nghiệm, có hai phương pháp phổ biến và kinh
điển để phát xung laser ngắn có năng lượng cao đó là: biến điệu độ phẩm chất (Qswitching) [6], [7], [8], [9] và khoá mode buồng cộng hưởng [10], [11], [12], [39],
[40]. Cả hai phương pháp này đều sử dụng cơ chế biến điệu trong buồng cộng hưởng

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


10

và đều có nhiều kỹ thuật khác nhau được thực hiện có kết quả. Trong chương này,
chúng tơi trình bày nguyên tắc chung của phương pháp phát xung laser ngắn khóa
mode buồng cộng hưởng.
Phương pháp phát xung laser khóa mode có thể chia thành hai loại: phương
pháp khóa mode chủ động và phương pháp khóa mode thụ động. Phương pháp phát
xung laser ngắn bằng kỹ thuật khóa mode chủ động thực hiện tương đối khó khăn và
chủ yếu được áp dụng để phát các xung laser có độ rộng xung trong vùng cỡ pi-côgiây. Trong giới hạn của bản luận văn này chúng tơi trình bày phương pháp phương
pháp khóa mode thụ động cụ thể là phương pháp khóa mode bằng bộ hấp thụ bão hịa
chậm vì đây là phương pháp đang được sử dụng rất rộng rãi hiện nay.
Bộ hấp thụ bão hịa chậm (SA chậm) có hằng số thời gian hồi phục của nó dài
hơn độ dài xung ở trạng thái ổn định và ngắn hơn nhiều chu kỳ của photon đi lại trong
buồng cộng hưởng [3].
Cơ chế khóa mode bằng hấp thụ bão hịa SA chậm u cầu thời gian hồi phục
độ khuếch đại laser cỡ chu kỳ buồng cộng hưởng nhưng lớn hơn một chút so với thời
gian hồi phục của bộ hấp thụ. Thêm vào đó, thơng lượng bão hịa của mơi trường
khuếch đại phải lớn hơn thơng lượng bão hịa của bộ hấp thụ và vẫn đủ thấp để nó có
thể bị bão hịa bởi thông lượng laser trong buồng cộng hưởng. Trạng thái ban đầu

tương tự với trạng thái đã mô tả ở trên với SA nhanh: dao động mạnh ban đầu sẽ có
mất mát thấp hơn một chút và sẽ tạo ra sự thay đổi mất mát hay độ khuếch đại trong
buồng cộng hưởng. Sau một số chu kỳ đi lại trong buồng cộng hưởng, thơng lượng
của xung có thể đủ lớn để làm tẩy trắng bộ hấp thụ và biểu đồ khuếch đại/mất mát sẽ
tương tự với trường hợp biểu diễn trong hình 1.4.
Mất mát
Khuếch đại

Xung laser
Thời gian

Hình 1.4: Quá trình phát xung ML với bộ hấp thụ bão hòa chậm [3, 5],

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


11

Vì sự hồi phục khuếch đại chậm hơn, sườn trước của xung sẽ bị mất mát trong
khoảng thời gian t > t1, khi đó sẽ xuất hiện sự khuếch đại, xung bắt đầu xuất hiện.
Với các tham số khuếch đại được chọn phù hợp, sự bão hòa sẽ đạt được ở thời điểm
nào đó ở sườn sau của xung. Khuếch đại xung laser sẽ bắt đầu giảm cho tới thời điểm
t2 khi đó năng lượng khuếch đại lại xuống giá trị nhỏ hơn mất mát trong buồng cộng
hưởng, xung không phát được nữa. Do đó, cửa sổ thời gian trong khoảng t1 - t2 của
bộ khuếch đại và xung liên tiếp được làm ngắn trong mỗi các lần đi lại trong buồng
cộng hưởng. Tỉ số nén xung được xác định theo [41], [42]:
PSR = p/p = ms/2

