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

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

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

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

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

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

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:

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.

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.

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:

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:YLF Nd:glass Nd:YVO4

 = 1064 nm  = 1053 nm  = 1054 nm  = 1064 nm

Nồng độ pha tạp 1 1 1 3,8

ion Nd (%)

1,38 1,5 1,3 3,2 Nt (1020 ion/cm3)

230 98 450 300  (s)

4,5 11,3 13 180  (cm-1)

2,8 7,6 1,9 0,4 e (10-19 cm2)

Chiết suất n = 1,82 n = 1,54 n1 = 1,82 n1 = 1,4481

n2 = 2,168 n2 = 1,4704

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

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

Phát xạ Hấp thụ

) 2

m c 0 2 - 0 1 ( ụ h t p ấ h

n ệ i d t ế i T

Hình 1.1: Cấu trúc mức năng lượng của môi trường laser Nd:YAG [5 tr. 5, 3].

Bước sóng (nm)

Hình 1.2: Phổ hấp thụ của môi trường Nd:YAG đo ở nhiệt độ 300 0K [5 tr. 208, 3].

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

Các mode dọc

Khoảng cách

Công tua khuếch

trong BCH

giữa hai mode

đại

dọc liên tiếp

i ạ đ h c ế u h k ộ Đ

Ngưỡng

laser

Tần số

Các mode dọc trong

BCH

Độ rộng vạch

của một mode

dọc

Tần số

giá trị của chỉ số q khác nhau, chúng là các mode dọc [5, 3].

Hình 1.3. Công tua khuếch đại laser và độ rộng vạch bức xạ của các mode dọc [5, 3].

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

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

Mất mát

Khuếch đại

Xung laser

Thời gian

tương tự với trường hợp biểu diễn trong hình 1.4.

Hình 1.4: Quá trình phát xung ML với bộ hấp thụ bão hòa chậm [3, 5],

Vì sự hồi phục khuếch đại chậm hơn, sườn trước của xung sẽ bị mất mát trong

khoảng thời gian t > t1, khi đó sẽ xuất hiện sự khuếch đại, xung bắt đầu xuất hiện.

Với các tham số khuếch đại được chọn phù hợp, sự bão hòa sẽ đạt được ở thời điểm

nào đó ở sườn sau của xung. Khuếch đại xung laser sẽ bắt đầu giảm cho tới thời điểm

t2 khi đó năng lượng khuếch đại lại xuống giá trị nhỏ hơn mất mát trong buồng cộng

hưởng, xung không phát được nữa. Do đó, cửa sổ thời gian trong khoảng t1 - t2 của

bộ khuếch đại và xung liên tiếp được làm ngắn trong mỗi các lần đi lại trong buồng

cộng hưởng. Tỉ số nén xung được xác định theo [41], [42]:

(1.2) PSR = p/p = ms/2

với ms là độ sâu điều chế (hằng số) của khối tinh thể hấp thụ bão hòa.

Như vậy, chúng ta thấy rằng tỉ lệ làm ngắn xung trong laser khóa mode với

bộ hấp thụ bão hòa chậm không phụ thuộc vào thông số của nguồn bơm và buồng

cộng hưởng mà chỉ phụ thuộc vào bản chất của bộ hấp thụ bão hòa. Như vậy, vai

trò quyết định của tinh thể hấp thụ bão hòa lên đặc tính của xung laser. Chúng ta

sẽ nói tới điều này trong kết luận nghiên cứu của nhóm tác giả trong chương 3 của

luận văn.

Quá trình hình thành chuỗi xung khóa mode với buồng cộng hưởng laser sử

bộ SA

môi trường

chậm

hoạt chất

vùng được

mất mát

khuếch đại

thời gian

dụng bộ hấp thụ bão hòa chậm được mô tả trên hình 1.5 [42].

Hình 1.5: BCH laser và quá trình phát xung khóa mode với bộ SA chậm [8].

Trong quá trình khóa mode bằng bộ SA chậm, cả độ khuếch đại g(t) của môi

trường hoạt chất và mất mát s(t) trong bộ hấp thụ đều thay đổi theo thời gian và được

biểu diễn như theo công thức (1.3) sau đây [41], [42].

(1.3)

Khi đó, phương trình tổng quát cho laser phát xung khóa mode bằng bộ hấp

thụ bão hòa chậm được biểu diễn bởi (1.4), [5, 3].

(1.4)

Trong đó Ws,g tương ứng là năng lượng hấp thụ bão hòa của bộ hấp thụ và

năng lượng khuếch đại bão hòa của môi trường khuếch đại.

Nghiệm của phương trình (1.4) ở trạng thái dừng có dạng sau đây:

(1.5)

Trong thực nghiệm chúng tôi sử dụng tinh thể hấp thụ bão hòa là loại tinh thể

Cr3+:YAG được cung cấp bởi công ty Laser Components bên Trung Quốc, với kích

thước 3x5x5 mm, được đặt cách gương phản xạ 100% 5 mm. Bằng tinh thể hấp thụ

bão hòa chậm này, xung laser được tạo ra tại bước sóng cơ bản 1064 nm có độ rộng

khoảng 15 ns.

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 Cr3+:YAG với buồng cộng hưởng Fabry-Perot đã được trình bày ngắn gọn

từ phương trình động học tới nghiệm của phương trình đó là xung laser dạng hàm

sech như phương trình 1.5. Các đặc trưng cơ bản về xung laser rắn hoạt động với

công suất cao sử dụng tinh thể Nd:YAG phụ thuộc vào đặc trương của tinh thể hấp

thụ bão hòa chậm, điều này sẽ được mô tả rõ hơn trong đặc trưng xung phát của khối

laser của nhóm tiến hành thực nghiệm cải tiến trong chương 3. Những ưu điểm nổi

trội và ứng dụng của laser Nd: YAG trong nghiên cứu và trong kĩ thuật đo xa cũng

được đề cập tới trong chương 1 của luận văn.

CHƯƠNG 2: VAI TRÒ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG ĐỐI LƯU VÀ

KỸ THUẬT LIDAR

2.1. Cấu trúc khí quyển và vai trò của mây Ti

2.1.1 Cấu trúc khí quyển

Khí quyển là lớp vật chất ngay trên bề mặt của Trái đất với ranh giới dưới là

thuỷ quyển, thạch quyển và ranh giới trên là khoảng không giữa các hành tinh. Khí

quyển Trái đất được hình thành do sự thoát hơi nước, các chất khí từ thuỷ quyển và

thạch quyển. Thời kỳ đầu, khí quyển chủ yếu gồm hơi nước, amoniac, metan, các loại

khí trơ và hydro. Dưới tác dụng phân huỷ của tia sáng Mặt trời hơi nước bị phân huỷ

thành oxy và hydro. Oxy tạo ra tác động với amoniac và metan tạo ra khí nitơ và

cácboníc. Quá trình tiếp diễn, một lượng hidro nhẹ di chuyển vào khoảng không vũ

trụ, khí quyển còn lại chủ yếu là hơi nước, nitơ, cácboníc, một ít oxy. Thực vật xuất

hiện trên Trái đất cùng với quá trình quang hợp đã tạo nên một lượng lớn oxy và làm

giảm đáng kể nồng độ CO2 trong khí quyển. Sự phát triển mạnh mẽ của động thực

vật trên Trái đất cùng với sự gia tăng bài tiết, phân huỷ xác chết động thực vật, phân

huỷ yếm khí của vi sinh vật đã làm cho nồng độ khí N2 trong khí quyển tăng lên

nhanh chóng, để đạt tới thành phần khí quyển hiện nay [1, 2].

Khí quyển Trái đất có dạng cầu đối xứng bao quanh Trái đất và được giữ lại

bởi lực hấp dẫn của Trái đất với thành phần bao gồm: son khí (gồm tất cả các hạt vật

chất như: sương mù, bụi, tinh thể nước…), phân tử khí (N2, O2, CO2, H2O…) và các

nguyên tử kim loại (Na, K, Ba, Fe…) [1, 2]. Trong đó, các phân tử khí chiếm phần

khối lượng chủ yếu của khí quyển, bao gồm có nitơ (78,09% theo thể tích)

và ôxy (20,95%), với một lượng nhỏ agon (0,93%), điôxít cacbon (dao động, khoảng

0,038%)… và đóng vai trò chi phối trong các hiện tượng, quá trình của thời tiết, khí

hậu. Thành phần và nồng độ cụ thể của các phân tử trong khí quyển Trái đất được thể

hiện trong bảng và biểu đồ sau đây:

Bảng 2.1: Thành phần và nồng độ chất khí trong khí quyển Trái đất [13, 1].

PPVM Tên chất khí Nồng độ (%)

780900 78,08 Nitơ (N2) Thành phần chủ

209500 yếu 20,95 Ôxy (O2)

9300 Argon (Ar) 0,93

380 0,038 CO2

18 Neon (Ne) 0,0018

5,2 Hêli (He) 0,00052

2 0,0002 Mêtan (CH4)

1,1 Krypton (Kr) 0,00011 Thành phần thứ 1 0,0001 Lưu huỳnh oxít (SO2) yếu 0,5 0,00005 Hydro (H2)

0,5 0,00005 Đinitơ oxít (N2O)

0,09 Xenon (Xe) 0,000009

0,07 0,000007 Ozone (O3)

0,02 0,000002 Nitơ đioxít (NO2)

- Hơi nước có nồng độ thay đổi tối đa đến 4%

Hình 2.1: Biểu đồ mô tả tỉ lệ các chất khí trong khí quyển Trái Đất [13, 1].

Bầu khí quyển không có ranh giới rõ ràng với khoảng không vũ trụ nhưng mật

độ không khí của bầu khí quyển giảm dần theo độ cao. Ba phần tư khối lượng khí

quyển nằm trong khoảng 11 km đầu tiên của bề mặt hành tinh. Đường Cacman, tại

độ cao 100 km trên bề mặt, cũng được sử dụng như là mốc ranh giới giữa khí quyển

Trái Đất và khoảng không vũ trụ [13].

2.1.2 Quá trình hình thành và vai trò của mây Ti

Mây là tập hợp các hạt vật chất với mật độ lớn được tạo thành do sự ngưng kết

của thành phần trung gian là nước hoặc tinh thể băng hoặc cả 2 dạng này. Nước hoặc

tinh thể băng được tạo thành khi dưới tác dụng của năng lượng bức xạ Mặt trời, hơi

nước từ biển, hồ, sông bốc hơi và biến thành hơi nước và đi vào trong không khí. Khi

hơi nước càng lên cao nhiệt độ của nó càng giảm và chịu áp suất càng nhỏ. Nó dễ

dàng ngưng tụ thành những giọt nước lớn dần khi gặp những hạt như bụi, khói …,

được gọi là các hạt nhân ngưng tụ và kết đông thành pha rắn khi nhiệt độ dưới nhiệt

độ đông đặc. Quá trình tập hợp khối vật chất có mật độ cao có thể là giọt dạng lỏng

ở phân tầng dưới hoặc là tinh thể ở phân tầng cao có nhiệt độ thấp tạo thành mây [1,

2].

Hình ảnh quá trình tạo thành mây có thể được thể hiện trong Hình 2.2. sau đây

1800 m

Nhiệt độ: 15oC

Điểm sương: 15oC

900 m

Nhiệt độ: 24oC

Điểm sương: 15oC

Mặt đất

Nhiệt độ: 33oC

Điểm sương: 15oC

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]

Mây tồn tại ở các độ cao khác nhau phần bố từ 1 km tới 25 km trong khí quyển

trên bề mặt Trái đất có thể nhìn thấy được bằng mắt thường và tồn tại trong khoảng

thời gian hàng phút hoặc lâu tới hàng tháng. Các đám mây bao phủ từ 60% tới 70%

diện tích bề mặt Trái đất. Sự tồn tại của các đám mây giữ một vai trò quan trọng trong

hình thái khí hậu toàn cầu bởi sự tồn tại của chúng ảnh hưởng tới sự hấp thụ, phản xạ

bức xạ Mặt trời và đóng góp chính trong hiệu ứng nhà kính, cũng như quyết định

lượng nước luân chuyển trong chu trình bay hơi và gây mưa [1, 2].

Hình dáng, kích thước, độ cao, bề dày và trạng thái tự nhiên của một đám mây

và tổng thể các đám mây hình thành trong cùng một khoảng thời gian tại một khu vực

sẽ phụ thuộc vào những điều kiện tạo thành. Cho nên những đám mây sẽ thể hiện bản

chất của những quá trình lý hóa khác nhau xảy ra trong khí quyển. Khả năng nhận

biết những loại mây khác nhau và hiểu được điều kiện kết hợp giữa chúng cho phép

dự báo các biến chuyển của thời tiết tương lai [1, 2].

