Совершенствование методов создания ИК-лидарных систем на основе нелинейно-оптических кристаллов для исследований атмосферных газов

• Автор: Айрапетян, Валерик Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 191 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Краткий аналитический обзор современного состояния взаимодействия инфракрасного лазерного излучения с компонентами атмосферы Земли

1.1 Структура и состав атмосферы Земли

1.2 Распространение инфракрасного лазерного излучения в атмосфере

1.2.1 Излучение и поглощение

1.2.2 Контуры спектральных линий

1.2.3 Естественное уширение

1.2.4 Доплеровское уширение

1.2.5 Уширение и сдвиг спектральной линии, обусловленные столкновениями

1.2.6 Рассеяние лазерного излучения в атмосфере

2 Источники лазерного излучения лидарных систем
2.1 Типы и характеристики лазеров, пригодных для лидаров
2.2 Газовые лазеры с дискретной перестройкой частоты излучения
2.2.1 Азотный лазер (№)
2.2.2 Двуокись углерода (ССЬ)
2.2.3 ИР-лазер
2.2.4 ИНз-Иг-лазер
2.3 Лазеры с плавной перестройкой частоты излучения
2.3.1 Параметрическое взаимодействие световых волн в нелинейной среде
2.3.2 Экспериментальные исследования параметров ИК ПГС
2.3.2.1 Лазер накачки
2.3.2.2 Измерение параметров излучения лазера накачки
2.3.3 Нелинейно-оптические кристаллы, используемые в параметрической генерации света
2.3.3.1 Ниобат лития (ЫЫЬОз)
2.3.3.2 Калий титанил фосфат (КТЮРОД

3 Параметрический генератор света ближнего инфракрасного диапазона длин волн
3.1 Способы получения перестройки частоты параметрического лазера
3.2 Оптические схемы параметрического генератора света
4 Инфракрасные лидарные измерения параметров атмосферных газов методом дифференциального поглощения и рассеяния
4.1 Физические принципы инфракрасного лидарного зондирования атмосферы
4.2 Лидарное уравнение на основе дифференциального поглощения
и рассеяния
4.3 Граничные условия лидарного уравнения и анализ результатов
для метода дифференциального поглощения и рассеяния
4.4 Основные источники погрешностей метода дифференциального поглощения и рассеяния
4.5 Структурная схема инфракрасного лидара, основанного на методе дифференциального поглощения и рассеяния
4.6 Расчет частот и форм колебаний многоатомных молекул
4.7 Анализ экспериментального и расчетного спектров v3 полосы поглощения метана
4.8 Расчетные спектры поглощения и их анализ для наиболее известных взрывчатых веществ
Заключение
Список основных научных работ Айрапетяна B.C., опубликованных по
теме диссертации
Приложение А. Определение параметра М
Приложение Б. Спектры поглощения некоторых многоатомных углеводородных молекул и атмосферы в диапазоне 1,41—4,24 мкм
Приложение В. Акты внедрения результатов исследований
Библиографический список
ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы
Актуальность темы исследования. Изучение явлений, происходящих в атмосфере Земли, было и остается актуальной задачей в деятельности человека. Традиционные методы дистанционного исследования атмосферных явлений, во многих случаях проводимые визуально-экспериментальным путем, давали малоэффективные результаты. Наряду с традиционными методами, в последние годы активно развиваются современные методы и технические средства по сбору информации о процессах, происходящих в атмосфере Земли. Среди них важное место отводится дистанционному зондированию атмосферы оптическими методами, являющимися наиболее перспективными в исследовании и контроле параметров атмосферы Земли.
Интенсивные исследования в области лазерного дистанционного зондирования, проводимые в последние десятилетия, показали, что лидар (lidar - light identification, detection and ranging) является одним из наиболее перспективных инструментов исследования атмосферных газов и загрязнителей атмосферы.
Информация, полученная с помощью первых лидарных систем на основе лазеров, была очень ограничена, поскольку она не позволяла идентифицировать и определять параметры основных компонентов атмосферы.
Дистанционное зондирование с помощью лидарных систем особенно интенсивно начало развиваться после появления импульсных перестраиваемых лазеров, излучающих в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах длин волн и позволяющих решать ряд принципиально важных задач оптической спектроскопии, а именно:
- достигать предела чувствительности спектрального анализа атомов и молекул, недоступной даже лучшим масс-спектрометрам (экспериментально реализуются методы детектирования отдельных молекул в одном квантовом состоянии);
- проводить исследование спектров и релаксации из возбужденных состояний атомов и молекул (лазерное излучение позволяет селективно возбудить в

Согласно этой формуле, для длины волны 694,3 нм значение сечения равно 2,15 • 10'28 см2 стр’1. Это значение можно сравнить с соответствующими значениями сечений ряда газов. В диссертационной работе в виде таблицы (таблица 1.3) приводятся значения расчетных сечений рэлеевского обратного рассея-
ния сул (Л) для некоторых молекул атмосферы применительно к холостой и сигнальной волнам ИК параметрического лазера.
Таблица 1.3 — Сечение рэлеевского обратного рассеяния <ук (Л) для некоторых молекул атмосферы
Газ Химический символ <7„ (Л) ■ 10"28 см2 стр'1 сг^(А) . 10'31 см2 стр'
X = 0,694 мкм X = 1,41 мкм X = 4,24 мкм
Водород н2 0,44 0,0254 0,
Дейтерий в2 0,43 0,025 0,
Гелий Не 0,03 0,017 0,
Кислород о2 1,80 0,105 1,
Азот N2 2,14 0,126 1,
Двуокись углерода о О го 6,36 0,373 4,
Метан СН4 4,60 0,272 3,
Закись азота ы2о 6,40 0,375 4,
Неон № 0,09 0,05 0,
Аргон Аг 2,00 0,117 1,
Ксенон Хе 11,60 0,681 8,
Фреоны, представляющие интерес для стратосферных исследований
Фреон-12 СС12Г2 36,08 2,118 25,
Фреон-13В1 СВгГз 24,87 1,460 17,
Фреон-14 сг4 4,91 0,288 3,
Фреон-22 СНС1Г2 21,90 1,285 15,