Исследование возможностей зондирования характеристик атмосферы на основе внутрирезонаторных эффектов в CO2-лазере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

толкиь ордизюв октябрьской вьвмвди и трудового красного зилшш государствен!ил ш/шкгс11тет га. Б.В.Ю'ЙБЫШВЛ

На правах рукописи удк 621.371:535.373

ШРШ1 Петр'Петрович

нсслддова][иг возможностей оордирошшш

характерисшс атмосфзри на 0с1юбз внутрнрезонаторшх эжктоз в со2-лазерв

(Специальность 01.04.05. - оптика)

Автореферат

■ диссертации на иоисканлз ученой степени кандидата ^изкко~мат9мат1пескцх наук

Томск

1592

Работа выполнена в Институте оптик» атмосферы СО РАН

Наущай руководитель: докюр физико-математических наук,

профессор Е.П.Гордов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

К.053.53.03 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических ндук е Томском орденов Окгяо'рь-ской революции и Трудового ¡{[«юного знамени государственном у>т-керси'гиге им. В.В.Куйбышева (БЗ'ЮЮ, Томск, пр.Ленина,30, нлаши. корпус, ауд. 136),

С диссертацией можно ознакомиться й Научной бибциотеке уни»е{ ситета.

Л.С. Василенко

кандидат ^йзико-матештичесшас нау; Ы.М. Макогон

Ведущая организация:

Сибирский физико-техпичос'сиГ! институт им. В.Д.Кузнецова

Автореферат разослан

I!

5

19321'.

Учешй секретарь специализированного 'совета, к.ф.'-м.н.

- з -

ОКЦАЯ ХАРЛК1Ш1СТИКА P,\B0Tîi

Актуальность теми. Для псех известных методов лазерного зонпн-'рования атмосферы характерно функциональное разделение блоков передатчика и приемника. Вместе с тем вскоре после создания лазера ' било замечено, что, если направить часть пучка обратно в резонатор лазера, то его характеристики генерации будут весьма чуствительны к изменениям параметра возвращенного излучения. Использование это-, го ш!утрирезонаторного. зффектя в лазерах для зондирования атмосферы открывает возможность создания л.дара, в котором лазер выполняет функции как передатчика, так и приемника излучения (ЛП - лнппр). ЛИ - яидар выгодно отличается от тр;>диичоши« лидаров чрезвычайно зксокой помехозадиценносты:; и свойством автоматического совмещения волновьк (;ронтоп посылаемого и принимаемого пучков, позволяющем технически проще реализовать известниз преимущества когерентного приема при локировании обьектов и атмосфере.

Однако ранее проведенные исследования ЛИ - лицара на основе газовых и твердотельных лалоров показали, что реализация этих возможностей затруднена я связи с тем, что не все испольэопанше лазеры обладает необходимом для этих пелей стабильностью частоты и мощности генерации. COg - лазер позволяет достичь более лучшей стабильности этих характеристик и является перспективным для зондирования атмосферы. Его излучение находятся в "окне" прозрачности,атмосферы и менее подвержено влиянии турбулентности. Более того, в диапазон длил волн излучения COg - лазера попадает резонансные частоты поглощения многих загрязнявших атмосферу нолекул. Несмотря fia общность физических предпосылок и алологга в технической реализации различных ЛП г лидаров, результаты >лвостных исследования но представляется возможным полностью использовать длл разработки ли.дара на оснозе COg - лазера. Это я определяет необходимость исследования специфики киугрирпээнаторннх оф1°;;топ в СОр - лазере. Из .всего шлесказанного пцгеглот акхуадыпсть tcw работы.

¡дсд|-г> Работу яздяетея исследование плиячип возвращенного з резо-"натор слабого отратог'ого излучения и пиутрирезсктгоряхх потерь i:a шгсс!1с!'рн0сть гснепегн:! цяир^пгтюго СОт-лазера и разработка ;та оен se зтог'': рлкотоп:

- ксгЬр'Япиого ЯП - лп.тпп для nworîwttm птмос^-срл ко истоду днф-^српттльчсч) nor.TC'i.-T';!;; п ¡'лл характеристик удплош1К

- трассового шутрирезонаторного измерителя малых изменений оптических толщ атмосферы.

