Tóm tắt Luận án Tính toán năng lượng hấp thụ trong thanh hoạt chất của laser rắn yag:nd bơm bằng đèn flash phục vụ mục đích quân sự

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ----------------------- LÊ NGỌC ANH TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG HẤP THỤ TRONG THANH HOẠT CHẤT CỦA LASER RẮN YAG:Nd BƠM BẰNG ĐÈN FLASH PHỤC VỤ MỤC ĐÍCH QUÂN SỰ Chuyªn ngµnh: Quang häc M· sè: 62 44 01 09 Tãm t¾t luËn ¸n tiÕn sÜ vËt lý Hµ néi - 2016 2 Công trình được hoàn thành tại: Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ quốc phòng Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Vũ Thịnh TS. Nguyễn Thu Cầm Ph¶n biÖn 1: PGS. TS Chu Đình Thúy Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Ph¶n biÖn 2: PGS. TS Hồ Quang Qúy Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Ph¶n biÖn 3: PGS. TS Lê Hoàng Hải Học viện Kỹ thuật quân sự Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi..h ngàytháng ..năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện khoa học và Công nghệ quân sự - Thư viện Quốc gia Việt Nam 1 A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Ý nghĩa của luận án Do có nhiều ưu điểm nổi bật laser YAG:Nd hiện nay vẫn là loại laser được sử dụng phổ biến, nhất là trong các thiết bị quân sự (đo cự ly, điều khiển hỏa lực,). Đối với laser YAG:Nd nguồn bơm quang học thường được sử dụng là đèn flash (chứa khí Xe hoặc Kr) và các laser bán dẫn. Mặc dù xét về hiệu suất chuyển đổi năng lượng, nguồn bơm bằng laser bán dẫn có ưu thế hơn so với đèn flash. Nhưng vì nhiều lý do kinh tế và kỹ thuật các laser YAG:Nd bơm bằng đèn flash dùng trong quân sự vẫn chiếm tỷ lệ lớn. Do đèn flash bức xạ trong một vùng phổ rộng (từ vùng tử ngoại cho đến vùng hồng ngoại gần) nên một phần lớn năng lượng bơm hấp thụ trong thanh hoạt chất bị chuyển hóa thành nhiệt năng. Vì vậy người ta thường sử dụng hệ thống làm mát để giảm thiểu các tác động không mong muốn của các hiệu ứng nhiệt. Để tập trung năng lượng bơm vào thanh hoạt chất, đèn flash và thanh hoạt chất thường được đặt trong các ống phản xạ. Tổ hợp bao gồm: thanh hoạt chất, đèn flash, ống phản xạ, ống chứa chất làm mát và chất làm mát thường được gọi là quantron. Về thực chất quantron là đầu phát laser khi chưa có các gương phản xạ. Trong thiết kế, chế tạo laser YAG:Nd cần phải lựa chọn cấu hình quantron sao cho năng lượng bơm được hấp thụ nhiều nhất và phân bố năng lượng này trong thanh hoạt chất càng đồng nhất càng tốt, để hạn chế tối đa các gradient nhiệt độ sinh ra trong thanh hoạt chất. Xuất phát từ lý do này mà việc nghiên cứu "Tính toán năng lượng hấp thụ trong thanh hoạt chất của laser rắn YAG:Nd bơm bằng đèn flash phục vụ mục đích quân sự" đã được đề xuất. Mô hình tính toán sẽ giúp lựa chọn cấu hình quantron tối ưu nhất có thể, ngoài ra nó còn là một công cụ phân tích đánh giá các giải pháp công nghệ và kỹ thuật được áp dụng. Việc xác định năng lượng bơm được hấp thụ, năng lượng nhiệt sinh ra và phân bố năng lượng này trong thanh hoạt chất còn là phần việc không thể thiếu được trong quá trình xây dựng mô hình tính toán tổng thể cho laser YAG:Nd. 2 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án  Mục tiêu của luận án: Tính toán xác định năng lượng bơm được hấp thụ, năng lượng nhiệt sinh ra và phân bố năng lượng này trong thanh hoạt chất của laser YAG:Nd bơm bằng đèn flash. Mô hình tính toán là công cụ để phân tích đánh giá mức độ ảnh hưởng của các hiệu ứng nhiệt trong thanh hoạt chất và để tiến hành các khảo sát mô phỏng nhằm tìm các phương án tối ưu cho quantron của loại laser này. Các kết quả tính toán còn là cơ sở ban đầu để xây dựng mô hình tính toá mô phỏng toàn bộ hoạt động của laser.  Những nội dung nghiên cứu chính của luận án: - Nghiên cứu phương pháp Monte-Carlo ray tracing và cách thức phần mềm Zemax, sử dụng phương pháp này trong chế độ không tuần tự để xác định phân bố năng lượng bức xạ đươc hấp thụ trong các hệ thống quang học phức tạp. - Xây dựng mô hình tính toán cho quantron của laser YAG:Nd bơm bằng đèn flash để xác định năng lượng bơm được hấp thụ, năng lượng nhiệt sinh ra và phân bố năng lượng này trong thanh hoạt chất. - Nghiên cứu phương pháp đánh giá các quang sai mặt sóng do các hiệu ứng nhiệt trong thanh hoạt chất gây ra bằng các đa thức Zernike. - Sử dụng mô hình tính toán tiến hành một số khảo sát mô phỏng, đánh giá khả năng của một số phương pháp thực nghiệm và xử lý kết quả đo. - Khảo sát quantron của một mẫu laser YAG:Nd bơm bằng đèn flash dùng cho máy đo xa đơn xung dạng cầm tay. 3. Các kết quả chính của luận án. 1. Đã xây dựng được mô hình tính toán xác định năng lượng bơm được hấp thụ, năng lượng nhiệt sinh ra và phân bố năng lượng này trong thanh hoạt chất cho laser rắn YAG:Nd bơm bằng đèn flash. 