BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ LÊ NGỌC ANH TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG HẤP THỤ TRONG THANH HOẠT CHẤT CỦA LASER RẮN YAG:Nd BƠM BẰNG ĐÈN FLASH PHỤC VỤ MỤC ĐÍCH QUÂN SỰ Chuyªn ngµnh: Quang häc M· sè: 62 44 01 09 TÓm t¾t LUËN ÁN tIÕN sĨ VËt Lý Hµ NéI 2016 Công trình được hoàn thành tại: Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Bộ quốc phòng Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Vũ Thịnh TS. Nguyễn Thu Cầm Ph¶n biÖn 1: PGS. TS Chu Đình Thúy Viện Vật lý Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Ph¶n biÖn 2: PGS. TS Hồ Quang Qúy Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Ph¶n biÖn 3: PGS. TS Lê Hoàng Hải Học viện Kỹ thuật quân sự Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi……..h……… ngày……tháng năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Viện khoa học và Công nghệ quân sự Thư viện Quốc gia Việt Nam A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Ý nghĩa của luận án Do có nhiều ưu điểm nổi bật laser YAG:Nd hiện nay vẫn là loại laser được sử dụng phổ biến, nhất là trong các thiết bị quân
1 BỘGIÁO DỤCVÀĐÀO TẠO BỘQUỐCPHỊNG VIỆNKHOAHỌCVÀCƠNGNGHỆQNSỰ LÊNGỌCANH TÍNH TỐN NĂNG LƯỢNG HẤP THỤ TRONGTHANH HOẠT CHẤT CỦA LASER RẮN YAG:NdBƠMBẰNGĐÈNFLASHPHỤCVỤMỤC CHQUNS Chuyên ngành: Quang họcMÃsố:62440109 TểmtắtLUậNNtIếNsVậtLý HàNộI-2016 Cụngtrỡnh chon thành tại: ViệnKhoahọcvàCơngnghệqnsự-Bộquốcphịng Người hướng dẫn khoa học:TS Phạm Vũ ThịnhTS.NguyễnThuC ầm Ph¶n biƯn1:P G S TSChuĐìnhThúy ViệnVậtlý-Viện HànlâmKhoahọcvàCơngnghệViệtNam Ph¶nbiƯn2:P G S TSHồQuangQúy ViệnKhoa học Cơngnghệ qn Ph¶nbiƯn3:P G S TSLêHồngHải HọcviệnKỹthuậtqnsự Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp tạiViệnKhoahọcvàCơngnghệqnsựvàohồi…… h………ngày……tháng năm2016 Có thểtìmhiểuluậnántại: - Thưviện Viện khoa học Côngnghệ quân - ThưviệnQuốc giaViệtNam A GIỚITHIỆULUẬNÁN Ý nghĩacủaluậnán Do có nhiều ưu điểm bật laser YAG:Nd loạilaser sử dụng phổ biến, thiết bị quân (đo cựly, điều khiển hỏa lực,…) Đối với laser YAG:Nd nguồn bơm quanghọc thường sử dụng đèn flash (chứa khí Xe Kr) cáclaser bán dẫn Mặc dù xét hiệu suất chuyển đổi lượng, nguồnbơmbằnglaserbándẫncóưuthếhơnsovớiđènflash.Nhưngvìnhiều lý dokinh tếvàkỹ thuậtcácl a s e r Y A G : N d b m b ằ n g đ è n flash dùng quân chiếm tỷ lệ lớn Do đèn flash xạtrong vùng phổ rộng (từ vùng tử ngoại vùng hồng ngoạigần) nên phần lớn lượng bơm hấp thụ hoạt chấtbịchuyểnhóathànhnhiệtnăng.Vìvậy người ta thường sử dụng hệthống làm mát để giảm thiểu tác động không mong muốn cáchiệu ứng nhiệt Đểtập trung lượng bơm vàothanhh o t c h ấ t , đèn flash hoạt chất