Tính toán năng lượng hấp thụ trong thanh hoạt chất của laser rắn YAG:Nd bơm bằng đèn flash

1 B GIO DC V O TO B QUC PHềNG VIN KHOA HC V CễNG NGH QUN S - Lấ NGC ANH TNH TON NNG LNG HP TH TRONG THANH HOT CHT CA LASER RN YAG:Nd BM BNG ẩN FLASH PHC V MC CH QUN S Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62 44 01 09 Tóm tắt luận án tiến sĩ vật lý Hà nội - 2016 Cụng trỡnh c hon thnh ti: Vin Khoa hc v Cụng ngh quõn s - B quc phũng Ngi hng dn khoa hc: TS Phm V Thnh TS Nguyn Thu Cm Phản biện 1: PGS TS Chu ỡnh Thỳy Vin Vt lý - Vin Hn lõm Khoa hc v Cụng ngh Vit Nam Phản biện 2: PGS TS H Quang Qỳy Vin Khoa hc v Cụng ngh quõn s Phản biện 3: PGS TS Lờ Hong Hi Hc vin K thut quõn s Lun ỏn c bo v trc hi ng chm lun ỏn tin s hp ti Vin Khoa hc v Cụng ngh quõn s vo hi h ngythỏng nm 2016 Cú th tỡm hiu lun ỏn ti: - Th vin Vin khoa hc v Cụng ngh quõn s - Th vin Quc gia Vit Nam A GII THIU LUN N í ngha ca lun ỏn Do cú nhiu u im ni bt laser YAG:Nd hin l loi laser c s dng ph bin, nht l cỏc thit b quõn s (o c ly, iu khin lc,) i vi laser YAG:Nd ngun bm quang hc thng c s dng l ốn flash (cha khớ Xe hoc Kr) v cỏc laser bỏn dn Mc dự xột v hiu sut chuyn i nng lng, ngun bm bng laser bỏn dn cú u th hn so vi ốn flash Nhng vỡ nhiu lý kinh t v k thut cỏc laser YAG:Nd bm bng ốn flash dựng quõn s chim t l ln Do ốn flash bc x mt vựng ph rng (t vựng t ngoi cho n vựng hng ngoi gn) nờn mt phn ln nng lng bm hp th hot cht b chuyn húa thnh nhit nng Vỡ vy ngi ta thng s dng h thng lm mỏt gim thiu cỏc tỏc ng khụng mong mun ca cỏc hiu ng nhit trung nng lng bm vo hot cht, ốn flash v hot cht thng c t cỏc ng phn x T hp bao gm: hot cht, ốn flash, ng phn x, ng cha cht lm mỏt v cht lm mỏt thng c gi l quantron V thc cht quantron l u phỏt laser cha cú cỏc gng phn x Trong thit k, ch to laser YAG:Nd cn phi la chn cu hỡnh quantron cho nng lng bm c hp th nhiu nht v phõn b nng lng ny hot cht cng ng nht cng tt, hn ch ti a cỏc gradient nhit sinh hot cht Xut phỏt t lý ny m vic nghiờn cu "Tớnh toỏn nng lng hp th hot cht ca laser rn YAG:Nd bm bng ốn flash phc v mc ớch quõn s" a c xut Mụ hỡnh tớnh toỏn se giỳp la chn cu hỡnh quantron ti u nht cú th, ngoi nú cũn l mt cụng c phõn tớch ỏnh giỏ cỏc gii phỏp cụng ngh v k thut c ỏp dng Vic xỏc nh nng lng bm c hp th, nng lng nhit sinh v phõn b nng lng ny hot cht cũn l phn vic khụng th thiu c quỏ trỡnh xõy dng mụ hỡnh tớnh toỏn tng th cho laser YAG:Nd 2 Mc tiờu v nhim v ca lun ỏn Mc tiờu ca lun ỏn: Tớnh toỏn xỏc nh nng lng bm c hp th, nng lng nhit sinh v phõn b nng lng ny hot cht ca laser YAG:Nd bm bng ốn flash Mụ hỡnh tớnh toỏn l cụng c phõn tớch ỏnh giỏ mc nh hng ca cỏc hiu ng nhit hot cht v tin hnh cỏc kho sỏt mụ phng nhm tỡm cỏc phng ỏn ti u cho quantron ca loi laser ny Cỏc kt qu tớnh toỏn cũn l c s ban u xõy dng mụ hỡnh tớnh toỏ mụ phng ton b hot ng ca laser Nhng ni dung nghiờn cu chinh ca lun ỏn: - Nghiờn cu phng phỏp Monte-Carlo ray tracing v cỏch thc phn mm Zemax, s dng phng phỏp ny ch khụng tun t xỏc nh phõn b nng lng bc x c hp th cỏc h thng quang hc phc - Xõy dng mụ hỡnh tớnh toỏn cho quantron ca laser YAG:Nd bm bng ốn flash xỏc nh nng lng bm c hp th, nng lng nhit sinh v phõn b nng lng ny hot cht - Nghiờn cu phng phỏp ỏnh giỏ cỏc quang sai mt súng cỏc hiu ng nhit hot cht gõy bng cỏc a thc Zernike - S dng mụ hỡnh tớnh toỏn tin hnh mt s kho sỏt mụ phng, ỏnh giỏ kh nng ca mt s phng phỏp thc nghim v x lý kt qu o - Kho sỏt quantron ca mt mu laser YAG:Nd bm bng ốn flash dựng cho mỏy o xa n xung dng cm tay Cỏc kt qu chinh ca lun ỏn a xõy dng c mụ hỡnh tớnh toỏn xỏc nh nng lng bm c hp th, nng lng nhit sinh v phõn b nng lng ny hot cht cho laser rn YAG:Nd bm bng ốn flash Bng cỏc nghiờn cu kho sỏt a chng minh rng mụ hỡnh tớnh toỏn c xõy dng l cụng c hu hiu xỏc nh cu hỡnh ti u cho quantron, ỏnh giỏ kh nng ca cỏc phng phỏp thc nghim v x lý cỏc kt qu o Chng minh c vai trũ ca mụ hỡnh tớnh toỏn vic ỏnh giỏ nh lng nh hng ca cỏc hiu ng nhit i vi cỏc c trng ca chựm tia