Luận văn 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

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:


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.


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.


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:


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


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


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].


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].


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


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],


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].

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


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.


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:


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].


16

Bầu khí quyển khơng có ranh giới rõ ràng với khoảng khơng vũ trụ nhưng mật
độ khơng khí của bầu khí quyển giảm dần theo độ cao. Ba phần tư khối lượng khí
quyển nằm trong khoảng 11 km đầu tiên của bề mặt hành tinh. Đường Cacman, tại
độ cao 100 km trên bề mặt, cũng được sử dụng như là mốc ranh giới giữa khí quyển
Trái Đất và khoảng khơng vũ trụ [13].
2.1.2 Q trình hình thành và vai trị của mây Ti
Mây là tập hợp các hạt vật chất với mật độ lớn được tạo thành do sự ngưng kết
của thành phần trung gian là nước hoặc tinh thể băng hoặc cả 2 dạng này. Nước hoặc
tinh thể băng được tạo thành khi dưới tác dụng của năng lượng bức xạ Mặt trời, hơi
nước từ biển, hồ, sông bốc hơi và biến thành hơi nước và đi vào trong khơng khí. Khi
hơi nước càng lên cao nhiệt độ của nó càng giảm và chịu áp suất càng nhỏ. Nó dễ
dàng ngưng tụ thành những giọt nước lớn dần khi gặp những hạt như bụi, khói …,
được gọi là các hạt nhân ngưng tụ và kết đông thành pha rắn khi nhiệt độ dưới nhiệt
độ đơng đặc. Q trình tập hợp khối vật chất có mật độ cao có thể là giọt dạng lỏng
ở phân tầng dưới hoặc là tinh thể ở phân tầng cao có nhiệt độ thấp tạo thành mây [1,
2].
Hình ảnh q trình tạo thành mây có thể được thể hiện trong Hình 2.2. sau đây

1800 m
Nhiệt độ:

15oC

Điểm sương: 15oC

900 m
Nhiệt độ:

24oC

Điểm sương: 15oC
Mặt đất
Nhiệt độ:

33oC

Điểm sương: 15oC
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]


17

Mây tồn tại ở các độ cao khác nhau phần bố từ 1 km tới 25 km trong khí quyển
trên bề mặt Trái đất có thể nhìn thấy được bằng mắt thường và tồn tại trong khoảng
thời gian hàng phút hoặc lâu tới hàng tháng. Các đám mây bao phủ từ 60% tới 70%
diện tích bề mặt Trái đất. Sự tồn tại của các đám mây giữ một vai trò quan trọng trong
hình thái khí hậu tồn cầu bởi sự tồn tại của chúng ảnh hưởng tới sự hấp thụ, phản xạ
bức xạ Mặt trời và đóng góp chính trong hiệu ứng nhà kính, cũng như quyết định
lượng nước luân chuyển trong chu trình bay hơi và gây mưa [1, 2].
Hình dáng, kích thước, độ cao, bề dày và trạng thái tự nhiên của một đám mây
và tổng thể các đám mây hình thành trong cùng một khoảng thời gian tại một khu vực
sẽ phụ thuộc vào những điều kiện tạo thành. Cho nên những đám mây sẽ thể hiện bản
chất của những q trình lý hóa khác nhau xảy ra trong khí quyển. Khả năng nhận

biết những loại mây khác nhau và hiểu được điều kiện kết hợp giữa chúng cho phép
dự báo các biến chuyển của thời tiết tương lai [1, 2].
Mặc dù hình dạng của các đám mây là vơ cùng phong phú, nhưng trong ngành
khí tượng học phân chúng thành các loại khác nhau cơ bản như sau. Những đám mây
được chia thành 3 nhóm theo những nét đặc trưng riêng biệt và độ cao phần bố của
chúng so với mực nước biển. Đó là mây tầng cao, mây tầng trung và mây tầng thấp.
Bảng 2.2 dưới đây cho thấy độ cao của những đám mây so với mặt nước biển thay
đổi phụ thuộc vào vĩ độ và vị trí của chúng. Nguyên nhân chủ yếu của sự thay đổi
này đó là do sự khác nhau về nhiệt độ giữa các vùng này.
Bảng 2.2: Phân nhóm các tầng mây chủ yếu [15, 2].
Nhóm mây

Vùng nhiệt đới

Vùng ôn đới

Vùng cực

Tầng cao

6 đến 18km

5 đến 13km

3 đến 8km

Tầng trung

2 đến 8km

2 đến 7km

2 đến 4km

Tầng thấp

Dưới 2km

Dưới 2km

Dưới 2km

Trong Bảng 2. 3 chúng tôi đưa ra bảng phân hạng mây quốc tế theo hình dạng
bề ngồi và độ cao của mây có vai trị ảnh hưởng tới khí hậu của Trái đất. Với mục
đích là dự đốn những thay đổi trong hệ thống khí hậu thì u cầu cần phải theo dõi
và nâng cao sự hiểu biết về sự phân bố toàn cầu của các loại mây cũng như các đặc