thường đặt ống phản xạ.Tổ hợp bao gồm: hoạt chất, đèn flash, ống phản xạ, ống chứachất làm mát chất làm mát thường gọi làquantron Về thựcchất quantron đầu phát laser chưa có gương phản xạ Trongthiết kế, chế tạo laser YAG:Ndcần phải lựa chọn cấu hìnhquantronsao cho lượng bơm hấp thụ nhiều phân bố nănglượng hoạt chất đồng tốt, để hạn chếtốiđacácgradientnhiệtđộsinhratrongthanhhoạtchất.Xuấtphát từlýdonàymàviệcnghiêncứu"Tính tốn lượng hấp thụ trongthanhhoạtchấtcủa laserrắnYAG:Ndbơmbằngđènflashphụcvụmục đích qn sự" đã đề xuất Mơ hình tính tốn sẽ giúp lựa chọn cấu hìnhquantrontối ưu có thể, ngồi cịn mộtcơng cụ phân tích đánh giá giải pháp cơng nghệ kỹ thuật đượcáp dụng Việc xác định lượng bơm hấp thụ, lượngnhiệt sinh phân bố lượng hoạt chất làphầnv i ệ c k h ô n g t h ể t h i ế u đ ợ c t r o n g q u t r ì n h x â y d ự n g m ô h ì n h tínhtốn tổngthể cho laserYAG:Nd Mụctiêu vànhiệm vụcủa luậnán Mụctiêu củaluậnán: Tính tốn xác định lượng bơm hấp thụ, lượngnhiệt sinh phân bố lượng hoạt chất củalaser YAG:Nd bơm đèn flash Mơ hình tính tốn cơng cụ đểphân tích đánh giá mức độ ảnh hưởng hiệu ứng nhiệt trongthanh hoạt chất để tiến hành khảo sát mô nhằm tìm cácphương án tối ưu cho quantron loại laser Các kết tínhtốn cịn sở ban đầu để xây dựng mơ hình tính tố mơ phỏngtồnbộ hoạtđộngcủalaser Nhữngnội dungnghiêncứuchínhcủaluậnán: - Nghiên cứu phương pháp Monte-Carlo ray tracing cách thứcphầnmềm Zemax,sửdụng phương phápnày trongchếđộk h ô n g để xác định phân bố lượng xạ đươc hấp thụ trongcác hệthốngquanghọc phức tạp - Xây dựng mơ hình tính tốn cho quantron laser YAG:Ndbơm đèn flash để xác định lượng bơm hấp thụ, nănglượngnhiệtsinh vàphânbố nănglượngnàytrongthanh hoạtchất - Nghiên cứu phương pháp đánh giá quang sai mặt sóng docác hiệu ứng nhiệt hoạt chất gây đa thứcZernike - Sử dụng mô hình tính tốn tiến hành số khảo sát mơ phỏng,đánhgiákhảnăngcủamộtsốphươngphápthựcnghiệmvàxửlýkếtquả đo - Khảo sát quantron mẫu laser YAG:Nd bơm đènflash dùngcho máyđo xa đơn xungdạngcầmtay Cáckếtquả chínhcủaluậnán Đã xây dựng mơ hình tính toán xác định lượngbơm hấp thụ, lượng nhiệt sinh vàphân bố lượngnàytrongthanh hoạtchấtcho laserrắn YAG:Ndbơmbằngđèn flash Bằngc c n g h i ê n c ứ u k h ả o s t đ ã c h ứ n g m i n h r ằ n g m hìnhtínhtố nđư ợc x â y dự n g l c ô n g c ụ h ữ u hi ệ u đ ể x c đ ị n h cấu hình tối ưu cho quantron, đánh giá khả phương phápthựcnghiệmvà xử lýcác kếtquả đo Chứng minh vai trị mơ hình tính tốn việcđánhgiá định lượng ảnh hưởng củacáchiệu ứng nhiệtđốiv i c c đặc trưngcủachùmtialaser B NỘIDUNGCỦALUẬNÁN Nộidung luận án trình bày chương.Chương trình bày tổng quan vấn đề vật lý