laser B NI DUNG CA LUN N Ni dung chớnh ca lun ỏn c trỡnh by chng Chng trỡnh by tng quan cỏc vt lý trng yu liờn quan n quantron ca laser YAG:Nd Chng trỡnh by c th mụ hỡnh tớnh toỏn c xõy dng da trờn phng phỏp Monte-Carlo ray tracing vi s tr giỳp ca phn mm chuyờn dng Zemax Chng s dng mụ hỡnh tớnh toỏn a c xõy dng kho sỏt nh hng ca cỏc thnh phn cú quantron, ỏnh giỏ kh nng ca hai phng phỏp thc nghim Chng minh vai trũ quan trng ca mụ hỡnh vic x lý cỏc kt qu thc nghim Chng ỏp dng mụ hỡnh tớnh toỏn cho trng hp c th l u phỏt laser YAG:Nd dựng cỏc mỏy o xa cm tay quõn s tỡm phng ỏn ti u thit k ch to CHNG 1: LASER YAG:Nd BM BNG ẩN FLASH V CC HIU NG NHIT QUANG TRONG THANH HOT CHT Trong chng ny, cỏc c trng cn thit ca cỏc thnh phn quantron ca laser YAG:Nd c tng hp, phõn tớch, ỏnh giỏ nhm phc v cho mc ớch xõy dng mụ hỡnh tớnh toỏn Cỏc liờn quan n hiu ng nhit hot cht cng c cp nh: chuyn i nng lng laser YAG:Nd bm bng ốn flash, nguyờn nhõn sinh cỏc gradient nhit, cỏc hiu ng nhit quang hot cht Mt s phng phỏp thc nghim xỏc nh cỏc c trng ca hiu ng nhit hot cht cng c xem xột ú c bit chỳ ý n hai phng phỏp l: phng phỏp s dng chựm tia th da trờn tiờu hỡnh (caustic) ca chựm tia i qua hot cht v phng phỏp s dng sensor mt súng Cỏc liờn quan n vic s dng cỏc a thc Zernike lng húa quang sai mt súng CHNG 2: XY DNG Mễ HèNH TNH TON PHN B NNG LNG TRONG THANH HOT CHT CA LASER YAG:Nd BM BNG ẩN FLASH Xỏc nh nng lng hp th v phõn b nng lng ny hot cht l mt cú ý ngha quan trng i vi vic thit k ch to laser YAG:Nd bm bng ốn flash Cỏc tham s k trờn cú th biu din tng minh ch nhng trng hp c bit Trong trng hp tng quỏt cỏc tham s ny ch cú th xỏc nh c thụng qua tớnh toỏn bng phng phỏp s 2.1 Phng phỏp Monte - Carlo Ray Tracing Phng phỏp ray tracing l phng phỏp xỏc nh chiu sỏng ca cỏc vt th bng cỏch dng li ng i ca cỏc tia sỏng Cỏc tia sỏng c xỏc nh bi hng truyn, bc súng v cng Cỏc tia sỏng lan truyn tuõn theo cỏc nh lut quang hỡnh Khi tng tỏc vi cỏc vt th, tia sỏng cú th b phn x, khỳc x, tỏn x v hp th tựy thuc vo cỏc c tớnh quang hc ca vt th Phng phỏp ray tracing l mt nhng phng phỏp hu hiu tớnh toỏn xỏc nh phõn b nng lng cỏc h thng quang hc phc Phng phỏp Monte Carlo ray tracing l s m rng ca phng phỏp ray tracing ú tớnh n chiu sỏng th cp Nhc im ch yu ca phng phỏp MCRT l to phng sai ln, nhng iu ny cú th c hn ch bng cỏch tng s ln ly mu Vỡ cỏc kt qu tớnh bng phng phỏp MCRT hi t rt chm, nờn ũi hi phi cú s ln ly mu ln cú th gim phng sai n mc cn thit 2.2 Mụ hỡnh tinh toỏn cho quantron ca laser YAG:Nd bm bng ốn flash Tng thnh phn ca quantron c mụ phng vi cỏc c trng vt lý c th v c t hp thnh mụ hỡnh tớnh toỏn hon chnh vi s tr giỳp ca phn mm Zemax D liu tớnh toỏn t Zemax c x lý bng phn mm Matlab 2.2.1 Mt phn x Trong cỏc quantron thng dựng, cỏc mt phn x cú dng hỡnh tr rng vi thit din l hỡnh elip, hỡnh trũn, hỡnh ovan, hai hoc bn hỡnh elip chung tiờu c vvTrong cỏc i tng cú sn ca Zemax khụng cú b mt no tng t nh cỏc mt phn x thng dựng nờn ũi hi phi to mi i tng ny Bng ngụn ng C++ cú th xõy dng c mt th vin liờn kt ng (file DLL) to mt phn b mt tr cú tit din l hỡnh elip (Hỡnh 2.1) Vi i tng ny cựng vi cỏc i tng cú sn Zemax ta cú th d dng to cỏc b phn x thng c s dng cú cu trỳc khỏc Hỡnh 2.1: Hinh ụng co tiờt diờn elip c to bi th viờn liờn kờt ụng (file DLL) B mt phn x cong, thc cht c mụ phng bng cỏc tam giỏc nh ghộp li vi (Hỡnh 2.2) Mi mt tam giỏc nh ú c gi l mt facet Hỡnh 2.2: Mụ hinh ca facet mụ phong mt cong ca hụp phn x B mt phn x thng cú h s phn x, h s hp th (truyn qua) v h s tỏn x nht nh S dng cỏc kh nng mụ phng lp ph (coating) v mụ phng tỏn x (scattering) ca Zemax ch khụng tun t, ta cú th mụ phng cỏc hiu ng ny 2.2.2 ốn flash bm nng lng cho hot cht ốn flash c mụ phng bng i tng ngun sỏng hỡnh tr (Source Volume Cylinder) Zemax vi ng kớnh v di c xỏc nh bng cụng c son tho thnh phn khụng tun t (Non-Sequential Component Editor) Ph bc x ca ốn bm ph thuc vo cht khớ bờn ốn kớch (Xe hay Kr), vo ỏp sut bờn ốn (450 torr; 700torr; 