Mặc dù hình dạng của các đám mây là vô cùng phong phú, nhưng trong ngành

khí tượng học phân chúng thành các loại khác nhau cơ bản như sau. Những đám mây

được chia thành 3 nhóm theo những nét đặc trưng riêng biệt và độ cao phần bố của

chúng so với mực nước biển. Đó là mây tầng cao, mây tầng trung và mây tầng thấp.

Bảng 2.2 dưới đây cho thấy độ cao của những đám mây so với mặt nước biển thay

đổi phụ thuộc vào vĩ độ và vị trí của chúng. Nguyên nhân chủ yếu của sự thay đổi

này đó là do sự khác nhau về nhiệt độ giữa các vùng này.

Bảng 2.2: Phân nhóm các tầng mây chủ yếu [15, 2].

Nhóm mây Vùng nhiệt đới Vùng ôn đới Vùng cực

6 đến 18km 5 đến 13km 3 đến 8km Tầng cao

2 đến 8km 2 đến 7km 2 đến 4km Tầng trung

Dưới 2km Dưới 2km Dưới 2km Tầng thấp

Trong Bảng 2. 3 chúng tôi đưa ra bảng phân hạng mây quốc tế theo hình dạng

bề ngoài và độ cao của mây có vai trò ảnh hưởng tới khí hậu của Trái đất. Với mục

đích là dự đoán những thay đổi trong hệ thống khí hậu thì yêu cầu cần phải theo dõi

và nâng cao sự hiểu biết về sự phân bố toàn cầu của các loại mây cũng như các đặc

trưng vĩ mô và vi mô của chúng cũng như những tác động của mây tới khí hậu khu

vực, khí hậu toàn cầu.

Bảng 2.3: Phân hạng mây quốc tế theo hình dạng và độ cao của mây [15, 1, 2].

Độ cao trung bình Hạng mây

Ký hiệu chân mây ở vĩ độ Tên gọi bằng tiếng việt Tiếng La tinh trung bình (km)

Họ mây tầng thấp (độ cao chân mây dưới 2 km)

Mây tầng - tích Stratocumulus Sc 0,3 - 1,5

Mây tầng Stratus St 0,05 - 0,5

Mây vũ - tầng Nimbostratus Ns 0,1 - 1,0

Họ mây phát triển thẳng đứng (độ cao chân mây dưới 2 km)

Cu 0,3 - 1,5 Mây tích Cumulus

Cb 0,4 - 1,0 Mây vũ - tích Cumulonimbus

Họ mây tầng trung (độ cao chân mây 2-6 km)

Ac 2 - 6 Mây trung - tích Altocumulus

As 3 - 5 Mây trung - tầng Altostratus

Họ mây tầng trên (trên 6 km)

Ci 7 - 10 Mây Ci Cirrus

Cc 6 - 8 Mây Ti- tích Cirrocumulus

Cs 6 - 8 Mây Ti- tầng Cirrotratus

Việc nghiên cứu về cấu trúc mây cũng như mối liên hệ giữa chúng và khả năng

dự đoán sự biến đổi khí hậu trong tương lai là vấn đề phức tạp bởi hai lý do cơ bản.

Thứ nhất, chúng ta biết quá trình hình thành các đám mây là rất nhanh, quá trình đó

diễn ra trong thời gian ngắn và không gian mang đặc trưng địa phương bởi thế nó

mang các đặc trưng thay đổi của tự nhiên khu vực. Thứ hai, tác nhân gây ra từ các

quá trình tạo bởi con người ngày càng nhiều và ảnh hưởng trực tiếp tới khí hậu của

Trái đất. Bởi vậy chúng ta cần nghiên cứu tất cả cơ chế của sự thay đổi khí hậu do

nguyên nhân từ các quá trình hóa lý tác động tới sự hình thành và biến mất của các

đám mây...[2]

Trong các đối tượng được nghiên cứu thuộc tầng khí quyển của Trái đất, đặc

biệt là tầng đối lưu, thì mây là yếu tố được đặc biệt chú ý và được nghiên cứu nhiều

nhất. Những kết quả nghiên cứu đó có tính thống kê cho phép sử dụng trong nhiều

lĩnh vực ứng dụng khác nhau. Sự hiểu biết về tầng khí quyển bao quanh Trái đất cũng

như về mây cho tới thời điểm hiện tại là khá đầy đủ cho phép chúng ta có thể dự báo

sự thay đổi thời tiết mang tính địa phương cũng như trên phạm vi toàn cầu trong một

thời gian dài (hiện nay theo mô hình dự báo của NASA có thể dự báo thời tiết trước

32 tháng) [1, 2, 15].

Quan sát mây trong ngành Khí tượng là cực kỳ quan trọng trong việc dự báo

thời tiết phục vụ hoạt động của con người trong đó có hoạt động liên quan mật thiết

là vận chuyển đường không và đường thủy…[1]. Chương trình quan sát mây bao

gồm: phân định dạng mây, lượng mây tổng quan, lượng mây tầng thấp và mây phát

triển thẳng đứng, vị trí phân bố tầng mây theo độ cao… Để phân định đúng dạng mây

cần Atlat mây chuyên dụng. Lượng mây tổng quan ước lượng bằng mắt hoặc bằng

ảnh chụp vệ tinh. Trong giới hạn luận văn, chúng tôi mô tả ngắn gọn về hình dạng

các loại mây, đặc điểm của các loại mây thường gặp và trình bày chi tiết hơn về mây

Ti tầng cao (hình dạng, vị trí phân bố vai trò của lớp mây Ti tới tầng khí quyển và

các vấn đề khí hậu cũng như quá trình hình thành lớp mây này) [1, 2].

Trong tầng đối lưu, tầng khí quyển tính từ mặt đất lên độ cao khoảng 18 km,

sự hiện diện và vai trò của các lớp mây đối với Trái đất là rất quan trọng. Sự tồn tại

của chúng và những hiểu biết đầy đủ về nó là vấn đề phức tạp cần nhiều công sức tìm

hiểu và nghiên cứu chi tiết. Ở đây, tôi đưa ra những thông tin khái quát về các loại

mây, sự hình thành và các đặc trưng vật lý cơ bản đối với mây Ti. Trong khoảng

không gian thuộc tầng đối lưu và lớp dưới của tầng bình lưu, mây Ti tồn tại trong

khoảng không từ mặt đất tới khoảng cách 18 km, được chia làm 3 phân tầng cơ bản

và có những loại mây tương ứng như trong Hình 2.3.

Mây Ti(Cirrus)

Mây Titích (Cirrocumulus)

Mây Titầng (Cirrostratus)

Hình 2.3: Phân bố các loại mây trong tầng đối lưu theo hiệp hội khí tượng thế

giới MWO [16, 2].

Phân tầng đầu tiên với độ cao dưới 2 km có hai hình thái mây cơ bản dạng

đám (cumulus) và dạng tầng (stratus), chúng thường tồn tại ở thể dày, đặc hơn nhiều

so với các lớp mây tại những phân tầng khác và được chia thành 5 loại khác nhau:

Mây tầng tích, mây vũ tầng, mây tích, mây tầng và mây vũ tích [16, 2]:

- Mây tầng tích (Stratocumulus - Sc): Có độ cao trung bình khoảng từ 300-

1000 m, là những lớp hoặc cuộn khá lớn. Những đám mây Sc nhỏ nhất có đường kính

góc của chúng lớn hơn 5 độ và thường có màu xám, hợp thành từng đám, nhóm, đỉnh

thường dẹt. Đám, màn hoặc lớp mây xám hoặc trắng nhạt, gần như bao giờ cũng có

bộ phận tối, gồm những khối tròn, cuộn hình bàn cờ không có dạng sợi, đa số phần

tử mây sắp xếp đều có bề rộng biến thiên lớn hơn 5 độ [16, 2].

Hình 2.4: Một số hình ảnh Mây tầng tích [17, 2].

- Mây vũ tầng (Nimbostratus - Ns): Có độ cao trung bình khoảng từ 100-

1000km, có dạng là một lớp thấp hoàn toàn không định hình có màu xám, thường tối

do nó khá dầy đủ để che khuất Mặt trời, mây này cho mưa thường liên tục nhưng

không lớn. Mây Ns có dạng đều và thường nhìn thấy có cảm giác được chiếu sáng từ

bên trong. Mây này hay gây mưa kéo dài, ở các vùng ôn đới chúng thường cho mưa

tuyết. Mây Ns cũng gây ảnh hưởng đến tầm nhìn của hoạt động bay khi bay xuyên

mây [2, 15, 16].

Hình 2.5: Một số hình ảnh Mây vũ tầng [17, 2].

- Mây tích (Cumulus - Cu), như hình 2.6: Có độ cao trung bình khoảng từ 300-

1500m, là những đám mây dày đặc khá tách biệt, phát triển đối lưu theo chiều thẳng

đứng với những đỉnh hình vòm tròn, hoặc tháp với những chỗ lùi sùi lên trên tựa hoa

cải và chân mây hầu như nằm ngang và tương đối đen. Mây Cu được cấu tạo bởi

những giọt nước. Những phần đám mây được Mặt trời chiếu sáng có vẻ trắng sáng

chói, ở phía đối diện thì đám mây tối. Thông thường đám mây có đường viền rõ nét

và cho mưa rào.

Hình 2.6: Một số hình ảnh Mây tích [2, 19].

- Mây tầng (Stratus - St), như hình 2.7: Có độ cao trung bình khoảng từ 50-

500 m, là là một lớp mây đồng nhất không có đường viền nhất định, giống như sương

mù được nâng lên trên mặt đất có màu xám. Mây này chủ yếu xuất hiện ở miền bắc

Việt Nam và hình thành vào buổi sáng trong mùa đông và xuân, mây này cho mưa

phùn ở miền bắc. Mây St gây trở ngại lớn cho tầm nhìn ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt

động bay ở tầng thấp.

Hình 2.7: Một số hình ảnh Mây tầng [2, 20]

- Mây vũ tích (Cumulonimbus - Cb), như hình 2.8: Có độ cao trung bình

khoảng từ 400-1000km, là những khối mây tích dày đặc có độ phát triển lớn, dữ dội

theo chiều thẳng đứng, nhô lên thành hình những trái núi và những ngọn tháp cao đến

hàng kilomet. Phần trên của mây Cb được cấu tạo bởi những tinh thể băng. Nhiều

khi chúng có kiến trúc sợi dạng gọi là đe hoặc bó hoa. Mây Cb cho mưa lớn, mưa rào

to và có kèm theo rông sấm chớp. Mây Cb gồm những hạt nước và riêng ở bộ phận

trên bằng tinh thể đá. Mây vũ tích là loại mây nguy hiểm sinh ra mưa lớn và sấm sét

ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của con người.

Hình 2.8: Một số hình ảnh Mây vũ tích [2, 21]

Lên tới phân lớp trên, độ cao từ 2 km tới 6 km, cũng tồn tại hai dạng chủ yếu

là dạng đám và dạng tầng nhưng với kích thước nhỏ và mật độ các thành phần cấu

thành thấp hơn nên chúng ta thấy “mờ” hơn những đám mây ở tầng thấp. Chúng được

chia thành 2 loại: Mây trung tích và mây trung tầng

- Mây trung tích (Altocumulus - Ac), như hình phía dưới: Độ cao trung bình

mây này từ 2-6km so với mặt đất, mây trung tích gồm có một lớp rộng lớn, những

khối cầu có khả năng kết hợp với nhau. Những mảng hoặc khối cầu này có thể biến

đổi độ dày và màu sắc từ ánh sáng trắng đến xám đậm. Chúng có thể xuất hiện thành

những mảng riêng biệt tương tự như mây Titích, nhưng nói chung có thể phân biệt

chúng bởi những mảng riêng lẻ lớn hơn. Nếu mây trung tích sẫm lại và thấp hơn, thì

nó có thể gây ra sấm sét và những cơn mưa rào, nhưng nó không mang đến thời tiết

xấu kéo dài.

Hình 2.9: Một số hình ảnh Mây trung tích [2, 21]

- Mây trung tầng (Altostratus - As), như hình 2. 10: Độ cao trung bình mây

này từ 3-5km, chúng xuất hiện với màu xám xám hoặc xanh xanh, dải hay màn có

thớ. Khi Mặt Trời hoặc Mặt Trăng bị che khuất bởi những đám mây này, sẽ xuất hiện

quầng chung quanh nó như thể nó được chiếu sáng xuyên qua kính mờ. Những quầng

sáng không được tạo thành. Nếu những đám mây này sẫm lại và thấp hơn, hoặc nếu

thấp, những đám mây lướt nhanh qua hoặc những đám mây vũ tầng (Nimbostratus)

tạo thành bên dưới nó, mưa hoặc tuyết rơi liên tục có thể xảy ra trong vòng vài giờ.

