Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Phát triển nguồn Laser Nd: YAG biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng thụ động tích hợp trong hệ Lidar di động quan trắc mây Ti tầng cao

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài thực hiện thiết kế, chế tạo và cải tiến nhằm chủ động hoàn toàn khối laser phát xung công suất cao tại bước sóng 1064 nm và 532 nm với các thông số kĩ thuật như tần số lặp lại, công suất phát, kích thước chùm tia, góc mở chùm tia có thể điều chỉnh trong một khoảng cố định.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Phát triển nguồn Laser Nd: YAG biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng thụ động tích hợp trong hệ Lidar di động quan trắc mây Ti tầng cao

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VŨ THỊ HOÀN PHÁT TRIỂN NGUỒN LASER Nd:YAG BIẾN ĐIỆU ĐỘ PHẨM CHẤT BUỒNG CỘNG HƯỞNG THỤ ĐỘNG TÍCH HỢP TRONG HỆ LIDAR DI ĐỘNG QUAN TRẮC MÂY Ti TẦNG CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ THÁI NGUYÊN - 2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI KHOA HỌC VŨ THỊ HOÀN PHÁT TRIỂN NGUỒN LASER Nd:YAG BIẾN ĐIỆU ĐỘ PHẨM CHẤT BUỒNG CỘNG HƯỞNG THỤ ĐỘNG TÍCH HỢP TRONG HỆ LIDAR DI ĐỘNG QUAN TRẮC MÂY Ti TẦNG CAO Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8.44. 01.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Người hướng dẫn khoa học: TS. BÙI VĂN HẢI THÁI NGUYÊN - 2018
i LỜI CAM ĐOAN Luận văn với tiêu đề “ Phát triển nguồn Laser Nd: YAG biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng thụ động tích hợp trong hệ Lidar di động quan trắc mây Ti tầng cao” được thực hiện tại Viện Vật lý- Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn của TS Bùi Văn Hải. Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung khoa học trình bày trong luận văn là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS Bùi Văn Hải và sự giúp đỡ của nhóm Lidar mà trưởng nhóm là PGS. TS Đinh Văn Trung. Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trước đây cả trong và ngoài nước Thái Nguyên, tháng 11 năm 2018 Học viên Vũ Thị Hoàn
ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập cũng như tiến hành nghiên cứu và thực hiện làm làm luận văn, em đã nhận được sự quan tâm, chỉ bảo, giúp đỡ của thầy cô, gia đình và bạn bè. Với tấm lòng biết ơn vô cùng sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy Cô của khoa Vật lí và Công nghệ trường Đại Học Khoa Học – Đại Học Thái Nguyên đã tâm huyết truyền đạt cho em nhiều kiến thức quý báu trong thời gian em học tập tại trường. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn TS. Bùi Văn Hải đã tận tâm chỉ bảo hướng dẫn em trong suốt quá trình em thực hiện luận văn tại Viện Vật lí - Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam, nhờ có những lời hướng dẫn dạy bảo của thầy, luận văn này của em đã có được kết quả tốt. Em cũng muốn gửi lời cảm ơn tới nhóm Lidar mà trưởng nhóm là PGS.TS Đinh Văn Trung đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu, đo đạc và xử lý số liệu tại Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam. Trong quá trình làm luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được góp ý của quý Thầy Cô và các bạn lớp K10B1 để luận văn của em được hoàn thiện hơn. Học viên Vũ Thị Hoàn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG ANH
iii Thuật Tiếng Anh Tiếng Việt ngữ laser Light Amplification by Stimulated Bộ khuếch đại ánh sáng bằng phát Emission of Radiation xạ kích thích Lidar Light detection and ranging Cảm biến quang học và đo xa PMT Photomultiplier Tube Ống nhân quang điện APD Avalanche photodiode Điốt quang thác lũ ADC Analog to digital converter Bộ chuyển đổi tương tự - số
iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các thông số của một số môi trường laser Neodymium [5 tr. 372, 3]. ......5 Bảng 2.1: Thành phần và nồng độ chất khí trong khí quyển Trái đất [13, 1]. ..........15 Bảng 2.2: Phân nhóm các tầng mây chủ yếu [15, 2]. ................................................17 Bảng 2.3: Phân hạng mây quốc tế theo hình dạng và độ cao của mây [15, 1, 2]. ....18 Bảng 2.4: Các thông số đặc trưng khối phát của hệ Lidar Raman nhiều bước sóng [1]. ...................................................................................................30 Bảng 2.5: Các thông số đặc trưng khối thu của hệ Lidar Raman& đàn hồi [1]. ...........32 Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật cơ bản của khối phát laser di động. ............................43 Bảng 3.2. Thông số quang đặc trưng của lớp mây Ti xác định từ tín hiệu đàn hồi của hệ lidar di động..................................................................................52
