Разработка лазерных внутрирезонаторных систем и методов для атмосферно-оптических измерений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Останин, Сергей Александрович

• Останин, Сергей Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Останин, Сергей Александрович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка лазерных внутрирезонаторных систем и методов для атмосферно-оптических измерений»

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 диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Останин, Сергей Александрович

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Останин, Сергей Александрович, 2005 год

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