Hình 2.10: Một số hình ảnh Mây trung tầng [2, 19]

Ở tầng trên cùng, độ cao trên 6 km và tính tới hết tầng đối lưu, sự hiện diện

của mây Ti và phổ biến nhất là 3 hình dạng cơ bản: một dạng như là các lớp mỏng

rất dài được gọi là mây Ti (Cirrus), một dạng hình thành từng đám gồm các bông nhỏ

(Cirrocumulus) và dạng gồm nhiều dải ngắn chồng lên nhau (Cirrotratus) [1]:

- Mây Ti tích (Cirrocumulus - Cc): Độ cao trung bình khoảng từ 6-8km, mây

Titích là một lớp hoặc những rặng gồm nhiều nắm nhỏ, lổn nhổn hoặc cầu trắng

không có bóng. Đôi khi chúng có dạng những nếp răn hoặc vết gợn như trên bãi cát

bờ biển. Mây Ti tích được cấu tạo bởi các tinh thể băng, mây này cũng không gây

nguy hiểm, không ảnh hưởng đến hoạt động bay.

Hình 2.11: Một số hình ảnh Mây Ti tích [1, 2, 22]

- Mây Ti tầng (Cirrotratus - Cs), như trong hình 2.12: Độ cao trung bình

khoảng từ 6-8km, mây Titầng có hình dạng giống như một màng mỏng trong suốt,

trắng đục, đôi khi che phủ cả bầu trời. Nó được cấu tạo bởi tinh thể băng, không thể

nhìn thấy rõ rệt Mặt trời, Mặt trăng qua lớp mây này, mây này không ảnh hưởng đến

tầm nhìn ngang cũng như không gây mưa.

Hình 2.12: Một số hình ảnh Mây Ti tầng [2, 23].

- Mây Ti (Cirrus – Ci hay Ti): Độ cao trung bình khoảng từ 7-10 km, mây Ti

(tiếng La tinh Ti nghĩa là tua cuốn) là một kiểu mây có dạng đặc trưng là các dải

mỏng, tương tự như nắm hay túm tóc hay đám lông vũ; thường được kèm theo là các

búi hay chùm, hình đuôi ngựa. Đôi khi các đám mây Ti trải rộng đến mức chúng ta

không thể phân biệt được từng đám khác nhau bằng mắt thường. Bao giờ mây Ti

cũng cấu tạo bởi những tinh thể băng, mây Ti không gây nguy hiểm cho hoạt động

bay và không gây mưa [1, 2].

Hình 2.13: Một số hình ảnh về Mây Ti [2, 24].

Trong điều kiện khí hậu Việt Nam có sự phân hóa rõ rệt về 3 miền khác nhau,

do vậy việc quan sát mây Ti ở các miền là khác nhau. Khí hậu Miền Bắc có rất ít ngày

trời trong, mây Ti chỉ có thể quan sát bằng mắt thường vào những ngày hè trời nắng

bầu trời trở nên trong xanh và có lẽ dễ quan sát hơn cả là vào những thời điểm sau

các cơn mưa rào. Còn đối với Miền Trung và Miền Nam, số ngày nắng nóng tương

đối nhiều trong năm, nên có nhiều ngày trời trong và cơ hội quan sát thấy mây Ti sẽ

nhiều hơn.

Theo các kết quả nghiên cứu cho thấy sự hiện diện của mây Ti là phổ biến và

mật độ bao phủ của chúng trên bề mặt khí quyển Trái đất là khoảng 30% [1]. Do đó

mây Ti tầng cao sẽ đóng vai trò quan trọng đảm nhiệm chức năng hấp thụ bức xạ

nhiệt từ Trái đất và phản xạ bức xạ đi tới từ Mặt trời. Vì thế, mây Ti trở thành tấm áo

ngoài của tầng đối lưu đóng vai trò bảo vệ Trái đất và có ảnh hưởng trực tiếp tới khí

hậu của Trái đất.

Mây Ti được hình thành khi hơi nước đóng băng thành các tinh thể băng tại

các cao độ trên 6.000 m, ở độ cao đó nhiệt độ thường dưới 0oC. Do độ ẩm khá thấp

tại các cao độ lớn nên các lớp mây Ti có xu hướng là rất mỏng. Ở cao độ này, các

máy bay đi qua thường để lại các dấu vết ngưng tụ (khói thải ra hoặc chính là sự biến

động của khối khí để lại sau khi máy bay đi qua) mà chúng có thể chuyển thành mây

Ti. Điều này xảy ra khi khí nóng thoát ra có chứa nước và hơi nước đó bị đóng băng,

để lại dấu vết nhìn thấy. Các vệt dấu vết này có thể ở dạng thẳng khi không có sự

nhiễu loạn đột ngột, khi có sự nhiễu loạn đột ngột vì nguyên nhân nào đó sẽ làm cho

mây xuất hiện dưới dạng móc cong hay dấu phẩy (Cirrocumulus), hay một mớ lộn

xộn - chỉ thị về nhiễu loạn ở mức cao [1, 2].

2.1.3. Vai trò của mây Ti đối với khí quyển tầng đối lưu

Tồn tại ở lớp trên cùng của tầng đối lưu, từ độ cao trên 6 km, Mây Ti xuất hiện

ở khắp nơi trên bề mặt Trái đất, tất cả các vĩ độ cả trên đất liền và đại dương, và có ở

tất cả các mùa trong năm. Theo nhiều nghiên cứu thống kê thì tổng diện tích bao phủ

của loại mây này chiếm khoảng 30% tổng diện tích bề mặt của khí quyển Trái đất.

Mây Ti biến đổi liên tục về hình dạng, kích thước, kết cấu và vị trí. Mây Ti đóng vai

trò hấp thụ năng lượng bức xạ nhiệt (vùng bước sóng dài) từ mặt đất - tạo hiện tượng

nhà kính, đồng thời phản xạ những bức xạ nhận từ phía Mặt trời. Sự phản xạ, hấp thụ

bức xạ phụ thuộc vào quy mô, vị trí, độ dày và kích thước và hình dạng các tinh thể

băng. Như vậy, đóng vài trò lớp áo ngoài cùng bảo vệ Trái đất, tầng mây Ti luôn đóng

một vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình bức xạ năng lượng xảy ra ở lớp khí

quyển tầng thấp của Trái đất. Với sự che phủ của mây Ti khoảng 30% bề mặt toàn bộ

trái đất, thể hiện vai trò và sự ảnh hưởng lớn của mây Ti trong tầng đối lưu. Ở các

vùng nhiệt đới, các kết quả đo đạc cho thấy sự che phủ của mây Ti lên tới 70% [1, 2].

Hình dạng của các tinh thể băng trong mây Ti tương đối phong phú: hình trụ

(đặc hoặc rỗng), dạng tấm, dạng hoa hồng, hay hỗn hợp… với kích thước từ hàng

chục micromet đến hàng ngàn micromet. Ở vùng nhiệt đới mây Ti có thể mở rộng

đến độ cao 15 - 18 km, kích thước của các tinh thể băng khi đó khá lớn khoảng từ 10-

2000 µm, kích thước tinh thể băng lớn có liên quan đến nhiệt độ cao hơn, các giai

đoạn phát triển của đám mây phụ thuộc vào quá trình đối lưu. Ở vùng ôn đới, các tinh

thể băng có kích thước nhỏ hơn vùng nhiệt đới. Ở Bắc cực các tinh thể băng có kích

thước lớn hơn 40 µm, còn ở Nam cực kích thước của tinh thể băng cũng nhỏ hơn nữa.

Như vậy, kích thước tinh thể băng trong mây Ti có sự thay đổi đáng kể khi đi từ vùng

nhiệt đới đến các những vùng cực, khi nhiệt độ càng lớn kích thước tinh thể băng

càng lớn và ngược lại. Điều này cũng khá dễ hiểu bởi năng lượng Mặt trời cung cấp

cho quá trình đối lưu và lượng hơi nước ở vùng xích đạo dồi dào hơn, do đó quá trình

hình thành mây diễn ra mạnh mẽ và nhanh hơn. Vì đó mà kích thước và trữ lượng

của hơi nước đóng góp trong các tinh thể băng là lớn hơn. Ngoài sự khác nhau về

kích thước, hình dạng của các tinh thể băng của mây Ti tại các vùng khác nhau. Thông

qua phép đo tán xạ ngược của kỹ thuật Lidar và quan sát sự phân cực qua vệ tinh đã

cho thấy sự phong phú về hình dạng và kích thước của các tinh thể băng trong mây

Ti sẽ thay đổi theo các vùng khác nhau. Qua đó cũng cho thấy có mối quan hệ mật

thiết giữa hình dạng và kích thước của các tinh thể băng trong mây Ti với khí hậu tại

địa phương [1, 2].

Độ cao, độ dày, mật độ che phủ của mây Ti và những đặc trưng vi mô của mây

như: mật độ tinh thể băng, hàm lượng nước và kích thước hạt tinh thể…sẽ là những

thông số quan trắc có nhiều ý nghĩa đánh giá về mức độ ảnh hưởng của lớp mây Ti

đối với các đối tượng còn lại trong tầng đối lưu và có ý nghĩa với đối với mô hình dự

báo thời tiết [1, 2].

Vì vậy, mây Ti đóng vai trò là mắt xích của chu trình tuần hoàn nước, là đối

tượng mang năng lượng lớn nhất có được từ năng lượng bức xạ của Mặt trời do đó

hoạt động của mây Ti giữ vai trò thúc đẩy quá trình biến đổi năng lượng bức xạ tiếp

theo xảy ra trong khí quyển. Những đặc trưng của mây Ti cho phép xây dựng nên mô

hình dự báo sự thay đổi thời tiết cho từng khu vực cũng như biến đổi khí hậu của Trái

đất [1, 2].

Sự tồn tại một lượng lớn mây Ti có thể là dấu hiệu cho sự tới gần của hệ thống

giông hay nhiễu loạn không khí ở phía trên. Điều này thường có nghĩa là thời tiết sẽ

thay đổi, nói chung dễ trở nên có giông tố hơn trong phạm vi 24 giờ. Mây Ti cũng có

thể là dấu tích sót lại của giông tố. Một màn chắn lớn gồm cả mây Ti (lớp ngoài trên

6 km) và mây Ti tầng (trong phân tầng thứ hai với độ cao từ 2 – 6 km) thường là sự

xuất hiện của những khối khí đối lưu với tốc độ cao của các cơn bão mạnh [1, 2].

2.2 Kỹ thuật Lidar

Hệ Lidar khảo sát mây Ti tầng cao do Viện Vật lý xây dựng sử dụng quan trắc

tại Hà Nội có sơ đồ khối nguyên lý thể hiện trong Hình 2.14. Hệ Lidar có thể ghi

nhận tín hiệu đàn hồi đối với bức xạ kích thích tại bước sóng 532 nm, 1064 nm và

ghi nhận tín hiệu tán xạ phi đàn hồi của Nitơ tại bước sóng 607 nm ứng với dịch

huyển Raman dao động quay khi kích thích bằng bước sóng 532 nm. Trong khuôn

khổ luận văn, chúng tôi sử dụng laser có bước sóng kích thích 532nm và chủ yếu ghi

nhận tín hiệu loại tán xạ đàn hồi tại bước sóng đó.

Hình 2.14: Sơ đồ khối hệ Lidar xây dựng tại Viện Vật lý [1].

Ghi nhận tín hiệu quang yếu có thể sử dụng các photodiode, các ống nhân

quang điện (PMT) hay các diot quang kiểu thác lũ (APD). Với các PMT hay các APD

hoạt động trong chế độ Geiger có thể ghi nhận từng photon đơn lẻ, độ nhạy của đầu

thu là rất cao. Kỹ thuật đếm photon độ nhạy cao và được sử dụng khi tín hiệu tán xạ

ngược về yếu, ví dụ trong trường hợp cường độ tán xạ yếu (hiệu ứng tán xạ Raman)

hay như trong trường hợp vùng cần nghiên cứu ở khoảng cách quá xa. Số photon đếm

được trong một đơn vị thời gian sau khi xung laser phát đi được ghi nhận lại thấp.

Đối với xung laser có độ rộng là ∆t khi đó độ phân giải không gian tương ứng là ∆R

= c.∆t/2 với c là vận tốc ánh sáng trong môi trường quan trắc, và hệ số ½ là do ánh

sáng đi một vòng gồm cả chiều đi và chiều trở lại. Ví dụ đối với các tín hiệu được ghi

nhận từ xung laser có độ rộng là 100 ns khi đó độ phân giải không gian tương ứng sẽ

là 15 m. Tùy thuộc đối tượng khảo sát và yêu cầu của thông số quan trắc mà độ phân

giải không gian cần đạt tới độ chính xác là không giống nhau.

