книги из ГПНТБ / Зуев, В. Е. Лазер-метеоролог
.pdfчрезвычайно богатую линейчатую структуру, что обеспе чивает возможность зондирования того или иного газа в широком интервале высот при использовании серии линий поглощения различной интенсивности.
Таким образом, мы видим, что решение широкого комплекса задач лазерного зондирования атмосферы требует соответственно большого набора длин волн излучения лазеров с различными требованиями к само му спектру излучения. Вот почему весьма важной про блемой в связи с этим является проблема управления спектром излучения, в частности проблема изменения длины волны излучения лазеров.
В настоящее время известна целая совокупность ме тодов изменения длины волны излучения лазеров. При воздействии на газовые лазеры внешнего электрического или магнитного полей длина волны их излучения сме щается пропорционально напряженности поля. Таким способом удается сместить длину волны на величину до 1—2 см-1. Этого смещения вполне достаточно, чтобы, например, сойти с центральной части линии поглощения атмосферного газа и попасть в участок между линиями с малым поглощением. С другой стороны, если без воз действия поля линия излучения газового лазера совпа дала с линией поглощения, то смещение длины волны на 1—2 см-1 позволяет при постепенном изменении на пряженности поля исследовать контур линии поглоще ния. Хорошо известно, что на контур линии поглощения влияют такие факторы, как давление, температура, кон центрация поглощающих молекул и др.
Получение неискаженного контура линии поглоще ния при различных давлениях, температуре, концентра ции отдельных газовых компонентов применительно к задаче зондирования профилей содержания различных атмосферных газов имеет исключительно важное значе ние. Можно определенно сказать, что без таких возмож ностей не приходится говорить об однозначном извлече нии информации из результатов зондирования.
В настоящее время существует также ряд методов изменения длины волны излучения лазеров в значитель но более широких пределах, чем это достигается при использовании электрического и магнитного полей. Про пуская мощное лазерное излучение через так называе
мо
ыый нелинейный кристалл, можно получить излучение С удвоенной, утроенной п т. д. частотой (вторая, третья и т. д. гармоники основной частоты излучения). Напри мер, основные частоты излучения у наиболее широко распространенных твердотельных генераторов на рубине
и па стекле с неодимом |
соответствуют длинам волн |
0,69 мкм (красная область) |
и 1,06 мкм (ближняя инфра |
красная область). Вторые гармоники этих генераторов излучаются на длинах волн 0,347 мкм (ближняя ультра фиолетовая область) и 0,53 мкм (зеленая область види мого диапазона).
Весьма многообещающим методом перестройки ча стоты излучения лазеров является так называемый ме тод параметрической генерации. Сущность метода со стоит в том, что при выходе из нелинейного кристалла мощное оптическое излучение оказывается состоящим из двух частот, в сумме составляющих частоту падаю щего излучения. При этом значения этих двух частот могут изменяться в зависимости от положения оптиче ской осп кристалла. Поворачивая эту ось механически вместе с кристаллом или изменяя ее положение какимто другим способом, можно на выходе кристалла полу
чать непрерывно изменяющуюся |
частоту излучения. |
С помощью такого метода удалось |
перестроить длину |
волны излучения генераторов на рубине и на стекле с неодимом в интервале нескольких тысяч ангстрем. Не решенной для этого метода остается пока проблема получения перестройки достаточно высокомонохроматичного излучения.
В области спектра примерно от 0,3 до 1,2 мкм полу чена перестройка длины волны излучения с помощью лазеров на красителях. Здесь также пока не решен в должной мере вопрос о перестройке в сочетании с вы сокой монохроматичностью излучения.
Еще один метод перестройки длины волны излуче ния, разработка которого начата в последнее время, основан на изменении энергетических уровней полупро водника, помещенного в магнитное поле. Если такой по лупроводник облучать высокомонохроматическим излуче нием, то на выходе мы будем получать длины волн, за висящие от напряженности магнитного поля. Оценки показывают, что в ближайшее время таким способом удастся осуществить перестройку частоты генерации
21
газового лазера на углекислом газе (длина волны излу чения 10,6 мкм) в диапазоне длин волн по крайней мере в несколько микрон при высокой монохроматичности излучения.