2. Bằng các nghiên cứu khảo sát đã chứng minh rằng mô hình tính toán được xây dựng là công cụ hữu hiệu để xác định cấu 3 hình tối ưu cho quantron, đánh giá khả năng của các phương pháp thực nghiệm và xử lý các kết quả đo. 3. Chứng minh được vai trò của mô hình tính toán trong việc đánh giá định lượng ảnh hưởng của các hiệu ứng nhiệt đối với các đặc trưng của chùm tia laser. B. NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương. Chương 1 trình bày tổng quan các vấn đề vật lý trọng yếu liên quan đến quantron của laser YAG:Nd. Chương 2 trình bày cụ thể mô hình tính toán được xây dựng dựa trên phương pháp Monte-Carlo ray tracing với sự trợ giúp của phần mềm chuyên dụng Zemax. Chương 3 sử dụng mô hình tính toán đã được xây dựng để khảo sát ảnh hưởng của các thành phần có trong quantron, đánh giá khả năng của hai phương pháp thực nghiệm. Chứng minh vai trò quan trọng của mô hình trong việc xử lý các kết quả thực nghiệm. Chương 4 áp dụng mô hình tính toán cho trường hợp cụ thể là đầu phát laser YAG:Nd dùng trong các máy đo xa cầm tay trong quân sự để tìm phương án tối ưu trong thiết kế chế tạo. CHƯƠNG 1: LASER YAG:Nd BƠM BẰNG ĐÈN FLASH VÀ CÁC HIỆU ỨNG NHIỆT QUANG TRONG THANH HOẠT CHẤT Trong chương này, các đặc trưng cần thiết của các thành phần trong quantron của laser YAG:Nd được tổng hợp, phân tích, đánh giá nhằm phục vụ cho mục đích xây dựng mô hình tính toán. Các vấn đề liên quan đến hiệu ứng nhiệt trong thanh hoạt chất cũng được đề cập như: chuyển đổi năng lượng trong laser YAG:Nd bơm bằng đèn flash, nguyên nhân sinh ra các gradient nhiệt, các hiệu ứng nhiệt quang trong thanh hoạt chất. Một số phương pháp thực nghiệm để xác định các đặc trưng của hiệu ứng nhiệt trong thanh hoạt chất cũng được xem xét trong đó đặc 4 biệt chú ý đến hai phương pháp là: phương pháp sử dụng chùm tia thử dựa trên tiêu hình (caustic) của chùm tia khi đi qua thanh hoạt chất và phương pháp sử dụng sensor mặt sóng. Các vấn đề liên quan đến việc sử dụng các đa thức Zernike để lượng hóa quang sai mặt sóng. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG TRONG THANH HOẠT CHẤT CỦA LASER YAG:Nd BƠM BẰNG ĐÈN FLASH Xác định năng lượng hấp thụ và phân bố năng lượng này trong thanh hoạt chất là một vấn đề có ý nghĩa quan trọng đối với việc thiết kế chế tạo laser YAG:Nd bơm bằng đèn flash. Các tham số kể trên có thể biểu diễn tường minh chỉ trong những trường hợp đặc biệt. Trong trường hợp tổng quát các tham số này chỉ có thể xác định được thông qua tính toán bằng phương pháp số. 2.1. Phương pháp Monte - Carlo Ray Tracing Phương pháp ray tracing là phương pháp xác định độ chiếu sáng của các vật thể bằng cách dựng lại đường đi của các tia sáng. Các tia sáng được xác định bởi hướng truyền, bước sóng và cường độ. Các tia sáng lan truyền tuân theo các định luật quang hình. Khi tương tác với các vật thể, tia sáng có thể bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ và hấp thụ tùy thuộc vào các đặc tính quang học của vật thể. Phương pháp ray tracing là một trong những phương pháp hữu hiệu để tính toán xác định phân bố năng lượng trong các hệ thống quang học phức tạp. Phương pháp Monte Carlo ray tracing là sự mở rộng của phương pháp ray tracing trong đó tính đến chiếu sáng thứ cấp. Nhược điểm chủ yếu của phương pháp MCRT là tạo ra phương sai lớn, nhưng điều này có thể được hạn chế bằng cách tăng số lần lấy mẫu. Vì các kết quả tính bằng phương pháp MCRT hội tụ rất chậm, nên đòi hỏi phải có số lần lấy mẫu lớn để có thể giảm phương sai đến mức cần thiết. 5 2.2. Mô hình tính toán cho quantron của laser YAG:Nd bơm bằng đèn flash Từng thành phần của quantron được mô phỏng với các đặc trưng vật lý cụ thể và được tổ hợp thành mô hình tính toán hoàn chỉnh với sự trợ giúp của phần mềm Zemax. Dữ liệu tính toán từ Zemax được xử lý bằng phần mềm Matlab. 2.2.1. Mặt phản xạ Trong các quantron thường dùng, các mặt phản xạ có dạng hình trụ rỗng với thiết diện là hình elip, hình tròn, hình ovan, hai hoặc bốn hình elip chung tiêu cự vvTrong các đối tượng có sẵn của Zemax không có bề mặt nào tương tự như các mặt phản xạ thường dùng nên đòi hỏi phải tạo mới đối tượng này. Bằng ngôn ngữ C++ có thể xây dựng được một thư viện liên kết động (file DLL) để tạo ra một phần bề mặt trụ có tiết diện là hình elip (Hình 2.1). Với đối tượng này cùng với các đối tượng có sẵn trong Zemax ta có thể dễ dàng tạo ra các bộ phản xạ thường được sử dụng có cấu trúc khác nhau. Hình 2.1: Hình ống có tiết diện elip được tạo bởi thư viện liên kết động (file DLL) Bề