v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc mức năng lượng của môi trường laser Nd:YAG [5 tr. 5, 3]. ........7 Hình 1.2: Phổ hấp thụ của môi trường Nd:YAG đo ở nhiệt độ 300 0K [5 tr. 208, 3]. ....7 Hình 1.3. Công tua khuếch đại laser và độ rộng vạch bức xạ của các mode dọc [5, 3]. ......8 Hình 1.4: Quá trình phát xung ML với bộ hấp thụ bão hòa chậm [3, 5], .................10 Hình 1.5: BCH laser và quá trình phát xung khóa mode với bộ SA chậm [8]. ........11 Hình 2.1: Biểu đồ mô tả tỉ lệ các chất khí trong khí quyển Trái Đất [13, 1]. ...........15 Hình 2.2: Mô tả sự hình thành mây: khi không khí càng lên cao nhiệt độ càng giảm. Mây hình thành khi hơi nước lạnh bên dưới điểm sương [14] ........16 Hình 2.3: Phân bố các loại mây trong tầng đối lưu theo hiệp hội khí tượng thế giới MWO [16, 2]. .............................................................................................20 Hình 2.4: Một số hình ảnh Mây tầng tích [17, 2]......................................................21 Hình 2.5: Một số hình ảnh Mây vũ tầng [17, 2]........................................................21 Hình 2.6: Một số hình ảnh Mây tích [2, 19]. ............................................................22 Hình 2.7: Một số hình ảnh Mây tầng [2, 20].............................................................22 Hình 2.8: Một số hình ảnh Mây vũ tích [2, 21] ........................................................23 Hình 2.9: Một số hình ảnh Mây trung tích [2, 21] ....................................................23 Hình 2.10: Một số hình ảnh Mây trung tầng [2, 19] .................................................24 Hình 2.11: Một số hình ảnh Mây Ti tích [1, 2, 22] ...................................................24 Hình 2.12: Một số hình ảnh Mây Ti tầng [2, 23]. .....................................................25 Hình 2.13: Một số hình ảnh về Mây Ti [2, 24]. ........................................................25 Hình 2.14: Sơ đồ khối hệ Lidar xây dựng tại Viện Vật lý [1]. .................................29 Hình 2.15: Hình ảnh hệ Lidar sử dụng laser Nd: YAG bao gồm: kính thiên văn, khối phát laser và máy tính ghi nhận dữ liệu [1]. ......................................31 Hình 2.16: a): Khoảng không gian tín hiệu đàn hồi đã chuẩn hóa theo khoảng cách đo sụt giảm mạnh nhất được hiểu là vị trí đỉnh của lớp son khí bề mặt, b): Đồ thị hàm H(z) tương ứng đạt cực tiểu tại vị trí đỉnh lớp son khí [35]. ....................................................................................................................35 Hình 3.1: Khối mạch điện cao thế cấp nguồn cho đèn flash, mạch điện tử điều khiển thay đổi tần số xung phát và cường độ xung laser phát, khối thu sử dụng ăng ten quang telescope hiệu Meade 200 mm, ADC 12 bit và máy tính ghép nối để lưu dữ liệu nhận được [25]..............................................39
vi Hình 3.2: Buồng cộng hưởng Fabry-Perot, bổ sung thêm phin lọc không gian và tinh thể nhân tần BBO cho phép phát xung laser họa ba bậc hai tại bước sóng 532 nm [25]. ......................................................................................41 Hình 3.3. Trong hình A trường hợp kích thước chùm tia ~ 4 mm tương đương góc mở 2,5 mrad và trong hình B là trường hợp kích thước chùm tia ~ 1 mm tương ứng với góc mở chùm tia dưới 1 mrad. ...........................................42 Hình 3.4: Mức cường năng lượng xung tại bước sóng 532 nm thay đổi theo thông số điều khiển [25].......................................................................................42 Hình 3.5: A) Cận ảnh của hệ lidar di động được gắn trên bàn giảm chấn thực hiện đo đạc trong Quang Bình. B) BCH của laser được mở ra để lắp đặt các chi tiết quang học. ......................................................................................44 Hình 3.6: A) Hệ lidar gồm khối phát laser xung và telescope loại Cassegrain với giá đỡ cố định. B) Hình ảnh hệ triển khai trong đo đạc thực tế ngoài trời. .........44 Hình 3.7. Hai tín hiệu đàn hồi ghi nhận bởi hệ lidar di động trong cùng khoảng thời gian 50 phút tương đương với 50000 xung laser................................45 Hình 3.8. Là kết quả phép đo phân bố mật độ vật chất trong đám mây trôi qua vị trí đo theo thời gian từ 15 h tới 17h 30 phút tại Hà Nội. ...........................47 Hình 3.9. Hình ảnh mây Ti tầng cao được ghi nhận tại Quảng Bình bằng hệ lidar đàn hồi sử dụng laser xung di động được chế tạo tại Việt Nam. ...............48 Hình 3.10. Hình ảnh mây Ti tầng cao được nghi nhận tại thành phố Hồ Chí Minh bằng hệ lidar đàn hồi sử dụng laser xung di động. ....................................48 Hình 3.11: Đồ thị cho phép xác định độ cao đỉnh và đáy lớp