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 xạ miền ánh sáng nhìn thấy vùng tử ngoại gần lớn ứng dụng phổ biến nghiên cứu hiệu ứng quang phổ nhanh Đặc biệt nguồn bơm xung có ý nghĩa điều kiện nghiên cứu Việt Nam, nguồn phát laser xung miền bước sóng ngắn dạng rắn cơng suất cao thường sử dụng laser công nghiệp hãng Quantel với chất lượng tốt giá thành cao so với điều kiện đầu tư cho nghiên cứu trung tâm, viện trường đại học Việc chế tạo laser rắn công suất cao có tính di động trở thành nhiệm vụ cấp bách khó khăn nghiên cứu ứng dụng cần di chuyển liên tục, cần thay đổi thông số kỹ thuật laser dải rộng Xuất phát từ thực tế đó, nhóm tác giả đề tài đặt mục tiêu nghiên cứu làm chủ hoàn toàn thiết kế, chế tạo lắp ráp hệ laser Nd:YAG công suất cao phát xung thay đổi nhiều thơng số kỹ thuật đồng thời có khả hoạt động ổn định trình di động Để khẳng định sản phẩm chế tạo hoạt động theo thông số kỹ thuật, nhóm nghiên cứu tiếp tục tích hợp khối laser vào hệ lidar di động phục vụ cho mục đích nghiên cứu khí tầng cao nhiều nơi nhằm phát triển hướng nghiên cứu nhóm lĩnh vực khí mơi trường kỹ thuật lidar Ở nước ta kỹ thuật Lidar triển khai ứng dụng nhiều nhóm nghiên cứu khác thu số thành tựu bước đầu mục đích quân sự, nghiên cứu mơi trường dự báo khí tượng thủy văn Tuy nhiên mong muốn làm chủ hoàn toàn hệ lidar di động lần đầu chế tạo hoàn toàn Việt Nam mơ ước mà chưa nhóm nghiên cứu giải Bởi thế, việc chế tạo 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 yêu cầu trước tiên dần thực hóa mơ ước Vì lý ấy, tác giả nhóm nghiên cứu mạnh dạn lựa chọn mục tiêu lấy tên luận văn là: “Phát triển nguồn laser Nd:YAG biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng thụ động tích hợp hệ lidar di động quan trắc mây Ti tầng cao” Luận văn thực với mục đích đối tượng nghiên cứu cụ thể sau: Mục đích luận văn:  Thực thiết kế, chế tạo cải tiến nhằm chủ động hồn tồn khối laser phát xung cơng suất cao bước sóng 1064 nm 532 nm với thông số kĩ thuật tần số lặp lại, cơng suất phát, kích thước chùm tia, góc mở chùm tia điều chỉnh khoảng cố định  Tích hợp khối phát xung cơng suất cao 01 hệ lidar có khả di động phục vụ mục đích quan trắc khí tầng cao 20 km  Tìm hiểu nguyên lý, cấu trúc thông số kỹ thuật hệ lidar tán xạ đàn hồi  Tìm hiểu phương trình tốn, chương trình số xác định thông số quang đặc trưng mây Ti từ tín hiệu lidar đàn hồi  Tiến hành quan trắc, ghi nhận liệu, đánh giá chất lượng tín hiệu ghi nhận, chất lượng hệ đo lidar nguồn phát laser chế tạo  Thảo luận đề xuất công việc tương lai theo hướng nghiên cứu thực Đối tượng nghiên cứu 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 mrad  Lắp đặt tích hợp nguồn laser hệ Lidar khảo sát khí đơn kênh tín hiệu đàn hồi tới 20 km  Xử lý tín hiệu xác định số thông số quang đặc trương lớp mây Ti tầng cao qua đánh giá chất lượng hệ lidar xác nhận chất lượng chùm tia khối phát laser chế tạo Luận văn chia thành chương gồm: Chương 1: LASER Nd:YAG CÔNG SUẤT CAO Chương 1, chúng tơi trình bày tìm hiểu tổng quan laser cụ thể laser rắn với môi trường hoạt chất tinh thể Nd: YAG Những kết 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 Chương 2: VAI TRỊ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG ĐỐI LƯU VÀ KỸ THUẬT LIDAR Chúng tơi trình bày hiểu biết cấu trúc khí bao quanh Trái đất, thông số thành phần vật chất miền khí quyển, tổng khối lượng, hình thành, ảnh hưởng sinh tới khí ảnh hưởng vai trị trực tiếp khí tới sinh Trong tác giả tập trung luận giải vai trò lớp son khí tầng cao, lớp mây Ti với độ cao phân bố từ – 18 km, diện tích bao phủ khoảng 30% tổng diện tích khí Trái đất, vai trò chúng mơ hình dự báo thời tiết đại Bên cạnh đó, chúng tơi trình bày ngun lý hoạt động cấu tạo hệ lidar đàn hồi, hoạt động chế độ tương tự 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, trình bày phần kết luận văn Phần thứ trình bày kết nghiên cứu chế tạo cải tiến