2.2.1. Khối phát

Cấu trúc của hệ Lidar phân cực, Raman nhiều bước sóng thể hiện trong hình

2.14. Khối phát của hệ Lidar là chùm tia laser đi qua một bản λ/2 cho phép điều

chỉnh phương phân cực của chùm tia phát, bản phân cực này sẽ được sử dụng để

chuẩn trực 2 kênh trong quá trình thiết lập hệ đo ở chế độ thu nhận tín hiệu phân

cực. Tia laser đi qua bản phân cực sẽ được chuyển hướng từ phương ngang thành

phương thẳng đứng nhờ một gương phẳng đặt nghiêng 45o.

Bảng 2.4: Các thông số đặc trưng khối phát của hệ Lidar Raman nhiều bước

sóng [1].

ĐẶC TRƯNG KHỐI PHÁT

Bước sóng phát 532 nm Ý nghĩa

Tần số 10 Hz Tần số phát xung của laser

Xét tại vị trí năng lượng bằng 1/e2 năng lượng

Góc mở của tia laser 0,5 mrad đỉnh xung, tương ứng 85% tổng năng lượng

chùm tia

Đường kính chùm 6 mm Xét tại trường gần của chùm tia laser

Tỉ số phân cực chùm > 90% Theo phương đứng

Tính hội tụ chùm < 2 Giới hạn nhiễu xạ thời gian tại mức cường độ 1/e2 đỉnh xung.

0,7 Theo phân bố Gauss (đối với trường gần 1m) Tính không gian 0,95 Đối với trường xa cách 2m

Năng lượng xung 180 mJ Sử dụng đầu đo công suất

Năng lượng đỉnh ±4 (1,3)

Độ dịch năng lượng ±3% Do yếu tố nhiệt độ BCH gây ra

Độ rộng xung ~4 ns FWHW, sử dụng diode nhanh 1GHz

Độ rộng vạch 1,4 cm-1 Sử dụng phổ kế cách tử với độ chính xác: 0,045cm-1

So sánh với trigger và lấy trung bình của 500 Độ Jitter ± 0,5 ns xung

Sử dụng Spiricon LBA-100 đo với 200 xung Tính ổn định điểm < 50 mrad tại mặt phẳng tiêu của thấu kính f = 2m

2.2.2. Khối thu

Trong Hình 2.15 là hệ Lidar phức hợp được xây dựng và phát triển tại Viện

Vật lý năm 2010 sử dụng laser công suất cao hoạt động ở bước sóng họa ba bậc hai

532 nm. Với khối thu có thể hoạt động ở cả hai chế độ tương tự và đếm photon trên

tất cả 4 kênh đo hoạt động độc lập và đồng thời: kênh đo trường gần sử dụng telescope

100 mm, kênh đo Raman Nitơ và hai kênh phân cực đo tín hiệu đàn hồi thu nhận từ

telescope 250 mm. Với mục đích khảo sát của hệ có thể đồng thời khảo sát đối tượng

ở trường xa nhờ sử dụng telescope đường kính 250 mm kết hợp sử dụng telescope

đường kính 100 mm khảo sát đối tượng trường gần. Telescope nhỏ quan trắc trường

gần được đặt cách chùm laser (30 cm) gần hơn so với telescope lớn (cách chùm laser

80 cm) đo trường xa. Khoảng cách giữa ống kính quang học và chùm laser sẽ ảnh

hưởng trực tiếp tới hàm chồng chập và có tác dụng giảm tín hiệu trường gần trong

trường hợp muốn quan trắc đối tượng ở xa. Trong hệ quang thu nhận chúng tôi thiết

kế hệ ở chế độ thu tín hiệu Raman kết hợp với phép đo tín hiệu đàn hồi trên 2 kênh

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].

phân cực của son khí trường xa và tín hiệu đàn hồi trên son khí trường gần [1].

Khối thu của hệ Lidar: gồm một ăng ten quang học (telescope) cho phép thu

nhận tín hiệu quang với bước sóng lọc lựa nhờ một phin lọc tại bước sóng mong muốn

với độ rộng băng thông thường dưới 3 nm. Tiếp đó tín hiệu quang được chia thành

hai chùm với phương phân cực vuông góc với nhau, một phương song song với

phương phân cực của chùm tia laser phát và một chùm có phương phân cực vuông

góc với phương phân cực của chùm tia phát. Sau đó tín hiệu quang được chuyển đổi

thành tín hiệu điện thông qua hai PMT hoạt động tại bước sóng 532 nm và sau đó

chuyển sang tín hiệu số nhờ một dao động ký kết nối qua cổng USB với máy tính,

nhờ chương trình ghi nhận, được lập trình bằng ngôn ngữ Labview cho phép lưu dữ

dưới dạng file .txt. Các thông số kỹ thuật đặc trưng của khối thu được trình bày trong

Bảng 2.5.

Bảng 2.5: Các thông số đặc trưng khối thu của hệ Lidar Raman& đàn hồi [1].

ĐẶC TRƯNG KHỐI THU

Loại kính thiên Cassegrain LX200 Hãng sản xuất Meade - USA văn EMC

Tiêu cự 2000 mm Loại: Schmidt – Cassegrain

Khẩu độ f/10

Đường kính 203.2 mm

ĐẶC TRƯNG ĐẦU THU QUANG ĐIỆN

R7400U- hoạt động cả ở chế độ tương tự Đầu thu PMT Hamamatsu và đếm photon kênh 532 nm

ĐẶC TRƯNG BỘ CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU VÀ CHƯƠNG TRÌNH GHI

NHẬN VÀ XỬ LÝ

3 kênh tốc độ lấy mẫu 20 Ms/s, nhiễu Picoscope 4000 ADC 12 bit thấp, giao tiếp với máy tính thông qua series cổng USB

Ghi nhận tín hiệu và lưu dữ dưới dạng Chương trình ghi Labview file .txt, có hai chế độ hoạt động: tương tín hiệu tự và đếm photon

Xử lý tín hiệu từ file .txt thông qua các Chương trình xử Matlab chương trình sử dụng hàm nhúng tìm các lý tín hiệu đặc trưng quang học

2.2.3. Kỹ thuật đo tương tự

Trong trường hợp tín hiệu quang tới PMT với mật độ photon trên một đơn vị

thời gian lớn thì các electron quang điện phát ra từ cathode tỉ lệ và rất lớn. Khi đó,

khoảng thời gian trung bình giữa các xung là hẹp hơn độ rộng của các xung hoặc

mạch xử lý tín hiệu không đủ nhanh thì các xung sẽ chồng chập lên nhau và dòng

điện tử cuối cùng chúng ta thu được trên anode sẽ là liên tục khác không, khi đó PMT

hoạt động ở chế độ tương tự (analog mode). Tín hiệu thu được ở lối ra là sự chồng

chập cả những xung tín hiệu và xung nhiễu [1].

2.2.4. Kỹ thuật đếm photon

Khi ánh sáng tới có cường độ thấp coi như các photon bay tới cathode là tách

biệt, khi đó xung điện tương ứng là tín hiệu ra ở anode cũng sẽ rời rạc, hệ đếm hoạt

động ở chế độ đếm xung riêng biệt - chế độ đếm photon. Số xung tín hiệu ra tỉ lệ trực

tiếp với số lượng photon tín hiệu tới. Chế độ đếm photon có những ưu điểm vượt trội

hơn chế độ tương tự bởi tỉ số tín hiệu trên nhiễu và độ ổn định cao hơn. Việc xác định

các xung này thông qua một quá trình xử lý số nên chế độ đếm photon được xem như

một chế độ số [1].

Hệ lidar hoạt động ở chế độ tương tự được áp dụng với các phép đo thực hiện

trong điều kiện ban ngày, khi cường độ nhiễu nền lớn, đồng nghĩa công suất phát

laser phải lớn. Ngược lại khi hệ hoạt động ở chế độ đếm photon sẽ chỉ áp dụng quan

trắc khí quyển ở điều kiện nền nhiễu thấp, vào thời gian không có Mặt trời, công suất

laser nhỏ và ống nhân quang điện (PMT) hoạt động ở chế độ có hệ số khuếch đại lớn

cỡ x106. Ưu điểm nổi trội của kỹ thuật lidar đếm photon đã được khẳng định (về độ

nhạy, khả năng giảm nền nhiễu, tăng chất lượng tín hiệu đo, khoảng xa có thể quan

trắc được) vì lý do đó hầu hết các hệ Lidar đời mới hiện này đều hoạt động ở chế độ

đếm photon. Vậy câu hỏi đặt ra là làm sao có thể nâng cấp để hệ đo có thể hoạt động

ở chế độ đếm photon trong điều kiện nền nhiễu lớn? Để trả lời câu hỏi đó chúng ta

có thể cải tiến cơ cấu quang hệ thu nhận. Bằng cách giảm nền nhiễu bằng phin lọc

trung tính. Khi giảm nền nhiễu đồng nghĩa cũng sẽ giảm cường độ tín hiệu, vậy chúng

ta sẽ đồng thời phải tăng cường độ laser kích thích thì mới có thể thỏa mãn cả hai

điều kiện trên [1].

2.3. Xử lý số liệu xác định các đặc trưng cơ bản của mây Ti

 Xác định độ cao đỉnh, đáy lớp mây Ti tầng cao

Trong thực nghiệm có nhiều phương pháp để xác định độ cao đỉnh của lớp son

khí bề mặt cũng như độ cao của lớp mây Ti tầng cao. Một trong các phương pháp phổ

biến là: phương pháp đạo hàm – gradient, đưa ra bởi nhóm tác giả Flamant [28, 29],

phương pháp phân tích sự thay đổi được đưa ra bởi nhóm Hooper and Eloranta [30],

hay như phương pháp đánh giá phương sai của nhóm tác giả Brooks [31].

Xuất phát từ phương trình lidar đàn hồi tổng quát [32, 33, 34]:

𝑧 0

](2.1) 𝑃(𝑧) = 𝑃𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟. 𝐶. 𝐴. 𝑂(𝑧). 𝑍−2[𝛽𝑎(𝑧) + 𝛽𝑚(𝑧)]exp⁡[−2 ∫ [𝜎𝑎(𝑧) + 𝜎𝑚(𝑧)]𝑑𝑧

Chuẩn hóa tín hiệu theo khoảng cách đo và các tham số đặc trưng của hệ ta có

biểu thức sau:

𝑧 0

𝑃(𝑧).𝑍2 𝑃𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟..𝐶.𝐴.𝑂(𝑧)

] 𝑋(𝑧) = = [𝛽𝑎(𝑧) + 𝛽𝑚(𝑧)]exp⁡[−2 ∫ [𝜎𝑎(𝑧) + 𝜎𝑚(𝑧)]𝑑𝑧

(2.2)

Khi đó hàm X(z) là một hàm tỉ lệ trực tiếp với mật độ son khí và phân tử khí

tại khoảng đo z. Chương trình số chuẩn hóa tín hiệu lidar về dạng 3.2 được viết code

theo thứ tự lần lượt trong phần phụ lục 2.1, 2.2, 2.3, 2.4.

Theo khái niệm về vị trí đỉnh của lớp son khí bề mặt là điểm uốn gây ra sự tụt

dốc mạnh của mật độ son khí kể từ mặt đất. Vậy đơn giản chúng ta lấy đạo hàm biểu

∆𝑋

thức X(z) theo đối số z như sau:

∆𝑧

𝑑𝑧

) (2.3) = min (𝑑𝑋(𝑧) H(𝑧ℎ) =

Tại vị trí zh thảo mãn phương trình 3.3 chính là tọa độ đỉnh lớp son khí bề mặt

được xác định theo phương pháp gradient được nhóm tác giả Flamant đưa ra. Cụ thể

hơn như trong Hình 2.16 chúng ta thấy đặc điểm tín hiệu và đồ thị hàm xác định vị

trí đỉnh lớp son khí theo phương pháp gradient. Code chương trình viết cho phương

pháp gradient được nhóm tác giả viết trong phụ lục 2.6.

)

m k ( o a c ộ Đ

Hình 2.16: a): Khoảng không gian tín hiệu đàn hồi đã chuẩn hóa theo khoảng cách

tương ứng đạt cực tiểu tại vị trí đỉnh lớp son khí [35].

đo sụt giảm mạnh nhất được hiểu là vị trí đỉnh của lớp son khí bề mặt, b): Đồ thị hàm H(z)

Với mây Ti chúng ta cũng tiến hành các bước tương tự, đáy của lớp mây là

đỉnh cực đại và đỉnh của lớp mây là vị trí cực tiểu trong biểu thức lấy đạo hàm đó.

Chương trình Matlab được trình bày trong phần phụ lục 2.6. Kết quả xác định phân

bố độ cao đỉnh lớp son khí tầng thấp đã được nhóm công bố trong bài báo [36] năm

2012 và độ cao lớp mây Ti tầng trên được công bố t

rong bài báo [37] cùng năm đó.