mặt phản xạ cong, thực chất được mô phỏng bằng các tam giác nhỏ ghép lại với nhau (Hình 2.2). Mỗi một tam giác nhỏ đó được gọi là một facet. Hình 2.2: Mô hình của facet để mô phỏng mặt cong của hộp phản xạ 6 Bề mặt phản xạ thường có hệ số phản xạ, hệ số hấp thụ (truyền qua) và hệ số tán xạ nhất định. Sử dụng các khả năng mô phỏng lớp phủ (coating) và mô phỏng tán xạ (scattering) của Zemax trong chế độ không tuần tự, ta có thể mô phỏng các hiệu ứng này. 2.2.2. Đèn flash bơm năng lượng cho thanh hoạt chất Đèn flash được mô phỏng bằng đối tượng nguồn sáng hình trụ (Source Volume Cylinder) trong Zemax với đường kính và độ dài được xác định bằng công cụ soạn thảo thành phần không tuần tự (Non-Sequential Component Editor). Phổ bức xạ của đèn bơm phụ thuộc vào chất khí bên trong đèn kích (Xe hay Kr), vào áp suất bên trong đèn (450 torr; 700torr; 740torr) và mật độ dòng phóng tương ứng (1000A/cm2, 4000A/cm2...). Phổ bức xạ của đèn bơm được mô phỏng bằng tệp tin dữ liệu về phổ (Spectrum file) để đưa vào cơ sở dữ liệu của Zemax. 2.2.3. Thanh hoạt chất YAG:Nd Thanh hoạt chất được mô phỏng bằng đối tượng thể tích hình trụ (Cylinder Volume). Vì YAG:Nd là loại vật liệu không có trong catalo vật liệu quang (Glass Catalog) của Zemax nên ta phải xây dựng catalog cho YAG:Nd dựa trên phổ hấp thụ của thanh hoạt chất với nồng độ ion Nd3+ cụ thể. Chiết suất của YAG:Nd theo bước sóng ta có thể tham khảo từ các nhà sản xuất. Vì vùng bức xạ ta quan tâm nhiều là vùng hồng ngoại gần nên công thức thích hợp để xác định chiết suất YAG:Nd là công thức Hertzberger và công cụ ngoại suy chiết suất (Fiting Index Data) là công cụ được sử dụng ở đây. Dựa trên phổ hấp thụ của YAG:Nd, bằng công cụ soạn thảo dữ liệu truyền qua (Transmission Data Editor) và với những giá trị hệ số hấp thụ (phụ thuộc vào nồng độ ion Nd3+ trong thanh hoạt chất) ta có thể xây dựng phổ truyền qua của YAG:Nd. Thông thường, bề mặt bao quanh thanh hoạt chất được mài nhám để tránh kích thích các mode ký sinh. Điều này được mô phỏng bằng hệ số tán xạ và dạng tán xạ của bề mặt này (tương tự như đã trình bày ở phần trên đối với bộ phản xạ). 7 2.2.4. Ống dẫn chất làm mát Các ống dẫn chất làm mát được mô phỏng bằng đối tượng thể tích hình trụ (Cylinder Volume). Các ống này có thể được làm bằng các loại vật liệu khác nhau. Việc xây dựng các catalog cho các loại vật liệu này được tiến hành theo trình tự đã được trình bày ở mục 2.2.3. 2.2.5. Chất làm mát Thường chất làm mát được sử dụng là nước tinh khiết, nhưng cũng có nhiều trường hợp chất làm mát là một hỗn hợp (ví dụ 50% là nước 50% là ethylene glycol) và đôi khi người ta còn pha thêm các chất màu để hạn chế những vùng phổ không mong muốn của bức xạ bơm. Các chất làm mát cũng đòi hỏi phải xây dựng catalog tương ứng, tương tự như đã trình bày trong các mục trên. Sau khi mô phỏng đầy đủ các thành phần của quantron, ta có thể tiến hành ray tracing bằng Zemax (hình 2.8). Hình 2.8: Mô hình quantron (để ray tracing) sau khi xây dựng xong trong Zemax 2.3. Phương pháp đánh giá độ hội tụ của kết quả tính toán Với mỗi giá trị cụ thể về công suất bức xạ của đèn flash, kết quả ray tracing cho phép xác định công suất hấp thụ trong mỗi voxel (Zemax về thực chất đã sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn vì đối tượng thể tích đầu thu (Detector Volume) đã chia thanh hoạt chất thành các phần tử nhỏ thường được gọi là voxel - volume pixel). Các voxel trong Detector Volume là các khối hộp chữ nhật 8 bằng nhau). Tổng công suất hấp thụ của tất cả các voxel nằm trong thanh hoạt chất sẽ là công suất hấp thụ của thanh hoạt chất. Biết năng lượng bức xạ của xung đèn flash, tỷ lệ chuyển hóa năng lượng hấp thụ thành năng lượng nhiệt ta dễ dàng suy ra tổng năng lượng nhiệt được sinh ra trong thanh hoạt chất. Biết năng lượng nhiệt sinh ra trong mỗi voxel, ta có thể tính được sự biến đổi chiết suất trong mỗi voxel. Độ hội tụ của các kết quả tính toán bằng mô hình được xây dựng được đánh giá thông qua độ hội tụ của kết quả tính toán năng lượng nhiệt sinh ra (năng lượng bơm được hấp thụ) trong thanh hoạt chất và độ hội tụ của các hệ số Zernike thu được từ phân tích quang sai mặt sóng do các hiệu ứng nhiệt sinh ra trong thanh hoạt chất. 2.4. Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến độ hội tụ của kết quả tính toán Trong mô hình được xây dựng, những tham số sau có ảnh hưởng đến độ chính xác và thời gian cần thiết để tính toán: Số facet được dùng để mô phỏng mặt phản xạ; độ phân giải theo các trục x, y,z; số tia sáng được dùng để ray tracing. Dưới đây, là kết quả khảo sát từng tham số kể trên. Quantron được sử dụng ở đây có các thông số cụ thể sau: Mặt phản xạ:hình ống có tiết diện là hình elip với các bán kính: a = 9,0 mm; b = 7,8 mm (tiêu cự  = 4,5 mm); Chiều dài của ống phản xạ là 50mm, mặt được mạ bóng bằng kim loại (không có tán xạ) với hệ số phản xạ 90%. Đèn flash: đèn Xe, áp suất 450 Torr, mật độ dòng phóng 4000 A/cm2, đường kính của đèn là 4 mm, chiều dài vùng bức xạ là 50 cm, trục của đèn flash nằm trên tiêu điểm (bên trên) của hình elip. Thanh hoạt chất: Vật liệu: YAG:Nd3+ 1.0 at %, đường kính của thanh hoạt chất là 4 mm, chiều dài của thanh hoạt chất là 50 mm, mặt bao thanh có hệ số tán xạ 10%, bề mặt hai đầu thanh được khử phản xạ, trục của thanh hoạt chất nằm trên tiêu điểm của hình elíp (bên dưới). Năng lượng điện cấp cho đèn bằng 13,36 J (C = 33F, U = 900 V). Năng lượng bức xạ của đèn bằng 6,0 J (chiếm 45% năng lượng điện cấp cho đèn). 9 2.4.1. Số facet được lựa chọn để mô phỏng mặt phản xạ Số tia sáng được sử dụng để ray tracing ở đây là 5.105, độ phân giải theo các trục x, y là 15,625 m (256pixels/4mm) và gradient nhiệt dọc theo trục z giả thiết là không đáng kể. Các kết qủa khảo sát cho thấy rằng với số facet được sử dụng là 256 để mô phỏng toàn bộ mặt phản xạ là tối ưu, sai số trong việc xác định năng lượng nhiệt sinh ra là dưới 0,1%, còn sai số trong việc xác định hệ số 02C (hệ số lượng hóa hiệu ứng thấu kính nhiệt) là dưới 0,15%. Vì vậy nên chọn giá trị ban đầu của tham số này là 256. 2.4.2. Số lượng tia sáng được dùng để ray tracing Độ phân giải theo các trục x, y như Mục 2.4.1, gradient nhiệt theo trục z giả thiết là không đáng kể. Khảo sát tương tự như phần trên ta thu được: kết quả khảo sát cho thấy rằng với số tia sáng được sử dụng là 5.105, sai số trong xác định năng lượng nhiệt sinh ra không vượt quá 0,4%, còn sai số trong xác định hệ số 02C không vượt quá 0,3%.Vì thế nên chọn giá trị ban đầu của tham số này là 5.105. 2.4.3. Lựa chọn độ phân giải theo hai trục x, y Để tiện cho những tính toán trong khảo sát, chúng tôi luôn lấy độ phân giải theo x, y là bằng nhau. Gradient nhiệt theo trục z giả thiết là không đáng kể. Các kết quả khảo sát cho thấy rằng với độ phân giải là 16m (250 pixel/4mm), thì sai số trong việc xác định lượng nhiệt sinh ra và sai số trong xác định hệ số 02C nhỏ hơn 0,1%. Do vậy nên chọn giá trị ban đầu của tham số này 16m. 2.4.4. Lựa chọn độ phân giải theo trục z Các kết quả khảo sát cho thấy giả thuyết về gradient nhiệt dọc theo trục của thanh hoạt chất không đáng kể là có cơ sở, nó có thể dẫn tới sai số trong việc tính năng lượng nhiệt sinh ra trong thanh hoạt chất là < 0,5% và trong tính giá trị hệ số 02C là < 0,05%. Vì vậy đối với trường hợp khi độ dài thanh hoạt chất lớn hơn nhiều lần so với đường kính của thanh (trong trường hợp cụ thể ở đây là 12 lần), gradient nhiệt dọc theo trục của thanh hoạt chất có thể bỏ qua. Từ đây về sau trong các khảo sát chúng tôi sẽ sử dụng giả thuyết này. 10 2.5. Mô hình tính toán năng lượng hấp thụ của thanh hoạt chất Từ những điểm đã trình bày ở trên ta thấy rằng mô hình tính toán được xây dựng bao gồm 2 phần chủ yếu là phần đảm bảo toán học và quy trình tính toán. 2.5.1. Đảm bảo toán học Phần đảm bảo toán học là các cơ sở dữ liệu về các đặc trưng quang học và quang phổ của các thành phần nằm trong quantron. Các cơ sở dữ liệu này phải được xây dựng đầy đủ với dạng thức tuân thủ các yêu cầu của Zemax. Công việc này đã được trình bày cụ thể trong mục 2.2. 2.5.2. Quy trình tính toán Quy trình tính toán được tiến hành bằng phương pháp hồi quy theo lưu đồ được trình bày trong hình dưới đây. START Các thông số đầu vào Các tham số ray tracing - Số facet - Số tia sáng - Độ phân giải Ray tracing Đánh giá độ hội tụ của các kết quả tính toán STOP Thay đổi các tham số ray tracing No Yes Hình 2.14: Lưu đồ thuật toán của mô hình tính toán 11 CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN TRONG KHẢO SÁT MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO Mô hình tính toán được xây dựng trong Chương 2 cho phép khảo sát đánh giá ảnh hưởng của các thành phần trong một quantron cụ thể. Việc khảo sát được tiến hành sau một xung bơm của đèn, với quá trình bơm năng lượng được coi là quá trình đoạn nhiệt. Ngoài ra mô hình tính toán còn là một công cụ hữu ích để đánh giá khả năng của các phương pháp thực nghiệm và xử lý kết quả đo. 3.1. Khảo sát mô phỏng 3.1.1. Ảnh hưởng của hệ số tán xạ của mặt phản xạ Quantron được sử dụng ở đây có các thông số như ở mục 2.3, chỉ với một khác biệt duy nhất là mặt phản xạ có hệ số tán xạ thay đổi được. Kết quả khảo sát cho thấy rằng khi hệ số tán xạ của mặt phản xạ tăng mă ̣̣̣̣c dù năng lượng bức xạ laser giảm nhưng góc mở của