trọng yếu liên quanđến quantron laser YAG:Nd Chương trình bày cụ thể mơ hìnhtính tốn xây dựng dựa phương pháp Monte-Carlo raytracing với trợ giúp phần mềm chun dụng Zemax Chương 3sửdụngmơhình tínhtốnđãđượcxâydựngđểkhảosátảnhhưởngcủa thành phần có quantron, đánh giá khả haiphương pháp thực nghiệm Chứng minh vai trị quan trọng mơhình việc xử lý kết thực nghiệm Chương áp dụng mơhìnhtínhtốnchotrườnghợpcụthểlàđầuphátlaserYAG:Nddùngtrong máy đo xa cầm tay quân để tìm phương án tối ưutrongthiếtkế chếtạo CHƯƠNG1:LASERYAG:NdBƠMBẰNGĐÈNFLASHVÀCÁ CHIỆUỨNGNHIỆTQUANGTRONGTHANHHOẠTCHẤT Trong chương này, đặc trưng cần thiết thành phầntrong quantron laser YAG:Nd tổng hợp, phân tích, đánh giánhằmphục vụ cho mục đích xâydựngmơ hình tínhtốn Các vấn đề liên quan đến hiệu ứng nhiệt hoạt chấtcũng đề cập như: chuyển đổi lượng laser YAG:Ndbơm đèn flash, nguyên nhân sinh gradient nhiệt, hiệuứngnhiệtquangtrongthanh hoạtchất Một số phương pháp thực nghiệm để xác định đặc trưng củahiệuứngnhiệttrongthanhhoạtchấtcũngđượcxemxéttrongđóđặc biệt chúý đến hai phương pháp là: phương pháp sử dụng chùmt i a thử dựa tiêu hình (caustic) chùm tia qua hoạtchấtvàphương phápsử dụng sensorm ặ t s ó n g C c v ấ n đ ề l i ê n quan đến việc sử dụng đa thức Zernike để lượng hóa quang saimặtsóng CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN PHÂN BỐNĂNG LƯỢNGTRONGTHANHHOẠTCHẤTCỦA LASERYAG:NdBƠMBẰNGĐÈNFLASH Xác định lượng hấp thụ phân bố lượng trongthanh hoạt chất vấn đề có ý nghĩa quan trọng việc thiếtkếchếtạolaserYAG:Ndbơmbằngđènflash.Cácthamsốkểtrêncóthểbiểudiễntườngminhchỉtrong nhữngtrườnghợpđặcbiệt.Trongtrường hợp tổng quát tham số xác định thơngqua tínhtốnbằngphươngpháp số 2.1 PhươngphápMonte-Carlo Ray Tracing Phương pháp ray tracing phương pháp xác định độ chiếu sángcủa vật thể cách dựng lại đường tia sáng Các tiasáng xác định bởi hướng truyền, bước sóng vàc n g đ ộ C c tia sáng lan truyền tuân theo định luật quang hình Khi tương tácvới vật thể, tia sáng bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ hấp thụtùythuộc vào đặc tínhquanghọc vậtthể Phương pháp ray tracing phương pháp hữuhiệu để tính tốn xác định phân bố lượng hệ thốngquang học phức tạp.Phương pháp Monte Carlo ray tracing mởrộng phương pháp ray tracing tính đến chiếu sáng thứcấp Nhược điểm chủ yếu phương pháp MCRT tạo phươngsailớn,nhưngđi ề unà yc ót hể đư ợc hạ nc hế bằ ng cá c h t ă n g s ốl ầ n lấymẫu.VìcáckếtquảtínhbằngphươngphápMCRThộitụrấtchậm, nên địi hỏi phải có số lần lấy mẫu lớn để giảm phươngsai đến mức cầnthiết 2.2 Mơ hình tính tốn cho quantron laser YAG:Nd bơmbằng đènflash Từng thành phần quantron mô với đặc trưngvật