 Xác định độ sâu quang học của lớp mây Ti

Chúng ta xuất phát từ phương trình lidar tổng quát 3.1 trong đó tích phân:

𝑧 0

(2.4) ⁡ 𝜏 = ∫ [𝜎𝑎(𝑧) + 𝜎𝑚(𝑧)]𝑑𝑧

Được hiểu là độ sâu quang học của lớp khí nằm trong khoảng từ o tới khoảng

cách đo z. Trị số của biểu thức sau được hiểu là Hiểu là hệ số truyền qua của tín hiệu

trong khoảng cách z [32]:

𝑧 0

] (2.5) 𝑇 = 𝑒𝑥𝑝[−2 ∫ [𝜎𝑎(𝑧) + 𝜎𝑚(𝑧)]𝑑𝑧

Mã chương trình xác định độ sâu quang học của son khí theo tín hiệu lidar

trong khoảng đo được trình bày chi tiết trong mục lục 2.6.

 Xác định hệ số tán xạ ngược của lớp mây Ti từ tín hiệu lidar đàn hồi

Chúng ta xuất phát từ phương trình lidar đàn hồi sau [32]:

𝑧 0

] 𝑃(𝑧) = 𝑃𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟. 𝐶. 𝐴. 𝑂(𝑧). 𝑍−2[𝛽𝑎(𝑧) + 𝛽𝑚(𝑧)]exp⁡[−2 ∫ [𝜎𝑎(𝑧) + 𝜎𝑚(𝑧)]𝑑𝑧

(2.6)

Từ đó chúng ta biến đổi giải tích có được phương trình tìm hệ số tán xạ ngược

của son khí biến đổi theo các đại lượng khác theo phương trình sau:

Biểu thức cuối cùng tôi đưa ra đây là biểu thức xác định hệ số tán xạ ngược

𝑋(𝐼−1)

khi đã biết hệ số suy hao của son khí:

+𝑆1[𝑋(𝐼)+𝑋(𝐼−1)]∆𝑧

𝑋(𝐼) 𝛽1(𝐼)

(2.7) 𝛽1(𝐼 − 1) =

𝑋(𝐼−1)

Khi mà hệ số suy hao được xác định như sau:

+[𝑋(𝐼)+𝑋(𝐼−1)]∆𝑧

𝑋(𝐼) 𝜎1(𝐼)

(2.8) 𝜎1(𝐼 − 1) =

Áp dụng phương pháp tìm hệ số tán xạ ngược và hệ số suy hao của son khí tại

Hà Nội bằng thuật toán trên chúng tôi xây dựng trên nền tảng ngôn ngữ Matlab, chi

tiết chương trình tôi trình bày trong phần phụ lục 2.6.

 Xác định tỉ số lidar đặc trưng của mây Ti tầng cao

Từ hệ số tán xạ ngược và hệ số suy hao được xác định độc lập theo dữ liệu của

hai phép đo Raman và tín hiệu đàn hồi của cùng hệ lidar nhiều bước sóng trong cùng

một thời điểm. Tôi tiến hành tìm tỉ số lidar đặc trưng của lớp son khí tầng thấp theo

biểu thức [1, 2]:

𝑎𝑒𝑟(𝑧)⁡

𝑎𝑒𝑟(𝑧) = ⁡ 𝛼𝜆0 𝑆𝜆0

𝑎𝑒𝑟(𝑧)./𝛽𝜆0

(2.9)

Và chương trình số viết để xác định tỉ số này được trình bày trong phụ lục 2.6.

Trong chương 2, 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 4 kênh quan trắc cả tín hiệu Raman và đàn hồi, hoạt động cả

chế độ tương tự và đếm photon đã được thiết kế và duy trì quan trắc khí quyển tại

Hà nội từ năm 2010 tới nay. Cùng với đó là các phương trình giải tích và các

chương trình số viết bằng ngôn ngữ Matlab cũng được đề cập trong phần phụ lục

để xác định các tham số vật lý đặc trưng của lớp mây Ti tầng cao thông qua tín

hiệu từ hệ lidar đàn hồi. Sang chương tiếp sau sẽ là những kết quả chính của tác

giả cùng nhóm nghiên cứu thực hiện trên khối phát laser rắn công suất cao và các

kết quả ứng dụng tích hợp trong một hệ lidar phục vụ các mục đích nghiên cứu di

động đáp ứng mục đích nghiên cứu mở rộng cả về không gian phân bố cũng như

tại nhiều vùng miền khác nhau.

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

Lidar (Light detection and ranging) là một kỹ thuật quan trắc từ xa hiệu quả

đặc biệt phù hợp với các đối tượng phân bố trong miền không gian rộng có mật độ

phân bố thấp. Các đặc tính vượt trội của kỹ thuật lidar phải kể tới như khả năng phân

giải không gian và thời gian rất cao. Tuy nhiên, một trong những bộ phận quan trọng

của mỗi hệ lidar là các nguồn xung quang học, laser công suất cao, luôn là một thách

thức với các nhà nghiên cứu thực nghiệm đặc biệt trong điều kiện nghiên cứu tại Việt

Nam như hiện nay bởi giá thành còn cao và chúng ta hoàn toàn bị động về khả năng

làm chủ kỹ thuật [25].

Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế một nguồn phát laser đáp ứng công suất cao,

có thể thay đổi cấu hình BCH, thay đổi công suất phát, thay đổi tần số phát trong một

miền biến đổi rộng là rất cấp thiết cho việc ứng dụng trong nghiên cứu cũng như ứng

dụng trong công nghiệp tại Việt Nam. Trong chương này của luận văn chúng tôi trình

bày các kết quả về cải tiến các chi tiết cơ khí đối với BCH, cải tiến về mạch điện tử

điều chỉnh công suất và tần số lặp lại của laser phát, tiếp sau đó là một vài kết quả

của hệ lidar di động sử dụng chính nguồn bơm là laser đã được tối ưu đó để xác định

một số đặc trưng quan trọng của lớp mây Ti tầng cao tại Hà Nội với độ cao lên tới

gần 20 km.

3.1. Thông số kỹ thuật của laser Nd:YAG di động

3.1.1. Khối điện tử.

Khối phát laser rắn với miền hoạt chất là tinh thể Nd:YAG được thiết kế dạng

trụ có chiều dài 100 mm, đường kính 5 mm yêu cầu đàn flash với chiều dài miền phát

sáng tương đương chiều dài của tinh thể hoạt chất nhằm phát huy tối đa hiệu xuất làm

việc của toàn khối tinh thể. Một nguồn nuôi duy trì mức thế cao ~1,4 kV, nhằm duy

trì năng lượng xung điện đạt ~ 200 J/xung. Để đảm bảo nhu cầu sử dụng cho nhiều

mục đích ứng dụng khác nhau nên nhóm nghiên cứu muốn tạo ra một nguồn laser có

đặc tính công suất phát phải thay đổi được năng lượng xung trong một dải rộng cũng

như tần số phát xung cũng có thể thay đổi trên liên tục và dễ dàng. Tuy nhiên, do đặc

điểm của laser rắn trong trường hợp cường độ bơm quá lớn sẽ sảy ra hiện tượng phát

đa xung ảnh hưởng tới chất lượng chùm tia và làm sai tín hiệu đàn hồi trở về trong

phép đo lidar hay bất kì một ứng dụng quang phổ nào khác. Vì đó, chúng tôi khống

chế thế điều khiển cho mạch điều khiển năng lượng bơm dưới 6 V điều đó có nghĩa

rằng công suất xung cực đạt tại tần số 6 Hz gần với mức năng lượng 350 mJ/xung.

Mạch cao thế sử dụng để bơm cho đèn flash và mạch điều khiển được thiết kế như

trong hình 3.1. Mạch điều khiển cho phép laser phát ở chế độ đơn xung, với tần số

thay đổi từ 1 – 15 Hz, công suất tương đương khi hoạt động ở chế độ 6 Hz đạt ổn

định có thể thay đổi từ 100 – 350 mJ/ xung [25].

(c) Telescope & ADC

(a) Mạch cao thế

(b) Sơ đồ nguyên lý

& Mạch điều khiển

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].

Hình 3.1: Khối mạch điện cao thế cấp

3.1.2. Khối quang học

Buồng cộng hưởng của laser tinh thể rắn được thiết kế với hoạt chất là tinh

thể Nd: YAG dạng trụ đường kính 5 mm, chiều dài 100 mm, nguồn bơm quang học

sử dụng đèn flash được nuôi bằng nguồn cao thế 1,4 kV. Toàn bộ tinh thể Nd:YAG

và đèn bơm được đặt trong một buồng cộng hưởng (BCH) dạng trụ mặt trong tráng

sứ với hệ số phản xạ cao, toàn BCH được làm mát bằng nước tinh khiết với khối

bơm là bộ thiết bị có kí hiệu Chiller CW-3000 [26]. Cấu trúc buồng cộng hưởng

Fabry-Perot gồm 1 gương phản xạ 100% và một gương nửa truyền qua, hệ số truyền

qua bằng 50%, làm cửa sổ cho laser phát tại bước sóng 1064 nm. Độ phẩm chất

buồng cộng hưởng được thay đổi thụ động bằng tinh thể hấp thụ bão hòa Cr 3+: YAG,

cho phép tạo độ rộng xung phát ổn định 15 ns. Phía ngoài BCH laser phát bước sóng

cơ bản 1064 nm đặt một tinh thể nhân tần BBO đồng trục quang với toàn hệ có kích

thước 5x5x3 mm được sử dụng để tạo họa ba bậc hai tại bước sóng 532 nm [25].

Trong kỹ thuật laser, để tăng chất lượng mode ngang của chùm tia một giải

pháp đơn giản được đưa ra là mở rộng chiều dài buồng cộng hưởng. Bằng thiết kế cơ

khí đơn giản và đảm bảo tính ổn định cho hệ quang chúng tôi tạo một BCH có cơ chế

thay đổi chiều dài trên một thanh nhôm định hình kích thước mặt cắt 70x70 mm có

ray trượt và lựa chọn chiều dài BCH ~ 700 mm, gương phản xạ 100% được lắp cố

định trên thân buồng giữ tinh thể, và toàn bộ khối gương đó được gắn cố định trên

thanh ray bằng nhôm định hình. Gương cửa sổ, có hệ số truyền qua 50%, được đặt

trên một giá cố định trên thanh ray bằng cơ cấu chốt 3 vít với khả năng tinh chỉnh cả

khoảng cách cũng như góc lệch của trục quang cho BCH. Cơ cấu vi chỉnh đó cho

phép thay đổi 2 chiều dễ dàng tạo thành một cặp gương Fabry-Perot. Để đảo bảo khối

BCH hoạt động ổn định, tất cả các chi tiết cơ khí được gắn chắc chắn trên một giá

nhôm dày 70x70 mm và khối BCH này là hoàn toàn độc lập có thể di động độc lập

với các phần điện tử điều khiển, nguồn bơm quang học cũng như khối làm mát bằng

nước. Điều này cho phép nâng cao khả năng di động và sự ổn định trong quá trình

hoạt động đảm báo tách rời giữa khối quang với khối quạt làm mát, máy bơm sẽ rất

rung động trong khi hoạt động. Để chủ động lựa chọn miền hoạt chất hoạt động và

định hướng chùm laser 1064 nm, một phin lọc không gian được đưa vào trong BCH

như trong Hình 3.2. Ngay sau gương ra của buồng cộng hưởng, tinh thể nhân tần

BBO được đặt trên một giá cơ khí cho phép thay đổi vị trí của tinh thể chính xác đồng

trục với chùm tia laser 1064 nm và có thể điều chỉnh góc tới tinh thể BBO nhằm tăng

tối đa hiệu suất chuyển đổi của tinh thể, nhằm tăng tối đa công suất chùm tia 532 nm

đồng thời giảm tối thiểu nhiệt từ chum xung cơ bản 1064 nm làm hỏng tinh thể trong

quá trình đo đạc lâu dài tới vài hàng giờ liên tục [27].

Gương phản xạ 100%

Phin lọc không gian

Tinh thể Nd:YAG & đèn flash đặt trong buồn làm mát

Gương ra

BBO

mát

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].

3.1.3. Đặc trưng mode ngang và kích thước chùm tia laser

Trong nghiên cứu quang phổ thì ngoài yêu cầu công suất cao của tia laser tập

trung trong miền không gian hẹp thì tính đồng đều trong phân bố năng lượng của

chùm tia hay chúng ta gọi là đặc trưng mode ngang của tia laser là rất quan trọng và

cần được đặc biệt chú ý. Theo thiết kế của nhóm nghiên cứu thì với phin lọc không

gian, như trên Hình 3.3, cho phép thay đổi không gian kích hoạt trên thanh hoạt chất

đồng thời giới hạn kích thước chùm laser phát. Điều đó đồng nghĩa với việc chúng ta

hoàn toàn chủ động trong việc lựa chọn thông số kích thước chùm tia và góc mở

chùm tia của xung laser phát ra. Thực tế, khi công suất đèn bơm là quá cao trong tinh

thể sẽ sảy ra hiệu ứng thấu kính nhiệt và hiệu ứng đó còn rõ nét hơn trên tinh thể nhân

tần KTB hay BBO sẽ làm giảm hiệu suất lượng tử của quá trình phát xạ kích thích

hoặc làm hoảng tinh thể nhân tần. Do đó, việc điều chỉnh được miền hoạt động của

hoạt chất trong BCH là rất hiệu quả và cho phép tăng ngưỡng năng lượng phát của

nguồn laser.

