của laser Nd:YAG ở bước sóng 532 nm
Bức xạ laser Bước sóng (nm) Năng lượng
DFDL 565,8 0,62 mJ/xung 572,8 1,8 mJ/xung
UV 282,9 30 J/xung
286,4 60 J/xung
Một mạch điện tử đơn giản, sử dụng Photodiode nhanh loại Si photodiode S1226-18BU (Hãng Hamamatsu - Nhật), có dải bước sóng làm việc từ UV đến hồng ngoại gần (190 nm – 1000 nm), để khảo sát sự thăng giáng cường độ và độ suy giảm cường độ của các bức xạ UV phát. Các xung laser UV được quan sát thông qua dao động ký điện tử nhanh Picoscope 5204 và được ghi nhận lại theo thời gian bởi một phần mềm viết trên nền Labview (Hình 3.10 và Hình 3.11).
Kết quả tính tốn cơng suất các xung laser UV cho thấy bức xạ phát ở bước sóng 282,9 nm và ở 286,4 nm có độ thăng giáng cường độ theo thời gian tương ứng là 0,8% và 1,2%, độ suy giảm cường độ theo thời gian tương ứng là 2% và 4,2% trong 20 phút. Sự thăng giáng và độ suy giảm cường độ của các bức xạ UV phát này khơng ảnh hưởng tới việc tính tốn phân bố nồng độ ozone theo độ cao do các tín hiệu LIDAR đo đạc khơng liên tục nên chúng sẽ được khử khi lấy tỷ số hai tín hiệu vi sai.
Hình 3.11. Thăng giáng cường độ bức xạ laser ở bước sóng 286,4 nm.
3.4 Chế tạo hệ telescope tử ngoại và khối quang học thu 3.4.1 Chế tạo telescope 3.4.1 Chế tạo telescope
Hệ telescope được nghiên cứu chế tạo là loại Newtonian có thể lắp các gương cầu có đường kính tối đa 40 cm. Bộ khung cho telescope được chế tạo để có thể lắp được gương cầu với tiêu cự có thể thay đổi xa nhất là 210 cm. Sơ đồ nguyên lý thiết kế được trình bày trong Hình 3.12.
Hệ telescope có khung làm bằng sắt, có 4 bánh xe để tiện di chuyển và 4 ốc cố định có thể điều chỉnh cân bằng cho cả hệ (Hình 3.13). Dưới gương cầu có 3 ốc tinh chỉnh để chỉnh trục gương cầu (Hình 3.14). Gương phẳng được treo trên giá của hệ, được gắn với một vòng tinh chỉnh theo phương thằng đứng (palme) và 2 núm chỉnh 2 chiều (Hình 3.15). Giá đỡ hệ quang học thu gồm các thấu kính và phin lọc tử ngoại sẽ được lắp trên 2 ray dọc khung đứng của telescope. Hệ khung telescope sẽ được bao phủ bằng lớp vải đen dày để tránh ánh sáng tán xạ trường gần. Quang trục của hệ được cân chỉnh dùng laser bán dẫn.
3.4.2 Chế tạo hệ mài phơi kính quang học
Nhằm mục đích tăng độ nhạy phát hiện tín hiệu LIDAR và thu được tín hiệu nằm trong miền tử ngoại, luận án đã thực hiện tự chế tạo gương cầu quang học và phủ nhôm bề mặt gương. Sơ đồ hệ mài phơi kính quang học tự động được vẽ theo mặt cắt ngang (Hình 3.16) và mặt cắt đứng (Hình 3.17). Hệ mài tự động phơi kính quang học được thiết kế để có thể mài gương cầu có đường kính từ 20 cm tới tối đa 80 cm. Tùy theo phơi kính được mài, đường kính đĩa mài được thay đổi phù hợp và bằng 70% đường kính của phơi kính quang học. Tốc độ mài có thể điều chỉnh sử
dụng bộ biến tần cho động cơ 3 pha. Gương cầu quang học cho telescope dùng trong hệ LIDAR hấp thụ vi sai được chế tạo từ phơi kính quang học đường kính 40 cm, dày 19 mm. Phơi kính quang học được mài cầu theo trình tự: mài thơ – mài tinh – đánh bóng [80]. Hình 3.18 cho thấy một cơng đoạn mài bằng hệ mài tự động.