740torr) v mt dũng phúng tng ng (1000A/cm2, 4000A/cm2 ) Ph bc x ca ốn bm c mụ phng bng tin d liu v ph (Spectrum file) a vo c s d liu ca Zemax 2.2.3 Thanh hot cht YAG:Nd Thanh hot cht c mụ phng bng i tng th tớch hỡnh tr (Cylinder Volume) Vỡ YAG:Nd l loi vt liu khụng cú catalo vt liu quang (Glass Catalog) ca Zemax nờn ta phi xõy dng catalog cho YAG:Nd da trờn ph hp th ca hot cht vi nng ion Nd3+ c th Chit sut ca YAG:Nd theo bc súng ta cú th tham kho t cỏc nh sn xut Vỡ vựng bc x ta quan tõm nhiu l vựng hng ngoi gn nờn cụng thc thớch hp xỏc nh chit sut YAG:Nd l cụng thc Hertzberger v cụng c ngoi suy chit sut (Fiting Index Data) l cụng c c s dng õy Da trờn ph hp th ca YAG:Nd, bng cụng c son tho d liu truyn qua (Transmission Data Editor) v vi nhng giỏ tr h s hp th (ph thuc vo nng ion Nd3+ hot cht) ta cú th xõy dng ph truyn qua ca YAG:Nd Thụng thng, b mt bao quanh hot cht c mi nhỏm trỏnh kớch thớch cỏc mode ký sinh iu ny c mụ phng bng h s tỏn x v dng tỏn x ca b mt ny (tng t nh a trỡnh by phn trờn i vi b phn x) 2.2.4 ng dn cht lm mỏt Cỏc ng dn cht lm mỏt c mụ phng bng i tng th tớch hỡnh tr (Cylinder Volume) Cỏc ng ny cú th c lm bng cỏc loi vt liu khỏc Vic xõy dng cỏc catalog cho cỏc loi vt liu ny c tin hnh theo trỡnh t a c trỡnh by mc 2.2.3 2.2.5 Cht lm mỏt Thng cht lm mỏt c s dng l nc tinh khit, nhng cng cú nhiu trng hp cht lm mỏt l mt hn hp (vớ d 50% l nc 50% l ethylene glycol) v ụi ngi ta cũn pha thờm cỏc cht mu hn ch nhng vựng ph khụng mong mun ca bc x bm Cỏc cht lm mỏt cng ũi hi phi xõy dng catalog tng ng, tng t nh a trỡnh by cỏc mc trờn Sau mụ phng y cỏc thnh phn ca quantron, ta cú th tin hnh ray tracing bng Zemax (hỡnh 2.8) Hinh 2.8: Mụ hinh quantron (ờ ray tracing) sau xõy dng xong Zemax 2.3 Phng phỏp ỏnh giỏ hi t ca kt qu tinh toỏn Vi mi giỏ tr c th v cụng sut bc x ca ốn flash, kt qu ray tracing cho phộp xỏc nh cụng sut hp th mi voxel (Zemax v thc cht a s dng phng phỏp phõn tớch phn t hu hn vỡ i tng th tớch u thu (Detector Volume) a chia hot cht thnh cỏc phn t nh thng c gi l voxel - volume pixel) Cỏc voxel Detector Volume l cỏc hp ch nht bng nhau) Tng cụng sut hp th ca tt c cỏc voxel nm hot cht se l cụng sut hp th ca hot cht Bit nng lng bc x ca xung ốn flash, t l chuyn húa nng lng hp th thnh nng lng nhit ta d dng suy tng nng lng nhit c sinh hot cht Bit nng lng nhit sinh mi voxel, ta cú th tớnh c s bin i chit sut mi voxel hi t ca cỏc kt qu tớnh toỏn bng mụ hỡnh c xõy dng c ỏnh giỏ thụng qua hi t ca kt qu tớnh toỏn nng lng nhit sinh (nng lng bm c hp th) hot cht v hi t ca cỏc h s Zernike thu c t phõn tớch quang sai mt súng cỏc hiu ng nhit sinh hot cht 2.4 Kho sỏt cỏc thụng s nh hng n hi t ca kt qu tớnh toỏn Trong mụ hỡnh c xõy dng, nhng tham s sau cú nh hng n chớnh xỏc v thi gian cn thit tớnh toỏn: S facet c dựng mụ phng mt phn x; phõn gii theo cỏc trc x, y,z; s tia sỏng c dựng ray tracing Di õy, l kt qu kho sỏt tng tham s k trờn Quantron c s dng õy cú cỏc thụng s c th sau: Mt phn x:hỡnh ng cú tit din l hỡnh elip vi cỏc bỏn kớnh: a = 9,0 mm; b = 7,8 mm (tiờu c = 4,5 mm); Chiu di ca ng phn x l 50mm, mt c m búng bng kim loi (khụng cú tỏn x) vi h s phn x 90% ốn flash: ốn Xe, ỏp sut 450 Torr, mt dũng phúng 4000 A/cm2, ng kớnh ca ốn l mm, chiu di vựng bc x l 50 cm, trc ca ốn flash nm trờn tiờu im (bờn trờn) ca hỡnh elip Thanh hot cht: Vt liu: YAG:Nd3+ 1.0 at %, ng kớnh ca hot cht l mm, chiu di ca hot cht l 50 mm, mt bao cú h s tỏn x 10%, b mt hai u c kh phn x, trc ca hot cht nm trờn tiờu im ca hỡnh elớp (bờn di) Nng lng in cp cho ốn bng 13,36 J (C = 33F, U = 900 V) Nng lng bc x ca ốn bng 6,0 J (chim 45% nng lng in cp cho ốn) 11 CHNG 3: S DNG Mễ HèNH TNH TON TRONG KHO ST Mễ PHNG, NH GI KH NNG CC PHNG PHP THC NGHIM V X Lí KT QU O Mụ hỡnh tớnh toỏn c xõy dng Chng cho phộp kho sỏt ỏnh giỏ nh hng ca cỏc thnh phn mt quantron c th Vic kho sỏt c tin hnh sau mt xung bm ca ốn, vi quỏ trỡnh bm nng lng c coi l quỏ trỡnh on nhit Ngoi mụ hỡnh tớnh toỏn cũn l mt