(1.2)

với ms là độ sâu điều chế (hằng số) của khối tinh thể hấp thụ bão hòa.
Như vậy, chúng ta thấy rằng tỉ lệ làm ngắn xung trong laser khóa mode với
bộ hấp thụ bão hịa chậm khơng phụ thuộc vào thơng số của nguồn bơm và buồng
cộng hưởng mà chỉ phụ thuộc vào bản chất của bộ hấp thụ bão hòa. Như vậy, vai
trò quyết định của tinh thể hấp thụ bão hòa lên đặc tính của xung laser. Chúng ta
sẽ nói tới điều này trong kết luận nghiên cứu của nhóm tác giả trong chương 3 của
luận văn.
Quá trình hình thành chuỗi xung khóa mode với buồng cộng hưởng laser sử
dụng bộ hấp thụ bão hịa chậm được mơ tả trên hình 1.5 [42].
mơi trường
hoạt chất

bộ SA
chậm
vùng được
khuếch đại

mất mát

khuếch đại
thời gian

Hình 1.5: BCH laser và q trình phát xung khóa mode với bộ SA chậm [8].
Trong q trình khóa mode bằng bộ SA chậm, cả độ khuếch đại g(t) của môi
trường hoạt chất và mất mát s(t) trong bộ hấp thụ đều thay đổi theo thời gian và được
biểu diễn như theo công thức (1.3) sau đây [41], [42].

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

12

 t

2
g (t )  gi exp    dt a (t ) / Wg 
 0

(1.3)



2
s(t )  si exp    dt a(t ) / Ws 
 0

t

Khi đó, phương trình tổng qt cho laser phát xung khóa mode bằng bộ hấp
thụ bão hịa chậm được biểu diễn bởi (1.4), [5, 3].



 t

2
g
e
xp


dt
a
/
W

l

 i

 
g 
1 
 0



a(T , t )  
 a(T , t ) 
t
TR T


  s exp   dt a 2 / W 

s

 i

 0




 1


 f

(1.4)

2

 2
a(T , t )

2

t


Trong đó Ws,g tương ứng là năng lượng hấp thụ bão hòa của bộ hấp thụ và
năng lượng khuếch đại bão hịa của mơi trường khuếch đại.
Nghiệm của phương trình (1.4) ở trạng thái dừng có dạng sau đây:

a 0 (t) = A0sech(t/τ)

(1.5)

Trong thực nghiệm chúng tôi sử dụng tinh thể hấp thụ bão hòa là loại tinh thể
Cr3+:YAG được cung cấp bởi công ty Laser Components bên Trung Quốc, với kích
thước 3x5x5 mm, được đặt cách gương phản xạ 100% 5 mm. Bằng tinh thể hấp thụ

bão hòa chậm này, xung laser được tạo ra tại bước sóng cơ bản 1064 nm có độ rộng
khoảng 15 ns.
Chương 1, chúng tơi đã trình bày những tìm hiểu tổng quan về laser và cụ thể
là laser rắn với môi trường hoạt chất là tinh thể Nd: YAG. Những kết quả nghiên cứu
lý thuyết với mơ hình laser Nd:YAG điều tần thụ động sử dụng tinh thể hấp thụ bão
hòa chậm Cr3+:YAG với buồng cộng hưởng Fabry-Perot đã được trình bày ngắn gọn
từ phương trình động học tới nghiệm của phương trình đó là xung laser dạng hàm
sech như phương trình 1.5. Các đặc trưng cơ bản về xung laser rắn hoạt động với

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


13

công suất cao sử dụng tinh thể Nd:YAG phụ thuộc vào đặc trương của tinh thể hấp
thụ bão hòa chậm, điều này sẽ được mô tả rõ hơn trong đặc trưng xung phát của khối
laser của nhóm tiến hành thực nghiệm cải tiến trong chương 3. Những ưu điểm nổi
trội và ứng dụng của laser Nd: YAG trong nghiên cứu và trong kĩ thuật đo xa cũng
được đề cập tới trong chương 1 của luận văn.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


