CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
3.3 Xây dựng bộ phát hệ LIDAR hấp thụ vi sai và đo đạc đánh giá
Hai hệ laser màu phản hồi phân bố có thiết kế giống nhau (Bảng 3.1), chỉ khác nhau ở góc tới của các tia laser bơm 532 nm đến cuvette C1. Hệ 2 laser màu phản hồi phân bố này được bơm bằng 1 laser Nd:YAG, chùm bơm đến 2 hệ được chia bởi một bản chia chùm Rm3 T:R=50:50 (Hình 3.5). Hai lăng kính P4 và P5 dùng để tách chùm laser phản hồi phân bố với các bức xạ tử ngoại được nhân tần bởi hai tinh thể phi tuyến BBO. Các gương nhôm M9-M12 dùng để định hướng các bức xạ laser tử ngoại ở hai bước sóng λon và λoff định hướng vào trường nhìn của telescope trong bộ thu tín hiệu LIDAR.
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý bộ phát của hệ DIAL
Hình 3.6 là ảnh khối phát bao gồm laser bơm Nd:YAG (Quantel Brilliant) và hai hệ laser màu phản hồi phân bố với mơi trường hoạt tính sử dụng Rhodamine 6G hịa tan trong dung mơi ethanol. Các bức xạ laser màu phản hồi phân bố và các bức xạ tử ngoại của khối phát đã được đo đạc, khảo sát về cường độ và các đặc trưng phổ.
Hình 3.6. Khối phát của hệ DIAL dùng nguồn phát là laser DFDL
Các đỉnh bức xạ laser màu phản hồi phân bố và bức xạ phát tử ngoại (Hình 3.7 và 3.8) được ghi lại bằng thiết bị quang phổ CCS200 (hãng Thorlabs) sau khi đã chuẩn lại thang bước sóng bằng các đỉnh phổ của đèn hơi natri (Na). Các vết laser tử
ngoại phát quang trên giấy được chụp lại trong Hình 3.9 cho thấy phân bố khơng gian của chùm bức xạ laser. Độ phân kỳ được đánh giá khoảng 2 mrad phù hợp cho hệ đo LIDAR.
Hình 3.7. Phổ Bức xạ laser màu DFDL và bức xạ on 282,9 nm
a) b) ~
Hình 3.9. Vết hai laser tử ngoại cách nguồn phát 2m
a) Bước sóng on 282,9 nm ; b) Bước sóng off 286,4 nm
Các laser màu DFDL này có độ rộng vạch phổ bức xạ được xác định là 142 pm bởi một giao thoa kế Fabry-Perot (độ nét F=35) cùng với một laser He-Ne (độ rộng vạch phổ 0,002 nm); độ rộng xung laser 202 ps được xác định bằng phép đo tự tương quan (autocorrelation method) [75,78,79]. Với độ rộng phổ bức xạ hẹp và đặc trưng thời gian xung cỡ ps này, các laser DFDL có mật độ năng lượng và hiệu suất nhân tần cao, phù hợp yêu cầu làm nguồn phát cho một hệ DIAL tử ngoại.
Độ ổn định của bước sóng ra phụ thuộc vào góc chùm laser bơm ở bước sóng 532 nm tới cuvette C1 và chiết suất môi trường hoạt chất là chất màu. Góc tới của chùm bơm được chỉnh và luôn cố định. Nếu chiết suất môi trường hoạt chất thay đổi thì khoảng cách giữa các vân giao thoa giữa 2 chùm bơm sẽ thay đổi làm thay đổi bước sóng phát nên trong các laser DFDL, nhiệt độ của chất màu được kiểm soát bằng sử dụng chất màu luân chuyển để nhiệt độ chất màu không thay đổi và ổn định bước sóng laser.
Máy đo OPHIR Nova II (Hãng Newport) được sử dụng để đo đạc công suất của hai nguồn laser phát. Với nguồn bơm là họa ba bậc hai của laser Nd:YAG, phát ở bước sóng 532 nm, tần số 10 Hz, độ rộng xung 5 ns, năng lượng phát ~24mJ/xung cho mỗi hệ DFDL, năng lượng bức xạ các laser màu DFDL và các bức xạ tử ngoại ngõ ra được đo đạc và trình bày trong Bảng 3.2. So với kết quả mô phỏng, năng lượng xung phát đạt được cho phép hệ LIDAR hấp thụ vi sai có thể đo đạc phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp.
Bảng 3.2. Năng lượng bức xạ laser phát được bơm bởi laser họa ba bậc hai
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 không 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.