cụng c hu ớch ỏnh giỏ kh nng ca cỏc phng phỏp thc nghim v x lý kt qu o 3.1 Kho sỏt mụ phng 3.1.1 nh hng ca h s tỏn x ca mt phn x Quantron c s dng õy cú cỏc thụng s nh mc 2.3, ch vi mt khỏc bit nht l mt phn x cú h s tỏn x thay i c Kt qu kho sỏt cho thy rng h s tỏn x ca mt phn x tng mc dự nng lng bc x laser gim nhng gúc m ca chựm tia laser hp li v phm cht li tng 3.1.2 nh hng ca kớch thc hot cht Quantron c kho sỏt õy cú cỏc thụng s nh mc 2.3, ngoi tr mt iu l ng kớnh hot cht thay i c Kt qu kho sỏt cho thy rng ng kớnh ca hot cht v ốn xp x cho hiu sut ti u nht 3.1.3 nh hng ca h thng lm mỏt Quantron c s dng õy nh mc 2.3, nhng cú h thng lm mỏt Kt qu kho sỏt cho thy, h thng lm mỏt lm suy gim ỏng k nng lng bm c hp th nhng cng lm gim ỏng k cỏc quang sai sinh hat cht 12 3.2 Phng phỏp s dng sensor mt súng Shack-Hartmann 3.2.1 Thc nghim v kho sỏt ỏnh giỏ kh nng ca phng phỏp S thc nghim c trỡnh by trờn Hỡnh 3.5 Hỡnh 3.5: S thc nghiờm s dng sensor mt song ShackHartmann o c kho sỏt hiờu ng nhiờt hot cht ca laser rn YAG:Nd Laser He - Ne 0,6328m ; H quang telescop; Thanh hot cht; 4.ốn flash; Hp phn x; Ma trn vi thu kớnh; CCD camera; Mỏy tớnh Quantron c kho sỏt cú cỏc thụng s sau: Mt phn x: Hỡnh ng cú tit din l hỡnh elip vi cỏc bỏn kớnh bng 15,05mm v 11,02mm; chiu di ca ng phn x bng 50mm; mt phn x c m búng (h s tỏn x bng 0%) bng kim loi v cú h s phn x 90% ốn flash: Loi ốn: Xe, ỏp sut 450Torr, mt dũng phúng 4000A/cm2; ng kớnh: 4mm; di vựng bc x: 50mm; khong cỏch gia cỏc trc ca ốn v trc ca ng phn x bng 7,04mm; trc ca ốn nm trờn ng thng ni gia tiờu im ca hỡnh elip Thanh hot cht: Vt liu: YAG:Nd3+ 1,0 at.%; ng kớnh: 3,72mm; chiu di: 50mm; b mt hot cht (tr hai u ca hot cht c ph mng kh phn x) c mi nhỏm v cú h s tỏn x bng 10% trc ca hot cht cng nm trờn ng 13 thng ni hai tiờu im ca hỡnh elip v i xng vi trc ca ốn flash qua trc ca hp phn x Cỏc ng cha cht lm mỏt: Vt liu l thch anh; ng cha cht lm mỏt cho ốn flash cú ng kớnh bng 11,0mm; dy bng 0,99mm v chiu di bng 50mm; ng cha cht lm mỏt cho hot cht cú ng kớnh bng 10,68mm; dy bng 1,3mm v chiu di bng 50mm; cht lm mỏt l nc tinh khit Cỏc thụng s ca t np, in ỏp np v.v ging nh mc 2.3 v nng lng bc x ca ốn l 6,0 J (chim 45% nng lng in cp cho ốn) Cỏc o c c thc hin vi sensor Shack - Hartmann ca hang Thorlab Sensor ny c cp ng b gm ma trn vi thu kớnh, CCD camera v phn mm chuyờn dng, ma trn vi thu kớnh c dựng l loi WFS 150 - 5C Kt qu thc nghim c trỡnh by trờn hỡnh 3.7 Hinh 3.7: Mt song thu c bng sensor Shack-Hartmann dng 3D (bỏn kớnh ng t vao bng 1,86mm) 14 Kt qu thc nghim v kt qu thu c t mụ hỡnh tớnh toỏn c so sỏnh trờn hỡnh 3.8 Mt súng thu c bng sensor Shack-Hartmann dng 2D Mt súng thu c t mụ hỡnh tớnh toỏn dng 2D Hinh 3.8: So sỏnh mt song va biờu ca 15 hờ sụ Zernike õu tiờn 3.2.1.2 Sai sụ ca phộp o 3.2.2 Sai s ca phộp o Sai s phộp o õy l s lng vithu kớnh hu hn nờn a hn ch phõn gii theo cỏc trc ta i vi sensor c s dng phõn gii ny bng 150m Cỏc kho sỏt bng mụ hỡnh tớnh toỏn cho thy rng vi phõn gii bng 16m cỏc kt qu tớnh toỏn (hay o c) cú th c coi l gn vi thc t Vỡ vy cú th coi sai s gia kt qu tớnh toỏn vi phõn gii 150m v 16m nh l sai s nh nht m phộp o cú th t c s dng sensor vi cỏc vi thu kớnh nm cỏch 150m Kt qu cho thy sai s ca phộp o cú th t ti di 8% 15 3.2.3 S ph thuc ca h s Zernike vo nng lng sinh hot cht Bng sensor Shack-Hartmann ta ch cú th xỏc nh c quang sai mt súng so vi mt súng a c ly lm chun t trc, vỡ vy bng phng phỏp ny ta khụng th xỏc nh c lng nhit sinh hot cht, mt thụng s khụng th thiu c gii bi toỏn nhit vt lý i vi hot cht Bng mụ hỡnh tớnh toỏn c xõy dng, ta cú th xỏc nh c s ph thuc gia h s Zernike (c th õy l h s C 20 ) v lng nhit sinh hot cht Hinh 3.9: S ph thuục ca hờ sụ C 20 vao nng lng nhiờt sinh hot cht 3.3 Phng phỏp chựm tia th 3.3.1 Xỏc nh tiờu c ca thu kớnh nhit da trờn tiờu hinh ca chựm tia th Vi gi thit rng phõn b chit sut tit din ca hot cht cú th biu din gn ỳng di dng parabol v chựm tia th dng Gauss Da trờn lý thuyt quang