mây Ti kết quả phép đo được lấy lấy trung bình từ 50000 xung laser tương đương 50 phút quan trắc ở chế độ đếm photon được thực hiện tại Quảng Bình sử dụng hệ lidar di động. .........................................................................................49 Hình 3.12: Đồ thị thể hiện tiết hệ số tán xạ ngược của lớp mây Ti theo thuật toán Fernald [1]. .................................................................................................50 Hình 3.13: Tỷ số tán xạ ngược của lớp mây Ti so với lớp phân tử khí từ 10 km tới 18 km. ........................................................................................................50 Hình 3.14: Sự thay đổi độ sâu quang học của lớp khí quyển có mây Ti trong miền từ 7 tới 18 km, độ sâu quang học đã được chuẩn hóa về 1 đơn vị trên toàn miền dưới 18 km. .......................................................................................51
vii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG ANH.................... ii DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... iv DANH MỤC CÁC HÌNH .........................................................................................v MỤC LỤC ............................................................................................................... vii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: LASER Nd:YAG CÔNG SUẤT CAO .............................................4 1.1. Tổng quan về laser rắn và các ứng dụng ..............................................................4 1.1.1. Tổng quan về laser rắn ......................................................................................4 1.1.2. Ứng dụng laser rắn trong nghiên cứu ................................................................6 1.2. Mô hình laser Nd:YAG điều tần thụ động với buồng cộng hưởng Fabry-perot ......7 1.2.1. Môi trường laser Nd:YAG ................................................................................7 1.2.2. Tính toán lý thuyết cho laser Nd: YAG với buồng cộng hưởng Fabry- perot. ................................................................................................................8 CHƯƠNG 2: VAI TRÒ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG ĐỐI LƯU VÀ KỸ THUẬT LIDAR ............................................................................................14 2.1. Cấu trúc khí quyển và vai trò của mây Ti ..........................................................14 2.1.1 Cấu trúc khí quyển ...........................................................................................14 2.1.2 Quá trình hình thành và vai trò của mây Ti .....................................................16 2.1.3. Vai trò của mây Ti đối với khí quyển tầng đối lưu .........................................26 2.2 Kỹ thuật Lidar .....................................................................................................28 2.2.1. Khối phát .........................................................................................................29 2.2.2. Khối thu ...........................................................................................................30 2.2.3. Kỹ thuật đo tương tự .......................................................................................32 2.2.4. Kỹ thuật đếm photon .......................................................................................33 2.3. Xử lý số liệu xác định các đặc trưng cơ bản của mây Ti ...................................33 CHƯƠNG 3: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA LASER XUNG Nd:YAG ĐÃ CHẾ TẠO VÀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MÂY TI SỬ DỤNG HỆ LIDAR DI ĐỘNG ..................................................................................38
viii 3.1. Thông số kỹ thuật của laser Nd:YAG di động ...................................................38 3.1.1. Khối điện tử. ....................................................................................................38 3.1.2. Khối quang học ...............................................................................................39 3.1.3. Đặc trưng mode ngang và kích thước chùm tia laser ......................................41 3.1.4. Đặc trưng công suất laser tại bước sóng 532 nm ............................................42 3.2. Kết quả quan trắc mây Ti tầng cao sử dụng hệ lidar di động. ...........................44 3.2.1. Đánh giá chất lượng tín hiệu của hệ lidar di động ..........................................45 3.2.2. Đặc trưng phân bố không gian của mây Ti tầng cao ......................................46 3.2.3. Các đặc trưng vi mô của mây Ti tầng cao .......................................................48 3.3. Kết luận chương 3 ..............................................................................................52 KẾT LUẬN ..............................................................................................................54 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ......................................................55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................56 PHỤ LỤC .................................................................................................................60