lý cụ thể tổ hợp thành mơ hình tính tốn hồn chỉnh vớisự trợ giúp phần mềm Zemax Dữ liệu tính toán từ Zemax đượcxử lýbằngphần mềmMatlab 2.2.1 Mặt phảnxạ Trong quantron thường dùng, mặt phản xạ có dạng hìnhtrụ rỗng với thiết diện hình elip, hình trịn, hình ovan, hai bốnhình elip chung tiêu cự vv…Trong đối tượng có sẵn Zemaxkhơng có bề mặt tương tự mặt phản xạ thường dùng nênđịi hỏi phải tạo đối tượng Bằng ngơn ngữ C ++có thể xâydựng thư viện liên kết động (file DLL) để tạo phầnbề mặt trụ có tiết diện hình elip (Hình 2.1) Với đối tượng cùngvớicácđốitượngcósẵn Zemax ta dễ dàng tạo bộphản xạthườngđược sửdụngcó cấutrúc khácnhau Hình 2.1: Hình ống có tiết diện elip tạo bởi thư viện liên kếtđộng(file DLL) Bề mặt phản xạ cong, thựcchất mô bằngcác tam giác nhỏ ghép lạivới (Hình 2.2) Mỗimột tam giác nhỏ đượcgọi mộtfacet Hình 2.2:Mơ hình củafacet để mơphỏng mặtcongcủahợp phảnxạ Bề mặt phản xạ thường có hệ số phản xạ, hệ số hấp thụ (truyềnqua) hệ số tán xạ định Sử dụng khả mô lớpphủ(coating)vàmôphỏngtánxạ(scattering) củaZemaxtrongc hếđộkhơngtuần tự,tacóthểmơ phỏngcác hiệu ứngnày 2.2.2 Đènflashbơm nănglượngchothanhhoạtchất Đèn flash mơ đối tượng nguồn sáng hình trụ(Source Volume Cylinder) Zemax với đường kính độ dàiđược xác định công cụ soạn thảo thành phần không tuần tự(Non-Sequential Component Editor) Phổ xạ đèn bơm phụthuộc vào chất khí bên đèn kích (Xe hay Kr), vào áp suất bêntrong đèn (450 torr; 700torr; 740torr…) mật độ dịng phóng tươngứng (1000A/cm2, 4000A/cm2 ) Phổ xạ đèn bơm môphỏngbằngtệptindữliệuvềphổ(Spectrumfile)đểđưavàocơsở d ữliệu Zemax 2.2.3 ThanhhoạtchấtYAG:Nd Thanh hoạt chất mô đối tượng thể tích hình trụ(Cylinder Volume) Vì YAG:Nd loại vật liệu khơng có catalovậtliệuquang(GlassCatalog)củaZemaxnêntaphảixâydựngcatalog cho YAG:Nd dựa phổ hấp thụ hoạt chất 3+ vớinồngđộionNd cụthể.ChiếtsuấtcủaYAG:Ndtheobướcsóngtacó thểthamkhảotừcácnhàsảnxuất.Vìvùngbứcxạtaquantâmnhiều vùng hồng ngoại gần nên cơng thức thích hợp để xác địnhchiết suất YAG:Nd cơng thức Hertzberger công cụ ngoại suychiết suất (Fiting Index Data) công cụ sử dụng ở Dựatrên phổ hấp thụ YAG:Nd, công cụ soạn thảo liệu truyềnqua(TransmissionDataEditor)vàvớinhữnggiátrịhệsốhấpthụ(phụ thuộc vào nồng độ ion Nd3+trong hoạt chất) ta xâydựngphổ truyền qua YAG:Nd Thơng thường, bề mặt bao quanh hoạt chất mài nhámđể tránhkíchthíchcácmodekýsinh.