thực khối phát laser Nd: YAG công suất cao với đặc tính dễ tháo lắp, cơng suất cao đáp ứng mục đích nghiên cứu di động hệ lidar sử dụng quan trắc cho khí tầng đối lưu Phần thứ hai chúng tơi trình bày kết xác định số đặc trưng vĩ mô vi mô lớp mây Ti tầng cao từ tín hiệu hệ lidar di động sử dụng khối phát laser cải tiến CHƯƠNG 1: LASER Nd:YAG CƠNG SUẤT CAO Chương 1, tơi trình bày tổng quan nghiên cứu lý thuyết mơ hình laser Nd:YAG điều tần thụ động sử dụng tinh thể hấp thụ bão hòa buồng cộng hưởng loại Fabry-Perot 1.1 Tổng quan laser rắn ứng dụng 1.1.1 Tổng quan laser rắn Laser, phát minh vĩ đại kỉ XX chứng tỏ vai trò phát triển khoa học kĩ thuật ứng dụng nhiều ngành khoa học kỹ thuật Ngay từ laser xuất hiện, việc nghiên cứu laser phát xung ngắn quan tâm Cuối năm 1960, xuất 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 laser xung cực ngắn dẫn đến đời phát triển phương pháp quang phổ laser phân giải thời gian Phương pháp cho phép làm sáng tỏ trình độ cực nhanh xảy vật lý, sinh học, hóa học Đây lĩnh vực khoa học đại phát triển mạnh mẽ giới mà điều kiện tiên cho nghiên cứu nguồn laser xung cực ngắn Các laser rắn phát xung ngắn, loại laser rắn laser Neodymium chiếm tỉ phần lớn thị trường sử dụng - nguồn kích thích quang học quan trọng sử dụng rộng rãi phịng thí nghiệm quang học quang phổ giới Việt Nam Trong điều kiện nghiên cứu Việt Nam nhu cầu sử dụng laser rắn Neodymium nghiên cứu với trình động học, tượng cực nhanh nhiều phịng thí nghiệm quan tâm có nhu cầu sử dụng rộng rãi cấp thiết Để phát xung laser ngắn sử dụng kỹ thuật như: biến điệu độ phẩm chất, chiết tách lượng buồng cộng hưởng kỹ thuật khóa mode buồng cộng hưởng… Ở nước ta nay, việc phát triển vật lý công nghệ laser rắn xung ngắn có ý nghĩa khoa học cơng nghệ cao có tính ứng dụng thực tiễn Điều thể rõ lĩnh vực cụ thể sau: Vấn đề thứ nhất, cho phép làm chủ khoa học công nghệ laser xung ngắn, tạo tiền đề cho nghiên cứu phát triển phương pháp quang phổ đại Vấn đề thứ hai, trực tiếp đào tạo cán khoa học đủ lực làm việc lĩnh vực khoa học công nghệ thuộc lĩnh vực quang học quang tử Vấn đề thứ ba, việc tự xây dựng hệ laser rắn phát xung cực ngắn Việt Nam cho phép tiết kiệm chi phí đáng kể hệ laser xung cực ngắn thương mại đắt tiền khó phù hợp với phần lớn trung tâm, viện trường đại học cịn nhiều khó khăn có đầu tư thích đáng cho nghiên cứu dài Cùng với phát triển công nghệ laser, khả hồn tồn xây dựng hệ laser rắn (Neodymium) phát xung cực ngắn bơm đèn flash Việt Nam Môi trường laser Neodymium môi trường laser tinh thể sử dụng phổ biến Môi trường chủ yếu thường tinh thể Y3Al5O12 (viết tắt YAG), ion Y3+ thay ion Nd3+ Các thơng số quang học mơi trường laser Neodymium trình bày bảng 1.1 sau đây: Bảng 1.1: Các thông số 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 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 Trong đó: Nt mật độ ion Neodymium;  thời gian sống huỳnh quang;  độ rộng phổ laser; e tiết diện phát xạ cưỡng Các laser Neodymium hoạt động nguyên lý laser mức, chuyển dịch quang học cho xạ laser chuyển dịch mức lượng ion Nd3+ Tùy theo việc pha tạp vào quang học khác mà mức lượng tham gia trình laser bị suy biến, thấy mơi trường YAG chuyển dịch quang học có xác suất lớn ứng với bước sóng 1064 nm [3] 1.1.2 Ứng dụng laser rắn nghiên cứu Với nhiều ưu điểm bật laser rắn như: a Bền cấu trúc lý hóa, đảm bảo cho sức bền buồng hoạt chất hoạt động ổn định thời gian làm việc lâu dài điều kiện hoạt động khắc nghiệt hoạt chất môi trường làm việc laser b Cấu trúc hoạt chất tinh thể nuôi cấy tự nhiên nhân tạo mơi trường vơ định hình thuận lợi mặt cơng nghệ có khả sản xuất hàng loạt c Tính đồng quang học chế tạo cơng nghiệp đảm bảo tính đối xứng, tiêu hao lượng bơm độ phẩm chất BCH lớn Thuận lợi cho điều kiện ngưỡng bơm laser không cần cao, dẫn tới dễ vận hành tính kén chọn phương pháp bơm dễ dàng d Chất thường thủy tinh, pha tạp ion đất với