1 MỞ ĐẦU Nhu cầu sử dụng nguồn laser xung công suất cao phát bức xạ trong miền ánh sáng nhìn thấy và vùng tử ngoại gần hiện nay là rất lớn bởi được ứng dụng phổ biến trong nghiên cứu các hiệu ứng quang phổ nhanh. Đặc biệt nguồn bơm xung càng có ý nghĩa hơn trong điều kiện nghiên cứu tại Việt Nam, khi các nguồn phát laser xung trong miền bước sóng ngắn dạng rắn công suất cao thường được sử dụng là các laser công nghiệp của hãng Quantel với chất lượng tốt nhưng giá thành quá cao so với điều kiện đầu tư cho nghiên cứu của các trung tâm, các viện và các trường đại học. Việc chế tạo các laser rắn công suất cao có tính năng di động càng trở thành một nhiệm vụ cấp bách và khó khăn hơn đối với các nghiên cứu ứng dụng cần di chuyển liên tục, cần thay đổi các thông số kỹ thuật của laser trên một dải rộng. Xuất phát từ thực tế đó, nhóm tác giả đề tài đã đặt ra mục tiêu nghiên cứu là làm chủ hoàn toàn thiết kế, chế tạo và lắp ráp hệ laser Nd:YAG công suất cao phát xung có thể thay đổi nhiều thông số kỹ thuật đồng thời và có khả năng hoạt động ổn định trong quá trình di động. Để khẳng định rằng sản phẩm chế tạo hoạt động theo đúng thông số kỹ thuật, nhóm nghiên cứu tiếp tục tích hợp khối laser vào trong hệ lidar di động phục vụ cho mục đích nghiên cứu khí quyển tầng cao tại nhiều nơi nhằm phát triển hướng nghiên cứu chính của nhóm trong lĩnh vực khí quyển và môi trường bằng kỹ thuật lidar. Ở nước ta hiện nay kỹ thuật Lidar đã được triển khai ứng dụng bởi nhiều nhóm nghiên cứu khác nhau và đã thu được một số thành tựu bước đầu trong cả các mục đích quân sự, nghiên cứu môi trường và dự báo khí tượng thủy văn.... Tuy nhiên mong muốn làm chủ hoàn toàn một hệ lidar di động lần đầu chế tạo hoàn toàn tại Việt Nam vẫn là một mơ ước mà chưa một nhóm nghiên cứu nào giải quyết được. Bởi thế, việc chế tạo một laser phát xung ánh sáng xanh với công suất tới hàng trăm mJ, tần số lặp lại cỡ 10 Hz với độ rộng xung cỡ vài chục ns là yêu cầu trước tiên dần hiện thực hóa mơ ước đó. Vì những lý do ấy, tác giả và nhóm nghiên cứu đã mạnh dạn lựa chọn mục tiêu và lấy tên của luận văn là: “Phát triển nguồn laser Nd:YAG biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng thụ động tích hợp trong hệ lidar di động quan trắc mây Ti tầng cao”. Luận văn được thực hiện với mục đích và đối tượng nghiên cứu cụ thể sau:
2 Mục đích của luận văn:  Thực hiện thiết kế, chế tạo và cải tiến nhằm chủ động hoàn toàn khối laser phát xung công suất cao tại bước sóng 1064 nm và 532 nm với các thông số kĩ thuật như tần số lặp lại, công suất phát, kích thước chùm tia, góc mở chùm tia có thể điều chỉnh trong một khoảng cố định.  Tích hợp khối phát xung công suất cao trong 01 hệ lidar có khả năng di động phục vụ các mục đích quan trắc khí quyển tầng cao trên 20 km.  Tìm hiểu nguyên lý, cấu trúc các thông số kỹ thuật của hệ lidar tán xạ đàn hồi.  Tìm hiểu phương trình toán, các chương trình số xác định các thông số quang đặc trưng của mây Ti từ tín hiệu lidar đàn hồi.  Tiến hành quan trắc, ghi nhận dữ liệu, đánh giá chất lượng tín hiệu ghi nhận, chất lượng hệ đo lidar và nguồn phát laser đã được chế tạo.  Thảo luận và đề xuất các công việc tương lai theo hướng nghiên cứu đã thực hiện. Đối tượng nghiên cứu của luận văn:  Nghiên cứu cấu tạo, thiết kế mạch điện tử điều khiển cho laser rắn Nd:YAG phát xung tần số thấp.  Nghiên cứu thiết kế cấu trúc buồng cộng hưởng quang, nâng cao chất lượng chùm tia laser với góc mở nhỏ dưới 2 mrad.  Lắp đặt tích hợp nguồn laser trong hệ Lidar khảo sát khí quyển đơn kênh tín hiệu đàn hồi tới 20 km.  Xử lý tín hiệu xác định một số thông số quang đặc trương của lớp mây Ti tầng cao qua đó đánh giá chất lượng hệ lidar cũng như xác nhận chất lượng chùm tia và khối phát laser đã chế tạo. Luận văn được chia thành 3 chương gồm: Chương 1: LASER Nd:YAG CÔNG SUẤT CAO Chương 1, chúng tôi đã trình bày những tìm hiểu tổng quan về laser và cụ thể là laser rắn với môi trường hoạt chất là tinh thể Nd: YAG. Những kết quả nghiên cứu lý thuyết với mô hình laser Nd:YAG điều tần thụ động sử dụng tinh thể hấp thụ bão hòa chậm với buồng cộng hưởng Fabry-Perot.
