Các thông số Giá trị
Năng lượng laser phát ở bước sóng 282,9 nm 1-70 J/xung Năng lượng laser phát ở bước sóng 286,4 nm 1-70 J/xung
Tần số xung phát 10 Hz
Hiệu suất truyền qua gương định hướng tia laser UV 92 % Hiệu suất truyền qua lăng kính tách tia laser UV 91 % Hiệu suất truyền qua gương telescope 60 % Hiệu suất truyền qua kính lọc UV 82 % Hiệu suất nhân quang điện (PMT) 70 %
Đường kính telescope 40, 60 cm
Tần số lấy mẫu của dao động ký điện tử 43 Msamples/s
Tỷ số LIDAR [60, 61, 62] 30 sr-1
Tiết diện hấp thụ ozone ở bước sóng on 282,9 nm [3] 29,7.10-23 m2 Tiết diện hấp thụ ozone ở bước sóng off 286,4 nm [3] 20,8.10-23 m2
Trong tính tốn mơ phỏng, mật độ phân bố ni-tơ, oxy và ozone theo độ cao khí quyển được lấy từ số liệu đo đạc của Đài khí tượng thủy văn tại Hà Nội [4,81]. Năng lượng xung phát được lựa chọn dựa trên khả năng có thể đạt được khi nhân tần các bức xạ phát của laser màu phản hồi phân bố [75]. Hiệu suất truyền qua hay phản xạ căn cứ trên đặc trưng phổ của linh kiện quang và quang điện. Đường kính telescope 40 cm và 60 cm là đường kính dự kiến của các telescope dự kiến tự nghiên cứu chế tạo. Chương trình mơ phỏng tín hiệu LIDAR tử ngoại được viết trên nền Matlab.
Do hệ LIDAR hấp thụ vi sai hoạt động ở chế độ đếm photon, số đếm tín hiệu sẽ được biểu diễn theo phân bố Poisson nên tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N tính dựa trên số liệu thực nghiệm và theo công thức [77]:
𝑆/𝑁 (2.18)
Với: Nph = số đếm photon tín hiệu; Nb = số đếm photon nền; Nd = số đếm dòng tối của PMT.
Số đếm nhiễu tổng cộng [77]: 𝑛 𝑁 𝑁 𝑁 (2.19) Số đếm dòng tối Nd được lấy giá trị bằng 100 theo thông số đặc trưng của PMT R7400U-03 (Hamamatsu) để sử dụng trong tính tốn mơ phỏng.
2.4 Kết quả mơ phỏng và thảo luận
Hình 2. 3 mơ phỏng tín hiệu LIDAR ở hai bước sóng on 282,9 nm và bước sóng off 286,4 nm và mật độ phân tử khí quyển theo độ cao với cùng năng lượng
xung phát 30 J/xung, thời gian đếm photon 10 phút, đường kính telescope 40 cm. Các đường tín hiệu LIDAR có dạng của đường phân bố mật độ phân tử khí trong khí quyển. Cường độ các bức xạ tán xạ ngược giảm theo mật độ các thành phần khí tán xạ trong khí quyển. Tuy nhiên, ở bức xạ bước sóng on tương ứng với tiết diện hấp thụ cao hơn của ozone, dạng đường tín hiệu LIDAR thể hiện sự suy hao nhiều hơn ở bước sóng off do sự hấp thụ mạnh hơn bởi các phân tử ozone.
Hình 2.3. Mơ phỏng tín hiệu LIDAR thu ghi ở bước sóng on 282,9 nm, bước sóng off 286,4 nm và mật độ phân tử khí quyển (N2 và O2) theo độ cao
Cường độ bức xạ laser tử ngoại ở hai bước sóng on và off phụ thuộc nhiều vào cường độ các laser màu phản hồi phân bố và ảnh hưởng tới độ cao đo đạc phân bố ozone. Hình 2.4 và Hình 2.5 trình bày mơ phỏng cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm và tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N ở bước sóng này thay đổi theo
cường độ bức xạ laser phát. Cường độ bức xạ laser phát thay đổi từ 1 J/xung đến 70 J/xung là phạm vi cường độ phát dự kiến của hệ có thể đạt được. Cường độ bức xạ laser phát tăng, độ cao phân bố ozone cũng sẽ tăng. Với tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N = 3 đủ để có thể phân biệt tín hiệu với nhiễu, kết quả mơ phỏng theo cường độ laser phát cho thấy có thể thu nhận tín hiệu LIDAR ở bước sóng on đến độ cao từ 5 km (năng lượng 1 J/xung) đến 10 km (năng lượng 70 J/xung), đỉnh của tầng đối lưu. Hình 2.6 và 2.7 biểu diễn sự thay đổi cường độ tín hiệu LIDAR và tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N ở bước sóng on thay đổi theo thời gian đếm photon (5, 10, 20 và 30 phút) với năng lượng xung phát 30J/xung. Tăng thời gian đếm xung sẽ giúp tăng cường độ tín hiệu LIDAR và nâng cao độ cao đo đạc phân bố ozone. Với năng lượng xung phát 30J/xung, thời gian đếm photon có thể lựa chọn là 10 phút, vừa đảm bảo yêu cầu về độ cao, vừa giảm thiểu ảnh hưởng của động học ozone trong khí quyển . Tính tốn mơ phỏng cũng thực hiện tương tự với bước sóng off.