Научная новизна работы заключаемся в следующем: I.Исследован эффект возникновения биений интенсивности излучения СО^- лазера при внутриреэонатарном когерентном приема эхо-сигнала; установлена и обоснована зависимость амплитуды и частоты биений от характеристик зондируемой трассы и удаленного отражателя.

2. Экспериментально исследованы частотные зависимости флуктуа ций интенсивности излучения и чувствительности СО^ - лазера при внутрирезонаторноа когерентном приеме эхо-сигнала; найдены и проанализированы основные факторы, определявшие чувствительность лазера к эхо-сигналу.

3. Создан и испытан макет ЛП - лидера на основе перестраиваемого СО^-лаззра для гаэоаналиэа атмосферы на трассах до I км с использованием как искусственных, так и топографических объектов в качестве отражателя.

4. Для повышения динамической чувствительности внутрирепона-торного когерентного приеиа эхо-сигнала предложена и исследована двухволновая схема с лазером на связанньк переходах.

5. Запущен к исследован непрерывный лазер с открытия! не селективным и дисперсионным резонаторами длиной от 55 до 210 м., большая часть которых находилась в естественной атмосфере.

На защиту выносятся следующие основные положения:

I. Экспериментально реализованный внутркрезонаторный когереи тный прием гхо-сигнала на СС^-лаэер обладает при должном выборе параметров предварительным усилением, чТо позволяет осуществлять трассовый газоаналиэ атмосфера» определять длину трассы, скорость движения удаленного отражателя и параметры его колебаний. Тако>5у способу зондирования присуща"высокая чувствительность, характерная для модуляционных вцутрирезснаторных эффектов, и высокая поыехозаддещ'знность.

2. При внутрирезонаторном когерентном приеме эхо-сигнала дву: волновой лазер на связанных переходах обладает не менее чем в 5 раз большей чувствительностью, чей одиовелновой лазер при условии что зондирование осуществляется на волне ■ большой интенсивности, а регистрируются изменение мозрюсти, обусловленные нелинейны» взаимодействием мод, волны малой интенсивности, находящейся в при! роговом режиме.

3. Экспериментально показано, что с помощью СО^- лазера с открытым длинным резонатором, большая часть которого находится в ес-тественноП атмосфере, возможно о високой чувствительностью определить изменения малых оптических толщ атмосферы на основе метода внутрирезонаторного поглощения.

4. Спектр генератши непрерывного СО^- лазера с открытым длинным неселективным резонатором определяется случайной модуляцией оптической .длины резонатора, обусловленной турбулентностью атмосферы. В условиях возмущенной атмосферы и при больших значениях силы тока разряда в спектре генерации лазера экспериментально обнаружено семь колебательно-вращательных переходов. При этом стабильность интегральной по спектру мощности излучения не хуже 10$ за время наблюдения 10 мин.

Достоверность результатов' работы обеспечивается удовлетворительным соответствием между экспериментальными данными, полученными в контролируемых: условиях, и теоретическими расчетами, а также непротиворечивостью полученных результатов с данными других работ.

Практическая ценность работц. Экспериментально показана и обоснована возможность высокочувствительных измерений изыеп-ний малых оптических толц атмосферы на основе метода внутрирезонаторного поглощения при использовании СО^-лазера с открытым длинном резонатором. Полученные результаты дают основу для создания трассового внутрирезонаторного измерителя малых оптических толщ атмосферы. Экспериментально реализован снутрирезснаторннЗ когерентной прием эхо-сигнала на COg- лазер iЛП-лидар), обладающий широкими функциональными возможностями. Продемонстрирована практическая воэмохность разработки на основе внутрирезонаторного когерентного приема приборов для трассового газоаанмиэа атмосферы, измерений дальности, а таете для измерений скорости движения и парапет-' рои колебаний удалении* объектов. .