Hình 3.12. Sơ đồ ngun lý hệ
Telescope đường kính 40 cm.
Hình 3.13. Hệ telescope
đường kính 40 cm.
Hình 3.14. Gương cầu và giá đỡ tinh
chỉnh
Hình 3.16. Mặt cắt ngang hệ mài phơi kính tự động. 1- bàn mài có thành che xung
quanh, kích thước 1m x 1m; 2- mâm xoay, đường kính 80 cm; 3- đĩa mài; 4- giá giữ phơi kính; 5- lỗ thốt chất lỏng bột mài dư; 6- phơi kính; 7- cánh tay địn bù (thay đổi từ 50 đến 90 cm); 8- cánh tay lái (60 cm); 9- con quay lái (dài 20 cm); 10- mô tơ 3 pha
Hình 3.17. Mặt cắt đứng hệ mài phơi kính tự động. 1- đĩa mài; 2-phơi kính; 3- mâm
xoay, đường kính 80 cm; 4- lỗ thốt chất lỏng bột mài dư; 5-chậu hứng chất lỏng bột mài dư; 6- mô tơ 3 pha; 7- bàn mài có thành che xung quanh; 8- mơ tơ 3 pha; 9- cánh tay đòn bù; 10- các vòng bi
Hình 3.18. Mài gương cầu cho hệ DIAL hoạt động trong vùng tử ngoại [80]
Gương cầu quang học được kiểm tra, đánh giá bề mặt quang học bằng hệ kết hợp phương pháp Ronchi và Foucault [80] được thực hiện tại Viện Vật lý cho thấy phơi kính quang học sau q trình mài có mặt lõm dạng cầu đều đặn và có tiêu cự 1,8m. Gương quang học được mạ nhôm và phủ lớp bảo vệ trong buồng chân không tại Viện Ứng dụng Cơng nghệ (Bộ KHCN) (Hình 3.19).
Hình 3.19. Gương cầu đường kính 40 cm mạ nhơm trong hệ telescope
3.4.3 Khối quang học thu
Hệ quang học khối thu của hệ LIDAR hấp thụ vi sai bao gồm telescope, kính lọc bước sóng (F), hai thấu kính L1 và L2 (xem Hình 3.1). Telescope đường kính 40 cm, có bề mặt gương cầu phủ nhơm, được tự nghiên cứu chế tạo để có thể thu nhận được tín hiệu LIDAR trong vùng tử ngoại và khuếch đại tốt hơn tín hiệu tán xạ ngược. Do hai bước sóng λon và λoff khá gần nhau trong vùng tử ngoại và khơng tìm phin
lọc phù hợp riêng cho 2 bước sóng nên hệ LIDAR hấp thụ vi sai này sử dụng một phin lọc phin lọc F có ký hiệu FF01-292/27-25 của hãng Semrock (Mỹ) với tâm dải truyền qua ở bước sóng 292 nm, băng thơng rộng 27 nm, hiệu suất truyền qua ở hai bước sóng này khoảng 80% (Hình 3.20). Các thấu kính L1 và L2 là loại thạch anh sử dụng trong vùng UV. Hệ quang học bộ thu gồm L1, F và L2 được thiết kế tích hợp trong ống quang học của hãng Thorlabs.