Điềunàyđượcmơphỏngbằnghệ số tán xạ dạng tán xạ bề mặt (tương tự đã trình bàyởphầntrên đốivớibộphảnxạ) 2.2.4 Ốngdẫnchất làmmát Cácốngdẫnchấtlàmmátđượcmơphỏngbằngđốitượngthểtíchhìnhtrụ(Cylinder Volume) Các ống làm cácloạivậtliệukhácnhau.Việcxâydựngcáccatalogchocácloạivậtliệunàyđượctiến hànhtheotrìnhtựđãđượctrìnhbàyởmục2.2.3 2.2.5 Chấtlàmmát Thường chất làm mát sử dụng nước tinh khiết, nhưngcũng có nhiều trường hợp chất làm mát hỗn hợp (ví dụ 50% lànước 50% ethylene glycol) đơi người ta cịn pha thêm cácchất màu để hạn chế vùng phổ không mong muốn xạbơm Các chất làm mát đòi hỏi phải xây dựng catalog tươngứng,tươngtựnhư đã trìnhbàytrongcác mục Sau mơ đầy đủ thành phần quantron, ta có thểtiến hànhraytracingbằngZemax(hình2.8) Hình 2.8:Mơ hìnhquantron (để ray tracing) sau xây dựng xongtrongZemax 2.3 Phươngphápđánhgiáđộ hộitụcủakết tínhtoán Với giá trị cụ thể công suất xạ đèn flash, kết quảray tracing cho phép xác định công suất hấp thụ voxel(Zemax thực chất đã sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữuhạn đối tượng thể tích đầu thu (Detector Volume) đã chia thanhhoạt chất thành phần tử nhỏ thường gọi voxel volumepixel).C c v o x e l t r o n g D e t e c t o r V o l u m e l c c k h ố i h ộ p chữnhật nhau) Tổng công suất hấp thụ tất voxel nằm trongthanh hoạt chất sẽ cơng suất hấp thụ hoạt chất Biết nănglượngbứcxạcủaxungđènflash,tỷlệchuyểnhóanănglượnghấpthụthành lượngnhiệttadễdàngsuyratổngnănglượngnhiệtđượcsinh hoạt chất Biết lượng nhiệt sinh mỗivoxel,tacóthểtínhđượcsựbiếnđổichiếtsuấttrongmỗivoxel Độ hội tụ kết tính tốn mơ hình xây dựngđược đánh giá thông qua độ hội tụ kết tính tốn lượngnhiệt sinh (năng lượng bơm hấp thụ) hoạt chất vàđộ hội tụ hệ số Zernike thu từ phân tích quang sai mặtsóngdo hiệuứngnhiệtsinhratrongthanh hoạtchất 2.4 Khảo sát thơng số ảnh hưởng đến độ hội tụ kết quảtínhtoán Trong mơ hình xây dựng, tham số sau có ảnh hưởngđếnđộchínhxácvàthờigiancầnthiếtđểtínhtốn:Sốfacetđượcdùngđểmơphỏ ngmặtphảnxạ;độphângiảitheocáctrụcx,y,z;sốtiasángđượcdùngđểraytracing Dướiđây,làkếtquảkhảosáttừngthamsốkểtrên.Quantronđượcsửdụngởđâycó cácthơngsốcụthểsau: Mặtphảnxạ:hìnhốngcótiếtdiệnlàhìnhelipvớicácbánkính:a = 9,0mm; b = 7,8mm(tiêu cự= 4,5 mm); Chiều dàic ủ a ố n g phản xạ 50mm, mặt mạ bóng kim loại (khơng có tán xạ)vớihệsốphản xạ 90% Đèn flash: đèn Xe, áp suất 450 Torr, mật độ dòng phóng 4000A/cm2, đường kính đèn mm, chiều dài vùng xạ 50 cm,trụccủađènflash nằmtrêntiêu điểm(bên trên) củahình elip Thanh hoạt chất: Vật liệu: YAG:Nd 3+1.0 at% , đ n g k í n h hoạtchấtl m m , c h i ề u d i c ủ a t h a n h h o t c h ấ t l mm, mặt bao có hệ số tán xạ 10%, bề mặt hai đầu đượckhửphản xạ, trụccủa hoạtchấtnằm trêntiêu điểm củah ì n h elíp(bêndưới) Nănglượngđiệncấpchođènbằng13,36J(C=33F,U=900 V) Năng lượng xạ đèn 6,0 J (chiếm 45% lượngđiệncấp cho đèn) CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN TRONGKHẢOSÁTMƠPHỎNG,ĐÁNHGIÁKHẢNĂNGC