hc ma trn ABCD mụ t s lan truyn chựm tia Gauss v mụ hỡnh húa tiờu hỡnh ca chựm tia th, chỳng ta cú th tớnh c tiờu c ca thu kớnh nhit hỡnh thnh hot cht nú chu tỏc ng ca nhit cng nh chit sut trờn trc ca hot cht o c bỏn kớnh mt súng v rng chựm tia th hai v trớ khỏc 16 3.3.2 Thc nghim v kho sỏt ỏnh giỏ kh nng ca phng phỏp Quantron c kho sỏt õy l quantron cú cỏc thụng s tng t nh quantron c s dng mc 3.2.1.1 nhng vi nhng thay i c th nh sau: b cỏc ng cha cht lm mỏt a trc ca ốn flash v trc ca hot cht v ỳng v trớ tiờu im Nhng thay i ny nhm mc ớch phõn b nhit thit din ca hot cht gn vi dng parabol nht (quang sai dng thu kớnh úng vai trũ ch yu, cỏc quang sai dng khỏc cú th b qua) S thc nghim c trỡnh by trờn Hỡnh 3.11 (B) (A CCD 10 7 6 Hỡnh 3.11: S thc nghiờm ca phng phỏp chựm tia th Laser He-Ne 0,6328m ; ốn kớch; Thanh hot cht; Hụp phn x; Cỏc bn mt chia sỏng; Cỏc gng phn x Cỏc bụ suy gim; Camera CCD; Kớnh lc (cho qua bc x vựng 0,6328m ); 10 Man nh; A, B - V trớ hai õu hot cht Trờn hỡnh 3.12 l hỡnh nh vt laser ca chựm tia th hai khong cỏch khỏc a) b) Hinh 3.12: Hinh nh vờt laser ca chựm tia th hai khong cỏch 500mm (vờt trờn) va 920mm (vờt di) tớnh t õu ca hot cht a) Trc cha bm quang hc; b) Sau c bm quang hc (n v ca thc o trờn hỡnh l pixel) 17 3.3.3 Sai s ca phộp o Trờn bng 3.9 l kt qu o c v tớnh toỏn sai s vi s thc nghim nh trờn hỡnh 3.11 v rng ca chựm tia th c o khong cỏch 500 mm v 920 mm Sai s cựa phộp o õy ph thuc vo sai s xỏc nh rng ca chựm tia Cỏc kt qu kho sỏt c trỡnh by trờn Bng 3.9 Bng 3.9: Sai sụ s dng phng phỏp chựm tia th XC - 77 Thorlabs DCV Camera CCD CCD Sai s rng chựm tia (%) 0,91 v 0,72 0,45 v 0,35 Bỏn kớnh mt súng R (m) 1,313 1,3078 Sai s ca R (%) 12,15 6,08 rng chựm tia laser w (mm) 0,971 0,971 Sai s ca w (%) 4,58 2,25 Tiờu c ca thu kớnh nhit f (m) 3,24 3,181 Sai s ca f (%) 29,09 15,94 3.3.4 S ph thuc ca tiờu c thu kớnh nhit vo nng lng nhit sinh hot cht Nu khụng tớnh n cỏc quang sai bc cao mi quan h gia tiờu c f v h s Zernike C 20 cú th c xỏc nh bng biu thc sau: f r02 3.C 20 Kt qu tớnh toỏn c trỡnh by trờn hỡnh 3.14 Hình 3.14: Sự phụ thuộc tiêu cự thấu kính nhiệt vào l-ợng nhiệt sinh hoạt chất 18 Nhng kt qu a trỡnh by trờn cho ta thy vai trũ quan trng ca mụ hỡnh tớnh toỏn vic xỏc nh nng lng hp th hot cht da trờn cỏc kt qu o thc nghim CHNG 4: KHO ST LASER YAG:Nd TRONG MY O XA N XUNG Mt nhng mỏy o xa laser quõn s cú nhu cu cao v s lng l cỏc mỏy o xa n xung nh gn (dng ng nhũm) Vi trỡnh v nng lc KHCN hin nay, chỳng ta hon ton cú kh nng t thit k ch to loi o xa laser ny m bo trang b cho quõn i Laser c kho sỏt õy l laser YAG:Nd bm bng ốn flash dựng mỏy o xa laser BD-1 n xung dng ng nhũm cm tay Nga sn xut 4.1 Laser YAG:Nd mỏy o xa BD-1 a b Hinh 4.2: a) Quantron ca laser YAG:Nd mỏy o xa BD-1 b) Mt ct ca quantron vi cỏc thụng sụ:1 - ốn bm ; - hot cht; - ễng bao Trờn hỡnh 4.2 l quantron ca laser c kho sỏt i vi cỏc thit b o xa laser núi chung v thit b o xa n xung cm tay núi riờng, cht lng (gúc m, phm cht v.v) ca chựm tia laser phỏt cú vai trũ quyt nh n kh nng trung nng lng ca chựm tia chiu n mc tiờu cn o Núi mt cỏch khỏc, ngoi cụng sut xung bc x laser ra, cht lng ca chựm tia 19 cú vai trũ quyt nh i vi c ly o ti a ca thit b Cỏc quang sai nhit sinh hot cht cú th cú nhng nh hng xu n cht lng ca chựm tia laser Quantron ca laser c kho sỏt cú cu to khỏ n gin im c bit ỏng lu ý õy l mt ng bao quanh hot cht Nhim v chớnh ca ng bao ny l lc vựng bc x cc tớm ca ốn bm Ngoi sinh nhit, bc x bm vựng cc tớm cũn gõy nhng phn ng quang húa lm xut hin cỏc tõm mu, gõy nhng thay i c trng ph ca hot cht T õy tr i tin trỡnh by v ng bao hot cht, nú c gi l b lc UV (b lc tia cc tớm) v õy cng l i tng ch yu c tớnh toỏn kho sỏt chng ny 4.2 Vt liu c s dng to b lc tia cc tim (UV) Vt liu to cỏc b lc UV cú nhiu loi, õy ch kho sỏt mt s loi vt liu c s dng rng rai, hp lý v mt kinh t to c s cho vic ch to laser vi s lng ln sau ny kho sỏt cỏc loi vt liu ta phi xõy dng c s d liu cho cỏc loi vt