Trong Hình 3.3 dưới đây là hình ảnh phân bố năng lượng - mode ngang và

kích thước chùm tia laser phát tại bước sóng 532 nm với tần số hoạt động 6 Hz.

Tuy nhiên khi tăng công suất bơm hoặc mở rộng chùm tia chúng ta sẽ gặp tình huống

mode laser không còn là TEM 00 nữa và chùm tia sẽ có phân bố năng lượng không

còn là dạng Gauss như mong muốn.

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.

A B

3.1.4. Đặc trưng công suất laser tại bước sóng 532 nm

Chất lượng chùm tia laser được đánh giá dựa trên hai thông số cơ bản là phân

bố cường độ theo mode ngang, góc mở chùm tia và cường độ xung laser tại bước

sóng 532 nm. Trong điều kiện tối ưu BCH, chùm tia laser hoạt động ở công suất trung

bình đạt 250 mJ/xung sẽ có góc mở chùm tia ổn định khoảng 1 mrad. Tuy nhiên, khi

thay đổi công suất bơm sẽ ảnh hưởng lớn tới chất lượng chùm tia laser bởi hiệu ứng

nhiệt xảy ra trong tinh thể bởi lượng nhiệt dư quá cao. Chính nhiệt dư này sẽ tạo ra

hiệu hứng thấu kính nhiệt trong tinh thể hoạt chất và giảm chất lượng chùm laser cơ

bản tại bước sóng 1064 nm.

) g n u x / J (

m n 2 3 5 i ạ t g n u x g n ợ ư

l g n ă N

Thông số điều khiển (mV)

Hình 3.4: Mức cường năng lượng xung tại bước sóng 532 nm thay đổi theo thông số điều

khiển [25].

Trong kỹ thuật lidar, khối laser sử dụng làm nguồn kích quan trắc lớp son khí

tầng cao, lớp mây Ti tầng cao trên 10 km, cần xung laser có năng lượng lớn đảm bảo

tín hiệu tán xạ ngược là mạnh nhất. Tuy nhiên, một hệ laser hoạt động ổn định khi

nhiệt độ tại tinh thể được giữ không đổi trong thời gian dài phụ thuộc vào khối làm

mát. Theo tính toán công suất cho khối làm mát chúng tôi lựa chọn bộ tản nhiệt Chiller

CW-3000. Khi đó, công suất laser phát ổn định ở công suất ra ~250 mJ tại bước sóng

532 nm, khi đó nhiệt độ của nước làm mát duy trì thấp hơn 5oC so với nhiệt độ của

môi trường.

Phần 1 của chương 3 đã trình bày những kết quả về thiết kế, lắp đặt, chạy thử,

khảo sát các thông số kỹ thuật cơ bản và tối ưu BCH loại Fabry-Perot áp dụng cho

laser rắn hoạt chất là tinh thể Nd:YAG phát xung tại bước sóng 1064 nm và nhân tần

họa ba bậc 2 cho bước sóng 532 nm, tần số lặp lại tối ưu tại tần số 6 Hz, công suất

trung bình xung đạt 250 mJ/xung, hoạt động ổn định trong thời gian dài trên 3 tiếng

liên tục với nhiệt độ duy trì ổn định chênh 5oC so với môi trường lần đầu tiên được

thực hiện thành công tại Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt

nam.

Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật cơ bản của khối phát laser di động.

TT Thông số Vùng hoạt động Giá trị tối ưu Thời gian

làm việc

1 Công suất xung 100 – 350 mJ/xung 250 mJ/xung 3 giờ

2 Tần số lặp lại 1 – 15 Hz 6 Hz 3 giờ

3 Đường kính chùm 1 – 5 mm 3 mm 3 giờ

4 Góc mở 1 – 3 mrad 1,5 mrad 3 giờ

5 Nhiệt độ tinh thể 15oC – 45 oC 25 oC 3 giờ

Bước tiếp theo của chúng tôi là tích hợp nguồn laser xung công suất cao cho

một hệ lidar di động khảo sát miền khí quyển tầng cao với kỹ thuật đếm đơn photon

sử dụng PMT gated vào ban đêm và tương tự vào ban ngày cho phép xác định các

thông số cơ bản của mây Ti như: Độ cao đáy lớp mây, độ cao đỉnh lớp mây, độ dày

lớp mây Ti, độ sâu quang học, độ sâu quang học, tỉ số lidar [38].

3.2. Kết quả quan trắc mây Ti tầng cao sử dụng hệ lidar di động.

Hình ảnh hệ lidar di động thực hiện đo đạc tại Quảng Bình vào tháng 9 năm

2016 trong lần đo đạc thử nghiệm đầu tiên tại trung tâm quan trắc môi trường tại Thị

xã Quảng Bình.

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.

A B

Hình 3.6 ảnh hệ lidar di động trong lần thực hiện quan trắc khí quyển tại TP Hồ Chí

Minh, hệ được đặt tại Viện Vật lý Thành phố Hồ Chí Minh. Với thiết kế này, toàn

bộ hệ lidar có thể lắp gọn trên một mặt bàn với diện tích 1,6 m x 0,8 m.

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.

B A

3.2.1. Đánh giá chất lượng tín hiệu của hệ lidar di động

Độ cao (km)

u ễ i h n n ê r t u ệ i h n í t ố s ỉ

T

Độ cao (km)

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.

Trong hình 3.7 là hai ví dụ sử dụng hệ đo với chế độ đếm photon vào ban đêm

và chế độ tương tự vào ban ngày. Trong cả 2 trường hợp tín hiệu đều được cộng tổng

các tín hiệu về từ 50000 xung laser phát trong thời gian 50 phút. Tỉ số tín hiệu trên

nhiễu thể hiện rõ chất lượng của tín hiệu đo được. Thường phép tính số khi xác định

các thông số vi mô của son khí thường được thực hiện với tín hiệu tại độ cao với tỉ số

tín hiệu trên nhiễu cỡ khoảng 3 đơn vị, khi đó thông số xác định là đủ tin cạy để đánh

giá và so sánh. Từ hình 3.7 chúng ta dễ nhận thấy tại vị trí có mây Ti chất lượng tín

hiệu là khá tốt và đặc biệt tốt hơn với tín hiệu đo ở chế độ đếm photon. Tại độ cao 18

km, cách xa vị trí đỉnh của lớp mây 3 km đều có tỉ số tín hiệu trên nhiễu đều trên 2

đơn vị. Điều đó chứng tỏ với hệ lidar của chúng ta đảm bảo cho các quan trắc mây Ti

tầng cao tới 18 km với chất lượng tín hiệu tốt và các thông số đặc trưng của mây Ti

xác định được là hoàn toàn tin cậy.

3.2.2. Đặc trưng phân bố không gian của mây Ti tầng cao

Để xác định sự phân bố của lớp mây Ti tầng cao, chúng tôi sử dụng kỹ thuật

thu tín hiệu tán xạ đàn hồi Mie ở cả chế độ ghi tương tự và đếm photon. Với hệ đo

Lidar di động đã được tích hợp khối phát laser công suất cao đã cải tiến thực hiện

quan trắc mây Ti tại ba nơi là Hà nội, Thành phố Hồ Chí Minh và Quảng Bình. Trong

quá trình đo để nâng cao chất lượng tín hiệu khi sử dụng kĩ thuật đếm photon chúng

tôi đồng thời sử dụng đầu thu quang điện là PMT gated được chế tạo tại nhóm Viện

Vật lý Viện Khoa học Việt Nam [38].

Đối với hệ quan trắc tại trạm số 18 Hoàng Quốc Việt nhóm nghiên cứu duy trì

thực hiện quan trắc liên tục theo thời gian dài để thông tin nghiên cứu có giá trị thống

kê theo tháng, theo mùa và theo năm. Nhóm chúng tôi thực hiện quan trắc liên tục

với quy luật đo đạc diễn ra 02 giờ mỗi phép đo, thực hiện 3 lần trong ngày và sau đó

thống kê theo thời gian, theo từng phép đo và lấy trung bình theo thời gian thực hiện

đo đạc. Những kết quả thống kê của phép quan trắc khí quyển bằng kỹ thuật Lidar đã

được nhóm nghiên cứu Lidar - Viện Vật lý công bố trên tạp chí chuyên ngành [36]

trong nước năm 2012. Tuy nhiên đối với hệ lidar di động mới thiết lập sử dụng laser

di động có các đặc tính trên đây đã tiến hành quan trắc mây ti tại Hà Nội, thành phố

Hồ Chí Minh và Quảng Bình trong những đợt quan trắc ngắn ngày trong năm 2016

và 2017.

Hình 3.8 là kết quả của phép đo liên tục trong thời gian 2,5 giờ. Qua phép đo

đó cho phép xác định được sự thay đổi độ cao đáy và độ cảo đỉnh của lớp mây trong

khoảng thời gian quan trắc từ 15h tới 17h 30 phút. Độ cao đáy của lớp mây thay đổi

trong khoảng độ cao từ 10 km tới 12 km, trong khi đó độ cao đỉnh lớp mây gần như

không thay đổi trong toàn bộ thời gian đo và giữ ổn định tại vị trí khoảng 16,2 km.

Hình ảnh được vẽ theo thang màu và cho phép chúng ta đánh giá tương đối sự thay

đổi mật độ các tinh thể băng tồn tại trong đám mây. Chúng ta thấy phần bố mật độ

của đám mây là không đồng đều và có sự thay đổi nhiều hơn ở lớp phía dưới của tầng

mây. Điều đó có thể đánh giá về sự nhiễu động đang xảy ra mạnh mẽ hơn ở tầng khí

quyển bên dưới lớp mây chúng ta quan sát được.

Đỉnh lớp mây

o a c ộ Đ

Đáy lớp mây

Thơi gian thực

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.

Trong đợt khảo sát khí quyển tại Quảng Bình và TP Hồ Chí Minh bằng hệ lidar di động

trên đây chúng tôi cũng đã thu được những kết quả tín hiệu tương tự. Như trong hình

3.9 là kết quả khảo sát đám mây di chuyển trên bầu trời Quảng Bình vào ngày

27/9/2016 lúc 23h 40’. Và hình 3.10 là kết quả khảo sát mây Ti tầng cao tại Thành phố

Hồ Chí Minh

o a c ộ Đ

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.

Thơi gian thực

o a c ộ Đ

Thời gian quan

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.

trắc

3.2.3. Các đặc trưng vi mô của mây Ti tầng cao

Hình 3.11 là tín hiệu của 1 phép đo của hệ lidar ghi nhận trên kênh tán xạ đàn

hồi trong chế độ đếm photon lấy trung bình trong thời gian 50 phút tương đương với

50000 xung laser. Tín hiệu thể hiện rất rõ sự tồn tại của lớp mây Ti phân bố trên độ

cao từ 11,7 km tới 14,7 km, trong khoảng không gian có mây Ti chúng ta thấy rõ sự

hấp thụ mạnh mẽ của lớp tinh thể băng trong lớp mây đối với năng lượng xung laser

truyền qua, làm cho cường độ tín hiệu giảm từ mức 7 xuống dưới mức 6 trong thang

log, tức là giảm đi khoảng 10 lần về mặt năng lượng giữa 2 vị trí đáy và đỉnh của lớp

mây Ti.

Độ cao đỉnh và độ cao đáy của lớp mây là thông số cơ bản cần để đưa vào

thuật toán xác định các thông số vĩ mô cũng như vi mô khác của mây Ti như: Độ

dày, độ sâu quang học, hệ số tán xạ ngược… Để xác định vị trí chính xác của lớp

mây Ti chúng tôi sử dụng thuật toán Gradient được trình bày trong mục 2.3, theo

công thức 2.3 và hình minh họa 3.5, tương đương với thuật toán trong phần phụ

lục 2.6.

Đỉnh lớp mây Ti

u ệ i h n í t ộ đ g n ờ ư C

Đáy lớp

mây Ti

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.

Độ cao (km)

c ợ ư g n ạ x n á t n ệ i d t ế i T

Hình 3.12: Đồ thị thể hiện tiết hệ số tán xạ ngược của lớp mây Ti theo thuật toán Fernald

[1].

Độ cao (km)

Hình 3.12 thể hiện rõ tiết diện tán xạ lớp mây chiếm ưu thế hoàn toàn - đường

màu đỏ so với tiết diện tán xạ từ các phân tử khí trong miền quan sát – đường màu

tím. Từ thông số trên hình 3.12 chúng tôi xác định được giá trị trung bình của hệ số

tán xạ ngược của lớp mây Ti là: 0,55. 10-5 (m-1sr-1).

c ợ ư g n ạ x n á t ố s ỉ

T

Hình 3.13: Tỷ số tán xạ ngược của lớp mây Ti so với lớp phân tử khí từ 10 km tới 18 km.