Á C PHƯƠNGPHÁPT H Ự C NGHIỆM VÀXỬLÝKẾTQUẢĐO Mơ hình tính tốn xây dựng Chương cho phép khảosátđ n h g i ả n h h ở n g c ủ a c c t h n h p h ầ n t r o n g m ộ t q u a n t r o n c ụ thể.Việckhảosátđượctiếnhànhsaumộtxungbơmcủađèn,vớiqtrìnhbơmnănglượngđượccoilàq trìnhđoạnnhiệt.Ngồiramơhình tính tốn cịn cơng cụ hữu ích để đánh giá khả củacác phươngphápthực nghiệmvà xử lýkếtquả đo 3.1 Khảosátmôphỏng 3.1.1 Ảnhhưởngcủahệ sốtánxạ củamặt phản xạ Quantronđư ợ c s d ụ n g ở đâ yc ó c c t h ô n g s ố n h ở m ụ c , với khác biệt nhấtl m ặ t p h ả n x c ó h ệ s ố t n x t h a y đổiđược Kếtquảkhảosátchothấyrằngkhihệsốtánxạcủamặtphảnxạ tăngmăcdùnănglượngbứcxạlasergiảmnhưnggócmởcủa chùm tialaserhẹplại độ phẩmchấtlạităng 3.1.2 Ảnhhưởngcủakíchthướcthanhhoạtchất Quantronđ ợ c k h ả o s t ở đ â y c ó c c t h ô n g s ố n h t r o n g m ụ c 2.3,ngoạitrừmộtđiềulàđườngkính thanhhoạtchấtthayđổiđược Kếtquảkhảosát chothấyrằngđườngkínhcủathanhhoạtchấtvà đèn xấp xỉnhau chohiệu suấttốiưunhất 3.1.3 Ảnhhưởngcủahệ thốnglàmmát Quantron sử dụng ở ở mục 2.3, có hệ thốnglàmmát Kết khảo sát cho thấy, hệ thống làm mát làm suy giảm đáng kể lượng bơm hấp thụ làm giảm đáng kể cácquangsaisinhratrongthanh họatchất 3.2 PhươngphápsửdụngsensormặtsóngShack-Hartmann 3.2.1 Thựcn g h i ệ m v k h ả o s t đ n h g i k h ả n ă n g c ủ a ph ươngpháp Sơ đồthựcnghiệmđược trìnhbàytrên Hình3.5 Hình 3.5:Sơ đồ thực nghiệm sử dụng sensor mặt sóng ShackHartmann để đo đạc khảo sát hiệu ứng nhiệt hoạt chấtcủalaserrắnYAG:Nd LaserHe-Ne 0,6328m;2 Hệquangtelescop;3 Thanh hoạt chất; 4.Đèn flash;5 Hộp phản xạ;6 M a t r ậ n v i t h ấ u kính;7.CCDcamera;8.Máytính Quantron khảo sátcócácthơngsố sau: Mặt phản xạ: Hình ống có tiết diện hình elip với bán kínhbằng 15,05mm 11,02mm; chiều dài ống phản xạ 50mm;mặt phản xạ mạ bóng (hệ số tán xạ 0%) kim loại vàcó hệ số phảnxạ 90% Đènf l a s h :L o i đ è n : X e , p s u ấ t T o r r , m ậ t đ ộ d ị n g p h ó n g 4000A/ cm ;đường kính:4mm ; độdàivùng bứcxạ:50mm;khoảngcáchg i ữ a c c t r ụ c c ủ a đ è n v t r ụ c c ủ a ố n g p h ả n x b ằ n g , 4m m ; trụccủađènnằm trênđườngthẳngnốigiữa2tiêuđiểmcủahìnhelip.Thanhhoạtchất:Vậtliệu:YAG:Nd3+1,0at %;đườngkính:3,72mm;c hi ề u dài:50m m ; bề mặ t t h a n h hoạtc hấ t (tr ừhai đ ầ u thanhhoạtchấtđượcphủmàngkhửphảnxạ)đượcmàinhá mvàcóhệsố tán xạ 10%.trục hoạtchấtcũngnằmtrên đường thẳng nối hai tiêu điểm hình elip đối xứng với trục đènflashqua trục hộp phảnxạ Các ống chứa chất làm mát: Vật liệu thạch anh; ống chứachất làm mát cho đèn flash có đường kính 11,0mm; độ dày bằng0,99mm chiều dài 50mm; ống chứa chất làm mát cho thanhhoạt chất cóđường kính 10,68mm;đ ộ dày 