-Оснорпне результаты роб' i докладывались ня ХП Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Мсснса, 1985 г.): ¿Ill,IX,X Вспсошик* стчюэиугпх по лазерное и якугтц«ескочу эондяробприэ т-.к^рч СГонсп, 1501,1986, 1990); КряцуипроцнуЗ ксньЧр^и'г,::! "Лпз»рч-07к {Невода, СЧ!А, 1907); Мел-

дународном конференции ШО по моделированию загрязнения атмосферы и его применения:.! (Ленинград, ,ISfc6); У11 Всесоюзном скшозиу!.;е по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения (Томск, I9L6); ik, ХУ Ьеэдународной конференции "¿Газарние радары" (Торонто, Канада, 19£6, Томск, I9¿0); Il-ií Всесоюзно}! научно-технической конференции (Ленинград, 19Ы).

Публикации. lío штериьлсш диссертации опубликовано 7 научных работ, список котоюах приведен е конце гшгорефхгрота.

Объеи работы. диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, прилокения и списка литера тури, пключаэдего ¿57 наименований. OOuptii объем диссертации,, включая иллюстрации на 44 gt1!. и 3 таблицы составляет 18? страниц.

осщтиш РАБОТЫ ■ Во введении обоснована актуальность геыы, определены цель к задачи исследования. Сформулированы осноыше защищаемые положения.. Дан кратки;: обзор содержании глав и осношых результатов, полученных в диссертации.

' Б первой главе проке дел чнелигичеоюй обзор .работ, посвяцеп-ншс лазерным методам зондирования характеристик атмосфера. Осков-uoe внимание обращено на дистанционные методы газоанализа, основанные на резонансном поглощении лазерного излучения исследуешм газом при распространении пучка в атмосферной трассе. Рассмотрены принципы работы трассовых газоанализаторов, основанных на абсорбциошюй дадеренциольнои кегодике. Проанализированы их характеристики. Оточено, что высокая чувствительность абеорбцкошшх газоанализаторов к обнаружению той пли иной газовой.принеси атмосферы достигается Подбором наиболее' интенсивных резонансных линии поглоцения и-обеспечением длинных трасс распространения, которое для дистанционных методов ограничивается максимальной дальностью действия прибора. Крош того указывается, что недостаточная помехозащищенность существующих лидеров с прямым детектированием от фоновых засветок снижает дальнодействие ограничивает возможности работ в светлое время суток.

lía к наиболее чувствительный и пойехозавдщешшй способ регистрации малых величин прошедшей или поглощенной мощности оптического сигнала ири активном золдирова;:;ш газового состава атмосферы рассмотрен метод лазерного гетеродинного детектирования. При этом акцент делается на уже разработанные лидары с гетеродинным приемом и осуществленные с их помощью измерения содержания малых примесей Е атмосфере.

С позиций перспектив создания трассового измерителя малых ггических толщ атмосферы на основе эффекта внутриреэонаторного >глощения приведены основные сведения о методе внутрирезоиатор->й лазерной спектроскопии. Отмечается, что этот метод изучении 1робовт в основном для локальных наветньк. измерении с лредва-1тельным набором проб, причем задача переноса метода в другие юктральные диапазоны выбором соответствующих лазерных сред яв-кзтся нетривиальной.

В заключительной части первой главы рассмотрены работы, в >торых исследуется эф$е.чт воздействия отраженной волны на про-зсс генерации лазера. Первоначально интерес исследователе;! к это' высокочувствительному аффекту возник в связи с необходимостью 'о устранения как паразитного при разработке лазеров с сзерхста-1льншя характеристиками излучения. Вместе с тем рассматривались пасе возможности использования лазера как приемника слабого отменного излучения. Выяснено, что чувствительность лазера к от-: укеиному сигналу зависит от его динамических свойств, режима гене-шии и параметров резонатора. При этом лазер эффективно реаги-^ет лизь на ту часть возвращенной в резонатор мощности пучка, ко->рая когерентна с модой лазера и, поотоцу, обладает чрезвычайно осокой спектральной и пространственной избирательностью.

- т

Вторая.глава посвяцеиа исследованию возможностей использования 1утрирезонаторного когерентного приема (ВОТ) эхо-сигнала на СО^-зазер для зондирования характеристик атмосферной трассы и удаленно отражателя.. Здесь 2x0 приведет! результаты экспериментальных ^следования возможностей применения СОд- лазера с открытым длинам резонатором для определения налмс изменений оптической тояци гмосферы, находящейся метдУ зеркалами резонатора, на основе'ме->.ца рпутрирезонаторного поглощения.