liu ny phự hp vi cỏc yờu cu ca Zemax cú th s dng phng phỏp ray tracing ỏnh giỏ so sỏnh Cỏc loi vt liu c kho sỏt õy l: Thy tinh pyrex, Thch anh pha cerium, Thy tinh pha samarium Vic xõy dng c s d liu cho cỏc loi vt liu k trờn ỏp ng cỏc yờu cu ca phn mm Zemax c tin hnh tng t nh xõy dng c s d liu cho YAG:Nd (mc 2.2.3) 4.3 Kho sỏt nh hng ca b lc tia cc tim (UV) i vi chựm tia laser phỏt la chn c cỏc b lc UV, ta phi ỏnh giỏ c nh hng ca b lc ny i vi chựm tia laser phỏt Hai tham s c quan tõm ch yu õy l gúc m v phm cht ca chựm tia 4.3.1 nh hng i vi gúc m ca chựm tia Gúc m ca chựm tia laser phỏt c xỏc nh bi biu thc sau: 2r0 / (L.)1/2 20 vi: r0 l bỏn kớnh hot cht; L l khong cỏch gia hai gng; l tiờu c thu kớnh nhit Ngun nuụi ốn bm ca laser mỏy o xa BD-1 s dng t np cú in dung C = 20 F v in ỏp np cho t U = 900 V Vỡ vy nng lng in cp cho ốn l: E e = C.U2/2 = 8,1 J v nng lng bm (chim 45%) bng 3,645 J, khong cỏch gia gng l 92mm Cỏc tớnh toỏn kho sỏt cho cỏc kt qu sau: Bng 4.1: Cỏc phn nng lng v t l gia cỏc phn nng lng hot cht vi cỏc b lc UV khỏc B lc UV Khụng cú UV Thu tinh pyrex Thch anh pha cerium Thu tinh pha samarium Ea (J) Eh (J) Eeff (J) Rh Reff Reh 0,8478 0,7932 0,0545 0,9357 0,0643 0,0687 0,5068 0,4632 0,0436 0,9139 0,0860 0,0941 0,4477 0,4068 0,0408 0,9088 0,0912 0,1004 0,4191 0,3790 0,0401 0,9042 0,0958 0,1059 õy: Ea - nng lng hp th hot cht Eh - nng lng nhit sinh hot cht Eeff - nng lng hp th khụng b chuyn húa thnh nhit nng Rh = Eh/Ea; Reff = Eeff/Ea; Reh = Eeff/Eh Bng 4.1 cho thy i vi cỏc b lc UV khỏc nhau, phn nng lng hp th hu ớch khỏc khụng nhiu, phn nng lng nhit sinh khỏc tng i ln ỏnh giỏ nh hng ca cỏc b lc UV i vi gúc m ca chựm tia laser phỏt ra, ta gi s rng phn nng lng hu ớch l nh v bng 0,05 J cho mi trng hp (nng lng xung laser phỏt l nh nhau) 21 Kt qu tớnh toỏn (Bng 4.2) cho thy rừ nh hng ca cỏc b lc UV So sỏnh b lc UV: thch anh pha cerium v thy tinh pha samarium, ta thy i vi laser c th c kho sỏt u th ca thy tinh pha samarium l khụng ỏng k Xột v mt kinh t vic chn phng ỏn s dng thch anh pha cerium l hp lý hn c v cng chớnh vỡ vy m nh sn xut a ch phng ỏn ny Bng 4.2: Anh hng ca cỏc b lc UV i vi gúc m ca chựm tia laser phỏt B lc UV Khụng cú Thu tinh pyrex Thch anh pha cerium Thu tinh pha samarium Eh (J) 0,7278 0,5313 0,4980 (m) -0,0374 -0,0131 -0,0107 (m) 15,4198 44,0364 53,5151 (mrad) 3,3583 1,9872 0,1803 0,4721 -0,0096 60,2887 0,1698 Cỏc kt qu õy c tớnh toỏn iu kin lý tng (gn ỳng cn trc, b qua nhiu x gng ), nhng chớnh iu kin lý tng ny cho phộp ta d dng so sỏnh ỏnh giỏ nh hng ca cỏc b lc UV 4.3.2 nh hng i vi phm cht ca chựm tia phm cht ca chựm tia laser cú th c nh ngha theo nhiu cỏch khỏc nhau, nhng v bn cht vt lý nú l thc o kh nng hi t nhng iu kin nht nh hay kh nng to chựm tia vi gúc m nh nht cú th c phm cht ca chựm tia thng c xỏc nh bi thụng s M2 Cỏc hiu ng nhit gõy cỏc quang sai hot cht v lm gim phm cht ca chựm tia lan truyn qua hot cht Mi quan h gia h s phm cht ca chựm tia trc i qua M in2 v sau i qua M out hot cht cú th c biu din nh sau: 22 2 M out M M 2 in 2 add õy: M add biu din s suy gim phm cht ca chựm tia Cỏc tớnh toỏn c th bng phng phỏp mụ men cho cỏc kt qu sau (Bng 4.5): Bng 4.5: Giỏ tr i vi mode c bn TEM00 B lc UV (Vt liu khỏc nhau) Khụng cú b lc Thu tinh pyrex Thch anh núng chy pha cerium Thu tinh pha samarium (TEM00) 217,3148 25,6407 17,3558 13,5934 Ta thy cú cỏc b lc UV giỏ tr gim i hng chc ln iu ny cú ngha l phm cht chựm tia a c ci thin ỏng k cú cỏc b lc UV Kt qu tớnh toỏn cng cho thy s khỏc bit gia b lc UV bng thch anh pha cerium v bng thy tinh pha samarium khụng tht s ni bt, nờn xột v hiu qu kinh t mt ln na ta li thy rng vic s dng thch anh pha cerium l phng ỏn ti u KT LUN Nng lng bm c hp th, nhit sinh v phõn b nhit nng, cỏc quang sai cỏc hiu ng nhit hot cht v nh hng ca chỳng i vi chựm tia laser phỏt l nhng c quan tõm nghiờn cu lun ỏn ny Vi i tng c th nghiờn cu l laser YAG:Nd bm bng ốn flash cỏc kho sỏt nghiờn cu chớnh a c tin hnh