Разработка лазерных внутрирезонаторных систем и методов для атмосферно-оптических измерений

• Автор: Останин, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 124 с. : ил.

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 С02-лазера
с длинным резонатором
3.3. Повышение чувствительности внутрирезонаторных лазерных
измерителей методом внутрирезонаторного удвоения частоты излучения лазера
Заключение
Литература

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

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

Рисунок 23 б— Восстановленный участок спектра (б)
Апробация предложенного метода показала, что при десятиразрядном АЦП уверенно (10% от полуширины линии поглощения) определялось место провала с относительной глубиной около 0,5% при исходном отношении сигнал/шум равном 20 и более пяти реализаций спектра [61].
На рисунке 23 а показана одна из реализаций спектра. Значение Хо соответствует центру линии поглощения паров воды. На рисунке 23 б представлен результат обработки пяти реализаций спектра в соответствии с изложенной методикой.
2.6. Исследование проблем стабильности лазеров, используемых в когерентных внутрирезонаторных лидарах
Интенсивное развитие различных лазерных методов для физических исследований накладывает жесткие требования к стабильности генерационных характеристик лазеров. Например, для создания устройств локации на основе метода лазерного гетеродирования или лазерной спектроскопии, включая внутрирезонаторную, реализации методов дистанционного газоанализа атмосферы на основе дифференциального поглощения, а также резонансного рассеяния требуется высокая когерентность излучения, прецизионное управление перестройкой длины