Глава начинается с теоретического описания работы ЛП - лида-I на основа укороченных уравнения полуклассическоД теорйН лйзера. пь БШ' охо-сигналт. на лазер заключается о той, что отраженный ш рассепнныЯ сигнал, подлежащий регист рации, возврадается об-1тно в резонатор лазера и воздействует на его генерацию, измене- , !Я которой и несут искокуо информации. В диссертации показано, ;о из характеристик биений интенсивности лазерной генерации, воэ-¡каощих при ВКП эхо-сигнала, возможно извлечение информации о кодируемой трассе и удаленном отражателе: величина амплитуды би&~ 1й определяется энергетическими потерями аяо-сигнала прк ограасе-

нии и распространении на трассе с поглощением, а частота биений, пропорциональная разности мгновенных частот генерируемого и принимаемого излучения, позволяет определять' расстояние до удаленного отражателя или компоненту скорости его движения вдоль трассы зондирования.

В § 2.2 на основе репеняГ: линеаризованных балансных уравнений одномодовой генерации проведен анализ динамической чувствительности СО^— лазера при BL-Ql охо-сигнала. Получено, что в зависимости от величины частоты биений можно выделить два характерных слу-, чая. При приближении частоты биений к частоте собственных релаксационных колебаний интенсивности излучения СХ^- лазера происходит резонансное увеличение его чувствительности к охо-сигиалу, на 2-3 порядка превшающее чувствительность вне резонанса. В нерезонансном случае при «алых частотах биений чувствительность увеличивается при приближении к порогу генерации.

Е § 2.3 приведены описания особенностей оптической схемы и конструкции, а также результаты работ по стабилизации и исследовании флуктуаций интенсивности COg- лазера непрерывного действия, на основе которого разрабатывались макеты ЛИ - лидера. В лазере использован серийный отпаяный элемент ГЛ-501, на одном из торцов которого имеется внутривакуумное медное зеркало. Это зеркало вместе с дифракционной решеткой (150 ш"*), в направлении рабочего порядка которой установлено перестроечное алюминиевое зеркало,образуют дисперсионный резонатор, позволявший получать одномодовую генерации и дискретно перестраивать длину волны излучения по, 64 колебательно-Еращатсльньгы переходам (КЗП). Направление вывода излучения при перестройке длины волны .остается фиксированным, что важно для согласования пучка лазера с лраеыо-передшощям .телескопом. Кроме того, в лазере предусмотрена плавная перестройка частоты излучения в пределах ( + 20 ЫГц) контура генерации любого из КВП, осуществляемая изменением длины резонатора при помоци ггъеэо-корректора с закрепленным перестроечном зеркалом. В конструкции лазера предусмотрены меры по пассивной и активной стабилизации . частоты и интенсивности излучения.

Для выявления факторов, ограничивающие чувствительность СОр -лазера при ВНП эхо-сигнала, проведены измерения спектрального рас-прзцея-зшт флуктуация интенсивности излучения. /¡нализ получениях результатов показал, что уровень флуктуаиий шгггнгязмос'гн лазера я

полосе частот от 2 Ги до 125 кГц не хуже 0,1%. При этом основной вклад вносит область частот до 20 кГц, где преобладают флуктуации технического происхождения. Начиная с частот > 40 кГц, уровень флуктуации интенсивности лазера по порядку величины был близок к естественному. Полученные при измерении шумовых характеристик результаты были использованы также .для оптимизации мер по стабилизации источника питания и резонатора лазера, для выбора частоты бг- ;ниЯ и ыирииц полосы, регистрации при BiOl эхо-сигнала.

В § 2.4 на основе рассмотрения отношения сигнал-шум проанализирована зависимость чувствительности COg- лазера при ВКЛ эхо-сигнала от его отдельных параметров: уровня накачки, коэффициента пассивных потерь резонатора и коэффициента пропускания выходного зеркала. Из численного расчета найдена, величина коэффициента пропускания выходного зеркала при которой достигается максимальная чувствительность лазера к эхо-сигналу при каидой фиксированной накачке и уровне пассивных потерь резонатора. При зтом, чем меньше уровень пассивных потерь, тем больие коэффициент пропускания зеркала и соответствующая ему величина максимальной чувствительности лазера. Проведена оценка пороговой чувствительности СО^ - лазера при BiCl эхо-сигната по уровню естественных флуктуация интенсивности излучения. При параметрах, характерных для использованного в эксперименте CQg- лазера, цля минимально

обнаружимой мощности эхо-сигнала получено значение ^4,1 ■ КГ"*® Вт/Гц.