3 Chương 2: VAI TRÒ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG ĐỐI LƯU VÀ KỸ THUẬT LIDAR Chúng tôi trình bày những hiểu biết cơ bản về cấu trúc khí quyển bao quanh Trái đất, những thông số cơ bản như thành phần vật chất trong miền khí quyển, tổng khối lượng, sự hình thành, ảnh hưởng của sinh quyển tới khí quyển và ảnh hưởng cũng như vai trò trực tiếp của khí quyển tới sinh quyển. Trong đó tác giả tập trung luận giải về vai trò của lớp son khí tầng cao, đó là lớp mây Ti với độ cao phân bố từ 6 – 18 km, diện tích bao phủ khoảng 30% tổng diện tích khí quyển Trái đất, và vai trò của chúng đối với các mô hình dự báo thời tiết hiện đại. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng trình bày nguyên lý hoạt động và cấu tạo cơ bản của một hệ lidar đàn hồi, hoạt động cả chế độ tương tự và đếm photon. Chương 3: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA LASER XUNG Nd:YAG VÀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MÂY TI SỬ DỤNG HỆ LIDAR DI ĐỘNG Chương 3, chúng tôi trình bày 2 phần kết quả chính của luận văn. Phần thứ nhất trình bày về kết quả nghiên cứu chế tạo và những cải tiến được thực hiện trên khối phát laser Nd: YAG công suất cao với đặc tính dễ tháo lắp, công suất cao đáp ứng được mục đích nghiên cứu di động trong hệ lidar sử dụng quan trắc cho khí quyển tầng đối lưu. Phần thứ hai chúng tôi trình bày những kết quả xác định một số đặc trưng vĩ mô và vi mô cơ bản của lớp mây Ti tầng cao từ tín hiệu của hệ lidar di động sử dụng khối phát laser đã được cải tiến.
4 CHƯƠNG 1: LASER Nd:YAG CÔNG SUẤT CAO Chương 1, tôi trình bày tổng quan các nghiên cứu lý thuyết về mô hình laser Nd:YAG điều tần thụ động sử dụng tinh thể hấp thụ bão hòa trong buồng cộng hưởng loại Fabry-Perot. 1.1. Tổng quan về laser rắn và các ứng dụng 1.1.1. Tổng quan về laser rắn Laser, một phát minh vĩ đại của thế kỉ XX đã và đang chứng tỏ vai trò trong sự phát triển của khoa học kĩ thuật cũng như trong các ứng dụng của nhiều ngành khoa học kỹ thuật. Ngay từ khi laser mới xuất hiện, việc nghiên cứu laser phát xung ngắn đã được quan tâm. Cuối những năm 1960, xuất hiện các laser biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng cho phép phát xung “khổng lồ” có độ rộng xung cỡ nano-giây. Sự phát triển các laser xung cực ngắn đã dẫn đến sự ra đời và phát triển các phương pháp quang phổ laser phân giải thời gian. Phương pháp này cho phép làm sáng tỏ các quá trình quá độ cực nhanh xảy ra trong vật lý, sinh học, hóa học... Đây là một lĩnh vực khoa học hiện đại đã và đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới mà điều kiện tiên quyết cho các nghiên cứu này là các nguồn laser xung cực ngắn. Các laser rắn phát xung ngắn, trong các loại laser rắn thì laser Neodymium chiếm một tỉ phần lớn trên thị trường sử dụng - là một nguồn kích thích quang học quan trọng đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm quang học và quang phổ trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Trong điều kiện nghiên cứu tại Việt Nam nhu cầu sử dụng laser rắn Neodymium trong nghiên cứu với các quá trình động học, các hiện tượng cực nhanh đang được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm và có nhu cầu sử dụng rộng rãi và cấp thiết. Để phát các xung laser ngắn chúng ta có thể sử dụng các kỹ thuật như: biến điệu độ phẩm chất, chiết tách năng lượng buồng cộng hưởng và các kỹ thuật khóa mode trong buồng cộng hưởng… Ở nước ta hiện nay, việc phát triển vật lý và công nghệ laser rắn xung ngắn có ý nghĩa khoa học công nghệ cao và có tính ứng dụng thực tiễn. Điều đó được thể hiện rõ hơn trong các lĩnh vực cụ thể như sau:
