Разработка лазерных внутрирезонаторных систем и методов для атмосферно-оптических измерений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1. Методы и устройства когерентного лазерного зондирования (литературный обзор).

1.1. Принципы когерентного лазерного приема.

1.2. Гетеродинный прием в оптической локации, связи, интерферометрии.

1.3. Когерентные лазерные приемники для газоанализа.

2. Дистанционные атмосферно-оптические измерители на основе когерентных внутрирезонаторных приемников.

2.1. Лазерные системы с трехзеркальным резонатором.

2.2. Исследование когерентного приемника на основе СОг-лазера с трехзеркальным резонатором.

2.3. Бортовой когерентный внутрирезонаторный лидар.

2.4. Извлечение информации о профиле поверхности при зондировании бортовым лидаром.

2.5. Корреляционная обработка спектра и калибровка лидара, работающего в режиме спектральных измерений.

2.6. Исследование проблем стабильности лазеров, используемых в когерентных внутрирезонаторных лидарах.

2.7. Внутрирезонаторный прием на лазер для определения микрофизических параметров аэрозоля.

2.8. Обнаружение сигнала и извлечение информации из сигналов внутрирезонаторных доплеровских измерителей методом последовательного корреляционного анализа.

3. Внутрирезонаторные лазерные системы для атмосферно-оптических измерений.

3.1. Исследование возможности использования С02-лазера с длинной резонатора 110 метров для атмосферно-оптических измерений.

3.2. Измерение пропускания атмосферы на основе СОг-лазера с длинным резонатором.

3.3. Повышение чувствительности внутрирезонаторных лазерных измерителей методом внутрирезонаторного удвоения частоты излучения лазера.

Актуальность исследований.

Внутрирезонаторные и гетеродинные лазерные системы все чаще используются в оптической локации, связи, газоанализе, интерферометрии. Внутрирезонаторные измерительные системы обладают высокой чувствительностью к потерям излучения внутри резонатора (резонансного и нерезонансного типа), модуляции добротности, воздействию отраженного обратно в резонатор излучения. С другой стороны, гетеродинные системы обладают на несколько порядков более высокой чувствительностью, чем оптические системы, использующие метод прямого детектирования. То обстоятельство, что ширина линий излучения лазеров имеет тот же порядок, что и линии поглощения газов, позволило лазерной внутрирезонаторной I спектроскопии достичь рекордных значений спектральной и концентрационной чувствительности для ряда газов. Существует ряд предпосылок, делающих перспективным применение когерентных лидаров основанных на эффекте внутрирезонаторного приема отраженного излучения в газоанализе. Почти все химические загрязнения имеют линии поглощения в ИК - окнах прозрачности атмосферы (3-4 мкм, 8-14 мкм), т.е. именно в том диапазоне, где гетеродинное детектирование предпочтительнее прямого. Кроме того, высокая чувствительность таких систем позволяет принимать отраженный лазерный сигнал от топографических поверхностей, что позволяет создавать дистанционные, мобильные измерители параметров атмосферы, аэрозоля и подстилающей поверхности. Помимо большей чувствительности гетеродинное детектирование обеспечивает на много порядков более высокое спектральное разрешение: минимизируя взаимное перекрытие спектральных полос различных молекул. Одновременное использование внутрирезонаторного метода измерения и процесса гетеродинирования оптического сигнала привело к созданию нового класса лазерных внутрирезонаторных систем и методов для локальных оптических измерений. Однако вопросы использования внутрирезонаторного приема для дистанционных атмосферно-оптических измерений изучены еще недостаточно. Кроме того, не исследована возможность использования эффекта внутрирезонаторного поглощения излучения лазера для атмосферно-оптических измерений на протяженных атмосферных трассах.

Цель работы заключается в исследовании когерентных внутрирезонаторных лазерных приемников, в том числе лазеров с длинными резонаторами, для дистанционных атмосферно-оптических измерений и создании дистанционных лазерных систем.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, список литературы из 115 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках цели исследований и поставленных задач и получены результаты и сделаны следующие выводы.

Экспериментально подтверждена возможность создания бортового (самолетного) когерентного внутрирезонаторного лидара для одновременного измерения параметров атмосферы (концентрации газов) и подстилающей поверхности.

Показана возможность создания многофункционального доплеровского когерентного внутрирезонаторного дистанционного измерителя микрофизических параметров аэрозоля на YAG:Nd3+^a3epe.

Предложенная методика извлечения информации о параметрах аэрозольных частиц из сигнала внутрирезонаторного приемника на о .

YAG:Nd -лазере позволяет создавать компактные устройства для одновременного измерения нескольких параметров аэрозоля.

Предложенный метод последовательного корреляционного анализа для обнаружения сигналов и определения частоты сигналов внутрирезонаторных доплеровских измерителей позволяет регистрировать сигналы с рекордно низким отношением сигнал/шум.

Использование С02 -лазеров с линейными длинными двух зеркальными резонаторами различной добротности позволяет создавать высокочувствительные системы для определения пропускания атмосферы или структурной характеристики показателя преломления.

Теоретически установлена связь между вероятностью генерации излучения СОг-лазера с длинным резонатором и структурной характеристикой флуктуаций показателя преломления атмосферы.

Теоретически доказано и экспериментально подтверждено увеличение чувствительности внутрирезонаторных лазерных систем к поглощению на основной частоте, при регистрации поглощения на удвоенной частоте в лазере с внутрирезонаторным параметрическим преобразователем частоты, что позволяет создавать на основе указанного эффекта новые высокочувствительные лазерные измерительные приборы.

В ходе выполнения исследований определены следующие проблемы, требующие дальнейшего решения в целях совершенствования лазерных внутрирезонаторных систем.

1. Создание твердотельных лазеров с квазинепрерывной кинетикой генерации.