В 6 2.5 выполнена оценка пороговой чувствительности COg-ла-зера при определения коэффициентов поглощения и концентрация молекул по метопу дифференциального поглощения.

§ 2.6 посвящен экспериментальному исследованию возможностей применения СОр- лазера с открытым длинным резонатором для определения малых изменений оптической толщи атмосферы на основе■ вмутриреэонаториой методики изнергний.

На базе серийного активного элемента ГЛ-501 били запущены и исследованы два типа СОр-лазера (с открыл.,'!!! иесслентивным резонатором длиной 55,110 и 210 м и диспорсношшм резонатором длиной до 55 м). Обнагучено, его оскопюЯ помехой при измерении колик v.j''eiic-ний оптичосоП тоглн атмосферы лрялптсп флуктуации гссчостч излучения лэоерл, обу.доглсише турбулентноЯ нсстабильнсстнз г.тяосф.егм во cpevn намерения. В связи с этим било «?уч-?яо ?лг!ль*«о атмосфер'? на силкгр.члмгс-?ксргетпчосйпо

герметики генерации лазера. Выяснено, что число колебательно-вра-\датеяьньк переходов (КВЯ) в спектре генерации СС^-л&эера с открыться неселективныа резонатором завись? от турбулентного состояния атмосферы, а именно; с ростом интенсивности турбулентности спектр генерации расширяется. При этом-в отдельных измерениях в спектре генерации зарегистрировано до семи ИБП. Случайная глубина модуляции интегральной по спектру модности излучения лазера даже при сильной турбулентности атмосферы не превышала 10% за время измерений 10 мин..

Определена величина минимально обнаружимых потерь в атмосфере путем внесения налиброванних ослаблений в открытый неселективный резонатор лазера. При длнне резонатора 110 и минимально об-наружимие потери составили 0,12$, 4что эквивалентно коэффициенту ослабления на единицу длины резонатора 10"^ см~* Были также проведены измерения зависимости мощности генерации С02-лазера с открнтьг.1 дисперсионным резонатором на двух длинах волн

излучения от содержания аммиака в кювете, установленной вйутрь резонатора. На основе этих измерений показано, что внутрирезона-торная методика определения ./.алых изменений оптических тощ атмосферы с исполь^Е-'.ниеы СО., - лазера с открытым длинным резонатором в '-20 раз чувствительнее,чем однопроходная Енерезонаториая методика измерений.

Третья глава посвящена разработке и исследованию макетов ЛП-лид&ра. Рассмотрена возможность практического применения ЛП-лнда-уа для измерений расстояния до удаленного объекта, скорости его движения и .для трассового газоанализа атмосферы. В конце; главы предложена двухволновая схема внутрирезонаторного когерентного. приема с лазером на связанных гвреходах.

В 3.1 представлена описание экспериментальной установки, методики эксперимента и результаты исследований оффекта возникновения биений интенсивности СО^-лазера при ВКП эхо-сигнала.Для разных схем эксперимента (неподвижная мишень, отражающая громо.дули-рованноа по частоте излучение лазера; колеблющийся или дзияущнй-ся удаленный отражатель) измерены характеристики биений интенсивности лазера при ВК11 эхо-сигнала. По результатам этих измерений найдены расстояние до неподвижной ыияени, скорость двиления, амплитуда и частота колебаний удаленного отражателя. В случае линейной частотной модуляции лазера частота биений интенсивности, возникающих при ВЮ1 эхо-сигнала от неподвижного отражателя, пропор-