1,3mm v chiềudàibằng50mm;chấtlàmmátlànướctinh khiết Các thông số tụ nạp, điện áp nạp v.v… giống mục 2.3 vànănglượngbứcxạcủađènlà6,0J(chiếm45%nănglượngđiệncấpchođèn) Cácđo đạcđược thựchiệnvớisensorShack- Hartmannc ủ a hãng Thorlab Sensor cấp đồng gồm ma trận vi thấukính, CCD camera phần mềm chuyên dụng, ma trận vi thấu kínhđượcdùnglàloạiWFS 150-5C Kếtquảthực nghiệmđượctrình bàytrên hình 3.7 Hình 3.7:Mặt sóng thu sensor ShackHartmanndạng3D(bán kínhđồng tửvào bằng1,86mm) Kếtq uả thựcnghi ệ m vàkế t q u ả thuđượctừm ơhì nh t í n h tốnđượcs o sánhtrênhình 3.8 Mặt sóng thu sensorShack-Hartmanndạng2D Mặt sóngthuđược từ mơ hìnhtínhtốndạng2D Hình3.8:Sosánh mặt sóng biểuđồcủa15 hệ sốZernike đầutiên 3.2.1.2.Saisốcủaphépđo 3.2.2 Saisốcủaphép đo Sai số phép đo ở số lượng vithấu kính hữu hạn nên đã hạn chế độ phân giải theo trục tọa độ Đối với sensor sửdụng độ phân giải 150m Các khảo sát mơ hình tínhtốn cho thấy với độ phân giải 16m kết tính tốn(hay đo đạc) coi gần với thực tế Vì coi saisố kết tính tốn với độ phân giải 150m 16m saisố nhỏ mà phép đo đạt sử dụng sensor với vithấukínhnằm cáchnhau 150m.Kếtquảc h o t h ấ y s a i s ố c ủ a p h é p đocó thể đạttớidưới8% 3.2.3 Sự phụ thuộc hệ số Zernike vào lượng sinh ratrongthanh hoạtchất Bằng sensor Shack-Hartmann ta xác định quangsai mặt sóng so với mặt sóng đã lấy làm chuẩn từ trước, vậybằngphươngphápnàytakhơngthểxácđịnhđượclượngnhiệtsinh ratrongthanhhoạtchất,mộtthơngsốkhơngthểthiếuđượcđểgiảibài tốn nhiệt vật lý hoạt chất Bằng mơ hình tính tốnđược xây dựng, ta xác định phụ thuộc hệ sốZernike(cụthểởđây làhệ sốC 0) vàlượngnhiệtsinh trongthanh hoạtchất Hình 3.9:Sự phụ tḥccủa hệ số C2 0vào lượng nhiệt sinh ratrongthanh hoạtchất 3.3 Phương phápchùmtia thử 3.3.1 Xác định tiêu cự thấu kính nhiệt dựa tiêu hìnhcủachùmtiathử Vớigiả thiếtrằng phân bốc h i ế t s u ấ t t r o n g t i ế t d i ệ n t h a n h hoạtc hấ t c ót hể bi ểu di ễ n gầnđúng dướidạ ng parabol c h ùm tiathửdạngGauss.DựatrênlýthuyếtquanghọcmatrậnABCDmôtảsự lan truyền chùm tia Gauss mơ hình hóa tiêu hình chùm tiathử, tính tiêu cự thấu kính nhiệt hình thànhtrong hoạt chất chịu tác động nhiệt chiếtsuất trục hoạt chất đo bán kính mặt sóng vàđộ rộngchùmtiathửở haivịtríkhácnhau 3.3.2.Thựcnghiệmvàkhảosátđánhgiákhảnăngcủaphươngpháp Quantron khảo sát ở quantron có thơng số tươngtự quantron sử dụng mục 3.2.1.1 với nhữngthayđổic ụ thểnhư sau:bỏ ốngchứachấ tlàmmátđểđư at r ục củađènflashvàtrụccủathanhhoạtchấtvềđúngvịtrí2tiêuđiểm.Những thay đổi nhằm mục đích để phân bố nhiệt thiết diệncủa hoạt chất gần với dạng parabol (quang sai dạng thấukínhđóngvaitrị chủ yếu,các quangsaidạngkhác cóthể bỏqua) Sơđồthực nghiệmđượctrìnhbàytrên Hình 3.11 (A CCD 10 (B) 7 Hình3.11:Sơđồthựcnghiệm củaphương phápchùmtiathử 1.LaserHe-Ne 0,6328m;2.