hàm lượng cỡ vài % môi trường hoạt chất gần suốt với xạ bơm quang xạ phát laser e Do đặc tính đồng chịu nhiệt cao hoạt chất mà laser loại rắn hoạt động miền nhiệt độ rộng, tính ổn định tốt hoạt động thời gian dài f Vì dạng rắn nên hoạt chất thuận tiện việc gia công bề mặt để tạo buồng cộng hưởng với nhiều hình dạng khác phù hợp với ứng dụng yêu cầu kích thước laser khác loại bơm khác nhau… [5, 3] Ngồi đặc tính mơi trường hoạt chất Các laser rắn mà cụ thể laser Nd: YAG có đặc tính cơng suất phát cao, vạch phổ phát xạ tần số - 1064 nm, tần số hòa ba bậc hai – 532 nm, hòa ba bậc ba - 355 nm, hịa ba bậc bốn – 266 nm, cho cơng suất cao xạ nằm toàn miền quang phổ từ hồng ngoại gần tử ngoại gần Vì xạ ứng dụng làm nguồn bơm kích thích cho q trình quang phổ phân tử nhiều chất khác Với đặc tính cơng suất cao, dễ chế tạo, hoạt động ổn định, miền phổ phù hợp, giá thành hợp lý Do đó, laser Nd: YAG ứng dụng từ lâu lựa chọn nhóm nghiên cứu tiến vào lĩnh vực ứng dụng hệ lidar phục vụ kĩ thuật quan trắc từ xa đối tượng khí 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 môi trường laser sử dụng rộng rãi nay, cấu trúc lượng chuyển dịch quang học cho xạ laser mơ tả hình 1.1 [5, 3] Dịch chuyển khơng phát xạ Hấp thụ Phát xạ Tiết diện hấp thụ (10-20 cm2) Hình 1.1: Cấu trúc mức lượng mơi trường laser Nd:YAG [5 tr 5, 3] Bước sóng (nm) Hình 1.2: Phổ hấp thụ mơi trường Nd:YAG đo nhiệt độ 300 0K [5 tr 208, 3] Đường liền nét ứng với Nd3+ YAG; đường đứt nét ứng với Cr3+ Alexandrite Trục tung bên phải ứng với Nd3+, bên trái ứng với Cr3+ Trên phổ hấp thụ hình 1.2 thấy rằng, mơi trường Nd:YAG có ba vùng hấp thụ mạnh quanh vùng bước sóng 600 nm, 730 nm 800 nm [5, 3] 1.2.2 Tính tốn lý thuyết cho laser Nd: YAG với buồng cộng hưởng Fabry- perot Như biết, buồng cộng hưởng laser có ảnh hưởng định tới đặc điểm công suất, phổ xác định cấu trúc trường xạ laser, hay gọi mode dao động buồng cộng hưởng Mỗi mode ký hiệu TEMmnq (Transverse Electromagnetic Modes) mode điện từ ngang (các dao động điện từ BCH coi ngang) m n số ngang, q số dọc Mỗi mode đặc trưng cấu hình khơng gian trường xác định (có phân bố biên độ pha xác định) theo hướng vng góc với trục BCH Đặc tính riêng cấu hình khơng gian trường xác định số m n Mỗi tổ hợp số m n xác định trường định theo phương nằm ngang (trong BCH) lại có tương ứng số Độ khuếch đại giá trị số q khác nhau, chúng mode dọc [5, 3] Các mode dọc Công tua khuếch Khoảng cách BCH đại hai mode dọc liên tiếp Ngưỡng laser Tần số Các mode dọc BCH Độ rộng vạch mode dọc Tần số Hình 1.3 Công tua khuếch đại laser độ rộng vạch xạ mode dọc [5, 3] Một buồng cộng hưởng Fabry-Perot gồm hai gương cách khoảng L chứa môi trường khuếch đại, tồn số tần số dao động (mode cộng hưởng, mode dọc) định Nếu khơng có thiết bị lọc lựa tần số đặt buồng cộng hưởng laser laser phát xạ cưỡng đồng thời nhiều tần số mà độ khuếch đại tương ứng với chúng G(m) > (hình 1.3) Số mode dọc phát phụ thuộc vào độ rộng phổ xạ môi trường hoạt chất Trong lại buồng cộng hưởng, sóng giao thoa với có sóng mà chúng hiệu quang trình d số nguyên (m) lần bước sóng (d = 2L = m) giao thoa với tăng cường Do đó, tần số m = mc/2L (c vận tốc ánh sáng) thoả mãn điều kiện G(m) > dao động buồng cộng hưởng cuối phát Hình 1.3, mơ tả công-tua khuếch đại phổ mode dọc buồng cộng hưởng laser (trong tần số m gắn với mode dọc) Nếu mode dao động cưỡng khơng có quan hệ pha cường độ trường xạ tổng cộng thăng giáng ngẫu nhiên theo thời gian Khi có liên hệ pha thiết lập mode dao động cưỡng tạo chồng chập kết hợp biên độ mode dẫn tới khả phát xung cực ngắn từ ps đến fs (10-12 s  10-15 s) Mối liên hệ pha mode gọi khoá pha mode dọc BCH Chúng ta chứng minh có khóa mode, lượng laser tổng kIk tất cường độ Ik mode dao động tăng giảm theo thời gian tỷ lệ với N2 (bình phương số mode) Quan hệ độ rộng xung (T) laser khóa mode độ rộng phổ () [5, 3]: T ~ 1/ = 2/N (1.1) Ở  hiệu số pha hai tần