МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Ордена Трудового Красного Знамени Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики

Кафедра «Направляющие телекоммуникационные среды»

ПРАКТИКУМ № 14-А

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ АТМОСФЕРЫ НА ПРОХОЖДЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Москва 2022

План УМД 2022/2023 уч.год

ПРАКТИКУМ № 14-А

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА ПРОХОЖДЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Составитель: Пчелкина Н.В. к.т.н. доцент

Рассматриваются особенности прохождения лазерного излучения через неоднородную нестационарную среду.

Ил. 4, табл. 1, список лит. назв. 2.

Издание утверждено на заседании кафедры. Протокол № 5 от 28.06.2022 г.

Рецензент: Иванов С.И., к.т.н., доцент

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследовать особенности прохождения лазерного излучения через неоднородную нестационарную среду, именно такой средой во многих практических применениях лазеров является атмосфера Земли.

2. ЗАДАНИЕ

1. Собрать экспериментальную схему для моделирования условий прохождения лазерного излучения в атмосфере

2. Измерить величину смещения пятна лазерного излучения на экране

3. Рассчитать показатель преломления воздуха двумя способами, сравнить результаты

3. ОБОРУДОВАНИЕ

1. Источник лазерного излучения

2. Нагревательный элемент

3. Температурный датчик

4. Экран

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

1. Основные закономерности распространения лазерного излучения в атмосфере

Распространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается целым рядом явлений линейного и нелинейного взаимодействия света со средой.

К ним относятся:

• ослабление интенсивности излучения, вызванного поглощением и рассеянием на трассе;

• образование фоновых засветок, обусловленных наличием в атмосфере рассеивающих компонент;

• изменение когерентности излучения и пространственно-временных параметров пучка, которые вызываются турбулентностью атмосферы (хаотическим движением воздуха), сюда же следует отнести и изменение фазы волны, и связанные с ней флуктуации интенсивности;

• изменение направления распространения и угла прихода излучения вследствие неоднородности атмосферы.

Все эти явления наблюдаются при сравнительно небольшой плотности энергии лазерного излучения.

Особую группу образуют эффекты, возникающие под действием мощного излучения, когда среда распространения становится нелинейной, т.е. ее свойства изменяются под действием самого распространяющегося излучения. Здесь различают, эффект насыщения поглощения, эффект самоканализации и самофокусировки.

Эти явления в той или иной мере проявляются при использовании достаточно мощных лазеров в системах, работающих через атмосферу (лидары, дальномеры, линии связи и т.д.). На рисунке 1 приведена схема атмосферной оптической линии связи (АОЛС).

Рисунок 1 - Атмосферная оптическая линия связи

В данной лабораторной работе приведены особенности распространения излучения, вызванные неоднородностью атмосферы, поэтому рассмотрим этот вопрос подробнее. Известно, что плотность воздуха меняется с высотой, т.е. существует поперечный градиент плотности. Поскольку с изменением плотности изменяется и показатель преломления газа, то возникает и поперечный градиент показателя преломления.

Для случая распространения излучения в атмосфере, когда, как правило, показатель преломления убывает с высотой, это означает, что путь луча будет вогнутым по направлению к земле, кроме случая, когда имеется инверсия плотности. Этот вывод можно сделать, используя закон Снеллиуса (рисунок 2).

Рисунок 2 – Путь луча в атмосфере

Пусть – показатель преломления соответствующего слоя атмосферы ( > > ),

где

– углы, отсчитанные от нормали, тогда:

(1)

Для атмосферы Земли обычно > , поэтому для выполнения равенства (1) необходимо, чтобы и, следовательно, . Аналогично можно рассмотреть второй и третий слои и т.д. Таким образом, для обычных условий луч искривляется по направлению к Земле. Связь показателя преломления и плотность газа можно проследить, используя соотношение, следующее из выражения для поляризуемости:

(2)

N - число молекул в единице объема. Учитывая, что для воздуха , получим:

, (3)

и окончательно:

. (4)

Последнее соотношение и означает, что для газов пропорционально плотности, или, другими словами, каждая молекула, независимо от себе подобных вносит в величину показателя преломления свою долю.