5 Vấn đề thứ nhất, nó cho phép chúng ta làm chủ khoa học và công nghệ laser xung ngắn, tạo tiền đề cho các nghiên cứu phát triển các phương pháp quang phổ hiện đại. Vấn đề thứ hai, trực tiếp đào tạo những cán bộ khoa học đủ năng lực làm việc trong lĩnh vực khoa học công nghệ thuộc lĩnh vực quang học quang tử. Vấn đề thứ ba, việc tự xây dựng các hệ laser rắn phát xung cực ngắn tại Việt Nam sẽ cho phép tiết kiệm chi phí đáng kể vì các hệ laser xung cực ngắn thương mại rất đắt tiền và khó phù hợp với phần lớn các trung tâm, viện và trường đại học do còn nhiều khó khăn và ít có sự đầu tư thích đáng cho các nghiên cứu dài hơi. Cùng với sự phát triển của công nghệ laser, khả năng chúng ta hoàn toàn có thể xây dựng một hệ laser rắn (Neodymium) phát xung cực ngắn bơm bằng đèn flash tại Việt Nam. Môi trường laser Neodymium là môi trường laser tinh thể được sử dụng khá phổ biến hiện nay. Môi trường nền chủ yếu thường là tinh thể Y3Al5O12 (viết tắt là YAG), trong đó các ion Y3+ được thay thế bởi các ion Nd3+. Các thông số quang học chính của các môi trường laser Neodymium được trình bày trong bảng 1.1 sau đây: Bảng 1.1: Các thông số của một số môi trường laser Neodymium [5 tr. 372, 3]. Nd:YAG Nd:YVO4 Nd:YLF Nd:glass  = 1064 nm  = 1064 nm  = 1053 nm  = 1054 nm Nồng độ pha tạp 1 1 1 3,8 ion Nd (%) Nt (1020 ion/cm3) 1,38 1,5 1,3 3,2  (s) 230 98 450 300  (cm-1) 4,5 11,3 13 180 e (10-19 cm2) 2,8 7,6 1,9 0,4 Chiết suất n = 1,82 n1 = 1,82 n1 = 1,4481 n = 1,54 n2 = 2,168 n2 = 1,4704
6 Trong đó: Nt là mật độ của ion Neodymium;  là thời gian sống huỳnh quang;  là độ rộng phổ laser; e là tiết diện phát xạ cưỡng bức. Các laser Neodymium hoạt động trên nguyên lý laser 4 mức, chuyển dịch quang học cho bức xạ laser là chuyển dịch giữa các mức năng lượng của ion Nd3+. Tùy theo việc pha tạp vào các nền quang học khác nhau mà các mức năng lượng tham gia quá trình laser bị suy biến, vì vậy chúng ta thấy rằng trong các môi trường YAG chuyển dịch quang học có xác suất lớn nhất ứng với bước sóng 1064 nm [3]. 1.1.2. Ứng dụng laser rắn trong nghiên cứu Với nhiều ưu điểm nổi bật của laser rắn như: a. Bền chắc về cấu trúc lý hóa, đảm bảo cho sức bền của buồng hoạt chất hoạt động ổn định trong thời gian làm việc lâu dài và trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt của hoạt chất cũng như môi trường làm việc của laser. b. Cấu trúc hoạt chất có thể là tinh thể nuôi cấy tự nhiên hoặc nhân tạo cũng có thể là môi trường vô định hình thuận lợi về mặt công nghệ và có khả năng sản xuất hàng loạt. c. Tính đồng nhất quang học trong chế tạo công nghiệp đảm bảo tính đối xứng, tiêu hao năng lượng bơm cũng như độ phẩm chất BCH lớn. Thuận lợi cho điều kiện ngưỡng bơm của laser không cần quá cao, dẫn tới dễ vận hành và tính kén chọn phương pháp bơm dễ dàng hơn. d. Chất nền thường là thủy tinh, pha tạp ion đất hiếm với hàm lượng cỡ vài % do vậy môi trường hoạt chất