18

trưng vĩ mô và vi mô của chúng cũng như những tác động của mây tới khí hậu khu
vực, khí hậu toàn cầu.
Bảng 2.3: Phân hạng mây quốc tế theo hình dạng và độ cao của mây [15, 1, 2].
Độ cao trung bình

Hạng mây
Tên gọi bằng tiếng việt

Tiếng La tinh

Ký hiệu

chân mây ở vĩ độ
trung bình (km)

Họ mây tầng thấp (độ cao chân mây dưới 2 km)
Mây tầng - tích

Stratocumulus

Sc

0,3 - 1,5

Mây tầng

Stratus

St

0,05 - 0,5

Mây vũ - tầng

Nimbostratus

Ns

0,1 - 1,0

Họ mây phát triển thẳng đứng (độ cao chân mây dưới 2 km)
Mây tích

Cumulus

Cu

0,3 - 1,5

Mây vũ - tích

Cumulonimbus

Cb

0,4 - 1,0

Họ mây tầng trung (độ cao chân mây 2-6 km)
Mây trung - tích

Altocumulus

Ac

2-6

Mây trung - tầng

Altostratus

As

3-5

Họ mây tầng trên (trên 6 km)
Mây Ci

Cirrus

Ci

7 - 10

Mây Ti- tích

Cirrocumulus

Cc

6-8

Mây Ti- tầng

Cirrotratus

Cs

6-8

Việc nghiên cứu về cấu trúc mây cũng như mối liên hệ giữa chúng và khả năng

dự đốn sự biến đổi khí hậu trong tương lai là vấn đề phức tạp bởi hai lý do cơ bản.
Thứ nhất, chúng ta biết quá trình hình thành các đám mây là rất nhanh, quá trình đó
diễn ra trong thời gian ngắn và khơng gian mang đặc trưng địa phương bởi thế nó
mang các đặc trưng thay đổi của tự nhiên khu vực. Thứ hai, tác nhân gây ra từ các
quá trình tạo bởi con người ngày càng nhiều và ảnh hưởng trực tiếp tới khí hậu của
Trái đất. Bởi vậy chúng ta cần nghiên cứu tất cả cơ chế của sự thay đổi khí hậu do
ngun nhân từ các q trình hóa lý tác động tới sự hình thành và biến mất của các
đám mây...[2]


19

Trong các đối tượng được nghiên cứu thuộc tầng khí quyển của Trái đất, đặc
biệt là tầng đối lưu, thì mây là yếu tố được đặc biệt chú ý và được nghiên cứu nhiều
nhất. Những kết quả nghiên cứu đó có tính thống kê cho phép sử dụng trong nhiều
lĩnh vực ứng dụng khác nhau. Sự hiểu biết về tầng khí quyển bao quanh Trái đất cũng
như về mây cho tới thời điểm hiện tại là khá đầy đủ cho phép chúng ta có thể dự báo
sự thay đổi thời tiết mang tính địa phương cũng như trên phạm vi tồn cầu trong một
thời gian dài (hiện nay theo mơ hình dự báo của NASA có thể dự báo thời tiết trước
32 tháng) [1, 2, 15].
Quan sát mây trong ngành Khí tượng là cực kỳ quan trọng trong việc dự báo
thời tiết phục vụ hoạt động của con người trong đó có hoạt động liên quan mật thiết
là vận chuyển đường khơng và đường thủy…[1]. Chương trình quan sát mây bao
gồm: phân định dạng mây, lượng mây tổng quan, lượng mây tầng thấp và mây phát
triển thẳng đứng, vị trí phân bố tầng mây theo độ cao… Để phân định đúng dạng mây
cần Atlat mây chuyên dụng. Lượng mây tổng quan ước lượng bằng mắt hoặc bằng
ảnh chụp vệ tinh. Trong giới hạn luận văn, chúng tôi mô tả ngắn gọn về hình dạng
các loại mây, đặc điểm của các loại mây thường gặp và trình bày chi tiết hơn về mây
Ti tầng cao (hình dạng, vị trí phân bố vai trị của lớp mây Ti tới tầng khí quyển và
các vấn đề khí hậu cũng như q trình hình thành lớp mây này) [1, 2].