số (mode dọc) liên tiếp Có nghĩa là, mơi trường laser có phổ khuếch đại rộng, xảy tượng khóa mode buồng cộng hưởng phát xung laser có độ rộng xung ngắn [5] Hiện nay, lý thuyết thực nghiệm, có hai phương pháp phổ biến kinh điển để phát xung laser ngắn có lượng cao là: biến điệu độ phẩm chất (Qswitching) [6], [7], [8], [9] khoá mode buồng cộng hưởng [10], [11], [12], [39], [40] Cả hai phương pháp sử dụng chế biến điệu buồng cộng hưởng 10 có nhiều kỹ thuật khác thực có kết Trong chương này, chúng tơi trình bày ngun tắc chung phương pháp phát xung laser ngắn khóa mode buồng cộng hưởng Phương pháp phát xung laser khóa mode chia thành hai loại: phương pháp khóa mode chủ động phương pháp khóa mode thụ động Phương pháp phát xung laser ngắn kỹ thuật khóa mode chủ động thực tương đối khó khăn chủ yếu áp dụng để phát xung laser có độ rộng xung vùng cỡ pi-côgiây Trong giới hạn luận văn chúng tơi trình bày phương pháp phương pháp khóa mode thụ động cụ thể phương pháp khóa mode hấp thụ bão hịa chậm phương pháp sử dụng rộng rãi Bộ hấp thụ bão hịa chậm (SA chậm) có số thời gian hồi phục dài độ dài xung trạng thái ổn định ngắn nhiều chu kỳ photon lại buồng cộng hưởng [3] Cơ chế khóa mode hấp thụ bão hòa SA chậm yêu cầu thời gian hồi phục độ khuếch đại laser cỡ chu kỳ buồng cộng hưởng lớn chút so với thời gian hồi phục hấp thụ Thêm vào đó, thơng lượng bão hịa mơi trường khuếch đại phải lớn thơng lượng bão hòa hấp thụ đủ thấp để bị bão hịa thơng lượng laser buồng cộng hưởng Trạng thái ban đầu tương tự với trạng thái mô tả với SA nhanh: dao động mạnh ban đầu có mát thấp chút tạo thay đổi mát hay độ khuếch đại buồng cộng hưởng Sau số chu kỳ lại buồng cộng hưởng, thơng lượng xung đủ lớn để làm tẩy trắng hấp thụ biểu đồ khuếch đại/mất mát tương tự với trường hợp biểu diễn hình 1.4 Mất mát Khuếch đại Xung laser Thời gian Hình 1.4: Quá trình phát xung ML với hấp thụ bão hòa chậm [3, 5], Tiết diện tán xạ ngược He so tan xa (m-1sr-1) 50 x 10 -4 Back scat Sum Back scat Aer Back Mole 10 11 12 13 14 15 16 17 18 cao(km) (km) ĐộDocao Hình 3.12: Đồ thị thể tiết hệ số tán xạ ngược lớp mây Ti theo thuật tốn Fernald [1] Hình 3.12 thể rõ tiết diện tán xạ lớp mây chiếm ưu hoàn toàn - đường màu đỏ so với tiết diện tán xạ từ phân tử khí miền quan sát – đường màu tím Từ thơng số hình 3.12 chúng tơi xác định giá trị trung bình hệ số tán xạ ngược lớp mây Ti là: 0,55 10-5 (m-1sr-1) Tỉ số tán xạ ngược Ty so tan xa nguoc 80 60 40 20 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Docao cao(km) (km) Độ Hình 3.13: Tỷ số tán xạ ngược lớp mây Ti so với lớp phân tử khí từ 10 km tới 18 km Hình 3.13 thể rõ cường độ tín hiệu tán xạ quay lớp mây Ti lớn tín hiệu phân tử khí tới 80 lần vị trí tâm đám mây có mật độ đậm đặc Chính khác biệt khả tán xạ ngược lớp mây Ti mà vai trò chúng 51 hiệu ứng nhà kính giam giữ xạ bề mặt trái đất đáng kể Vì tham số hệ số tán xạ ngược lớp mây Ti số quan trọng mơ hình dự báo thời tiết biến đổi khí hậu NASA Trong tham số vi mơ son khí tầng cao độ sâu quang học  tham số quan trọng bậc 𝜏 xác định biểu thức 2.4 chương luận văn chương trình số tương ứng phụ lục 2.6 Độ sâu quang học thể phần lượng xạ laser mát tán xạ hấp thụ xảy miền không gian truyền qua xạ, đặc trưng cho mát lượng xạ gây môi trường Hiểu biết độ sâu quang học miền khí nơi quan trắc cho phép đánh giá mức độ ảnh hưởng lớp khí tới hiệu ứng nhà kính lượng lượng xạ đóng góp mặt trời lên tổng thể lượng gây tượng tự nhiên bầu khí trái đất Độ sâu quang học thông số quan trọng mơ hình dự báo khí hậu Trái đất mà mơ hình dự báo Do sau quang hoc Độ sâu quang học chuẩn hóa sử dụng 0.95 0.9 0.85 0.8 10 11 12 13 14 15 16 17 18 DoĐộcaocao (Km) Hình 3.14: Sự thay đổi độ sâu quang học lớp khí có mây Ti miền từ tới 18 km, độ sâu quang học chuẩn hóa đơn vị tồn miền 18 km Hình 3.14 thể đóng góp mây Ti trình lưu giữ lượng xạ Mặt trời tầng đối lưu Trái đất Như phép đo này, mây