gần như là trong suốt với bức xạ bơm quang và bức xạ phát laser. e. Do đặc tính đồng nhất và chịu nhiệt cao của nền hoạt chất mà laser loại rắn có thể hoạt động trong miền nhiệt độ rộng, tính ổn định tốt khi hoạt động trong thời gian dài. f. Vì là dạng rắn nên hoạt chất thuận tiện hơn trong việc gia công bề mặt để tạo buồng cộng hưởng với nhiều hình dạng khác nhau phù hợp với các ứng dụng yêu cầu kích thước laser khác nhau và loại bơm khác nhau… [5, 3]. Ngoài các đặc tính về môi trường hoạt chất như trên. Các laser rắn mà cụ thể là laser Nd: YAG có đặc tính về công suất phát cao, vạch phổ phát xạ tại tần số cơ bản - 1064 nm, tần số hòa ba bậc hai – 532 nm, hòa ba bậc ba - 355 nm, hòa ba bậc bốn – 266 nm, cho công suất cao và bức xạ nằm trong toàn miền quang phổ từ hồng ngoại
7 gần cho tới tử ngoại gần. Vì thế các bức xạ đó có thể ứng dụng làm nguồn bơm kích thích cho các quá trình quang phổ phân tử của nhiều chất khác nhau. Với những đặc tính cơ bản trên đây là công suất cao, dễ chế tạo, hoạt động ổn định, miền phổ phù hợp, giá thành hợp lý. Do đó, laser Nd: YAG được ứng dụng từ rất lâu và là lựa chọn đầu tiên của nhóm nghiên cứu khi tiến vào lĩnh vực ứng dụng trong các hệ lidar phục vụ các kĩ thuật quan trắc từ xa các đối tượng của khí quyển. 1.2. Mô hình laser Nd:YAG điều tần thụ động với buồng cộng hưởng Fabry-perot 1.2.1. Môi trường laser Nd:YAG Đây là môi trường laser đang được sử dụng rất rộng rãi hiện nay, cấu trúc năng lượng và chuyển dịch quang học cho bức xạ laser được mô tả trên hình 1.1 [5, 3]. Dịch chuyển không phát xạ Hấp thụ Phát xạ Hình 1.1: Cấu trúc mức năng lượng của môi trường laser Nd:YAG [5 tr. 5, 3]. Tiết diện hấp thụ (10-20 cm2) Bước sóng (nm) Hình 1.2: Phổ hấp thụ của môi trường Nd:YAG đo ở nhiệt độ 300 0K [5 tr. 208, 3].
8 Đường liền nét ứng với Nd3+ trong nền YAG; đường đứt nét ứng với Cr3+ trong nền Alexandrite. Trục tung bên phải ứng với Nd3+, bên trái ứng với Cr3+. Trên phổ hấp thụ hình 1.2 chúng ta thấy rằng, môi trường Nd:YAG có ba vùng hấp thụ mạnh quanh vùng bước sóng 600 nm, 730 nm và 800 nm [5, 3]. 1.2.2. Tính toán lý thuyết cho laser Nd: YAG với buồng cộng hưởng Fabry- perot. Như chúng ta đã biết, buồng cộng hưởng laser có ảnh hưởng quyết định tới các đặc điểm về công suất, phổ và xác định cấu trúc trường của bức xạ laser, hay còn gọi là các mode dao động của buồng cộng hưởng. Mỗi một mode được ký hiệu là TEMmnq (Transverse Electromagnetic Modes) các mode điện từ ngang (các dao động điện từ trong một BCH được coi là ngang) m và n là các chỉ số ngang, q là chỉ số dọc. Mỗi một mode đều được đặc trưng bởi một cấu hình không gian trường xác định (có phân bố biên độ và pha xác định) theo hướng vuông góc với trục BCH. Đặc tính riêng của một cấu hình không gian của trường được xác định bởi các chỉ số m và n. Mỗi một tổ hợp các chỉ số m và n xác định một trường nhất định theo phương nằm ngang (trong BCH) lại có tương ứng một số các giá trị của chỉ số q khác nhau, chúng là các mode dọc [5, 3]. Các mode dọc Công tua khuếch Khoảng cách Độ khuếch đại trong BCH đại giữa hai mode dọc liên tiếp Ngưỡng laser Tần số Các mode dọc trong BCH Độ rộng vạch của một mode dọc Tần số Hình 1.3. Công tua khuếch đại laser và độ rộng vạch bức xạ của các mode dọc [5, 3].