2. Создание газовых лазеров с минимальными флуктуациями интенсивности генерации (источников сжатого света).

3. Исследование границ применимости последовательного корреляционного анализа периодических сигналов.

4. Создание методов калибровки высокочувствительных лазерных внутрирезонаторных измерительных систем

1. Горелик Г.С. // ДАН СССР.-1947.-Т.58.-№1.-С. 45-47

2. Forrester А.Т., Parkins W.E., Gerjuoy E.G. // Phys. Rev-1947.-V.72-C.728

3. Forrester A.T., Gudmundsen R.A., Jonson P.O. // Phys. Rev.-1955.-V.99-C.1691

4. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля // М.-Наука.-504 с.

5. Глаубер Р.Д. Оптическая когерентность и статистика фотонов / В сб. Квантовая оптика и квантовая радиофизика.-М.: Мир—1966

6. Teich М.С. // IEEE J. Quant. Electron.-1975.-№11 .-P.595-602

7. Lahti J.N. // Appl. Opt.-1969.-V.8.-№9.-P.1815-182()

8. Зигман A.E. // ТИИЭР.-1966.-Т.54.-№10.-С. 136-143

9. Гаспарян C.C., Казарян Р.А.//Квантовая электроника.-1976.-№9-С.1985-1991

10. Абрамян А.С. Оптический гетеродинный прием на волне 10,6 мкм и борьба с искажениями сигнала, вносимыми атмосферой: Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук/ ИФИ АН Армянской СССР-1983

11. Фрид Д.Л. // ТИИЭР.-1963.-Т.51 .-№ 12.-С. 1759-1760

12. Holliday G. S., Singh S. // Opt. Commun.-1987.-V.62.-P.289

13. Heidman S., Horovicz R.T., Reynaud R et. all. // Phys. Rev. Lett — 1987.-V.59.-P.255.

14. Schumaher B.L. // Opt. Lett.-1984.-V.9.-№5.-P. 159-191

15. Козин Г. И., Кузнецов А. П., Башутин О. А., Вовченко Е. Д., Савелов А. С. // Тезисы Российского семинара «Современные средства диагностики плазмы и применение для контроля веществ и окружающей среды».— М., 1998.-С.10-11

16. Козин Г.И., Кузнецов А.П. Двухканальный лазерный интерферометр на основе внутрилазерного приема диффузно отраженного излучения // Сборник научных трудов. Научная сессия МИФИ-98., ТЗ., М.: МИФИ.-1998.-С.176-177.

17. Козин Г.И., Кузнецов А.П., Башутин О.А. и др. Двухканальный интерферометр на основе внутрилазерной регистрации отраженного излучения // Измерительная техника, №7.-1999.-С. 36-39.

18. Г.И. Козин, А.П. Кузнецов, М.О. Лебединский, А.В. Савельев Двухволновой лазерный интерферометр рефлектометр // Научная сессия МИФИ-2001 Т 4. М.: МИФИ., 2001.- С.20-21

19. Коновалов И.П. Трехмодовая генерация широкополосного перестраиваемого лазера в аспекте внутрирезонанторной дисперсионно-частотной спектроскопии // Научная сессия МИФИ-99 Т 3. М.: МИФИ., 1999.- С.60-61

20. Козин Г.И., Кузнецов А.П., Лебединский М.О., Савельев А.В. Лазерная дальнометрия на основе внутрилазерного приема излучения // Научная сессия МИФИ-2003 Т 4. М.: МИФИ. 2003.-С.42-43

21. Воронова О.А., Логвин А.В., Миронов В.Д., Чжан Вей Исследование динамики генерации С02-лазера с модулированными потерями // Сборник научных трудов. Научная сессия МИФИ-98 Т 3. М.: МИФИ. 1998.- С. 176-177.

22. Козин Г.И., Корнилов С.Т., Кузнецов А.П. Прокопова Н.М. Влияние инерционности активной среды на внутрилазерный прием оптического излучения // Сборник научных трудов. Научная сессия МИФИ-99 Т 3. М.: МИФИ. 1999.- С.56-57.

23. Козин Г.И., Кузнецов А.П., Лебединский М.О. Характеристики двухмодового Не-Ые-лазера при воздействии внешнего лазерного излучения//Научная сессия МИФИ-99 Т.З.: МИФИ. 1999.-С.58-59

24. Козин Г.И., Кузнецов А.П. Пространственная когерентность и интенсивность отраженного лазерного излучения // Научная сессия МИФИ-99 Т 3. М.: МИФИ. 1999.-С.72

25. Козин Г.И., Кузнецов А.П., Лебединский М.О. Эффективность гетеродинного приема отраженного лазерного излучения // Научная сессия МИФИ-2000 Т 4. М.: МИФИ. 2000.-С.47-48

26. Козин Г.И., Кузнецов А.П., Лебединский М.О., Савельев А.В. Амплитудно-частотные характеристики лазеров-приемников излучения // Научная сессия МИФИ-2001. Т 3. М.: МИФИ. 2001 -С. 18-19

27. Волков А.А., Козин Г.И., Корнилов С.Т., Кузнецов А.А., Прокопова Н.М. Лазерная локация на основе активного приема отраженного излучения // Научная сессия МИФИ-99 Т 3. М.: МИФИ. 1999. С.73-74

28. Menyuk N., Killinger D.K., Feo W.E. // Appl. Opt.-1982.-V.21.-№ 12—P.2275-2286

29. Hamza M., Kobayasi Т., Inaba H. // Opt. end Quantum Electronics-1982—V.14.-№4-P.339-346

30. Mumma M.J., Kostiuk Т., Buhl D., Zipo D. // Optical Engineering.-1982.-V.21 .-№2.-P.313-31932