chùm tia laser hẹp lại và độ phẩm chất lại tăng. 3.1.2. Ảnh hưởng của kích thước thanh hoạt chất Quantron được khảo sát ở đây có các thông số như trong mục 2.3, ngoại trừ một điều là đường kính thanh hoạt chất thay đổi được. Kết quả khảo sát cho thấy rằng đường kính của thanh hoạt chất và đèn xấp xỉ nhau cho hiệu suất tối ưu nhất. 3.1.3. Ảnh hưởng của hệ thống làm mát Quantron được sử dụng ở đây như ở mục 2.3, nhưng có hệ thống làm mát. Kết quả khảo sát cho thấy, hệ thống làm mát làm suy giảm đáng kể năng lượng bơm được hấp thụ nhưng cũng làm giảm đáng kể các quang sai sinh ra trong thanh họat chất. 12 3.2. Phương pháp sử dụng sensor mặt sóng Shack-Hartmann 3.2.1. Thực nghiệm và khảo sát đánh giá khả năng của phương pháp Sơ đồ thực nghiệm được trình bày trên Hình 3.5. Hình 3.5: Sơ đồ thực nghiệm sử dụng sensor mặt sóng Shack- Hartmann để đo đạc khảo sát hiệu ứng nhiệt trong thanh hoạt chất của laser rắn YAG:Nd 1. Laser He - Ne m 6328,0 ; 2. Hệ quang telescop; 3. Thanh hoạt chất; 4.Đèn flash; 5. Hộp phản xạ; 6. Ma trận vi thấu kính; 7. CCD camera; 8. Máy tính. Quantron được khảo sát có các thông số sau: Mặt phản xạ: Hình ống có tiết diện là hình elip với các bán kính bằng 15,05mm và 11,02mm; chiều dài của ống phản xạ bằng 50mm; mặt phản xạ được mạ bóng (hệ số tán xạ bằng 0%) bằng kim loại và có hệ số phản xạ 90%. Đèn flash: Loại đèn: Xe, áp suất 450Torr, mật độ dòng phóng 4000A/cm2; đường kính: 4mm; độ dài vùng bức xạ: 50mm; khoảng cách giữa các trục của đèn và trục của ống phản xạ bằng 7,04mm; trục của đèn nằm trên đường thẳng nối giữa 2 tiêu điểm của hình elip. Thanh hoạt chất: Vật liệu: YAG:Nd3+ 1,0 at.%; đường kính: 3,72mm; chiều dài: 50mm; bề mặt thanh hoạt chất (trừ hai đầu của thanh hoạt chất được phủ màng khử phản xạ) được mài nhám và có hệ số tán xạ bằng 10%. trục của thanh hoạt chất cũng nằm trên đường 1 2 3 4 5 6 7 8 13 thẳng nối hai tiêu điểm của hình elip và đối xứng với trục của đèn flash qua trục của hộp phản xạ. Các ống chứa chất làm mát: Vật liệu là thạch anh; ống chứa chất làm mát cho đèn flash có đường kính bằng 11,0mm; độ dày bằng 0,99mm và chiều dài bằng 50mm; ống chứa chất làm mát cho thanh hoạt chất có đường kính bằng 10,68mm; độ dày bằng 1,3mm và chiều dài bằng 50mm; chất làm mát là nước tinh khiết. Các thông số của tụ nạp, điện áp nạp v.v giống như mục 2.3 và năng lượng bức xạ của đèn là 6,0 J (chiếm 45% năng lượng điện cấp cho đèn). Các đo đạc được thực hiện với sensor Shack - Hartmann của hãng Thorlab. Sensor này được cấp đồng bộ gồm ma trận vi thấu kính, CCD camera và phần mềm chuyên dụng, ma trận vi thấu kính được dùng là loại WFS 150 - 5C. Kết quả thực nghiệm được trình bày trên hình 3.7. Hình 3.7: Mặt sóng thu được bằng sensor Shack-Hartmann dạng 3D (bán kính đồng tử vào bằng 1,86mm) 14 Kết quả thực nghiệm và kết quả thu được từ mô hình tính toán được so sánh trên hình 3.8. Mặt sóng thu được bằng sensor Shack-Hartmann dạng 2D Mặt sóng thu được từ mô hình tính toán dạng 2D 3.2.1.2. Sai số của phép đo 3.2.2. Sai số của phép đo Sai số phép đo ở đây là do số lượng vithấu kính hữu hạn nên đã hạn chế độ phân giải theo các trục tọa độ. Đối với sensor được sử dụng độ phân giải này bằng 150m. Các khảo sát bằng mô hình tính toán cho thấy rằng với độ phân giải bằng 16m các kết quả tính toán (hay đo đạc) có thể được coi là gần với thực tế. Vì vậy có thể coi sai số giữa kết quả tính toán với độ phân giải 150m và 16m như là sai số nhỏ nhất mà phép đo có thể đạt được khi sử dụng sensor với các vi thấu kính nằm cách nhau 150m. Kết quả cho thấy sai số của phép đo có thể đạt tới dưới 8%. Hình 3.8: So sánh mặt sóng và biểu đồ của 15 hệ số Zernike đầu tiên 15 3.2.3. Sự phụ thuộc của hệ số Zernike vào năng lượng sinh ra trong thanh hoạt chất Bằng sensor Shack-Hartmann ta chỉ có thể xác định được quang sai mặt sóng so với mặt sóng đã được lấy làm chuẩn từ trước, vì vậy bằng phương pháp này ta không thể xác định được lượng nhiệt sinh ra trong thanh hoạt chất, một thông số không thể thiếu được để giải bài toán nhiệt vật lý đối với thanh hoạt chất. Bằng mô hình tính toán được xây dựng, ta có thể xác định được sự phụ thuộc giữa hệ số Zernike (cụ thể ở đây là hệ số 02C ) và lượng nhiệt sinh ra trong thanh hoạt chất. Hình 3.9: Sự phụ thuộc của hệ số 02C vào năng lượng nhiệt sinh ra trong thanh hoạt chất 3.3. Phương pháp chùm tia thử 3.3.1. Xác định tiêu cự của thấu kính nhiệt dựa trên tiêu hình của chùm tia thử Với giả thiết rằng phân bố chiết suất trong tiết diện của thanh hoạt chất có thể biểu diễn gần đúng dưới dạng parabol và chùm tia thử dạng Gauss. Dựa trên lý thuyết quang học ma trận ABCD mô tả sự lan