(Иональна времени задержки эхо-сигнала на трассе, что позволяет определить расстояние до удаленного отражателя. В эксперименте относительная точность определения расстояния по частоте биений была не хуже 10"^. При В;СП эхо-сигнала от движущегося отражателя частота биений интенсивности лазера (в отсутствии частотной модуляции лазера) определяется допллеровским сдвигом частоты", что дает основу для измерения скорости движения, амплитуды и частоты колебаний отралателя. 3 эксперименте проверялась линейная зависимость частоты биений от скорости движения отражателя в интервале частоты 0,3 т 200 кГц ( 1,6'Ю"3< ^ 1,0 м/с ). в условиях атмосферной трассы длиной до 500 и показана осуществимость регистрации колебаний удаленного отражателя с амплитудой порядка 50 мкм. Представлены такке результаты измерений ослабления и флуктуацион-них характеристик амплитуды биениГ! интенсивности лазера в зависимости от длины атмосферной трассы и типа отражателя.

В § 3.2 представлены результаты модельных (лабораторных) экспериментов по исслодор' 1 ;г.з чувствительности разработанного С0о-~лазера при ЗШ эхо-зкгн^ла. Проведена оптимизация параметров лазера для достижения нансжальноЯ чувствительности к охо-сигналу. Выяснено, что при фиксированных параметрах лазера максимальная чувствительность к око-сигналу достигается не при максимально?, выходной ыощюсти генерации лазера, а при значении, составляете).) 30-90^ от максимума мощности, что удовлетворительно согласуется с результатами проведении расчетоз. Изучена частотная зависимость • чуетв ¡стельности СО^- лазера при ЗКП охо-сигнала; определены факторы реально ограничивающие чувствительность. Выяснено, что в об- ■ ласти частот биений менее 20.кГц пороговая чувствительность лазера к охо-сигналу определяется уровнем технических флуктуация интенсивности излучения. При этом в расчете на единичнуз полосу частот зарегистрирован коэффициент отражения, равный-8^10"^ Три выходноЛ мощности лазера Рьы, »1,2 Вт минимально обна-эулимая мощность эхо-сигнала составила (Р«^)^,,,- 9,6-1СГ1айт/Гц. . Три частоте биений 43,5 кГц достигнута пороговая чувствительность ю коэффициенту отражения, равная 7,3»10 Гц"*, что при выходной модности Вт, соответствует минимально обкарута-«10Я- мощности эхо-сигнала (.Рз-!?)л,.( — 3,6-Ю'^Вт/Гц. Такой высокий фовень пороговой чувствительности СО^-ла^-Р51 обусловлен с ода ой ;тороны внутрирезонаториым усилением биения интенсивности, и с

другой - уменьшением технических флуктуация интенсивности

лазерного излучения с ростом частоты.

Параграфы 3.4 и 3.5 посвядены экспериментальной разработке макета ЛЛ- лидара на дискретно перестраиваемом по НЭП СС^-лаэе-ре для трассового газоанализа атмосферы на основе метода дифференциального поглощения. Изложены особенности методики трассовс го газоанализа атмосферы с помощь» ЯП -лидара и результаты модел! ньк .и натурных экспериментов по измерения концентрации аммиака, зтилена и паров воды. Выбор указанных веществ обусловлен тек, чте для каждого из этих газов с хорошей точностью известны эффективные сечения поглощения и информативные длины волн зондирования в условиях присутствия на трассе меаа»з;их компонент и сплошного ослабления атмосферы. В состав ЛП - лидара входят СО^- лазер; приемопередающая оптическая система; блок электронной аппаратуры регистрации и обработки сигнала, выполненный на базе измерительно вычислительного комплекса " НЕ Р.Д. -60й , а также блок калибровки включающий газовую кювету с вакуумной системой и отражатель .Оценка концентрационной чувствительности и калибровка ЛП -лидара била осуществлена цутзм определения величины относительного поглощения лидарного сигнала на зондируемых длинах волн излучения при напуске в кювету блока калибровки известного количества исследуемого газа.

Анализ результатов проведенных модельных и натурных экспериментов показал, что ЛП-лидар на основе СОр-лазера позволяет измерять на атмосферной трассе длиной до 2 км содержание аммиака и этилена на уровне 10~й(0,01 млн""*). При этом относитель-. нал погрешность измерений концентрации указанны? газов не хуже 25%. Изложены также результаты натурных измерений содержания паров воды в атмосфере. Сопоставление результатов одновременных измерений Н^О с помощью ЛП-лидара и психрометров, расположенных вдоль трассы зондирования, показало их удовлетворительное соответствие.