Таким образом, вследствие изменения показателя преломления атмосферы, происходит изменение направления распространения излучения. Это явление называется рефракцией. Так как в атмосфере, как правило, показатель преломления уменьшается плавно с высотой, то траектория луча плавно искривляется по направлению к Земле. Обычно термин «рефракция» относят к некоторому среднему стационарному состоянию, но не к турбулентным условиям в воздухе. В действительности же воздух никогда не останется неподвижным в любых пространственных масштабах, что обуславливает соответствующие флуктуации показателя преломления. Это приводит к различным мелкомасштабным искажениям волновых фронтов, что проявляется в дрожании изображения. В ряде случаев изменение направления луча за счет турбулентности может приводить к сканированию площади сечения пучка по приемной апертуре или даже прохождения мимо приемника, что обуславливает изменение регистрируемого потока. А это, в свою очередь, не только уменьшает величину полезного сигнала, но и приводит к хаотической амплитудной и частотной модуляции светового потока.

2. Описание установки

Смоделировать условия, в которых происходит искривление траектории светового луча за счет неоднородности среды распространения, можно с помощью установки, изображенной на рисунке 3. Расстояние от лазерного блока до экрана должно быть не менее 6 м, на расстоянии 4 м от экрана создается тепловая зона.

Лазерный блок питается от сети переменного тока 220В, потребляя общую мощность не более 5Вт. Блок имеет три выходных канала лазерного излучения. Выходная длина волны лазерного излучения: 1 канал – 660 нм (красный), 2 канал – 532 нм (зеленый), 3 канал – 405 нм (фиолетовый). Выходная максимальная мощность излучения 200 мВт по каналам 2 и 3,1 мВт по каналу 1. Реальные значения выходной мощности по фиолетовому каналу полностью соответствуют описанию, по зеленому каналу значение завышено практически в два раза (при 200 мВт реальное значение мощности составляет 114 мВт). Диапазон регулировки выходной частоты следования лазерных импульсов 1-150 кГц с точностью до 1 Гц по всем каналам не зависимо друг от друга.

Рисунок 3 – Экспериментальная установка

Излучение лазера проходит через тепловую зону, которая создается за счёт нагрева воздуха. На границе раздела теплого и холодного воздуха создается достаточно резкий градиент показателя преломления, который приводит к отклонению луча от первоначального направления. Если каким-либо способом его нарушить, например, создав принудительное движение воздуха, то условия опыта нарушаются и будет заметно перемещение луча в плоскости наблюдений. Именно, к таким эффектам приводит турбулентное движение воздуха в атмосфере.

5. Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с требованиями техники безопасности при работе с лазерным излучением (таблица 1).

Таблица 1 – Меры безопасности при работе с лазерным изучением

МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ
	Не направлять лазерный луч в глаза или на кожу
	Использовать защитные очки
	Не направлять лазерный луч на посторонние предметы
	Осторожно обращаться с металлическими и стеклянными предметами вблизи работающего лазера

2. Включить лазерный блок. Рабочая длина лазерного блока выдается преподавателем, далее осуществляется настройка выходного лазерного канала. Замерить температуру воздуха Т₁.

3. Отметить положение лазерного пятна на экране (его контур или центр).

4. Создать тепловую зону и наблюдать перемещение пятна на экране по мере нагрева воздуха и формирования слоя с резким градиентом показателя преломления.

5. Когда процесс станет стационарным и перемещение пятна прекратится (около 15 минут), отметить положение пятна на экране и измерить величину его смещения l. Замерить температуру воздуха тепловой зоны Т₂.

6. Создавая принудительное движение воздуха около тепловой зоны, наблюдать быстрые и медленные изменения положения пятна, обусловленные турбулентностью.