Độ cao (km)

Hình 3.13 thể hiện rõ cường độ tín hiệu tán xạ quay về của lớp mây Ti lớn hơn

tín hiệu của các phân tử khí tới 80 lần tại vị trí tâm đám mây có mật độ đậm đặc nhất.

Chính sự khác biệt về khả năng tán xạ ngược của lớp mây Ti mà vai trò của chúng

trong hiệu ứng nhà kính giam giữ bức xạ của bề mặt trái đất là đáng kể. Vì đó các

tham số về hệ số tán xạ ngược của lớp mây Ti là một chỉ số quan trọng trong mô hình

dự báo thời tiết và biến đổi khí hậu của NASA.

Trong các tham số vi mô của son khí tầng cao thì độ sâu quang học  là tham

số quan trọng bậc nhất. 𝜏 được xác định bằng biểu thức 2.4 trong chương 2 của luận

văn và chương trình số tương ứng trong phụ lục 2.6. Độ sâu quang học thể hiện phần

năng lượng bức xạ laser mất mát do tán xạ hoặc hấp thụ xảy ra trên miền không gian

truyền qua của bức xạ, nó đặc trưng cho sự mất mát năng lượng bức xạ gây ra bởi

môi trường. Hiểu biết về độ sâu quang học của miền khí quyển tại nơi quan trắc cho

phép chúng ta đánh giá được mức độ ảnh hưởng của lớp khí quyển tới hiệu ứng nhà

kính và lượng năng lượng bức xạ đóng góp của mặt trời lên tổng thể năng lượng gây

ra các hiện tượng tự nhiên trên bầu khí quyển của trái đất. Độ sâu quang học là một

thông số quan trọng trong mô hình dự báo khí hậu của Trái đất mà mô hình dự báo

hiện đang được sử dụng.

a ó h n ẩ u h c c ọ h g n a u q u â s ộ Đ

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.

Độ cao

Hình 3.14 thể hiện đóng góp của mây Ti trong quá trình lưu giữ năng lượng

của bức xạ Mặt trời trong tầng đối lưu của Trái đất. Như trong phép đo này, mây Ti

tồn tại trong khoảng 3 km nhưng hấp thụ gần như hoàn toàn năng lượng bức xạ truyền

trong khoảng 11 km từ độ cao 7 km tới 18 km.

Bảng 3.2. Thông số quang đặc trưng của lớp mây Ti xác định từ tín hiệu đàn hồi của

hệ lidar di động.

Tham số đặc trưng Kí hiệu Giá trị

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại 18 km (1) 10,82 S/n

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại 18 km (2) 2,014 S/n

Độ cao đỉnh lớp mây 14,7 km Htop

Độ cao đáy lớp mây 11,7 km Hbase

Độ sâu quang học 0,597 𝜏

Hệ số suy hao trung bình 1,99 10-4 m-1 𝜎̅ = 𝜏 ∆𝑧

Hệ số tán xạ ngược trung bình 0,55. 10−5(𝑚−1𝑠𝑟−1) 𝛽̅

Tỉ số Lidar 58 S

Trường hợp (1) là phép đo của hệ lidar di động khi sử dụng kĩ thuật đếm photon

sử dụng PMT gated quan trắc vào ban đêm và trường hợp thứ (2) là tín hiệu thu được

khi sử dụng PMT R4700 của hãng Hamamatsu hoạt động ở chế độ tương tự khi quan

trắc vào ban ngày trong cùng khoảng thời gian 50 phút. Các khảo sát trong thời gian

ngắn tại Quảng Bình, TP Hồ Chí Minh và Hà Nội của hệ lidar mobile cùng với số

liệu từ hệ lidar cố định sử dụng laser Quantel được nhóm nghiên cứu tập hợp và xử

lý để công bố trong bài báo “PROPERTIES OF CIRRUS CLOUDS FROM LIDAR

MEASUREMENTS ABOVE VIETNAM” sắp tới của nhóm trong thời gian kéo dài

từ 2011 tới 2017. Trong quá trình xử lý tín hiệu chúng tôi nhận thấy chất lượng tín

hiệu từ hai hệ đo là hoàn toàn tương đương và không có sự khác biệt khi so sánh kết

quả các phép đo đồng thời cả hai hệ trong miền khảo sát dưới 20 km.

3.3. Kết luận chương 3

Trong chương 3, chúng tôi trình bày 2 phần kết quả chính của luận văn. Phần

thứ nhất trình bày kết quả nghiên cứu những thiết kế, chế tạo và cải tiến được thực

hiện trên khối phát laser Nd: YAG công suất cao với đặc tính là 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 xung đã được cải tiến. Trong đó chúng tôi cũng đưa

ra phương pháp đánh giá chất lượng tín hiệu của hệ đo bằng tỉ số tín hiệu trên nhiễu

cả tín hiệu tương tự và tín hiệu đếm photon. Qua đó đánh giá chất lượng hệ đo lidar

di động và chất lượng khối phát laser công xuất cao tại bước sóng 532 nm là hoàn

toàn đáng tin cạy và đảm bảo ổn định tốt trong thời gian quan trắc kéo dài liên tục vài

giờ liên tục.

KẾT LUẬN

Với mục đích cải tiến tính năng quan trắc di động của hệ lidar khảo sát miền khí

quyển tầng cao tới 20 km sử dụng một khối phát xung chủ động lần đầu tiên được

chế tạo tại Việt Nam với các tính năng kĩ thuật có thể thay đổi linh động tùy theo các

mục đích nghiên cứu khác nhau. Những kết quả đạt được của tác giả được thể hiện

trong luận văn như sau:

1. Thực hiện thiết kế chế tạo và cải tiến thành công 01 khối laser phát xung công

suất cao tại bước sóng 1064 nm và 532 nm. Các thông số đặc trưng về xung laser được

khảo sát như: Tần số lặp lại có thể thay đổi từ 1 – 15 Hz, công suất xung thay đổi được

và đạt năng lượng tối ưu 250 mJ/xung tại tần số 6 Hz, góc mở chùm tia dưới 1 mrad,

kích thước chùm tia thay đổi được. Hệ laser đó được chế tạo cho phép hoàn toàn chủ

động điều chỉnh các thông số kỹ thuật theo mục đích sử dụng khác nhau.

2. Tích hợp laser công suất cao phát xung tại bước sóng xanh 532 nm vào hệ

lidar di động nhằm mục đích quan trắc khí quyển tầng cao tới 20 km ở cả chế độ

tương tự vào ban ngày và đếm photon vào ban đêm.

3. Tiến hành quan trắc ở cả chế độ tương tự và đếm photon, ghi nhận dữ liệu tại

Hà Nội, TP Hồ Chí Minh và Quảng Bình, đánh giá chất lượng tín hiệu ghi nhận, xác

định tỉ số tín hiệu trên nhiễu để đánh giá chất lượng tín hiệu đo cũng như chất lượng

hệ đo lidar và nguồn phát laser đã được chế tạo.

4. Tìm hiểu thuật toán giải tích, các chương trình số nhằm xác định các thông

số đặc trưng của mây Ti, sử dụng các chương trình tính toán số bằng ngôn ngữ Matlab

xác định các thông số quang đặc trưng của tín hiệu ghi nhận từ hệ lidar di động. So

sánh tín hiệu và kết quả thu được với hệ lidar cố định và bàn luận về các đặc trưng

vật lý đó của mây Ti.

Trong giới hạn của luận văn , tôi đã thực hiện trọn vẹn được hai vấn đề cơ bản

về kỹ thuật theo đăng kí ban đầu đó là: xây dựng thành công 01 khối phát laser công

suất cao tại bước sóng 532 nm đảm bảo tính năng kỹ thuật trong nghiên cứu quang

phổ nhanh và đã tích hợp khối phát xung laser trong 01 hệ lidar di động sử dụng quan

trắc lớp mây Ti tầng cao tại ba địa điểm ở Việt Nam là Hà Nội, Thành phố Hồ Chí

Minh và Quảng Bình. Kết quả nghiên cứu của luận văn đã được đăng trong 01 bài

báo tại Hội nghị Quang học Quang phổ toàn Quốc lần thứ 9 năm 2017.

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

Bùi Văn Hải, Đinh Văn Trung, Phạm Minh Tiến, Trần Ngọc Hưng, Nguyễn Xuân

Tuấn, Vũ Thị Hoàn. 2017, Phát triển khối phát laser Nd: YAG phát xung công suất

cao sử dụng tinh thể hấp thụ bão hòa ứng dụng trong hệ lidar quan trắc khí quyển

tầng cao, Kỉ yếu hội nghị Quang học Quang phổ toàn quốc, ISSN 1859 – 4271. 233

- 237.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1] Bùi Văn Hải (2013), Sử dụng kỹ thuật Lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son

khí trong tầng khí quyển, Luận án Tiến sĩ, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học

và Công nghệ Việt Nam.

[2] Nguyễn Văn Thiệu (2016), nghiên cứu đặc trưng mây ci tầng cao bằng kỹ thuật

lidar, Luận văn Cao học, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ

Việt Nam.

[3] Đỗ Quốc Khánh (2010), nghiên cứu vật lý và phát triển công nghệ laser rắn

nd:yvo4 pi-cô giây biến điệu thụ động, bơm bằng aser bán dẫn, Viện Vật lý -

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

[4] Phan Thế Hiếu, Nguyễn Đại Hưng (2010), Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống

lidar ứng dụng trong đo đạc các thông số khí quyển, Báo cáo tổng hợp kết quả

nghiên cứu khoa học công nghệ, Bộ Khoa học và Công nghệ.

Tiếng Anh

[5] O. Svelto, (1998), "Principles of lasers", 4th ed, New York, NY Plenium.

[6] C. Honninger et al, (1999), Q-switching stability limits of continuos-way

passive mode-locking, J. Opt. Soc. Am. B, Vol 16, No1, p46-56.

[7] G. Li, S. Zhao, K. Yang and J. Liu, (2005), Control of pulse width in diode-

pumped passively Q-swiched Nd:YVO4/KTP green laser with GaAs saturable

absorber, Opt. and QE, vol 37, pp 635 – 647.

[8] P.K.Mukhopadhyay et al, (2004), Ananlysis of laser diode end-pumped intral

cavity frequency doubled passive Q-swicthed and mode locked Nd:YVO4 laser,

App. Opt, B79, p713-720.

[9] U. Keller, K. J. Weingarten et al, (1996), "Semiconductor saturable absorber

mirrors (SESAMs) for femtosecond to nanosecond pulse generation in solid-

state lasers" IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics (JSTQE), vol. 2,

pp. 435-453.

[10] A. Penzkofer, (1988), Passive Q-Switching and Mode-Locking for the

Generation of Nanosecond to Femtosecond Pulses, Appl. Phys. B 46, pp.

43-60.

[11] B. E Buoma et al. (1997), Compact resonator design for mode locked solid state

laser, App. Opt, B65, pp 213-220.

[12] D. H. Sutter, I. D. Jung et al, (1998), "Self-starting 6.5 fs pulses from a

Ti:sapphire laser using a semiconductor saturable absorber and double-chirped

mirrors", IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics (JSTQE), vol. 4, pp.

169-178.

[13] http://pgdn.dvrlists.com/air-atmospheric-gas-britannica.html

[14] http://scied.ucar.edu/imagecontent/cirrus-clouds

[15] https://googlegroups.com/a/bantinhanghai.com/group/ddhh/attach/CLOUDS.p

[16] https://oceanology.hcmus.edu.vn/home/view/phan-biet-cac-loai-may-tren-bau-

troi

[17] https://physics.byu.edu

[18] https://4warnwxteam.com

[19] https://en.wikipedia.org

[20] https://freebigpictures.com

[21] https://spaceplace.nasa.gov/review/clouds/NOAA-NASA-CloudChart.pdf

[22] https://wisegeek.com

[23] https://weatherwizkids.com

[24] https://isleofskyeweather.co.uk

[25] Bùi Văn Hải, Đinh Văn Trung, Phạm Minh Tiến, Trần Ngọc Hưng, Nguyễn

Xuân Tuấn, Vũ Thị Hoàn. 2017, Phát triển khối phát laser Nd: YAG phát xung

công suất cao sử dụng tinh thể hấp thụ bão hòa ứng dụng trong hệ lidar quan

trắc khí quyển tầng cao, Kỉ yếu hội nghị Quang học Quang phổ toàn quốc, ISSN

1859 – 4271. 233 - 237.

[26] A. Ansmann, M. Riebesell, et al (1992), Combined Raman Elastic-Backscatter

lidar for vertical profiling of moisture, Aerosol extinction, backscatter, and lidar

ratio, Applied Physics B, B 55, 18-28.