Trong tầng đối lưu, tầng khí quyển tính từ mặt đất lên độ cao khoảng 18 km,
sự hiện diện và vai trò của các lớp mây đối với Trái đất là rất quan trọng. Sự tồn tại
của chúng và những hiểu biết đầy đủ về nó là vấn đề phức tạp cần nhiều cơng sức tìm
hiểu và nghiên cứu chi tiết. Ở đây, tơi đưa ra những thông tin khái quát về các loại
mây, sự hình thành và các đặc trưng vật lý cơ bản đối với mây Ti. Trong khoảng
không gian thuộc tầng đối lưu và lớp dưới của tầng bình lưu, mây Ti tồn tại trong
khoảng không từ mặt đất tới khoảng cách 18 km, được chia làm 3 phân tầng cơ bản
và có những loại mây tương ứng như trong Hình 2.3.


20

Mây Ti(Cirrus)
Mây Titích (Cirrocumulus)

Mây Titầng (Cirrostratus)

Hình 2.3: Phân bố các loại mây trong tầng đối lưu theo hiệp hội khí tượng thế
giới MWO [16, 2].
Phân tầng đầu tiên với độ cao dưới 2 km có hai hình thái mây cơ bản dạng
đám (cumulus) và dạng tầng (stratus), chúng thường tồn tại ở thể dày, đặc hơn nhiều
so với các lớp mây tại những phân tầng khác và được chia thành 5 loại khác nhau:
Mây tầng tích, mây vũ tầng, mây tích, mây tầng và mây vũ tích [16, 2]:
- Mây tầng tích (Stratocumulus - Sc): Có độ cao trung bình khoảng từ 3001000 m, là những lớp hoặc cuộn khá lớn. Những đám mây Sc nhỏ nhất có đường kính
góc của chúng lớn hơn 5 độ và thường có màu xám, hợp thành từng đám, nhóm, đỉnh
thường dẹt. Đám, màn hoặc lớp mây xám hoặc trắng nhạt, gần như bao giờ cũng có
bộ phận tối, gồm những khối trịn, cuộn hình bàn cờ khơng có dạng sợi, đa số phần
tử mây sắp xếp đều có bề rộng biến thiên lớn hơn 5 độ [16, 2].

21

Hình 2.4: Một số hình ảnh Mây tầng tích [17, 2].
- Mây vũ tầng (Nimbostratus - Ns): Có độ cao trung bình khoảng từ 1001000km, có dạng là một lớp thấp hồn tồn khơng định hình có màu xám, thường tối
do nó khá dầy đủ để che khuất Mặt trời, mây này cho mưa thường liên tục nhưng
không lớn. Mây Ns có dạng đều và thường nhìn thấy có cảm giác được chiếu sáng từ
bên trong. Mây này hay gây mưa kéo dài, ở các vùng ôn đới chúng thường cho mưa
tuyết. Mây Ns cũng gây ảnh hưởng đến tầm nhìn của hoạt động bay khi bay xuyên
mây [2, 15, 16].

Hình 2.5: Một số hình ảnh Mây vũ tầng [17, 2].
- Mây tích (Cumulus - Cu), như hình 2.6: Có độ cao trung bình khoảng từ 3001500m, là những đám mây dày đặc khá tách biệt, phát triển đối lưu theo chiều thẳng
đứng với những đỉnh hình vịm trịn, hoặc tháp với những chỗ lùi sùi lên trên tựa hoa
cải và chân mây hầu như nằm ngang và tương đối đen. Mây Cu được cấu tạo bởi
những giọt nước. Những phần đám mây được Mặt trời chiếu sáng có vẻ trắng sáng
chói, ở phía đối diện thì đám mây tối. Thơng thường đám mây có đường viền rõ nét
và cho mưa rào.


22

Hình 2.6: Một số hình ảnh Mây tích [2, 19].
- Mây tầng (Stratus - St), như hình 2.7: Có độ cao trung bình khoảng từ 50500 m, là là một lớp mây đồng nhất khơng có đường viền nhất định, giống như sương
mù được nâng lên trên mặt đất có màu xám. Mây này chủ yếu xuất hiện ở miền bắc
Việt Nam và hình thành vào buổi sáng trong mùa đông và xuân, mây này cho mưa
phùn ở miền bắc. Mây St gây trở ngại lớn cho tầm nhìn ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt
động bay ở tầng thấp.

Hình 2.7: Một số hình ảnh Mây tầng [2, 20]
- Mây vũ tích (Cumulonimbus - Cb), như hình 2.8: Có độ cao trung bình

khoảng từ 400-1000km, là những khối mây tích dày đặc có độ phát triển lớn, dữ dội
theo chiều thẳng đứng, nhơ lên thành hình những trái núi và những ngọn tháp cao đến
hàng kilomet. Phần trên của mây Cb được cấu tạo bởi những tinh thể băng. Nhiều
khi chúng có kiến trúc sợi dạng gọi là đe hoặc bó hoa. Mây Cb cho mưa lớn, mưa rào
to và có kèm theo rông sấm chớp. Mây Cb gồm những hạt nước và riêng ở bộ phận
trên bằng tinh thể đá. Mây vũ tích là loại mây nguy hiểm sinh ra mưa lớn và sấm sét
ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của con người.