14

CHƯƠNG 2: VAI TRỊ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG ĐỐI LƯU VÀ
KỸ THUẬT LIDAR
2.1. Cấu trúc khí quyển và vai trị của mây Ti
2.1.1 Cấu trúc khí quyển
Khí quyển là lớp vật chất ngay trên bề mặt của Trái đất với ranh giới dưới là

thuỷ quyển, thạch quyển và ranh giới trên là khoảng khơng giữa các hành tinh. Khí
quyển Trái đất được hình thành do sự thốt hơi nước, các chất khí từ thuỷ quyển và
thạch quyển. Thời kỳ đầu, khí quyển chủ yếu gồm hơi nước, amoniac, metan, các loại
khí trơ và hydro. Dưới tác dụng phân huỷ của tia sáng Mặt trời hơi nước bị phân huỷ
thành oxy và hydro. Oxy tạo ra tác động với amoniac và metan tạo ra khí nitơ và
cácboníc. Q trình tiếp diễn, một lượng hidro nhẹ di chuyển vào khoảng không vũ
trụ, khí quyển cịn lại chủ yếu là hơi nước, nitơ, cácboníc, một ít oxy. Thực vật xuất
hiện trên Trái đất cùng với quá trình quang hợp đã tạo nên một lượng lớn oxy và làm
giảm đáng kể nồng độ CO2 trong khí quyển. Sự phát triển mạnh mẽ của động thực
vật trên Trái đất cùng với sự gia tăng bài tiết, phân huỷ xác chết động thực vật, phân
huỷ yếm khí của vi sinh vật đã làm cho nồng độ khí N2 trong khí quyển tăng lên
nhanh chóng, để đạt tới thành phần khí quyển hiện nay [1, 2].
Khí quyển Trái đất có dạng cầu đối xứng bao quanh Trái đất và được giữ lại
bởi lực hấp dẫn của Trái đất với thành phần bao gồm: son khí (gồm tất cả các hạt vật
chất như: sương mù, bụi, tinh thể nước…), phân tử khí (N2, O2, CO2, H2O…) và các
nguyên tử kim loại (Na, K, Ba, Fe…) [1, 2]. Trong đó, các phân tử khí chiếm phần
khối lượng chủ yếu của khí quyển, bao gồm có nitơ (78,09% theo thể tích)
và ơxy (20,95%), với một lượng nhỏ agon (0,93%), điơxít cacbon (dao động, khoảng
0,038%)… và đóng vai trị chi phối trong các hiện tượng, quá trình của thời tiết, khí
hậu. Thành phần và nồng độ cụ thể của các phân tử trong khí quyển Trái đất được thể
hiện trong bảng và biểu đồ sau đây:

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


15

Bảng 2.1: Thành phần và nồng độ chất khí trong khí quyển Trái đất [13, 1].
Tên chất khí

Nồng độ (%)

PPVM

Nitơ (N2)

78,08

780900

Thành phần chủ

Ôxy (O2)

20,95

209500

yếu

Argon (Ar)

0,93

9300

CO2

0,038

380

Neon (Ne)

0,0018

18

Hêli (He)

0,00052

5,2

Mêtan (CH4)

0,0002

2

Krypton (Kr)

0,00011

1,1

Lưu huỳnh oxít (SO2)

0,0001

1

Hydro (H2)

0,00005

0,5

Đinitơ oxít (N2O)

0,00005

0,5

Xenon (Xe)

0,000009

0,09

Ozone (O3)

0,000007

0,07

Nitơ đioxít (NO2)

0,000002

0,02

Thành phần thứ
yếu

- Hơi nước có nồng độ thay đổi tối đa đến 4%

Hình 2.1: Biểu đồ mơ tả tỉ lệ các chất khí trong khí quyển Trái Đất [13, 1].

LUAN VAN CHAT LUONG download : add