Известен и ряд других методов управления длиной волны излучения лазеров, в том числе такие, которые позволяют это управление произвести за время длитель ности всего одного импульса излучения-
Возможность перестройки длины волны излучения лазеров открывает широчайшие перспективы практиче ского использования лазеров для изучения параметров атмосферы. Прежде всего эта возможность позволяет решить проблему создания лазера с определенной, за ранее заданной длиной волны излучения, паилучшим образом распространяющегося в атмосфере, как среде,
состоящей из поглощающих газов, |
аэрозольных частиц |
и турбулентных неоднородностей. |
Далее перестройка |
длины волны излучения лазеров является самым необ ходимым условием при разработке принципиально но вых спектральных приборов —лазерных спектрометров, призванных дать в руки исследователей полностью раз решенные спектры поглощения различных веществ в газовой фазе, в том числе атмосферных газов. Следует отметить, что именно в газовой фазе вещества имеют чрезвычайно сложные линейчатые спектры, количество линий в которых иногда достигает десятков и даже сотен тысяч. При этом получение полностью разрешенных и неискаженных спектров поглощения атмосферных га зов открывает широкие возможности выбора подходя щих наборов линий поглощения различной интенсивно сти для каждого из газов, чтобы, используя этот набор, охватить зондированием как можно большие толщи атмосферы. Дело в том, что чем интенсивнее линия по глощения, тем быстрее ее центральная часть насыщает ся до полного поглощения. Ясно, что если излучение в этой линии при прохождении определенного слоя в ат мосфере поглощается полностью, то эту линию беспо лезно использовать для зондир.ования содержания со ответствующего газа за пределами этого слоя атмо сферы.
Перестройка частоты излучения лазеров в широком диапазоне волн особенно важна для решения задачи зондирования таких важных характеристик облаков, ту
22
манов, осадков, дымок, как концентрация, спектры раз меров и химический состав частиц. Вопрос о том, какие наборы длин волн потребуются при зондировании ука занных аэрозольных образований, пока не решен, хотя уже сейчас ясно, что границы частот, в пределах кото рых следует иметь лазеры, должны быть достаточно широкими. Они по крайней мере должны быть не уже
полуширины спектра размеров частиц.
Расходимость. Расходимость лазерного излучения с помощью оптических систем в принципе может быть уменьшена до теоретически возможного предела, обус ловленного явлением дифракции. Дифракционная расхо димость, как известно, пропорциональна длине волны излучения и обратно пропорциональна диаметру оп тического объектива или зеркала, формирующего пучок света. Длины волн излучения подавляющего боль шинства лазеров заключены в пределах от 0,3 до 11 мкм. Нетрудно подсчитать, что при диаметре объектива 20 см угол дифракционной расходимости для интервала длин волн 0,3—11 мкм заключен в пределах примерно от 0,4 до 14". Заметим, что при угле расходимости 1" световой луч увеличивает свой диаметр всего на 0,5 см при распространении на расстояние 1 км. Таким обра зом, на практике с помощью лазеров можно получить практически параллельный пучок света.
Малая расходимость лазерного излучения обеспечи вает возможность транспортировки световой энергии на большие расстояния в атмосфере, что имеет важное зна чение для работы буквально всех устройств на лазерах,
втом числе метеорологических лазерных локаторов.
Виспользуемых в настоящее время устройствах лазерного зондирования атмосферы обычно обеспечива ются углы расходимости излучения величиной в несколь ко минутКак уже отмечалось, при расходимости в 1' диаметр луча на расстоянии 10 и 100 км от источника равен соответственно 3 и 30 м. Если длительность ла
зерного импульса |
с такой расходимостью составляет |
10 нс, то на высоте |
10 км он будет освещать объем в |
виде цилиндра высотой 3 м и диаметром основания так же 3 м. На высоте 100 км этот цилиндр при той же вы соте 3 м будет иметь диаметр основания 30 м.