Hình 3.20. Đặc trưng phổ truyền qua của phin lọc FF01-292/27 (Shemrock)
Hình 3.21. Khối thu của hệ LIDAR hấp thụ vi sai gồm telescope, PMT, bộ
Khối thu được sắp đặt như trong Hình 3.21. Khi đo đạc, telescope được bọc bằng vải đen và dày để tránh bức xạ trường gần và khối thu đặt trong vòm quan trắc. Bên cạnh telescope có lắp đặt 3 gương định hướng cho 3 bước sóng laser phát là 282,9 nm, 286,4 nm và 532 nm. Các gương này lắp trên các giá tinh chỉnh giúp tối ưu hệ số chồng chập giữa chùm laser phát và thị trường của telescope. Bức xạ 532 nm được thêm vào trong hệ LIDAR hấp thụ vi sai để hỗ trợ định hướng phát các bước sóng laser tử ngoại.
3.5 Phát triển khối điện tử thu
Khối điện tử thu được phát triển dựa trên cơ sở hệ đo LIDAR nhiều bước sóng phát triển tại Viện Vật lý dùng dao động ký số tín hiệu nhanh Picoscope 5204 với sơ đồ như Hình 3.22 để có thể thu nhận tín hiệu LIDAR ở chế độ đếm đơn photon. Đầu thu nhân quang điện (PMT) là loại R7400U-03 (Hamamatsu, Nhật Bản), có đáp ứng xung đơn photon độ rộng vào khoảng 1,5 nano giây với thời gian đáp ứng (risetime) khoảng 0,75 nano giây, dải phổ từ 180 nm – 650 nm, độ nhạy cực đại tại bước sóng 420 nm, điện áp cực đại 1000V.
Hình 3.22. Sơ đồ khối điện tử thu trong chế độ đếm photon
Mạch khuếch đại băng rộng thiết kế cho hệ đếm trực tiếp các xung điện đơn photon từ các PMT trong hệ DIAL là một mạch khuếch đại xung vừa có đáp ứng nhanh (băng thơng trên 300 MHz) vừa có hệ số khuếch đại cao, đồng thời có thể giãn xung đơn photon thành các xung có độ rộng lớn hơn, cỡ 10 nano giây. Các xung này có thể được đo trực tiếp trên các dao động ký có giá thành phù hợp và tốc độ lấy mẫu trung bình cao tới 100 MSample/giây.
Mạch khuếch đại thuật toán được lựa chọn với loại OpAmp phản hồi dòng (current feedback) THS 3201 của hãng Texas Instrument. Linh kiện này có đặc trưng kỹ thuật phù hợp với yêu cầu của hệ đếm photon của hệ thu LIDAR hấp thụ vi sai:
Dải tần hoạt động rất rộng với tich số băng thông – hệ số khuếch đại tới 1,8 GHz. PMT Bộ khuếch đại băng rộng Máy tính: chương trình đếm photon trên Labview Dao động ký số tín hiệu nhanh
Điện áp nuôi từ ±3,5 tới ±7,5V.
Độ ồn ngõ vào thấp, tốc độ sampling cao, dòng ngõ ra đạt tới 100 mA Độ làm méo dạng tín hiệu rất thấp
Hình 3.23. Mạch khuếch đại băng rộng
Sơ đồ mạch được thiết kế cho khuếch đại thuật toán THS 3201 hoạt động trong chế độ non-inverting được trình bày trong Hình 3.23. Sơ đồ nguyên lý và mạch in được thực hiện bằng phần mềm OrCAD.
