CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
3.2 Xây dựng hệ laser màu phản hồi phân bố
Các laser màu phản hồi phân bố triển khai cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai phát ở bước sóng 565,8 nm và 572,8 nm có sơ đồ được trình bày trong Hình 3.2. Hệ laser màu phản hồi phân bố DFDL bao gồm các phần: dao động phát laser màu phản hồi phân bố, tiền khuếch đại 6 lần truyền qua, khuếch đại công suất ngõ ra và hệ bơm quang học cho các mơi trường hoạt tính. Các thơng số đặc trưng của các linh kiện quang sử dụng trong hệ DFDL được trình bày trong Bảng 3.1.
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý hệ laser màu phản hồi phân bố Bảng 3.1. Cấu hình và đặc trưng kỹ thuật linh kiện hệ DFDL Bảng 3.1. Cấu hình và đặc trưng kỹ thuật linh kiện hệ DFDL
Cấu hình laser màu phản hồi phân bố
Tên linh kiện quang
Đặc trưng kỹ thuật Dao động phát laser
màu phản hồi phân bố
L1 Thấu kính trụ H=20mm, L=22mm, f=25cm CM Gương tam giác 12x12 (mm x mm)
m1, m2 Gương 9x9 (mm x mm) P1 Lăng kính thạch anh cạnh 2 cm, AR cạnh vuông C1 Cuvette thạch anh 1cm x 1cm x 5cm (rộng x dày x cao) L4 Thấu kính lồi 0,5”, f=2,5cm M5 Gương 400-700 nm Khuếch đại 6 lần truyền qua M6 Gương 400-700 nm L2 Thấu kính lồi 1”, f=10cm m3 – m14 Gương 9x9 (mm x mm) C2 Cuvette thạch anh dày 1mm
Khuếch đại cơng suất L3 Thấu kính trụ H=20mm, L=22mm, f=20cm C3 Cuvette thạch anh 2cm x 1cm x 5cm (rộng x dày x cao) Hệ quang học bơm các chất màu M1-M4, M7 Gương 1”, 532 nm Rm1, Rm2 Bản chia chùm 532 nm T:R = 80:20 P2, P3 Lăng kính phản xạ tồn phần cạnh 2 cm, AR (phủ chống phản xạ) cạnh huyền 3.2.1 Bộ dao động phát
Trong bộ phận dao động phát của DFDL (Hình 3.3), chùm bơm qua thấu kính trụ L1 được chia đơi bởi gương tam giác CM. Chúng phản xạ trên hai gương m1 và m2 để hội tụ và giao thoa trên bề mặt mơi trường hoạt chất chứa trong cuvette C1. Vị trí m1 và m2 được tính tốn thiết kế để DFDL phát bước sóng như mong muốn. Góc chùm bơm 𝜑 (Hình 3.3) tới bề mặt mơi trường hoạt chất tính theo biểu thức [55, 56]:
𝜑 45 𝑎𝑟𝑐 sin (3.1)
trong đó, α là góc chùm bơm tới bề mặt lăng kính P1, nP là chiết suất của vật liệu lăng kính.
Hệ vân giao thoa được hình thành bởi 2 chùm sáng kết hợp sẽ tạo ra sự biến đổi tuần hoàn về độ khuếch đại và chiết suất tức thời trong môi trường hoạt chất. Vùng hoạt chất có vân sáng của mẫu giao thoa sẽ có hệ số khuếch đại cao, vùng có vân tối sẽ khơng khuếch đại. Hoạt chất được kích thích sẽ phát bức xạ dải rộng nhưng chỉ có bức xạ kích thích thỏa mãn điều kiện Bragg được khuếch đại.
Mặt khác, với cấu trúc bộ phận dao động trên, khoảng cách giữa các gương bán xạ hình thành do các vân sáng giao thoa sẽ có kích thước từ một đến vài lần bước sóng. Trong mơi trường hoạt chất đã hình thành những buồng cộng hưởng cực nhỏ (microcavity) tương ứng với các bức xạ thỏa mãn điều kiện Bragg. Với buồng cộng hưởng này, bước sóng phát của laser màu phản hồi phân bố với chùm tia tới bề mặt mơi trường hoạt chất θ được tính theo biểu thức [74,78]:
𝜆 . (3.2)
trong đó λL là bước sóng laser, n chiết suất mơi trường hoạt chất, λP bước sóng laser bơm, m bậc nhiễu xạ Bragg. Qua biểu thức trên, có thể thấy bước sóng DFDL có thể điều chỉnh dễ dàng bằng cách thay đổi góc tới của chùm laser bơm 𝜑. Do vậy, việc chỉnh bước sóng laser màu phản hồi phân bố sẽ được thực hiện bằng cách tịnh tiến vị trí C1 và xoay 2 gương m1, m2.