Когерентность. Когерентность лазерного излучения обусловлена его природой, в то время как во всех обыч-
23
пых источниках оптического излучения (лампы накали вания, газоразрядные источники, электрические дуги, солнечное излучение и др.) мы имеем дело с заведомо некогерентпым излучением.
И в лазерах, и в обычных тепловых или газоразряд ных источниках излучают отдельные атомы или моле кулы. Излучение каждого атома и каждой молекулы можно считать когерентным, т. е. представляющим собой правильную волну с четко следующими друг за другом максимумами и минимумами. В лазерах излучение со вокупности атомов или молекул происходит, если можно так выразиться, по команде, одновременно, поэтому вол ны, испущенные атомами или молекулами, складываясь, дают мощную правильную волну. В обычных источни ках генерация атомов или молекул происходит хаотиче ски, несогласованно, поэтому результирующее излучение по самой природе не может быть правильной волной. Когерентные свойства лазерного излучения могут быть использованы, например, для получения объемных изо бражений невидимых глазом частиц атмосферных аэро золей, при сверхточном определении расстояния до уда ленных предметов и в целом ряде других исследований, точность измерений в которых сопоставима с длиной волны излучения (микроны и десятые доли микрона).
Известно, что при распространении когерентной вол ны в случайно неоднородной среде степень когерентно сти уменьшается. Это обстоятельство может бытьиспользовано для решения обратной задачи: зондирования тур булентных характеристик атмосферы. Ведь атмосфера представляет собой как раз пример случайно неодно родной среды, источником случайных неоднородностей в которой являются турбулентные движения воздуха.
Поляризация. Поляризация излучения лазеров, как и когерентность, обусловлена самой природой генерации. Любая световая волна имеет электромагнитную приро ду, говоря другими словами, она представляет собой распространяющееся со скоростью света электромагнит ное колебание, в котором векторы напряженностей пере менных электрического и магнитного полей перпендику лярны друг другу и направлению распространения вол ны. Если при распространении волны плоскость колеба ний любого из векторов остается неизменной, то говорят о линейно-поляризованном излучении, если любой из
24
векторов непрерывно меняет плоскость колебании, опи сывая эллипс или окружность, то говорят об эллипти ческой или круговой поляризации света. Для естествен ного или неполяризоваииого света векторы напряжен ностей электрического и магнитного полей не имеют преимущественного направления колебаний.
Поляризационные свойства лазерного излучения мо гут быть широко использованы при лазерном зондирова нии атмосферы. Различные аэрозольные частицы поразному влияют на характеристики распространяюще гося поляризованного излучения. В связи с этим возни кает возможность определения концентрации, формы, размеров, химического состава частиц аэрозолей па ос нове изучения влияния последних, скажем, па степень де поляризации излучения или любой другой параметр по ляризации. При использовании поляризованного излуче ния в атмосфере удается увеличить дальность приема световых сигналов из-за уменьшения отношения полез ного сигнала к помехам, если прием излучения вести на приборе, пропускающем поляризованный свет и не про пускающем неполяризовапный.
Подведем некоторые итоги рассмотрения свойств ла зерного излучения и их использования для зондирования атмосферы.
Прежде всего подчеркнем, что высокая мощность и малая расходимость импульсов лазерного излучения только при использовании явлений аэрозольного и мо лекулярного рассеяния обеспечивают возможность зон дирования ряда атмосферных параметров в ночных ус ловиях в моиоимпульсном режиме до высот порядка 30—50 км и в режиме серии импульсов—до высот по рядка 100 км, если на пути импульсов излучения не встре чаются облака и если используются приемные антенны с площадью зеркал порядка нескольких квадратных метров, а другие параметры локатора имеют значения, достигнутые в лучших образцах. Что касается облачно сти, то наличие даже малых разрывов в ней уже обес печивает возможность лазерного зондирования надоб лачной атмосферы.
Малая длительность импульсов излучения автома тически обеспечивает высокое пространственное разре шение результатов зондирования, недоступное другим методам.