Ti 52 tồn khoảng km hấp thụ gần hoàn toàn lượng xạ truyền khoảng 11 km từ độ cao km tới 18 km Bảng 3.2 Thông số quang đặc trưng lớp mây Ti xác định từ tín hiệu đàn hồi hệ lidar di động Tham số đặc trưng Kí hiệu Giá trị Tỉ số tín hiệu nhiễu 18 km (1) S/n 10,82 Tỉ số tín hiệu nhiễu 18 km (2) S/n 2,014 Độ cao đỉnh lớp mây Htop 14,7 km Độ cao đáy lớp mây Hbase 11,7 km 𝜏 0,597 Độ sâu quang học Hệ số suy hao trung bình 𝜎̅ = Hệ số tán xạ ngược trung bình 𝛽̅ Tỉ số Lidar S 𝜏 ∆𝑧 1,99 10-4 m-1 0,55 10−5 (𝑚−1 𝑠𝑟 −1 ) 58 Trường hợp (1) phép đo hệ lidar di động sử dụng kĩ thuật đếm photon sử dụng PMT gated quan trắc vào ban đêm trường hợp thứ (2) tín hiệu thu sử dụng PMT R4700 hãng Hamamatsu hoạt động chế độ tương tự quan trắc vào ban ngày khoảng thời gian 50 phút Các khảo sát thời gian ngắn Quảng Bình, TP Hồ Chí Minh Hà Nội hệ lidar mobile với số liệu từ hệ lidar cố định sử dụng laser Quantel nhóm nghiên cứu tập hợp xử lý để công bố báo “PROPERTIES OF CIRRUS CLOUDS FROM LIDAR MEASUREMENTS ABOVE VIETNAM” tới nhóm thời gian kéo dài từ 2011 tới 2017 Trong q trình xử lý tín hiệu chúng tơi nhận thấy chất lượng tín hiệu từ hai hệ đo hồn tồn tương đương khơng có khác biệt so sánh kết phép đo đồng thời hai hệ miền khảo sát 20 km 3.3 Kết luận chương Trong chương 3, chúng tơi trình bày phần kết luận văn Phần thứ trình bày kết nghiên cứu thiết kế, chế tạo cải tiến thực khối phát laser Nd: YAG công suất cao với đặc tính dễ tháo lắp, cơng suất 53 cao, đáp ứng mục đích nghiên cứu di động hệ lidar sử dụng quan trắc cho khí tầng đối lưu Phần thứ hai chúng tơi trình bày kết xác định số đặc trưng vĩ mô vi mô lớp mây Ti tầng cao từ tín hiệu hệ lidar di động sử dụng khối phát laser xung cải tiến Trong chúng tơi đưa phương pháp đánh giá chất lượng tín hiệu hệ đo tỉ số tín hiệu nhiễu tín hiệu tương tự tín hiệu đếm photon Qua đánh giá chất lượng hệ đo lidar di động chất lượng khối phát laser cơng xuất cao bước sóng 532 nm hoàn toàn đáng tin cạy đảm bảo ổn định tốt thời gian quan trắc kéo dài liên tục vài liên tục 54 KẾT LUẬN Với mục đích cải tiến tính quan trắc di động hệ lidar khảo sát miền khí tầng cao tới 20 km sử dụng khối phát xung chủ động lần chế tạo Việt Nam với tính kĩ thuật thay đổi linh động tùy theo mục đích nghiên cứu khác Những kết đạt tác giả thể luận văn sau: Thực thiết kế chế tạo cải tiến thành công 01 khối laser phát xung công suất cao bước sóng 1064 nm 532 nm Các thơng số đặc trưng xung laser khảo sát như: Tần số lặp lại thay đổi từ – 15 Hz, công suất xung thay đổi đạt lượng tối ưu 250 mJ/xung tần số Hz, góc mở chùm tia mrad, kích thước chùm tia thay đổi Hệ laser chế tạo cho phép hồn tồn chủ động điều chỉnh thơng số kỹ thuật theo mục đích sử dụng khác Tích hợp laser cơng suất cao phát xung bước sóng xanh 532 nm vào hệ lidar di động nhằm mục đích quan trắc khí tầng cao tới 20 km chế độ tương tự vào ban ngày đếm photon vào ban đêm Tiến hành quan trắc chế độ tương tự đếm photon, ghi nhận liệu Hà Nội, TP Hồ Chí Minh Quảng Bình, đánh giá chất lượng tín hiệu ghi nhận, xác định tỉ số tín hiệu nhiễu để đánh giá chất lượng tín hiệu đo chất lượng hệ đo lidar nguồn phát laser chế tạo Tìm hiểu thuật tốn giải tích, chương trình số nhằm xác định thơng số đặc trưng mây Ti, sử dụng chương trình tính tốn số ngơn ngữ Matlab xác định thơng số quang đặc trưng tín hiệu ghi nhận từ hệ lidar di động So sánh tín hiệu kết thu với hệ lidar cố định bàn luận đặc trưng vật lý mây Ti Trong giới hạn luận văn , thực trọn vẹn hai vấn đề kỹ thuật theo đăng kí ban đầu là: xây dựng thành cơng 01 khối phát laser cơng suất cao bước sóng 532 nm đảm bảo tính kỹ thuật nghiên cứu quang phổ nhanh tích hợp khối phát xung laser 01 hệ lidar di động sử dụng quan trắc lớp mây Ti tầng cao ba địa điểm Việt Nam Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh Quảng Bình Kết nghiên cứu luận văn đăng 01 báo Hội nghị Quang học Quang phổ toàn Quốc lần thứ năm 2017 