truyền chùm tia Gauss và mô hình hóa tiêu hình của chùm tia thử, chúng ta có thể tính được tiêu cự của thấu kính nhiệt hình thành trong thanh hoạt chất khi nó chịu tác động của nhiệt cũng như chiết suất trên trục của thanh hoạt chất khi đo được bán kính mặt sóng và độ rộng chùm tia thử ở hai vị trí khác nhau. 16 3.3.2. Thực nghiệm và khảo sát đánh giá khả năng của phương pháp Quantron được khảo sát ở đây là quantron có các thông số tương tự như quantron được sử dụng trong mục 3.2.1.1 nhưng với những thay đổi cụ thể như sau: bỏ các ống chứa chất làm mát để đưa trục của đèn flash và trục của thanh hoạt chất về đúng vị trí 2 tiêu điểm. Những thay đổi này nhằm mục đích để phân bố nhiệt trong thiết diện của thanh hoạt chất gần với dạng parabol nhất (quang sai dạng thấu kính đóng vai trò chủ yếu, các quang sai dạng khác có thể bỏ qua). Sơ đồ thực nghiệm được trình bày trên Hình 3.11. Hình 3.11: Sơ đồ thực nghiệm của phương pháp chùm tia thử 1. Laser He-Ne m 6328,0 ; 2. Đèn kích; 3. Thanh hoạt chất; 4. Hộp phản xạ; 5. Các bản mặt chia sáng; 6. Các gương phản xạ 7. Các bộ suy giảm; 8. Camera CCD; 9. Kính lọc (cho qua bức xạ vùng m 6328,0 ); 10. Màn ảnh; A, B - Vị trí hai đầu thanh hoạt chất. Trên hình 3.12 là hình ảnh vết laser của chùm tia thử ở hai khoảng cách khác nhau. a) b) 4 CCD 1 2 3 5 6 7 6 (B) 8 9 5 7 10 (A Hình 3.12: Hình ảnh vết laser của chùm tia thử ở hai khoảng cách 500mm (vết ở trên) và 920mm (vết ở dưới) tính từ đầu ra của thanh hoạt chất. a) Trước khi chưa bơm quang học; b) Sau khi được bơm quang học (đơn vị của thước đo trên hình là pixel) 17 3.3.3. Sai số của phép đo Trên bảng 3.9 là kết quả đo đạc và tính toán sai số với sơ đồ thực nghiệm như trên hình 3.11 và độ rộng của chùm tia thử được đo ở 2 khoảng cách 500 mm và 920 mm. Sai số cùa phép đo ở đây phụ thuộc vào sai số khi xác định độ rộng của chùm tia. Các kết quả khảo sát được trình bày trên Bảng 3.9. Bảng 3.9: Sai số khi sử dụng phương pháp chùm tia thử Camera XC - 77 CCD Thorlabs DCV CCD Sai số độ rộng chùm tia (%) 0,91 và 0,72 0,45 và 0,35 Bán kính mặt sóng R (m) 1,313 1,3078 Sai số của R (%) 12,15 6,08 Độ rộng chùm tia laser w (mm) 0,971 0,971 Sai số của w (%) 4,58 2,25 Tiêu cự của thấu kính nhiệt f (m) 3,24 3,181 Sai số của f (%) 29,09 15,94 3.3.4. Sự phụ thuộc của tiêu cự thấu kính nhiệt vào năng lượng nhiệt sinh ra trong thanh hoạt chất Nếu không tính đến các quang sai bậc cao mối quan hệ giữa tiêu cự f và hệ số Zernike 02C có thể được xác định bằng biểu thức sau: 0 2 2 0 .34 C r f  Kết quả tính toán được trình bày trên hình 3.14. H×nh 3.14: Sù phô thuéc cña tiªu cù thÊu kÝnh nhiÖt vµo n¨ng l-îng nhiÖt sinh ra trong thanh ho¹t chÊt. 18 Những kết quả đã trình bày ở trên cho ta thấy vai trò quan trọng của mô hình tính toán trong việc xác định năng lượng hấp thụ trong thanh hoạt chất dựa trên các kết quả đo thực nghiệm. CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT LASER YAG:Nd TRONG MÁY ĐO XA ĐƠN XUNG Một trong những máy đo xa laser quân sự có nhu cầu cao về số lượng là các máy đo xa đơn xung nhỏ gọn (dạng ống nhòm). Với trình độ và năng lực KHCN hiện nay, chúng ta hoàn toàn có khả năng tự thiết kế chế tạo loại đo xa laser này đảm bảo trang bị cho quân đội. Laser được khảo sát ở đây là laser YAG:Nd bơm bằng đèn flash dùng trong máy đo xa laser BD-1 đơn xung dạng ống nhòm cầm tay do Nga sản xuất. 4.1. Laser YAG:Nd trong máy đo xa BD-1 Hình 4.2: a) Quantron của laser YAG:Nd trong máy đo xa BD-1 b) Mặt cắt của quantron với các thông số:1 - đèn bơm ; 2 - thanh hoạt chất; 3 - Ống bao Trên hình 4.2 là quantron của laser được khảo sát. Đối với các thiết bị đo xa laser nói chung và thiết bị đo xa đơn xung cầm tay nói riêng, chất lượng (góc mở, độ phẩm chất v.v) của chùm tia laser phát ra có vai trò quyết định đến khả năng tập trung năng lượng của chùm tia chiếu đến mục tiêu cần đo. Nói một cách khác, ngoài công suất xung bức xạ laser ra, chất lượng của chùm tia a b 19 có vai trò quyết định đối với cự ly đo tối đa của thiết bị. Các quang sai do nhiệt sinh ra trong thanh hoạt chất có thể có những ảnh hưởng xấu đến chất lượng của chùm tia laser. Quantron của laser được khảo sát có cấu tạo khá đơn giản. Điểm đặc biệt đáng lưu ý ở đây là một ống bao quanh thanh hoạt chất. Nhiệm vụ chính của ống bao này là lọc vùng bức xạ cực tím của đèn bơm. Ngoài sinh nhiệt, bức xạ bơm ở vùng cực tím còn gây ra những phản ứng quang hóa làm xuất hiện các tâm màu, gây ra những thay đổi đặc trưng phổ của thanh hoạt chất. Từ đây trở đi để tiện trình bày về ống bao thanh hoạt chất, nó được gọi là bộ lọc UV (bộ lọc tia cực tím) và đây cũng là đối tượng chủ yếu