Hình 2.4. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi cường
độ laser phát
Hình 2.5. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi cường độ
Hình 2.6. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi thời
gian đếm photon
Hình 2.7. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi thời gian
đếm photon
Trong thực tế, các bức xạ dao động cộng hưởng trong các laser màu phản hồi phân bố nằm ở các bước sóng có hiệu suất huỳnh quang khác nhau, được khuếch đại bởi các tầng khuếch đại quang học riêng, nên các bức xạ laser màu phản hồi phân bố
có cường độ khơng giống nhau. Trong trường hợp này, dạng tín hiệu LIDAR được mơ phỏng như trình bày trong Hình 2.8 và 2.9 cho hai trường hợp đặc trưng: cường độ bức xạ ở bước sóng on lớn hơn và nhỏ hơn ở bước sóng off.
Hình 2.8. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng
xung phát 50 J/xung và ở bước sóng off 286,4 nm – 30 J/xung
Hình 2.9. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng
Hình 2.10 mơ phỏng tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng xung phát 30J/xung, thời gian đếm photon 10 phút, thay đổi theo đường kính của telescope 40 cm và 60 cm. Nếu hệ LIDAR hấp thụ vi sai có telescope đường kính 60 cm được sử dụng, độ khuếch đại của bộ thu sẽ tăng và cường độ tín hiệu LIDAR tăng thêm 2,5 lần so với hệ dùng telescope đường kính 40 cm, dẫn đến tăng thêm độ cao đo đạc và khả năng có thể giảm thời gian đếm photon.
Hình 2.10. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm
Kết luận Chương 2
Chương 2 đã trình bày những sự lựa chọn trong thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi sai và mơ phỏng tín hiệu LIDAR tán xạ ngược để tính tốn phân bố nồng độ ozone trong khí quyển. Các kết luận chính rút ra từ Chương 2 như sau:
Hai bức xạ tử ngoại của hệ LIDAR hấp thụ vi sai được nhân tần từ hai nguồn phát laser màu phản hồi phân bố.
Cặp bước sóng on và off được lựa chọn là 282,9 nm và 286,4 nm.
Với thiết kế dự kiến, năng lượng phát 1 J/xung – 70 J/xung, thời gian đếm photon 10 phút, đường kính telescope 40 cm, kết quả mơ phỏng cường độ tín hiệu LIDAR cho thấy hệ LIDAR hấp thụ vi sai có thể đo đạc ozone đến độ cao trên 5 km.
CHƯƠNG 3. PHÁT TRIỂN MỘT HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐỂ ĐO ĐẠC PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP
Nội dung Chương 3 tập trung trình bày việc nghiên cứu phát triển các bộ phận cấu thành hệ LIDAR hấp thụ vi sai, hoạt động trong vùng tử ngoại, để đo đạc phân bố ozone khí quyển theo phương thẳng đứng. Chương 3 sẽ bao gồm các phần sau:
Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone
Xây dựng khối phát quang học dùng laser màu phản hồi phân bố
Chế tạo telescope hoạt động trong vùng tử ngoại cho bộ thu quang học của hệ LIDAR hấp thụ vi sai
Phát triển hệ điện tử và phần mềm thu ghi tín hiệu LIDAR Đo đạc đánh giá đặc trưng hệ LIDAR hấp thụ vi sai
3.1 Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone
Với các lựa chọn như đã trình bày trong Chương 2, hệ LIDAR hấp thụ vi sai được phát triển theo sơ đồ nguyên lý trình bày trong Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý này được phát triển theo sơ đồ khối ở Hình 2.1. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai bao gồm 2 phần chính: khối phát và khối thu.
Trong khối phát, họa ba bậc hai của laser Nd:YAG ở bước sóng 532 nm, tần số 10 Hz, độ rộng xung 5 ns, là nguồn bơm cho hai hệ laser màu phản hồi phân bố (DFDL). Bức xạ phát của hai laser DFDL được nhân tần bằng các tinh thể phi tuyến BBO, cho phép phát vào khí quyển hai bước sóng λon = 282,9 nm và λoff = 286,4 nm trong vùng tử ngoại thuộc dải hấp thụ Hartley của ozone. Khối phát có các cặp gương phản xạ tốt trong vùng tử ngoại để định hướng chùm phát vào trường nhìn của telescope. Giữa tinh thể BBO và cặp gương định hướng chùm phát có thể bố trí thêm lăng kính thạch anh hoặc kính lọc tử ngoại để tách bức xạ laser tử ngoại với bức xạ của các laser màu phản hồi phân bố. Sự phân tách 2 bức xạ laser này cần thiết khi chỉnh góc tinh thể BBO, đo đạc bức xạ laser tử ngoại và cân chỉnh chùm laser phát định hướng vào trường nhìn của telescope. Khối phát quang học có tích hợp mạch trigger, là mạch điện sử dụng photodiode S1226-18BU (Hamamatsu, Nhật), trích xuất tín hiệu xung phát, đưa về khối điện tử thu để đồng bộ xung phát với việc đếm photon tán xạ ngược.
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ LIDAR hấp thụ vi đo phân bố ozone khí quyển tầng
thấp dùng nguồn phát là các laser màu phản hồi phân bố.
Khối thu của hệ LIDAR hấp thụ vi sai bao gồm một telescope thu nhận các photon LIDAR tán xạ ngược, hệ quang học thu giúp lọc lựa các bước sóng tử ngoại (thấu kính L1, L2 và kính lọc F), nhân quang điện (Photomultiplier Tube - PMT), bộ tiền khuếch đại (Amp), dao động ký điện tử số nhanh (Picoscope 5204) và máy tính để thu ghi, xử lý số liệu, tính tốn phân bố nồng độ ozone.
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