3.6 Xây dựng phần mềm thu ghi, xử lý tín hiệu
Phần mềm lấy mẫu, xử lý tín hiệu, lưu trữ, chuẩn hóa, hiển thị kết quả đo được lập trình trên nền Labview (hãng National Instruments) để điều khiển dao động ký số Picoscope. Phần mềm đã được phát triển tại Viện Vật lý cho hệ LIDAR phục vụ nghiên cứu son khí khí quyển. Phần mềm cho phép:
Khởi tạo các thông số đo: chọn kênh đo, tốc độ lấy mẫu, chọn kênh trigger, mức trigger, chế độ đo, thời gian đo, số xung laser cần lấy trung bình
Đếm photon, truyền số liệu tới máy tính Hiển thị số liệu đo, số file số liệu
Chọn đường dẫn, ghi số liệu vào file
Hình 3.24. Giao diện phần mềm thu nhận tín hiệu hệ LIDAR DIAL hoạt động
trong vùng bước sóng tử ngoại
Phần mềm xử lý tín hiệu được xây dựng trên nền Matlab để: Làm trơn kết quả đo nhằm làm tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Xác định cường độ tín hiệu lidar tại khoảng cách xa (~20 km) để loại bỏ dòng tối và offset của module điện tử thu
Chuyển tín hiệu LIDAR theo khoảng cách P(R,) sang dạng R2P(R,) nhằm
loại bỏ sự phụ thuộc của tín hiệu lidar vào khoảng cách.
Các số liệu LIDAR sau xử lý tại 2 bước sóng on và off sẽ được đưa vào phần mềm tính tốn phân bố nồng độ ozone khí quyển theo độ cao cũng được xây dựng trên nền Matlab.
3.7 Đo đạc đánh giá hệ LIDAR hấp thụ vi sai
Sự bố trí, sắp xếp hệ LIDAR hấp thụ vi sai gồm bộ phát và bộ thu được minh họa trong Hình 3.25 theo sơ đồ khối được trình bày trong Hình 3.26. Để 2 hệ laser màu phản hồi phân bố phát bức xạ laser ở 565,8 nm và 572,8 nm, góc tới của chùm bức xạ bơm φ ở bước sóng 532 nm đến cuvette C1 được tính theo cơng thức (3.2) và cố định ở 61,2o và 52,1o. Telescope của bộ thu và các gương định hướng chùm bức xạ on và off vào trường nhìn của telescope đặt dưới vịm quan trắc. Bảng 3.3 trình bày các thơng số đặc trưng kỹ thuật của hệ LIDAR hấp thụ vi sai hoạt động trong vùng tử ngoại.
Hình 3.25. Bố trí hệ LIDAR hấp thụ vi sai
Bảng 3.3. Các thông số đặc trưng của hệ LIDAR hấp thụ vi sai
Thông số đặc trưng
Khối phát
Laser bơm Nd:YAG, 532 nm, xung 10 Hz, độ rộng xung 5 ns, 48 mJ/xung Chất màu Rhodamine 6G – dung mơi ethanol
Góc φ (tới C1) 61,2o 52,1o
Bức xạ laser màu 565,8 nm, ~1,7 mJ/xung 572,8 nm, ~2,4 mJ/xung Bức xạ laser phát 282,9 nm, ~ 30J/xung, độ
phân kỳ < 2 mrad
286,4 nm, ~ 60J/xung, độ phân kỳ < 2 mrad
Khối thu
Telescope Newtonian, mạ nhơm, đường kính 400 mm, tiêu cự 1800 mm, độ mở f/4,5
Phin lọc băng hẹp FF01-292/27-25 (Semrock -Mỹ), bước sóng trung tâm 292 nm với FWHM 27 nm. Hệ số truyền qua >81% ở 282,9 nm và 286,4 nm Detector R4700U-03 (Hamamatsu). Dải phổ 185-650 nm. Độ nhạy cực đại
tại 420 nm. Điện áp 1000V.
Xử lý tín hiệu Picoscope 4205 (Picotech), ADC 12 bit, 2 kênh ngõ vào tín hiệu, băng thơng 200 MHz, tốc độ lấy mẫu 1GSample/sec, kết nối máy tính USB
Với bố trí hệ như vậy, các bước cân chỉnh hệ LIDAR hấp thụ vi sai được tiến hành sao cho có thể ghi nhận tín hiệu tán xạ ngược đàn hồi ở độ cao cao nhất có thể: Cân chỉnh để hai bước sóng phát tử ngoại đạt cơng suất lớn nhất bao gồm: cân chỉnh hệ khuếch đại 6 lần truyền qua cuvette C2 và khuếch đại công suất quang qua cuvette C3. Năng lượng phát đạt ở bước sóng on 282,9 nm đạt ~ 30 µJ/xung và ở bước sóng off 286,4 nm đạt ~ 60 µJ/xung. Năng lượng ở bước
sóng off đạt được cao hơn ở bước sóng on do bức xạ ở bước sóng off nằm gần đỉnh phát quang của chất màu Rhodamine 6G.