được tính toán khảo sát ở chương này. 4.2. Vật liệu được sử dụng để tạo bộ lọc tia cực tím (UV) Vật liệu để tạo các bộ lọc UV có nhiều loại, ở đây chỉ khảo sát một số loại vật liệu được sử dụng rộng rãi, hợp lý về mặt kinh tế để tạo cơ sở cho việc chế tạo laser với số lượng lớn sau này. Để khảo sát các loại vật liệu ta phải xây dựng cơ sở dữ liệu cho các loại vật liệu này phù hợp với các yêu cầu của Zemax để có thể sử dụng phương pháp ray tracing trong đánh giá so sánh. Các loại vật liệu được khảo sát ở đây là: Thủy tinh pyrex, Thạch anh pha cerium, Thủy tinh pha samarium. Việc xây dựng cơ sở dữ liệu cho các loại vật liệu kể trên đáp ứng các yêu cầu của phần mềm Zemax được tiến hành tương tự như khi xây dựng cơ sở dữ liệu cho YAG:Nd (mục 2.2.3). 4.3. Khảo sát ảnh hưởng của bộ lọc tia cực tím (UV) đối với chùm tia laser phát ra. Để lựa chọn được các bộ lọc UV, ta phải đánh giá được ảnh hưởng của bộ lọc này đối với chùm tia laser phát ra. Hai tham số được quan tâm chủ yếu ở đây là góc mở và độ phẩm chất của chùm tia. 4.3.1. Ảnh hưởng đối với góc mở của chùm tia Góc mở của chùm tia laser phát ra được xác định bởi biểu thức sau:   2r0 / (L.)1/2 20 với: r0 là bán kính thanh hoạt chất; L là khoảng cách giữa hai gương;  là tiêu cự thấu kính nhiệt. Nguồn nuôi đèn bơm của laser trong máy đo xa BD-1 sử dụng tụ nạp có điện dung C = 20 F và điện áp nạp cho tụ U = 900 V. Vì vậy năng lượng điện cấp cho đèn là: Ee = C.U2/2 = 8,1 J và năng lượng bơm (chiếm 45%) bằng 3,645 J, khoảng cách giữa 2 gương là 92mm. Các tính toán khảo sát cho các kết quả sau: Bảng 4.1: Các phần năng lượng và tỷ lệ giữa các phần năng lượng trong thanh hoạt chất với các bộ lọc UV khác nhau. Bộ lọc UV Ea (J) Eh (J) Eeff (J) Rh Reff Reh Không có UV 0,8478 0,7932 0,0545 0,9357 0,0643 0,0687 Thuỷ tinh pyrex 0,5068 0,4632 0,0436 0,9139 0,0860 0,0941 Thạch anh pha cerium 0,4477 0,4068 0,0408 0,9088 0,0912 0,1004 Thuỷ tinh pha samarium 0,4191 0,3790 0,0401 0,9042 0,0958 0,1059 ở đây: Ea - năng lượng hấp thụ trong thanh hoạt chất. Eh - năng lượng nhiệt sinh ra trong thanh hoạt chất. Eeff - năng lượng hấp thụ không bị chuyển hóa thành nhiệt năng. Rh = Eh/Ea; Reff = Eeff/Ea; Reh = Eeff/Eh. Bảng 4.1 cho thấy đối với các bộ lọc UV khác nhau, phần năng lượng hấp thụ hữu ích khác nhau không nhiều, trong khi phần năng lượng nhiệt sinh ra khác nhau tương đối lớn. Để đánh giá ảnh hưởng của các bộ lọc UV đối với góc mở của chùm tia laser phát ra, ta giả sử rằng phần năng lượng hữu ích là như nhau và bằng 0,05 J cho mọi trường hợp (năng lượng xung laser phát ra là như nhau). 21 Kết quả tính toán (Bảng 4.2) cho thấy rõ ảnh hưởng của các bộ lọc UV. So sánh 2 bộ lọc UV: thạch anh pha cerium và thủy tinh pha samarium, ta thấy đối với laser cụ thể được khảo sát ưu thế của thủy tinh pha samarium là không đáng kể. Xét về mặt kinh tế việc chọn phương án sử dụng thạch anh pha cerium là hợp lý hơn cả và cũng chính vì vậy mà nhà sản xuất đã chọ phương án này. Bảng 4.2: Ảnh hưởng của các bộ lọc UV đối với góc mở của chùm tia laser phát ra. Bộ lọc UV Eh (J) (m)  (m) (mrad) Không có 0,7278 -0,0374 15,4198 3,3583 Thuỷ tinh pyrex 0,5313 -0,0131 44,0364 1,9872 Thạch anh pha cerium 0,4980 -0,0107 53,5151 0,1803 Thuỷ tinh pha samarium 0,4721 -0,0096 60,2887 0,1698 Các kết quả ở đây được tính toán trong điều kiện lý tưởng (gần đúng cận trục, bỏ qua nhiễu xạ do gương ), nhưng chính điều kiện lý tưởng này cho phép ta dễ dàng so sánh đánh giá ảnh hưởng của các bộ lọc UV. 4.3.2. Ảnh hưởng đối với độ phẩm chất của chùm tia Độ phẩm chất của chùm tia laser có thể được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau, nhưng về bản chất vật lý nó là thước đo khả năng hội tụ trong những điều kiện nhất định hay khả năng tạo chùm tia với góc mở nhỏ nhất có thể được. Độ phẩm chất của chùm tia thường được xác định bởi thông số M2. Các hiệu ứng nhiệt gây ra các quang sai trong thanh hoạt chất và làm giảm độ phẩm chất của chùm tia khi lan truyền qua thanh hoạt chất. Mối quan hệ giữa hệ số phẩm chất của chùm tia trước khi đi qua 2 inM và sau khi đi qua 2 outM thanh hoạt chất có thể được biểu diễn như sau: 22    22222 addinout MMM  ở đây: 2 addM biểu diễn sự suy giảm độ phẩm chất của chùm tia. Các tính toán cụ thể bằng phương pháp mô men cho các kết quả sau (Bảng 4.5): Bảng 4.5: Giá trị đối với mode cơ bản TEM00. Bộ lọc UV (Vật liệu khác nhau) (TEM00) Không có bộ lọc 217,3148 Thuỷ tinh pyrex 25,6407 Thạch anh nóng chảy pha cerium 17,3558 Thuỷ tinh pha samarium 13,5934 Ta thấy khi có các bộ lọc UV giá trị giảm đi hàng chục lần. Điều này có nghĩa là độ phẩm chất chùm tia đã được cải thiện đáng kể khi có