khuụn kh ca lun ỏn ny cú th túm tt li nh sau: - a nghiờn cu s dng phng phỏp Monte - Carlo Ray Tracing vi s tr giỳp ca phn mm Zemax ch khụng tun t (non - sequential mode) xỏc nh phõn b nng lng (nng lng bm c hp th, nng lng nhit sinh ra) hot cht 23 - a nghiờn cu nh lng cỏc quang sai cỏc hiu ng nhit quang sinh hot cht thụng qua cỏc h s Zernike bng phng phỏp phõn tớch phn t hu hn (Finite Element Analysis) vi s tr giỳp ca phn mm Matlab - a nghiờn cu hi t ca cỏc kt qu tớnh toỏn v phng phỏp ỏnh giỏ chỳng thụng qua hi t ca giỏ tr nng lng bm hp th v hi giỏ tr ca ca cỏc h s Zernike - a kho sỏt cỏc tham s nh hng n hi ca cỏc kt qu tớnh toỏn xỏc nh cỏc giỏ tr ban u hp lý cho quỏ trỡnh tớnh toỏn hi quy - a s dng mụ hỡnh tớnh toỏn ỏnh giỏ kh nng ca cỏc phng phỏp thc nghim v x lý kt qu o Hai phng phỏp thc nghim c th c kho sỏt l phng phỏp s dng sensor mt súng Shack - Hartmann v phng phỏp s dng chựm tia th - Vi mụ hỡnh tớnh toỏn c xõy dng v bng phng phỏp mụ men a kho sỏt nh hng ca cỏc hiu ng nhit (cỏc quang sai) hot cht i vi chựm tia laser phỏt cho laser YAG:Nd bm bng ốn flash s dng cỏc mỏy o xa n xung dng cm tay dựng cho quõn s, phc v vic thit k ch to loi laser ny Nhng úng gúp mi ca lun ỏn Xõy dng c mụ hỡnh tớnh toỏn xỏc nh nng lng bm c hp th, nng lng nhit sinh v phõn b ca chỳng hot cht, t ú ỏnh giỏ nh lng cỏc quang sai v nh hng ca chỳng n chựm tia laser phỏt Bng cỏc kt qu nghiờn cu kho sỏt núi chung v kho sỏt laser YAG:Nd mỏy o xa n xung dng cm tay dựng quõn s núi riờng a chng minh c tớnh hiu qu ca mụ hỡnh tớnh toỏn c xõy dng 24 Hng nghiờn cu tip theo: Cỏc tớnh toỏn, kho sỏt c tin hnh khuụn kh lun ỏn ny v thc cht mi ch hn ch ch laser phỏt n xung Mc dự vy cỏc kt qu thu c se gúp phn to c s, nht l vic xỏc nh cỏc iu kin ban u, xõy dng mụ hỡnh tớnh toỏn tng th cho laser YAG:Nd bm bng ốn flash phỏt n xung vi tn lp cao c bit yờu cu phi gii quyt ng thi bi toỏn nhit vt lý v cỏc bi toỏn liờn quan n ng hc ca laser Vic xõy dng mụ hỡnh tớnh toỏn tng th cho laser YAG:Nd bm bng ốn flash núi riờng v laser rn núi chung lm c s tin hnh nhng thc nghim mụ phng l ang c nhiu nh nghiờn cu quan tõm vỡ nhng giỏ tr thc tin phc v vic thit k ch to loi laser ny 25 Cỏc cụng trỡnh a cụng b thuc ni dung lun ỏn Phm V Thnh, Lờ Ngc Anh, Lờ Vn i (2013), "Xõy dng mụ hỡnh mụ phng hot ng ca Laser rn", Tp nghiờn cu Khoa hc va Cụng nghờ quõn s, S thỏng 8, tr 24-27 Phm V Thnh, Lờ Ngc Anh, Lờ Vn i (2013), "Mụ phng nng lng hp th hot cht ca laser rn bm bng ốn flash bng phn mm Zemax", Tp nghiờn cu Khoa hc va Cụng nghờ quõn s, S thỏng 8, tr 28-33 Phm V Thnh, Lờ Ngc Anh, Lờ Vn i (2013), "S dng phng phỏp chựm tia th xỏc nh cỏc c trng ca hiu ng thu kớnh nhit hot cht ca laser rn bm bng ốn flash", Tp nghiờn cu Khoa hc va Cụng nghờ quõn s, S thỏng 8, tr 34-40 Phm V Thnh, Lờ Ngc Anh, Lờ Vn i (2013), "ỏnh giỏ kh nng ca phng phỏp chựm tia th vic xỏc nh quang lc ca thu kớnh nhit hot cht Nd:YAG bm bng ốn flash", Hi ngh Vt lý k thut v ng dng ton quc ln th III, Hu Nhng tiờn bụ vt lý k thut va ng dng, tr 105-110 Pham Vu Thinh, Le Ngoc Anh (2014), "Role of calculation model in experimentally determinng thermal energy generated in laser, Com In Phys., vol 24, No 3, pp 239-244 [...]... Ea - năng lượng hấp thụ trong thanh hoạt chất Eh - năng lượng nhiệt sinh ra trong thanh hoạt chất Eeff - năng lượng hấp thụ không bị chuyển hóa thành nhiệt năng Rh = Eh/Ea; Reff = Eeff/Ea; Reh = Eeff/Eh Bảng 4.1 cho thấy đối với các bộ lọc UV khác nhau, phần năng lượng hấp thụ hữu ích khác nhau không nhiều, trong khi phần năng lượng nhiệt sinh ra khác nhau tương đối lớn Để đánh giá ảnh hưởng của các... trang bị cho quân đội Laser được khảo sát ở đây là laser YAG:Nd bơm bằng đèn flash dùng trong máy đo xa laser BD-1 đơn xung dạng ống nhòm cầm tay do Nga sản xuất 4.1 Laser YAG:Nd trong máy đo xa BD-1 a b Hình 4.2: a) Quantron của laser YAG:Nd trong máy đo xa BD-1 b) Mặt cắt của quantron với các thông số:1 - đèn bơm ; 2 - thanh hoạt chất; 3 - Ống bao Trên hình 4.2 là quantron của laser được khảo sát... trục của đèn và trục của ống phản xạ bằng 7,04mm; trục của đèn nằm trên đường thẳng nối giữa 2 tiêu điểm của hình elip Thanh hoạt chất: Vật liệu: YAG:Nd3 + 1,0 at.