Đènkích; Thanhhoạtchất; 4.Hợp phảnxạ;5.Các bảnmặtchiasáng;6 C c gương phản xạ 7.Các bộ suy giảm; 8.CameraCCD; Kínhlọc (choqua bứcxạvùng 0,6328m);10 Mànảnh;A,BVịtríhaiđầuthanhhoạtchất Trênh ì n h l h ì n h ả n h v ế t l a s e r c ủ a c h ù m t i a t h ở h a i kho ảngcách khác a) b) Hình 3.12:Hình ảnh vết laser chùm tia thử ở hai khoảng cách 500mm(vếtở trên)và 920mm (vếtởdưới)tính từđầu củathanh hoạtchất a) Trướckhichưa bơmquang học; b)Sau khiđượcbơmquanghọc (đơnvịcủathước đotrên hìnhlà pixel) 3.3.3 Sai sốcủa phépđo Trên bảng 3.9 kết đo đạc tính tốn sai số với sơ đồthực nghiệm hình 3.11 độ rộng chùm tia thử đoở khoảngcách 500 mmvà 920 mm Sai số cùa phép đo ở phụ thuộc vào sai số xác định độrộngcủachùmtia.CáckếtquảkhảosátđượctrìnhbàytrênBảng3.9 Bảng3.9:Saisốkhi sử dụngphươngphápchùmtiathử XC-77 ThorlabsDCV Camera CCD CCD Sai sốđộ rộngchùmtia (%) 0,91 0,72 0,45 0,35 1,313 1,3078 Bánkínhmặt sóngR (m) Sai sốcủaR ( % ) 12,15 6,08 Độrộngchùmtia laserw ( m m ) 0,971 0,971 Saisốcủaw ( % ) 4,58 2,25 Tiêucựcủathấukínhnhiệtf ( m ) 3,24 3,181 Sai sốcủaf ( % ) 29,09 15,94 3.3.4 Sựphụthuộccủatiêucựthấukínhnhiệtvàonănglượngnhiệt sinhr a trongthanhhoạt chất Nếu khơng tính đến quang sai bậc cao mối quan hệ tiêucựfvàhệ số ZernikeC 0c ó2 t h ể đượcxácđịnhbằngbiểuthứcsau: r02 f4 3.C Kt qutớnh toỏn ctrỡnh bytrờnhỡnh 3.14 Hình3.14:Sựphụthuộccủatiêucựthấukínhnhiệtvàonănglãợn gnhiệtsinhratrongthanhhoạtchất Những kết đã trình bày ở cho ta thấy vai trị quan trọngcủa mơ hình tính tốn việc xác định lượng hấp thụ trongthanhhoạtchấtdựatrêncác kếtquảđo thực nghiệm CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT LASER YAG:Nd TRONG MÁY ĐOXAĐƠNXUNG Một máy đo xa laser quân có nhu cầu cao sốlượnglàcácmáyđoxađơnxung nhỏgọn(dạng ống nhịm).V i trìnhđộvànănglực KHCNhiệnnay,chúngtahồntồncókhảnăngtựthiếtkếchếtạoloạiđoxalasernàyđảmbảotrangbịchoqn đội.Laser khảo sát ởđây laser YAG:Nd bơm đèn flash dùngtrong máy đoxa laserBD1đơnx u n g d n g ố n g n h ò m c ầ m t a y d o Ngasản xuất 4.1 Laser YAG:Ndtrongmáy đoxaBD-1 a b Hình4.2:a)Quantron củalaserYAG:Ndtrongmáyđo xaBD-1 b) Mặt cắt quantron với thông số:1 - đèn bơm ;2-thanh hoạtchất; 3-Ớng bao Trênhình4.2làquantroncủalaser đượckhảosát Đối với thiết bị đo xa laser nói chung thiết bị đo xa đơnxung cầm tay nói riêng, chất lượng (góc mở, độ phẩm chất v.v…) củachùmtialaserphátracóvaitrịquyếtđịnhđếnkhảnăngtậptrungnăng lượng chùm tia chiếu đến mục tiêu cần đo Nói cáchkhác,ngồicơngsuấtxungbứcxạlaserra,chấtlượngcủachùmtia