các bộ lọc UV. Kết quả tính toán cũng cho thấy sự khác biệt giữa bộ lọc UV bằng thạch anh pha cerium và bằng thủy tinh pha samarium không thật sự nổi bật, nên xét về hiệu quả kinh tế một lần nữa ta lại thấy rằng việc sử dụng thạch anh pha cerium vẫn là phương án tối ưu. KẾT LUẬN Năng lượng bơm được hấp thụ, nhiệt sinh ra và phân bố nhiệt năng, các quang sai do các hiệu ứng nhiệt trong thanh hoạt chất và ảnh hưởng của chúng đối với chùm tia laser phát ra là những vấn đề được quan tâm nghiên cứu trong luận án này. Với đối tượng cụ thể nghiên cứu là laser YAG:Nd bơm bằng đèn flash các khảo sát nghiên cứu chính đã được tiến hành trong khuôn khổ của luận án này có thể tóm tắt lại như sau: - Đã nghiên cứu sử dụng phương pháp Monte - Carlo Ray Tracing với sự trợ giúp của phần mềm Zemax ở chế độ không tuần tự (non - sequential mode) để xác định phân bố năng lượng (năng lượng bơm được hấp thụ, năng lượng nhiệt sinh ra) trong thanh hoạt chất. 23 - Đã nghiên cứu định lượng các quang sai do các hiệu ứng nhiệt quang sinh ra trong thanh hoạt chất thông qua các hệ số Zernike bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis) với sự trợ giúp của phần mềm Matlab. - Đã nghiên cứu độ hội tụ của các kết quả tính toán và phương pháp đánh giá chúng thông qua độ hội tụ của giá trị năng lượng bơm hấp thụ và độ hội giá trị của của các hệ số Zernike. - Đã khảo sát các tham số ảnh hưởng đến độ hội của các kết quả tính toán để xác định các giá trị ban đầu hợp lý cho quá trình tính toán hồi quy. - Đã sử dụng mô hình tính toán để đánh giá khả năng của các phương pháp thực nghiệm và xử lý kết quả đo. Hai phương pháp thực nghiệm cụ thể được khảo sát là phương pháp sử dụng sensor mặt sóng Shack - Hartmann và phương pháp sử dụng chùm tia thử. - Với mô hình tính toán được xây dựng và bằng phương pháp mô men đã khảo sát ảnh hưởng của các hiệu ứng nhiệt (các quang sai) trong thanh hoạt chất đối với chùm tia laser phát ra cho laser YAG:Nd bơm bằng đèn flash sử dụng trong các máy đo xa đơn xung dạng cầm tay dùng cho quân sự, phục vụ việc thiết kế chế tạo loại laser này. Những đóng góp mới của luận án 1. Xây dựng được mô hình tính toán xác định năng lượng bơm được hấp thụ, năng lượng nhiệt sinh ra và phân bố của chúng trong thanh hoạt chất, từ đó đánh giá định lượng các quang sai và ảnh hưởng của chúng đến chùm tia laser phát ra. 2. Bằng các kết quả nghiên cứu khảo sát nói chung và khảo sát laser YAG:Nd trong máy đo xa đơn xung dạng cầm tay dùng trong quân sự nói riêng đã chứng minh được tính hiệu quả của mô hình tính toán được xây dựng. 24 Hướng nghiên cứu tiếp theo: Các tính toán, khảo sát được tiến hành trong khuôn khổ luận án này về thực chất mới chỉ hạn chế ở chế độ laser phát đơn xung. Mặc dù vậy các kết quả thu được sẽ góp phần tạo cơ sở, nhất là trong việc xác định các điều kiện ban đầu, để xây dựng mô hình tính toán tổng thể cho laser YAG:Nd bơm bằng đèn flash phát đơn xung với tần lặp cao. Đặc biệt khi yêu cầu phải giải quyết đồng thời bài toán nhiệt vật lý và các bài toán liên quan đến động học của laser. Việc xây dựng mô hình tính toán tổng thể cho laser YAG:Nd bơm bằng đèn flash nói riêng và laser rắn nói chung để làm cơ sở tiến hành những thực nghiệm mô phỏng vẫn là vấn đề đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm vì những giá trị thực tiễn phục vụ việc thiết kế chế tạo loại laser này. 25 Các công trình đã công bố thuộc nội dung luận án 1. Phạm Vũ Thịnh, Lê Ngọc Anh, Lê Văn Đại (2013), "Xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động của Laser rắn", Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, Số tháng 8, tr. 24-27. 2. Phạm Vũ Thịnh, Lê Ngọc Anh, Lê Văn Đại (2013), "Mô phỏng năng lượng hấp thụ trong thanh hoạt chất của laser rắn bơm bằng đèn flash bằng phần mềm Zemax", Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, Số tháng 8, tr. 28-33. 3. Phạm Vũ Thịnh, Lê Ngọc Anh, Lê Văn Đại (2013), "Sử dụng phương pháp chùm tia thử xác định các đặc trưng của hiệu ứng thấu kính nhiệt trong thanh hoạt chất của laser rắn bơm bằng đèn flash", Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, Số tháng 8, tr. 34-40. 4. Phạm Vũ Thịnh, Lê Ngọc Anh, Lê Văn Đại (2013), "Đánh giá khả năng của phương pháp chùm tia thử trong việc xác định quang lực của thấu kính nhiệt trong thanh hoạt chất Nd:YAG bơm bằng đèn flash", Hội nghị Vật lý kỹ thuật và ứng dụng toàn quốc lần thứ III, Huế. Những tiến bộ trong vật lý kỹ thuật và ứng dụng, tr. 105-110. 5. Pham Vu Thinh, Le Ngoc Anh (2014), "Role of calculation model in experimentally determinng thermal energy generated in laser, Com. In Phys., vol 24, No 3, pp. 239-244.