[27] David. S. H, Kevin. S. R, John .A. R, John .L. C, Development of a high spectral

resolution lidar based on confocal Fabry–Perot spectral filters, Applied Optics

51(25), 6233 - 44. September 2012.

[28] Flamant, C. Pelon, J. Flamangt, P. and P. Durand (1997), Lidar

determination of the entrainment zone thickness at the top of the unstable marine

atmosphere mixing layer, Bound-Lay Meteorol, 83, P. 247-284.

[29] Paul Schmid and Dev Niyogi (2011) A method for estimating planetary

boundary layer height and its application over the ARM southern great plains

site, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, Vol. 29, P. 316-322.

[30] W. P. Hooper, and E. W. Eloranta (1986), Lidar measurements of wind in the

planetary boundary layer: the method, accuracy, and results from foint

measurements with radiosonde and kytoon, J. Clim. Appl. Meteorol, Vol. 25, P.

990-1001.

[31] I. Veselovskii et al (2009), Demonstration of Aerosol properties by

multiwavelenth lidar under varying relative humidity conditions, American

Meteorological Society, doi: 10.1175.

[32] R. M. Measures (1983), laser remote sensing fundamentals and application, A

Wiley – Interscience Publication.

[33] Frederick G. Fernald et al (1971), Detrmination of Aerosol Height distribution

by lidar, Journal of Applied Meteorology, Vol 11, 482-489.

[34] Japan Analytical Instrument Manufacturers’ Association (1986), Guide to

Analytical Instruments, 3rd Edition.

[35] H. Baars, A. Ansmann, R. Engelmann, and D. Althausen (2008), Continuous

monitoring of the boundary-layer top with lidar, Atmos. Chem. Phys. Discuss,

Vol. 8, P. 10749-10790.

[36] Bui Van Hai, Nguyen Xuan Tuan, Dao Duy Thang, Dinh Van Trung and

Nguyen Thanh Binh (2012), Monitoring the boundary layer over Hanoi using a

compact lidar system, The Second Academic Conference On Natural Science

For Master And Phd Students From Cambodia, Laos, Malaysia & Vietnam,

Proceedings P. 389-392, ISBN: 978-604-913-088-5.

[37] Bui Van Hai, Dinh Van Trung, Nguyen Xuan Tuan, Dao Duy Thang and Nguyen

Thanh Binh (2012), monitoring cirrus clouds and tropopause height over hanoi

using a compact lidar system, Communication in Physics, Vol. 22, No. 4, 357-

364.

[38] Nguyen Xuan Tuan, Bui Van Hai, Dinh Van Trung (2014), Normally off-gated

photomultiplier tube module in photon-counting mode for use in light detection

and ranging measurements, Journal of Applied Remote Sensing, Vol. 8, 083536.

[39] P. J. Conlon, Y. P. Tong, P. M. W. French, and J. R. Taylor, (1994),

“Passive mode locking and dispersion measurement of a sub-100-fs Cr4:YAG

laser”, OPTICS LETTERS, Vol. 19, pp1468-1470.

[40] P. Augustine et.al, (2004), Rep. Prog. Phys. 67, 813-855.

[41] F. Kartner et al, (1998), "Slow and Fast Saturable Absorbers for Modelocking of

Solid-State Lasers - What's The Difference?", IEEE J SEL. Topics QE, pp. 159-

168.

[42] R. Paschotta, U. Keller, (2001), "Passive mode locking with slow saturable

absorbers", Appl. Phys. B, vol. 73, pp. 653-662.

PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Chương trình kết nối máy tính viết trên ngôn ngữ Labview của hệ

lidar di động đa kênh

1. 1. Khối kết nối thiết bị

1.2. Khối thu hoạt động ở chế độ đo tương tự

1.3. Khối thu hoạt động ở chế độ đếm photon

Phụ lục 2: Chương trình chuẩn hóa tín hiệu

function [z,bmol,bb,sk] = ham_radiosonde(b,z,hss,lizz,tb)

h = b(:,1);%km

mdkhi = b(:,2)+b(:,3);% mat do khi that cua nasa

bm = mdkhi;%phantu/m3

lmdkhi = log(bm);

a = polyfit(h,mdkhi,30);

bmol = polyval(a,z);

bb = log(bmol);

…VV

2.1. Hàm gọi tín hiệu radiosonde lấy làm chuẩn để so sánh

%load file

clc; clear all; close all;

filename = 'e:\lidar\photon counting\gate_tuan\gate121.txt';

kenh = 3;

a = load(filename);

t = a(:,1);c = 3*1e8; % thoi gian: 1e-6(s)- r(km)

2.2. Chương trình chuẩn hóa tín hiệu của hệ đo ở chế độ tương tự

z0 = t/2*c*1e-12;% z - km

% lam tron tin hieu lan 1

p0 = smooth(a(:,kenh),100);

n = length(t);k = 0;…VV

for i=d:tr

if p(i+1)>lan*p(i)& p(i+2)>p(i+1)&p(i+3)>p(i+2)&p(i+4)>p(i+3)...

p(i+5)>p(i+4)&p(i+6)>p(i+5)

…VV

%1. chon diem triger

%2. chon diem so sanh

%3. chon bin can thiet

clc; clear all; close all;

filename = 'e:\lidar\photon counting\2012\905\boundary\05oct18h10.3000.45o.50.txt';

a = load(filename);

kenh = 2;

t = a(:,1);c = 3*1e8; % thoi gian: 1e-6(s)- r(km)

z0 = t/2*c*1e-12;% z - km

p0 = smooth(a(:,kenh),100);

n = length(t);

%ve den dau

xa = 25;% km

hss = 10;% km - vi tri lay so sanh hai tin hieu va radiosonde data

tb = 10;% so diem lay trung binh gia tri so sanh 2 duong tin hieu …VV

2.3. Chương trình chuẩn hóa tín hiệu đối với phép đo của hệ ở chế độ đếm photon

2.4. Chương trình chuẩn hóa tín hiệu trường gần tính tới hàm chồng chập của

%chuan tin hieu tinh toi ham overlap

function[z,ov,i,izz,lizz,izzcu] ham_chuantinhieu_tinhtoi_overlap(a,b,kenhe,kenhr,sm,xa,hss,tb,duoi,tren,khackhong);

% tin hieu kenh raman

hệ lidar

[z,p,pzz,p4] = ham_chuanphoton(a,kenhr,sm,xa,hss,tb);

%z,p,pzz,log(pzz): tuong ung

for i = 1:length(z)….

end

…VV

% Tinh sai so cua tin hieu counting

noi = 0;nn = length(Z);

for i = round(7*nn/10):1:(10*nn/10);

noi = noi + p0(i);

end

noi = noi/(3*nn/10+1);

snr = (P2 - noi)./sqrt(P2-noi + 2*noi);

…VV

2.5. Chương trình xác định tỉ số tín hiệu trên nhiễu

%Ve tin hieu mua trung tam tham khong quoc gia

clc; close all; clear all;

filename1 = 'E:\LIDAR\Solieu_Khi tuong\Tham khong data da chinh sua_Hai\7h_8_9_2011.txt';

filename2 = 'E:\LIDAR\Solieu_Khi tuong\Tham khong data da chinh sua_Hai\7h_11_5_2011.txt';

A9 = load(filename9);z9 = A9(:,3)*1e-3;t9 = A9(:,5);A10 = load(filename10);z10 = A10(:,3)*1e-3;t10 = A10(:,5);

z=[z1(:) z2(:) z3(:) z4(:) z5(:) z6(:) z7(:) z8(:) z9(:) z10(:) z11(:) z12(:) z13(:) z14(:) z15(:)];

t=[t1(:) t2(:) t3(:) t4(:) t5(:) t6(:) t7(:) t8(:) t9(:) t10(:) t11(:) t12(:) t13(:) t14(:) t15(:)];…

%Do cao may Cirrus

file = 'E:\LIDAR\Solieu_Khi tuong\Tham khong data da chinh sua_Hai\Macro_properties_cirrus.txt';

A = load(file);tg = A(:,5);

h = A(:,2);%Do cao dinh cua may cirrus

%Tim nhiet do tuong ung voi vi tri may Cirrus…

for i = 1:length(h)

tci(i) = t(vt,i);%nhiet do vi tri dinh lop may cirrus

atc = polyfit(tci(:),h,1);ytc = polyval(atc,tci(:));

2.6. Chương trình xác định các thông số đặc trưng của mây Ti

figure(4)%ve theo do cao dinh lop may cirrus

plot(tci,h,'vr',tci(:),ytc,'^--b','LineWidth',3);grid on;

legend('Top height of Cirrus','Averaged Height')

ylabel('Height (km)');

xlabel('Temperature of cirrus');

…VV

Phụ lục 3: Dữ liệu lidar quan trắc sử dụng hệ lidar di động đa kênh ghi nhận ở

chế độ tương tự và đếm photon.

Tín hiệu ở chế độ tương tự

Ngày đo, giờ đo, số file đo tối

Nhiệt độ

Sáng

Chiều

Tối

1064 or 2

Boundar

Số file và số lần có mây

đa

Độ ẩm

kênh pc 532

y layer

Cirrus cloud

Phép đo tại Hà Nội

2017july01_0840am020

Cirrus

2017july02_0840am020

Cirrus

2017july03_0840am020

Cirrus

Phép đo tại Hồ Chí Minh

Cirrus

25.2.A.15h24.Sum.12Mi.Cir 26.2.A.15h00.Sum.18Mi.Cir 27.2.A.15h50.Sum.25Mi.Cir

Phép đo tại Quảng Bình

Cirrus

2.12.A.7h00.Sum.30Mi.Cir 3.12.A.7h00.Sum.30Mi.Cir 5.12.A.7h00.Sum.30Mi.Cir

Tín hiệu ở chế độ đếm photon

Ngày đo, giờ đo, số file đo tối

Nhiệt độ

Sáng

Chiều

Tối

1064 or 2

Boundar

Số file và số lần có mây

đa

Độ ẩm

kênh pc 532

y layer

Cirrus cloud

Phép đo tại Hà Nội

11.January.2017.Sum.0.5h.Cir

Cirrus

25.2.A.0h24.Sum.12Mi.Cir

Cirrus

10.22.0h25.G.Sum.Cir

Cirrus

Phép đo tại Hồ Chí Minh

25.2.A.0h24.Sum.12Mi.Cir

Cirrus

26.2.A.0h24.Sum.12Mi.Cir

Cirrus

27.2.A.0h24.Sum.12Mi.Cir

Cirrus

Phép đo tại Quảng Bình

Cirrus

1.12.A.23h00.Sum.30Mi.Cir 2.12.A.21h00.Sum.30Mi.Cir 4.12.A.22h00.Sum.30Mi.Cir

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

Mặt đất

Mây Ti(Cirrus)

Mây Titích (Cirrocumulus)

Mây Titầng (Cirrostratus)

)

m k ( o a c ộ Đ

(c) Telescope & ADC

(a) Mạch cao thế

(b) Sơ đồ nguyên lý

& Mạch điều khiển

Gương phản xạ 100%

Phin lọc không gian

Tinh thể Nd:YAG & đèn flash đặt trong buồn làm mát

Gương ra

BBO

mát

Hình 3.2: Buồng cộng hưởng Fabry-Perot, bổ sung thêm phin lọc không gian và tinh thể

) g n u x / J (

m n 2 3 5 i ạ t g n u x g n ợ ư

l g n ă N

Thông số điều khiển (mV)

Hình 3.4: Mức cường năng lượng xung tại bước sóng 532 nm thay đổi theo thông số điều

u ễ i h n n ê r t u ệ i h n í t ố s ỉ

T

Đỉnh lớp mây

Đáy lớp mây

Thơi gian thực

o a c ộ Đ

o a c ộ Đ

u ệ i h n í t ộ đ g n ờ ư C

c ợ ư g n ạ x n á t n ệ i d t ế i T

c ợ ư g n ạ x n á t ố s ỉ

T

a ó h n ẩ u h c c ọ h g n a u q u â s ộ Đ

Ngày đo, giờ đo, số file đo tối

Nhiệt độ

Sáng

Chiều

Tối

1064 or 2

Boundar

Số file và số lần có mây

đa

Độ ẩm

kênh pc 532

y layer

Cirrus cloud

Phép đo tại Hà Nội

Phép đo tại Hồ Chí Minh

Phép đo tại Quảng Bình

Ngày đo, giờ đo, số file đo tối

Nhiệt độ

Sáng

Chiều

Tối

1064 or 2

Boundar

Số file và số lần có mây

đa

Độ ẩm

kênh pc 532

y layer

Cirrus cloud

Phép đo tại Hà Nội

Phép đo tại Hồ Chí Minh

Phép đo tại Quảng Bình

Có thể bạn quan tâm