23

Hình 2.8: Một số hình ảnh Mây vũ tích [2, 21]
Lên tới phân lớp trên, độ cao từ 2 km tới 6 km, cũng tồn tại hai dạng chủ yếu
là dạng đám và dạng tầng nhưng với kích thước nhỏ và mật độ các thành phần cấu
thành thấp hơn nên chúng ta thấy “mờ” hơn những đám mây ở tầng thấp. Chúng được
chia thành 2 loại: Mây trung tích và mây trung tầng
- Mây trung tích (Altocumulus - Ac), như hình phía dưới: Độ cao trung bình
mây này từ 2-6km so với mặt đất, mây trung tích gồm có một lớp rộng lớn, những
khối cầu có khả năng kết hợp với nhau. Những mảng hoặc khối cầu này có thể biến
đổi độ dày và màu sắc từ ánh sáng trắng đến xám đậm. Chúng có thể xuất hiện thành
những mảng riêng biệt tương tự như mây Titích, nhưng nói chung có thể phân biệt
chúng bởi những mảng riêng lẻ lớn hơn. Nếu mây trung tích sẫm lại và thấp hơn, thì
nó có thể gây ra sấm sét và những cơn mưa rào, nhưng nó khơng mang đến thời tiết
xấu kéo dài.

Hình 2.9: Một số hình ảnh Mây trung tích [2, 21]
- Mây trung tầng (Altostratus - As), như hình 2. 10: Độ cao trung bình mây
này từ 3-5km, chúng xuất hiện với màu xám xám hoặc xanh xanh, dải hay màn có
thớ. Khi Mặt Trời hoặc Mặt Trăng bị che khuất bởi những đám mây này, sẽ xuất hiện
quầng chung quanh nó như thể nó được chiếu sáng xuyên qua kính mờ. Những quầng

sáng khơng được tạo thành. Nếu những đám mây này sẫm lại và thấp hơn, hoặc nếu


24

thấp, những đám mây lướt nhanh qua hoặc những đám mây vũ tầng (Nimbostratus)
tạo thành bên dưới nó, mưa hoặc tuyết rơi liên tục có thể xảy ra trong vịng vài giờ.

Hình 2.10: Một số hình ảnh Mây trung tầng [2, 19]
Ở tầng trên cùng, độ cao trên 6 km và tính tới hết tầng đối lưu, sự hiện diện
của mây Ti và phổ biến nhất là 3 hình dạng cơ bản: một dạng như là các lớp mỏng
rất dài được gọi là mây Ti (Cirrus), một dạng hình thành từng đám gồm các bông nhỏ
(Cirrocumulus) và dạng gồm nhiều dải ngắn chồng lên nhau (Cirrotratus) [1]:
- Mây Ti tích (Cirrocumulus - Cc): Độ cao trung bình khoảng từ 6-8km, mây
Titích là một lớp hoặc những rặng gồm nhiều nắm nhỏ, lổn nhổn hoặc cầu trắng
khơng có bóng. Đơi khi chúng có dạng những nếp răn hoặc vết gợn như trên bãi cát
bờ biển. Mây Ti tích được cấu tạo bởi các tinh thể băng, mây này cũng không gây
nguy hiểm, khơng ảnh hưởng đến hoạt động bay.

Hình 2.11: Một số hình ảnh Mây Ti tích [1, 2, 22]
- Mây Ti tầng (Cirrotratus - Cs), như trong hình 2.12: Độ cao trung bình
khoảng từ 6-8km, mây Titầng có hình dạng giống như một màng mỏng trong suốt,
trắng đục, đôi khi che phủ cả bầu trời. Nó được cấu tạo bởi tinh thể băng, không thể


25

nhìn thấy rõ rệt Mặt trời, Mặt trăng qua lớp mây này, mây này khơng ảnh hưởng đến
tầm nhìn ngang cũng như khơng gây mưa.

Hình 2.12: Một số hình ảnh Mây Ti tầng [2, 23].
- Mây Ti (Cirrus – Ci hay Ti): Độ cao trung bình khoảng từ 7-10 km, mây Ti
(tiếng La tinh Ti nghĩa là tua cuốn) là một kiểu mây có dạng đặc trưng là các dải
mỏng, tương tự như nắm hay túm tóc hay đám lơng vũ; thường được kèm theo là các
búi hay chùm, hình đuôi ngựa. Đôi khi các đám mây Ti trải rộng đến mức chúng ta
không thể phân biệt được từng đám khác nhau bằng mắt thường. Bao giờ mây Ti
cũng cấu tạo bởi những tinh thể băng, mây Ti không gây nguy hiểm cho hoạt động
bay và không gây mưa [1, 2].

Hình 2.13: Một số hình ảnh về Mây Ti [2, 24].