Высокая монохроматичность, когерентность и поляризованность лазерного излучения вместе с возмож ностью изменять его спектр создают богатый выбор явлений взаимодействия света с веществом, использова ние которых обеспечивает решение задач зондирования любого атмосферного параметра.
Наконец, использование лазеров с большой частотой повторения импульсов позволит исследовать динамику быстро протекающих атмосферных процессов как в малых локализованных объемах, так и по ходу распро странения импульсов через значительные толщи атмо сферы.
УСТРОЙСТВО ЛИДАРА
Используемый для зондирования атмосферы лазер ный локатор, или лидар, включает в себя передающее и приемное устройство. Передающее устройство обычно состоит из лазера, телескопа, поворотного стола (иногда лазеры используются без телескопов); приемное устрой ство также имеет телескоп, поворотный стол, приемник излучения с системой фильтров, усилитель слабых сиг налов, затворы и регистратор излучения. Часто один и тот же телескоп и один и тот же поворотный стол исполь зуются и в передающем и в приемном устройствах (так называемые схемы совмещения).
Принципиальное устройство лидара представлено на рис. 1, описывающем один из конкретных образцов ла зерного локатора. В этом варианте прибора импульс от лазера 1 без использования телескопа приемной системы с помощью поворотной призмы 2, расположенной на оптической оси этой системы, направляется в атмосферу. Отраженный атмосферными слоями эхо-сигнал лазер ного импульса большим зеркалом 3 приемной системы посылается на малое зеркало 4, затем через затвор 5 и интерференционный фильтр 6 па фотокатод фотоэлек трического умножителя 7, помещенного в сухой лед 8. Ток фотоумножителя, вызванный отраженным эхо-сиг налом, или записывается на магнитную ленту, или фо тографируется с экрана осциллографа. На рис. 2 пока зан один из лидаров, предназначенных для последова ний в полевых условиях.
26
Рис. 1. Схема лидера.
статировапшо стержня рубина, например, охлаждая его жидкостью, имеющей определенную температуру.
Излучение рубинового лазера в режиме модулиро ванной добротности (длительность импульса несколько десятков наносекунд) занимает участок спектра порядка нескольких десятых долей обратного сантиметра. Если применять специальные меры, спектр излучения можно сузить до сотых и даже тысячных долей обратных сан тиметров (см-1). Как будет показано ниже, это имеет существенное значение при зондировании влажности и содержания кислорода в атмосфере.
Энергия излучения импульсов рубиновых лазеров, используемых при зондировании атмосферы, заключена в пределах от сотых долей джоуля до нескольких де сятков джоулей. Отметим, что при длительности импуль са в 20 нс энергии в 20 Дж соответствует мощность в 1 ГВт (1млрд Вт).
Угол расходимости излучения импульса рубит вого генератора, посылаемого в атмосферу, обычно равен нескольким минутам. Для достижения такого значения расходимости излучения пли используются коллимирую щие устройства—телескопы, или соответствующим обра зом подбираются рубиновые стержни. Малые величины угла расходимости излучения имеют важное значение не только с точки зрения концентрации энергии и соот ветствующего увеличения дальности зондирования, но и с точки зрения уменьшения фоновых помех, создаваемых атмосферой (рассеянный свет от различных источников, собственное излучение атмосферы). Ясно, что чем мень ше расходимость излучения, тем меньший объем он занимает в атмосфере и :ем с меньшим углом поля зре ния приемной системы можно работать, а следовательно, тем меньше она будет воспринимать помех атмосферного происхождения.
Частота повторения мои,пых импульсов рубинового лазера, как уже отмечалось, невысока. Она не превы шает нескольких импульсов в минуту.
Кроме импульсного лазера на рубине, при зондиро вании атмосферы использовались также твердотельные лазеры на стекле с неодимом и на иттрий-алюминиевом гранате (длина волны излучения 1,06 мкм, остальныепараметры близки к параметрам лазера па рубине); лазеры на второй гармонике излучения рубинового гене
29