Как было выяснено, наибольшая чувствительность инутрирезо-латорггого когерентного приема (БШ) охо-спгнала достигается в припороговом рсяимй генерация лазера, где его мощность не максимальна, что является суз^ствепны:.! недостатком мной схемы. Б § 3.5 рассмотрела возможность улучшении чувствительности ВШ ' при использовании .СОр- лазера в рекнме одновременной генорашш

а двух связанных переходах. Представлены результаты численного моделирования такой двухволновоЯ схемы BIC1 на COg- лазер, выполненного на основе самосогласованной сисгекы балансных уравнений генерации на связанных через общий нижний уровень переходах. Показано, что двухволиов&я сха/.а. ВШ наиболее дувствигелька при условии, что ■ зондирование осуществляется на волна больней интенсивности, а регистрируется изменение мощности, обусловленные нелинейным типом взаимодействия мод, волны малой интенсивности, находящейся в при-пороговок рёяиио генерации. Экспериментально возможность повышения чувствительности СО^- лазера к эхо-сигналу.продемонстрирована в режиме генерации на переходах К(20) н Р (20) полосы 00°1 - 02°0. Яри этом зарегистрировано не менее чек пятикратное увеличение чувствительности яри регистрации изменения интенсивности на волна, соответствующей переходу Р (20) к находящейся около порога гене-, рации, по cpasHemra с волной большой интенсивности на переходе )1 (20), на которой проводилось зондирований.

3 заклзченпп перечислена основные результаты и выводи ,диссертационной работи.

OQlOB'iLC РЕЗУЛЬТАТА РАБОТА

1. Теоретически и экспериментально исследован эффект возникновения биений интенсивности COg - лазера при ЗИП эхо-сигнала. Показано, что из характеристик бчениЯ интенсивности возможно извлечение информации о зондируемой трассе и удаленном'отражателе: величина амгштуда биекиЯ определяется энергетическими потерями охо-сиг-нола при отражении и распространении на трассэ с поглощением, а частота б пени!;, пропорциональная разности мгновенные частот генерируемого н принимаемого излучения, позволяет определять длину трассы, скорость движения удаленного отражателя и параметры его.коле- • баиип. В эксперименте проводиваемся в условиях естественная атмосферной трассы длиной до 50См, помимо измерений длины трасси и скорости движения уделенного отраяателя, продемонстрирована воэнст-ность регистрации его механических колебаний с амплитудой £0 икм. .

2. Проанализирована зависимость чувствительности'лазера при ВШ эхо-сигнала от его отделы«« параметров: уровня накачки, коэффициента пассивных потерь резонатора и коэффициента пропускания выходного зеркала. Найдена величина коэффициента пропускания выходного зеркала при которой достигается максимальная чувствительность лазера к эхо-сигналу при каждой заданной накачке и уровне пассивных потерь резонато'ра. При этом, чем меньше уровень пас-

смвных потерь, том больше коэффициент пропускания зеркала и соответствующая ему величина максимальной чувствительности лазера,

3. Экспериментально исследована зависимость чувствительности СО^- лазера при ВКП от частоты биений: в области частот биений менее 20 кГц чувствительность приема определяется уровнем технических флуктуация интенсивности лазерного излучения. При этом в расчете на единичную полосу частот реализована регистрация эффективного коэффициента отражения с чувствительностью и*Ю7^Гц , Максимальная чувствительность к коэффициенту отражения, равная 7,3'Ю"^ достигнута в области частот биений ~ 43,5 кГц.чтс обусловлена с одной оторопи вкутрирезонаторнйм усилением биений интенсивности, и с другой - уменьшением технических флуктуация интенсивности лазера.

4. Показано, что 'простая теоретическая модель, основанная на вычислении отношения сигнал-шум из решений линеаризованных балансных уравнений генерации СО^-лазера, удовлетворительно описывает экспериментальные результаты.