Chỉnh quang trục telescope và hệ quang học thu dùng một laser bán dẫn phát dọc theo quang trục hệ quang học thu, sau khi phản xạ bởi gương cầu đường kính 40 cm của hệ telescope thì chùm tia phát quay trở lại và trùng khớp với quang trục hệ quang học thu này.
Điều chỉnh bức xạ phát vào trường nhìn của telescope. Do các bức xạ tử ngoại khơng nhìn thấy bằng mắt thường nên phải cân chỉnh tín hiệu LIDAR ở bước sóng 532 nm trước và dựa vào hướng của bức xạ 532 nm để chỉnh hướng của hai bức xa vào trường nhìn của telescope.
Sử dụng dao động ký điện tử nhanh Picoscope để thu ghi tín hiệu LIDAR và tinh chỉnh các gương định hướng phát bức xạ laser để có thể thu được tín hiệu LIDAR ở hai bước sóng on và off ở trường xa nhất. Với telescope đường kính 400 mm, tiêu cự 1800 m của bộ thu, trường nhìn của telescope lớn hơn trên 10 lần độ phân kỳ của các bức xạ laser phát. Do vậy, khi hiệu chỉnh để thu tín hiệu LIDAR xa nhất sẽ tương ứng với chùm phát chồng chập hoàn toàn với trường nhìn của telescope.
Hiệu chỉnh khuếch đại khối module điện tử thu. Khi tiến hành đo đạc tín hiệu LIDAR, nhiễu dịng tối ~200xung/s sẽ được bù trừ trong xử lý tính tốn bằng phần mềm, nhiễu nền của dao động ký điện tử nhanh Picoscope ~ 1mV không ảnh hưởng đến kết quả đếm photon.
Sau khi cân chỉnh, hệ LIDAR hấp thụ vi sai đã được sử dụng để đo đạc thử nghiệm với thời gian đếm 10 phút ở mỗi bước sóng dựa trên kết quả mơ phỏng. Các tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi sẽ được thu ghi trong 6 tập tin (files), mỗi tập tin có 1000 Wf (Waveform) tương ứng với thời gian đo. Một waveform bao gồm các tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi sau một xung laser phát ra. Mức ngưỡng thu tín hiệu được đặt ở 5 mV để loại bỏ nhiễu ngẫu nhiên. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai đã ghi nhận tín hiệu LIDAR đàn hồi đến độ cao trên 4 km ở cả hai bước sóng on và
off (xem Hình 3.27). Với tốc độ lấy mẫu của dao động ký điện tử Picoscope 125
MSamples/s và áp dụng kỹ thuật lọc số liệu bằng cách lấy trung bình trên một số điểm đo để tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N, độ phân giải khơng gian của phép đo
LIDAR hấp thụ vi sai là 480 m với sai số thống kê ở độ cao 4 km là ~18% (xem Hình 4.3). Độ phân giải không gian của phép đo LIDAR hấp thụ vi sai có thể lựa chọn nhỏ hơn, tuy nhiên sai số thống kê sẽ cao. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai khơng ghi nhận được tín hiệu LIDAR đến độ cao trên 5 km như tính tốn mơ phỏng có thể giải thích là do bề dày trung bình 5 km của son khí trên bầu trời Hà nội [81]. Lớp son khí này làm tán xạ các bức xạ laser phát, suy hao tín hiệu tán xạ ngược và hạn chế độ cao đo đạc.
Hình 3.27. Tín hiệu LIDAR tử ngoại được ghi nhận đến độ cao trên 4 km ở bước