%; đường kính: 3,72mm; chiều dài: 50mm; bề mặt thanh hoạt chất (trừ hai đầu của thanh hoạt chất được phủ màng khử phản xạ) được mài nhám và có hệ số tán xạ bằng 10% trục của thanh hoạt chất cũng nằm trên đường 13 thẳng nối hai tiêu điểm của. .. thử xác định các đặc trưng của hiệu ứng thấu kính nhiệt trong thanh hoạt chất của laser rắn bơm bằng đèn flash" , Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, Số tháng 8, tr 34-40 4 Phạm Vũ Thịnh, Lê Ngọc Anh, Lê Văn Đại (2013), "Đánh giá khả năng của phương pháp chùm tia thử trong việc xác định quang lực của thấu kính nhiệt trong thanh hoạt chất Nd:YAG bơm bằng đèn flash" , Hội nghị Vật lý kỹ... định phân bố năng lượng (năng lượng bơm được hấp thụ, năng lượng nhiệt sinh ra) trong thanh hoạt chất 23 - Đã nghiên cứu định lượng các quang sai do các hiệu ứng nhiệt quang sinh ra trong thanh hoạt chất thông qua các hệ số Zernike bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis) với sự trợ giúp của phần mềm Matlab - Đã nghiên cứu độ hội tụ của các kết quả tính toán và phương... là < 0,5% và trong tính giá trị hệ số C 20 là < 0,05% Vì vậy đối với trường hợp khi độ dài thanh hoạt chất lớn hơn nhiều lần so với đường kính của thanh (trong trường hợp cụ thể ở đây là 12 lần), gradient nhiệt dọc theo trục của thanh hoạt chất có thể bỏ qua Từ đây về sau trong các khảo sát chúng tôi sẽ sử dụng giả thuyết này 10 2.5 Mô hình tính toán năng lượng hấp thụ của thanh hoạt chất Từ những... định năng lượng bơm được hấp thụ, năng lượng nhiệt sinh ra và phân bố của chúng trong thanh hoạt chất, từ đó đánh giá định lượng các quang sai và ảnh hưởng của chúng đến chùm tia laser phát ra 2 Bằng các kết quả nghiên cứu khảo sát nói chung và khảo sát laser YAG:Nd trong máy đo xa đơn xung dạng cầm tay dùng trong quân sự nói riêng đã chứng minh được tính hiệu quả của mô hình tính toán được xây dựng... hình tính toán được xây dựng và bằng phương pháp mô men đã khảo sát ảnh hưởng của các hiệu ứng nhiệt (các quang sai) trong thanh hoạt chất đối với chùm tia laser phát ra cho laser YAG:Nd bơm bằng đèn flash sử dụng trong các máy đo xa đơn xung dạng cầm tay dùng cho quân sự, phục vụ việc thiết kế chế tạo loại laser này Những đóng góp mới của luận án 1 Xây dựng được mô hình tính toán xác định năng lượng. .. thuộc của hệ số Zernike vào năng lượng sinh ra trong thanh hoạt chất Bằng sensor Shack-Hartmann ta chỉ có thể xác định được quang sai mặt sóng so với mặt sóng đã được lấy làm chuẩn từ trước, vì vậy bằng phương pháp này ta không thể xác định được lượng nhiệt sinh ra trong thanh hoạt chất, một thông số không thể thiếu được để giải bài toán nhiệt vật lý đối với thanh hoạt chất Bằng mô hình tính toán được... trọng của mô hình tính toán trong việc xác định năng lượng hấp thụ trong thanh hoạt chất dựa trên các kết quả đo thực nghiệm CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT LASER YAG:Nd TRONG MÁY ĐO XA ĐƠN XUNG Một trong những máy đo xa laser quân sự có nhu cầu cao về số lượng là các máy đo xa đơn xung nhỏ gọn (dạng ống nhòm) Với trình độ và năng lực KHCN hiện nay, chúng ta hoàn toàn có khả năng tự thiết kế chế tạo loại đo xa laser ... quõn i Laser c kho sỏt õy l laser YAG:Nd bm bng ốn flash dựng mỏy o xa laser BD-1 n xung dng ng nhũm cm tay Nga sn xut 4.1 Laser YAG:Nd mỏy o xa BD-1 a b Hinh 4.2: a) Quantron ca laser YAG:Nd. .. B NNG LNG TRONG THANH HOT CHT CA LASER YAG:Nd BM BNG ẩN FLASH Xỏc nh nng lng hp th v phõn b nng lng ny hot cht l mt cú ý ngha quan trng i vi vic thit k ch to laser YAG:Nd bm bng ốn flash Cỏc... hp c th l u phỏt laser YAG:Nd dựng cỏc mỏy o xa cm tay quõn s tỡm phng ỏn ti u thit k ch to CHNG 1: LASER YAG:Nd BM BNG ẩN FLASH V CC HIU NG NHIT QUANG TRONG THANH HOT CHT Trong chng ny, cỏc