3.2.2 Hệ quang học bơm
Bức xạ họa ba bậc hai 532 nm của laser Nd:YAG, tần số 10 Hz, độ rộng xung 5 ns, được sử dụng để bơm cho 2 hệ laser màu phản hồi phân bố. Hệ quang học bơm bao gồm các gương M1, M2, M3 và M7; hai bản chia chùm Rm1, Rm2; hai lăng kính P2 và P3 (Hình 3.2). Các gương trong hệ dùng để định hướng chùm laser bơm đến các cuvette chứa chất màu của bộ dao động và bộ khuếch đại. Năng lượng xung bơm đã được tính tốn [67,75] và được phân chia bởi các bản chia chùm Rm1, Rm2 để đảm bảo bơm trên ngưỡng dao động laser, ổn định phổ phát laser, tương ứng với độ rộng xung bơm, chiều dài hoạt chất, nồng độ của Rhodamine 6G hòa tan trong ethanol trong các cuvette của bộ dao động và các bộ khuếch đại.
Các lăng kính P2 và P3 được thêm vào trong hệ quang học bơm để kéo dài quãng đường của xung laser bơm đến tầng khuếch đại cơng suất. Quang trình từ Rm1 qua P2, P3 đến C3 bằng quang trình từ Rm1 qua C1, C2 đến C3 để đảm bảo hiệu suất khuếch đại khi xung laser màu đi qua cuvette C3.
3.2.3 Bộ khuếch đại quang
Hệ khuếch đại 6 lần truyền qua bao gồm thấu kính L2, các gương từ m3 đến m14 và cuvette C2 dày 1 mm (Hình 3.3). Hệ khuếch đại này cho xung laser đi qua nhiều lần cùng một thể tích khuếch đại. Khoảng thời gian giữa các lần đi qua bằng cỡ thời gian hồi phục khuếch đại của môi trường. Môi trường khuếch đại được bơm dọc, cho phép đạt sự chồng chập tốt về khơng gian giữa chùm tín hiệu bơm và vùng bơm và làm tăng hiệu suất khuếch đại, giảm thăng giáng năng lượng và giảm phát xạ tự phát được khuếch đại (Amplified Spontaneous Emission – ASE) [78].
Tầng khuếch đại công suất ngõ ra được thiết kế với thấu kính trụ L3 và cuvette C3. Chất màu trong tầng khuếch đại này được bơm ngang. Thấu kính trụ L3 được bố trí để có thể tạo mật độ cao và tạo phân bố đều của chùm laser bơm lên môi trường hoạt chất.
3.2.4 Môi trường hoạt chất
Chất màu Rhodamine 6G hòa tan trong ethanol được sử dụng làm môi trường hoạt chất cho mỗi hệ laser màu phản hồi phân bố. Để có các bức xạ laser tử ngoại phù hợp yêu cầu làm bước sóng phát cho một hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, hai bước sóng phát của laser màu được hiệu chỉnh ở 565,8 nm và 572,8 nm. Hai bước sóng này nằm trong vùng hiệu suất huỳnh quang cao của chất màu Rhodamine 6G.
Dựa trên các kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất màu lên phổ laser [67,75], nồng độ của môi trường hoạt chất được sử dụng trong bộ dao động của hệ DFDL là 10-3 mol/lít. Nồng độ chất màu trong bộ khuếch đại 6 lần truyền qua và khuếch đại công suất là 10-4 mol/lít phù hợp với lựa chọn năng lượng bơm để hệ khuếch đại hoạt động ở chế độ bão hịa.
3.2.5 Bơm ln chuyển chất màu
Mơi trường hoạt chất của laser màu DFDL được sử dụng trong nghiên cứu là dung dịch phân tử màu hữu cơ do đó rất dễ bị suy giảm nồng độ do hiện tượng tẩy màu bởi nhiệt độ. Nhằm mục đích nâng cao độ ổn định nồng độ dung dịch, một hệ bơm luân chuyển chất màu được sử dụng trong hệ laser.
Luận án thiết kế mới và chế tạo các bơm ly tâm bằng thủy tinh và sử dụng nguyên tắc của khuấy từ để làm cánh khuấy đẩy chất màu qua các cuvette. Ưu điểm
của bơm lưu thông mới này là tránh phải dùng các gioăng cao su, nhanh lão hóa trong mơi trường có ethanol, hoạt động ổn định và dễ kiểm sốt. Các bơm lưu thơng chất màu hoạt chất đã được thực hiện 6 cái cho 2 hệ laser màu phản hồi phân bố. Hình 3.4 là hình các bơm lưu thơng đã hồn chỉnh và bơm chất màu qua các cuvette kích thước khác nhau.
Hệ thống bơm luân chuyển chất màu cho thấy nồng độ chất màu trong dung dịch và cường độ bức xạ laser hầu như không thay đổi trong suốt q trình thí nghiệm đo LIDAR hấp thụ vi sai.
a) bơm luân chuyển cho cuvette 1 cm
b) bơm luân chuyển cho cuvette dày 1 mm
c) bơm luân chuyển cho cuvette 2 cm
Hình 3.4. Các bơm luân chuyển chất màu