55 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Bùi Văn Hải, Đinh Văn Trung, Phạm Minh Tiến, Trần Ngọc Hưng, Nguyễn Xuân Tuấn, Vũ Thị Hoàn 2017, Phát triển khối phát laser Nd: YAG phát xung công suất cao sử dụng tinh thể hấp thụ bão hòa ứng dụng hệ lidar quan trắc khí tầng cao, Kỉ yếu hội nghị Quang học Quang phổ toàn quốc, ISSN 1859 – 4271 233 - 237 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bùi Văn Hải (2013), Sử dụng kỹ thuật Lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý son khí tầng khí quyển, Luận án Tiến sĩ, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam [2] Nguyễn Văn Thiệu (2016), nghiên cứu đặc trưng mây ci tầng cao kỹ thuật lidar, Luận văn Cao học, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam [3] Đỗ Quốc Khánh (2010), nghiên cứu vật lý phát triển công nghệ laser rắn nd:yvo4 pi-cô giây biến điệu thụ động, bơm aser bán dẫn, Viện Vật lý Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam [4] Phan Thế Hiếu, Nguyễn Đại Hưng (2010), Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống lidar ứng dụng đo đạc thơng số khí quyển, Báo cáo tổng hợp kết nghiên cứu khoa học công nghệ, Bộ Khoa học Công nghệ Tiếng Anh [5] O Svelto, (1998), "Principles of lasers", 4th ed, New York, NY Plenium [6] C Honninger et al, (1999), Q-switching stability limits of continuos-way passive mode-locking, J Opt Soc Am B, Vol 16, No1, p46-56 [7] G Li, S Zhao, K Yang and J Liu, (2005), Control of pulse width in diodepumped passively Q-swiched Nd:YVO4/KTP green laser with GaAs saturable absorber, Opt and QE, vol 37, pp 635 – 647 [8] P.K.Mukhopadhyay et al, (2004), Ananlysis of laser diode end-pumped intral cavity frequency doubled passive Q-swicthed and mode locked Nd:YVO4 laser, App Opt, B79, p713-720 [9] U Keller, K J Weingarten et al, (1996), "Semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs) for femtosecond to nanosecond pulse generation in solidstate lasers" IEEE J Selected Topics in Quantum Electronics (JSTQE), vol 2, pp 435-453 [10] A Penzkofer, (1988), Passive Q-Switching and Mode-Locking for Generation of Nanosecond to Femtosecond Pulses, Appl Phys B 46, 43-60 the pp 57 [11] B E Buoma et al (1997), Compact resonator design for mode locked solid state laser, App Opt, B65, pp 213-220 [12] D H Sutter, I D Jung et al, (1998), "Self-starting 6.5 fs pulses from a Ti:sapphire laser using a semiconductor saturable absorber and double-chirped mirrors", IEEE J Selected Topics in Quantum Electronics (JSTQE), vol 4, pp 169-178 [13] http://pgdn.dvrlists.com/air-atmospheric-gas-britannica.html [14] http://scied.ucar.edu/imagecontent/cirrus-clouds [15] https://googlegroups.com/a/bantinhanghai.com/group/ddhh/attach/CLOUDS.p df [16] https://oceanology.hcmus.edu.vn/home/view/phan-biet-cac-loai-may-tren-bautroi [17] https://physics.byu.edu [18] https://4warnwxteam.com [19] https://en.wikipedia.org [20] https://freebigpictures.com [21] https://spaceplace.nasa.gov/review/clouds/NOAA-NASA-CloudChart.pdf [22] https://wisegeek.com [23] https://weatherwizkids.com [24] https://isleofskyeweather.co.uk [25] Bùi Văn Hải, Đinh Văn Trung, Phạm Minh Tiến, Trần Ngọc Hưng, Nguyễn Xuân Tuấn, Vũ Thị Hoàn 2017, Phát triển khối phát laser Nd: YAG phát xung công suất cao sử dụng tinh thể hấp thụ bão hòa ứng dụng hệ lidar quan trắc khí tầng cao, Kỉ yếu hội nghị Quang học Quang phổ toàn quốc, ISSN 1859 – 4271 233 - 237 [26] A Ansmann, M Riebesell, et al (1992), Combined Raman Elastic-Backscatter lidar for vertical profiling of moisture, Aerosol extinction, backscatter, and lidar ratio, Applied Physics B, B 55, 18-28 [27] David S H, Kevin S R, John A R, John L C, Development of a high spectral resolution lidar based on confocal Fabry–Perot spectral filters, Applied Optics 51(25), 6233 - 44 September 2012 58 [28] Flamant, C Pelon, J Flamangt, P and P Durand (1997), Lidar determination of the