9 Một buồng cộng hưởng Fabry-Perot gồm hai gương cách nhau một khoảng L và chứa một môi trường khuếch đại, chỉ tồn tại một số tần số dao động (mode cộng hưởng, mode dọc) nhất định. Nếu không có các thiết bị lọc lựa tần số đặt trong buồng cộng hưởng laser thì laser sẽ phát bức xạ cưỡng bức đồng thời ở nhiều tần số mà độ khuếch đại tương ứng với chúng G(m) > 0 (hình 1.3). Số mode dọc khả dĩ phát được phụ thuộc vào độ rộng phổ bức xạ của môi trường hoạt chất. Trong khi đi lại trong buồng cộng hưởng, các sóng sẽ giao thoa với nhau và chỉ có những sóng mà đối với chúng hiệu quang trình d là một số nguyên (m) lần bước sóng (d = 2L = m) khi giao thoa với nhau sẽ tăng cường nhau. Do đó, các tần số m = mc/2L (c là vận tốc ánh sáng) thoả mãn điều kiện G(m) > 0 mới có thể dao động được trong buồng cộng hưởng và cuối cùng được phát ra. Hình 1.3, mô tả công-tua khuếch đại phổ và các mode dọc khả dĩ của một buồng cộng hưởng laser (trong đó mỗi tần số m là gắn với một mode dọc). Nếu giữa các mode dao động cưỡng bức không có quan hệ về pha thì cường độ trường bức xạ tổng cộng là các thăng giáng ngẫu nhiên theo thời gian. Khi có một liên hệ về pha nào đó được thiết lập giữa các mode dao động cưỡng bức đó có thể tạo ra sự chồng chập kết hợp của biên độ các mode và dẫn tới khả năng phát các xung cực ngắn từ ps đến fs (10-12 s  10-15 s). Mối liên hệ về pha giữa các mode như vậy gọi là sự khoá pha của các mode dọc trong BCH. Chúng ta sẽ chứng minh rằng nếu có sự khóa mode, năng lượng của laser là tổng kIk của tất cả các cường độ Ik của các mode dao động tăng hoặc giảm theo thời gian và tỷ lệ với N2 (bình phương số mode). Quan hệ giữa độ rộng xung (T) của laser được khóa mode và độ rộng phổ () sẽ là [5, 3]: T ~ 1/ = 2/N (1.1) Ở đây  là hiệu số pha giữa hai tần số (mode dọc) liên tiếp. Có nghĩa là, môi trường laser có phổ khuếch đại càng rộng, khi xảy ra hiện tượng khóa mode trong buồng cộng hưởng sẽ phát ra các xung laser có độ rộng xung càng ngắn [5]. Hiện nay, về lý thuyết và thực nghiệm, có hai phương pháp phổ biến và kinh điển để phát xung laser ngắn có năng lượng cao đó là: biến điệu độ phẩm chất (Q- switching) [6], [7], [8], [9] và khoá mode buồng cộng hưởng [10], [11], [12], [39], [40]. Cả hai phương pháp này đều sử dụng cơ chế biến điệu trong buồng cộng hưởng
10 và đều có nhiều kỹ thuật khác nhau được thực hiện có kết quả. Trong chương này, chúng tôi trình bày nguyên tắc chung của phương pháp phát xung laser ngắn khóa mode buồng cộng hưởng. Phương pháp phát xung laser khóa mode có thể chia thành hai loại: phương pháp khóa mode chủ động và phương pháp khóa mode thụ động. Phương pháp phát xung laser ngắn bằng kỹ thuật khóa mode chủ động thực hiện tương đối khó khăn và chủ yếu được áp dụng để phát các xung laser có độ rộng xung trong vùng cỡ pi-cô- giây. Trong giới hạn của bản luận văn này chúng tôi trình bày phương pháp phương pháp khóa mode thụ động cụ thể là phương pháp khóa mode bằng bộ hấp thụ bão hòa chậm vì đây là phương pháp đang được sử dụng rất rộng rãi hiện nay. Bộ hấp thụ bão hòa chậm (SA chậm) có hằng số thời gian hồi phục của nó dài hơn độ dài xung ở trạng thái ổn định và ngắn hơn nhiều chu kỳ của photon đi lại trong buồng cộng hưởng [3]. Cơ chế khóa mode bằng hấp thụ bão hòa SA chậm yêu cầu thời gian hồi phục độ khuếch đại laser cỡ chu kỳ buồng cộng hưởng nhưng lớn hơn một chút so với thời gian hồi phục của bộ hấp thụ. Thêm vào đó, thông lượng bão hòa của môi trường khuếch đại phải lớn hơn thông lượng bão hòa của bộ hấp thụ và vẫn đủ thấp để nó có thể bị bão hòa bởi thông lượng laser trong buồng cộng hưởng. Trạng thái ban đầu tương tự với trạng thái đã mô tả ở trên với SA nhanh: dao động mạnh ban đầu sẽ có mất mát thấp hơn một chút và sẽ tạo ra sự thay đổi mất mát hay độ khuếch đại trong buồng cộng hưởng. Sau một số chu kỳ đi lại trong buồng cộng hưởng, thông lượng của xung có thể đủ lớn để làm tẩy trắng bộ hấp thụ và biểu đồ khuếch đại/mất mát sẽ tương tự với trường hợp biểu diễn trong hình 1.4. Mất mát Khuếch đại Xung laser Thời gian Hình 1.4: Quá trình phát xung ML với bộ hấp thụ bão hòa chậm [3, 5],