5. Еа основании проведенных исследования создан макет ЛП-лидара, с помощью которого на примере измерений концентраций аммиака и этилена на уровне 0.01 млн"^ продемонстрирована эффективность использования внутриреэонаторного когерентного приема на СО^-лазер для трассового газоанализа атмосферы. Высокая чувствительность и помехозащищенность приема позволяет использовать топо графические объекты в качестве отражателя и проводить измерения

в любое время суток. ' ,

6. Для повышения динамической чувствительности предложена двух волновая схема Б1С1 эхо-сигнала с лазером на связанных переходах. Показано, что двухводновая схема В1СП с лазером на. связанных через общий нижний уровень переходах наиболее чувствительна при условии что зондирование осуществляется на волне Вольной интенсивности,

и регистрируются изменения мощности, обусловленные нелинейным типом взаимодействия код, волна шяой интенсирности,"нахо.чяцеПея в 'прнпороговом режиме. При о тон чувствительность к слабого от раненному излучению увеличивается не менее чем в 5 раз по ср^спомта с одиовсилюпоЗ схемой регистрации.

7. Запущен непрерывна СО^ -тшззр-с открыть;::;! иосслектипикм и днспсрсмонкти резонаторами длиной -до 210 п., большая часть кою-•рж находилась п .естественной атмос^р?, Эксяер:исигвлыгс пссле-

догппм спектральный состав генерации, стабильность ».т тности и к;?-

менение мощности излучения на селективные внутрирезонаторные потери при различных метеоусловиях атмосферы:

- выяснено, что спектр генсрапии COg- лазера с длинным неселектив-ним резонатором определяется случайной коцуляпией оптической длины резонатора, обусловленной турбулентностью атмосферы. В условиях возмущенной атмосфера и Зольлих значениях силы тока разряда

в спектре генерации наблюдается несколько колебательно-вращательных переходов. При атом случайная «одуляшя интегральной по спектру мощности излучения не прерывает 10$ га время измерений 10 мин;

- показано, что на основе СО^- лазера с открытым длинным резонатором возможно проводить рнутрирезснаторкые номерация изменения малнх оптических толц атмосферы о чувствительностью на уровне 1,2-КГ3.

Основное срдер^ЕШие ■чиесар'гании излокено i _в .с.тедустпих работах:

1. Годлевский А.П., L'^-üh Я.П. Определение параметров атмосферы на основе СО^- лазера и длинним резонатором. // Депонирована

э В!ШШ,- 19Г'б7- per. ;.t 2373, В-06.- 10 с.

2. Годлепш«* Л,П., Гордов E.R., Поьуровский Я.Я., Фаздевс А.З., L!sp:iH 11-П. Гетеррдинннй ЛП - лидар,// Квант.электроника.» 1935.-

т. 13, » 4.- с.663 i- CÖ5.

3. Бураков С.Д., Годлевский А.Н., Солдатами Н.П., Шарии Л.П. лвтодинные приемники лазерного излучения и их применения.// D кн. Аппаратура дистанционного зондирования атмосферы. Томск: изд.TS СО АН СССР, 1987.- с.52-31.

4. О JdlßYP-i'ii Л.p., Oordor. 3.?. , Ponurovokii Ya.Ya., i'aaliav A.Z. , Shcu.'in x'.)?. ParoT.otric laaer-recepticn lidar.// Appl.Opt.-

'- 1907.-T.26, :;о.з.-p.-.607-1612.

5. Zuov V.H. , aodlsvUili Л.Г. , Kcpytiu 1'it.D. , Lazarev ¡j.v, , ohiriл P.P. Sourdine of atnos-pherio paranotoru baaed on. the mo-Uiod of .cohoron: iríracavity laser roceptloa of '.veak lidar vir fcuri)3.// Optics C^nnuaicQtioíia.-1533.-V-. 62, !7o.6.-p. 370-37.3.

6. Годлевский Л.П., Бураков С.Д., Capí« П.П. Исследование метода экспрессного газоанзлиза атмосферы с использованием когерентного ЛП-лидяра. // Оптика атмосферы.- 1983.- т.Х, S1 7,- с.64+ 71.

7. Годлевский л. П., Гордоо ЕЛ., Килиба А. г'., Иарнн П.П.Доп-плеровский лидар с гиутрирезонаторньм приемом на СОр- лазер,// Оптика атмосферы.- 1950.- т.З, № I,- с.25* 30. •