entrainment zone thickness at the top of the unstable marine atmosphere mixing layer, Bound-Lay Meteorol, 83, P 247-284 [29] Paul Schmid and Dev Niyogi (2011) A method for estimating planetary boundary layer height and its application over the ARM southern great plains site, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, Vol 29, P 316-322 [30] W P Hooper, and E W Eloranta (1986), Lidar measurements of wind in the planetary boundary layer: the method, accuracy, and results from foint measurements with radiosonde and kytoon, J Clim Appl Meteorol, Vol 25, P 990-1001 [31] I Veselovskii et al (2009), Demonstration of Aerosol properties by multiwavelenth lidar under varying relative humidity conditions, American Meteorological Society, doi: 10.1175 [32] R M Measures (1983), laser remote sensing fundamentals and application, A Wiley – Interscience Publication [33] Frederick G Fernald et al (1971), Detrmination of Aerosol Height distribution by lidar, Journal of Applied Meteorology, Vol 11, 482-489 [34] Japan Analytical Instrument Manufacturers’ Association (1986), Guide to Analytical Instruments, 3rd Edition [35] H Baars, A Ansmann, R Engelmann, and D Althausen (2008), Continuous monitoring of the boundary-layer top with lidar, Atmos Chem Phys Discuss, Vol 8, P 10749-10790 [36] Bui Van Hai, Nguyen Xuan Tuan, Dao Duy Thang, Dinh Van Trung and Nguyen Thanh Binh (2012), Monitoring the boundary layer over Hanoi using a compact lidar system, The Second Academic Conference On Natural Science For Master And Phd Students From Cambodia, Laos, Malaysia & Vietnam, Proceedings P 389-392, ISBN: 978-604-913-088-5 [37] Bui Van Hai, Dinh Van Trung, Nguyen Xuan Tuan, Dao Duy Thang and Nguyen Thanh Binh (2012), monitoring cirrus clouds and tropopause height over hanoi using a compact lidar system, Communication in Physics, Vol 22, No 4, 357364 59 [38] Nguyen Xuan Tuan, Bui Van Hai, Dinh Van Trung (2014), Normally off-gated photomultiplier tube module in photon-counting mode for use in light detection and ranging measurements, Journal of Applied Remote Sensing, Vol 8, 083536 [39] P J Conlon, Y P Tong, P M W French, and J R Taylor, (1994), “Passive mode locking and dispersion measurement of a sub-100-fs Cr4:YAG laser”, OPTICS LETTERS, Vol 19, pp1468-1470 [40] P Augustine et.al, (2004), Rep Prog Phys 67, 813-855 [41] F Kartner et al, (1998), "Slow and Fast Saturable Absorbers for Modelocking of Solid-State Lasers - What's The Difference?", IEEE J SEL Topics QE, pp 159168 [42] R Paschotta, U Keller, (2001), "Passive mode locking with slow saturable absorbers", Appl Phys B, vol 73, pp 653-662 60 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Chương trình kết nối máy tính viết ngơn ngữ Labview hệ lidar di động đa kênh 1 Khối kết nối thiết bị 1.2 Khối thu hoạt động chế độ đo tương tự 61 1.3 Khối thu hoạt động chế độ đếm photon Phụ lục 2: Chương trình chuẩn hóa tín hiệu 2.1 Hàm gọi tín hiệu radiosonde lấy làm chuẩn để so sánh function [z,bmol,bb,sk] = ham_radiosonde(b,z,hss,lizz,tb) h = b(:,1);%km mdkhi = b(:,2)+b(:,3);% mat that cua nasa bm = mdkhi;%phantu/m3 lmdkhi = log(bm); a = polyfit(h,mdkhi,30); bmol = polyval(a,z); bb = log(bmol); …VV 2.2 Chương trình chuẩn hóa tín hiệu hệ đo chế độ tương tự %load file clc; clear all; close all; filename = 'e:\lidar\photon counting\gate_tuan\gate121.txt'; kenh = 3; a = load(filename); t = a(:,1);c = 3*1e8; % thoi gian: 1e-6(s)- r(km) 62 z0 = t/2*c*1e-12;% z - km % lam tron tin hieu lan p0 = smooth(a(:,kenh),100); n = length(t);k = 0;…VV for i=d:tr if p(i+1)>lan*p(i)& p(i+2)>p(i+1)&p(i+3)>p(i+2)&p(i+4)>p(i+3) p(i+5)>p(i+4)&p(i+6)>p(i+5) …VV 2.3 Chương trình chuẩn hóa tín hiệu phép đo hệ chế độ đếm photon %1 chon diem triger %2 chon diem so sanh %3 chon bin can thiet clc; clear all; close all; filename = 'e:\lidar\photon counting\2012\905\boundary\05oct18h10.3000.45o.50.txt'; a = load(filename); kenh = 2; t = a(:,1);c = 3*1e8; % thoi gian: 1e-6(s)- r(km) z0 = t/2*c*1e-12;% z - km p0 = smooth(a(:,kenh),100); n = length(t); %ve den dau xa = 25;% km hss = 10;% km - vi tri lay so sanh hai tin hieu va radiosonde data tb = 10;% so diem lay trung binh gia tri so sanh duong tin hieu …VV 2.4 Chương trình chuẩn hóa tín hiệu trường gần tính tới hàm chồng chập hệ lidar %chuan tin hieu tinh toi ham overlap function[z,ov,i,izz,lizz,izzcu] ham_chuantinhieu_tinhtoi_overlap(a,b,kenhe,kenhr,sm,xa,hss,tb,duoi,tren,khackhong); % tin hieu kenh raman = 63 [z,p,pzz,p4] = ham_chuanphoton(a,kenhr,sm,xa,hss,tb); %z,p,pzz,log(pzz): tuong ung for i = 1:length(z)… end …VV 2.5 Chương trình xác định tỉ số tín hiệu nhiễu % Tinh sai so cua tin hieu counting noi = 0;nn = length(Z); for i = round(7*nn/10):1:(10*nn/10); noi = noi + p0(i); end noi = noi/(3*nn/10+1); snr = (P2 - noi)./sqrt(P2-noi + 2*noi); …VV 2.6 Chương trình xác định thơng số đặc trưng mây Ti %Ve tin hieu mua trung tam tham khong quoc gia clc; close all; clear all; filename1 = 'E:\LIDAR\Solieu_Khi tuong\Tham khong data da chinh sua_Hai\7h_8_9_2011.txt'; filename2 = 'E:\LIDAR\Solieu_Khi tuong\Tham khong data da chinh sua_Hai\7h_11_5_2011.txt'; A9 = load(filename9);z9 = A9(:,3)*1e-3;t9 = A9(:,5);A10 = load(filename10);z10 = A10(:,3)*1e-3;t10 = A10(:,5); z=[z1(:) z2(:) z3(:) z4(:) z5(:) z6(:) z7(:) z8(:) z9(:) z10(:) z11(:) z12(:) z13(:) z14(:) z15(:)]; t=[t1(:) t2(:) t3(:) t4(:) t5(:) t6(:) t7(:) t8(:) t9(:) t10(:) t11(:) t12(:) t13(:) t14(:) t15(:)];… %Do cao may Cirrus file = 'E:\LIDAR\Solieu_Khi tuong\Tham khong data da chinh sua_Hai\Macro_properties_cirrus.txt'; A = load(file);tg = A(:,5); h = A(:,2);%Do cao dinh cua may cirrus %Tim nhiet tuong ung voi vi tri may Cirrus… for i = 1:length(h) tci(i) = t(vt,i);%nhiet vi tri dinh lop may cirrus atc = polyfit(tci(:),h,1);ytc = polyval(atc,tci(:)); 64 figure(4)%ve theo cao dinh lop may cirrus plot(tci,h,'vr',tci(:),ytc,'^ b','LineWidth',3);grid on; legend('Top height of Cirrus','Averaged Height') ylabel('Height (km)'); …VV xlabel('Temperature of cirrus'); Phụ lục 3: Dữ liệu lidar quan trắc sử dụng hệ lidar di động đa kênh ghi nhận chế độ tương tự đếm photon Tín hiệu chế độ tương tự Ngày đo, đo, số file đo tối Nhiệt độ đa Độ ẩm Sáng Chiều Tối 1064 or Boundar Số file số lần có mây kênh pc 532 y layer Cirrus cloud Phép đo Hà Nội 2017july01_0840am020 X X Cirrus 2017july02_0840am020 X X Cirrus 2017july03_0840am020 X X Cirrus Phép đo Hồ Chí Minh 25.2.A.15h24.Sum.12Mi.Cir X X Cirrus 26.2.A.15h00.Sum.18Mi.Cir X X Cirrus 27.2.A.15h50.Sum.25Mi.Cir x X Cirrus Phép đo Quảng Bình 2.12.A.7h00.Sum.30Mi.Cir X X Cirrus 3.12.A.7h00.Sum.30Mi.Cir X X Cirrus 5.12.A.7h00.Sum.30Mi.Cir X X Cirrus Tín hiệu chế độ đếm photon Ngày đo, đo, số file đo tối Nhiệt độ đa Độ ẩm Sáng Chiều Tối 1064 or Boundar Số file số lần có mây kênh pc 532 y layer Cirrus cloud Phép đo Hà Nội 11.January.2017.Sum.0.5h.Cir X X Cirrus 25.2.A.0h24.Sum.12Mi.Cir X X Cirrus 10.22.0h25.G.Sum.Cir X X Cirrus Phép đo Hồ Chí Minh 25.2.A.0h24.Sum.12Mi.Cir X X Cirrus 26.2.A.0h24.Sum.12Mi.Cir X X Cirrus X X Cirrus 27.2.A.0h24.Sum.12Mi.Cir Phép đo Quảng Bình 1.12.A.23h00.Sum.30Mi.Cir X X Cirrus 2.12.A.21h00.Sum.30Mi.Cir X X Cirrus 4.12.A.22h00.Sum.30Mi.Cir X X Cirrus ... thông số mây Ti như: Độ cao đáy lớp mây, độ cao đỉnh lớp mây, độ dày lớp mây Ti, độ sâu quang học, độ sâu quang học, tỉ số lidar [38] 44 3.2 Kết quan trắc mây Ti tầng cao sử dụng hệ lidar di động. .. mây Ti tầng cao từ tín hiệu hệ lidar di động sử dụng khối phát laser cải ti? ??n 4 CHƯƠNG 1: LASER Nd: YAG CÔNG SUẤT CAO Chương 1, tơi trình bày tổng quan nghiên cứu lý thuyết mơ hình laser Nd: YAG. .. dạng tầng (stratus), chúng thường tồn thể dày, đặc nhiều so với lớp mây phân tầng khác chia thành loại khác nhau: Mây tầng tích, mây vũ tầng, mây tích, mây tầng mây vũ tích [16, 2]: - Mây tầng tích