Лидарная система для мониторинга атмосферы на основе электроразрядного эксимерного лазера

• Автор: Молодцов, Николай Александрович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 134 с. : ил

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИДАРНЫХ СИСТЕМ, ПРИМЕНЯЕМЫХ

ДЛЯ МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И В НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

1.1. Общие требования к лазерным источникам для мобильных

лидарных систем

1.2 Применение электроразрядных эксимерных лазеров при

зондировании прозрачных сред

1.2.1. Основные особенности эксимерных лазеров

1.2.2. Функции электроразрядных эксимерных лазеров в лидарных

системах различных типов

1.3. Лидары с фиксированной рабочей длиной волны

1.3.1. Лидары для измерений аэрозолей

1.3.2. Лидары для измерений влажности на основе СКР-метода
1.3.3. Океанические лидарные системы (OLS) для измерений
в приповерхностном слое воды
1.3.4. Лидары для изучения водного слоя методом обратного рассеяния
1.4. Лидары с плавной перестройкой рабочей длины волны
1.4.1. OLS-лидары для измерений нефтяных пленок и фитопланктона
методом «спектральных образов»
1.4.2. Флуоресцентные лидары для измерений атомов (ионов) в
верхней атмосфере
1.5. Лидары использующие метод дифференциального поглощения
(DIAL)
1.5.1. Лидары для зондирования атмосферного озона
1.5.2. Лидары для измерений параметров атмосферных газов
1.5.3. Лидары для зондирования газообразных примесей в атмосфере
ГЛАВА 2. ЛАЗЕРНАЯ АППАРАТУРА МОБИЛЬНОЙ
ЛИДАРНОЙ СИСТЕМЫ (МЛС)

2.1. Электроразрядный ХеС1-лазер
2.1.1. Базовая модель лазера
2.1.2. Модификация резонатора
2.1.3. Оптимизация режимов разряда эксимерного лазера
2.1.4. Подготовка разрядной камеры и ресурсные испытания
2.2. Узкополосный лазер на красителях
2.3 Блок удвоения частоты
ГЛАВА 3. БАЗА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ВЫБОРА
ПАРАМЕТРОВ ЛИДАРА
3.1. Цель разработки
3.2. Лидарное уравнение
3.3. Выбор основных атмосферных загрязнителей для мониторинга с
помощью МЛС
3.4. Предельно-допустимые концентрации веществ-загрязнителей в
атмосфере. Сечения рассеяния и поглощения для зондирующего излучения
3.5. Модель «чистой» атмосферы
3.6. Выбор основных технических характеристик узлов и элементов
лидарной системы
3.7. Алгоритмы оценки сигналов и соотношений сигнал/шум
3.8. Возможности применения лидарной системы в различных
экологических ситуациях
ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ МОБИЛЬНОЙ
ЛИДАРНОЙ СИСТЕМЫ
4.1. Концепция подхода к разработке мобильной лидарной системы
4.2. Компоновка лидарного модуля и его оптическая схема
4.3. Основные подсистемы МЛС
4.3.1. Телескоп и сканирующее зеркало
4.3.2. Светоприемная аппаратура
4.3.3. Подсистема управления, регистрации и сбора данных
4.3.4. Транспортное средство

ГЛАВА 5. ДИСТАНЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ДИОКСИДА СЕРЫ
5.1. «Традиционное» применение лидарного зондирования БОг в
атмосфере
5.2. Лидарные измерения, моделирующие применение МЛС в
чрезвычайных ситуациях
5.2.1. Особенности лидарного зондирования при значительных локальных выбросах диоксида серы
5.2.2. Требования к параметрам моделирующего объекта
5.2.3. Установка для генерации диоксида серы
5.2.4. Результаты модельных измерений концентрации диоксида серы
ГЛАВА 6. МОДЕЛЬНЫЕ ДИСТАНЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
АТОМАРНОЙ РТУТИ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ
6.1. Возможные аварийные ситуации приводящие к выбросу паров
ртути в атмосферу
6.2. Установка для генерации ртутных паров и схема экспериментов
6.3. Результаты дистанционного измерения содержания атомарной
ртути в атмосфере
ГЛАВА 7. РАСШИРЕНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
ЛИДАРНОГО МОДУЛЯ. АНАЛИЗ И РЕКОМЕНДАЦИИ
7.1. Рассматриваемые схемы применения мобильного лидарного модуля (МЛМ) на основе эксимерного лазера в лидарных
системах для научных и экологических исследований
7.2. Применение оптического тракта МЛМ для измерений
фоновой солнечной радиации в УФ-области спектра
7.2.1. Актуальность проведения измерений яркости неба в УФ-области спектра
7.2.2. Схема измерений фонового свечения неба
7.2.3. Результаты измерений
7.2.4. Выводы и рекомендации

С точки зрения увеличения коэффициента преобразования энергии эксимерного лазера накачки в лазере на красителях, существовала необходимость в оптимизации длительности и формы импульса эксимерного лазера. Эти величины зависят, в свою очередь, от электротехнических параметров разряда, а также от комбинации давлений буферных газов (Ие, Не), галогенидов (НС1) и благородных газов (Хе).
Анализ основных технических характеристик базовой модели эксимерного лазера (см. п. 2.1.1), показал, что, несмотря на некоторое уменьшение (с 35 нсек до 30 нсек) длительности лазерного импульса при использовании в качестве буферного газа Не, энергия лазерного импульса уменьшается почти вдвое (с 200 до 110 мДж), что является недостаточным с точки зрения использования эксимерного лазера в разрабатываемой лидарной системе. Поэтому дальнейшие поиски оптимального состава рабочей смеси шли в направлении от чистого буферного газа
- № до сочетания буферных газов № - Не.
Кроме того, проведенные измерения параметров лазерного импульса базовой модели эксимерного лазера работающего на буферном газе - №, показали, что форма импульса имеет явно выраженную колебательную составляющую (см. рис.
2.3.а). Анализ результатов этих измерений показывает, что, очевидно, имеет место колебательный характер ввода запасенной энергии в разряд, что, в свою очередь, свидетельствует о недостаточном согласовании сопротивлений разрядного промежутка и полного сопротивления схемы питания.
Исходя из вышеперечисленных факторов, были сформулированы основные направления оптимизации режимов разряда эксимерного лазера:
• подбор оптимального состава газов рабочей смеси;
• согласование сопротивлений разрядного промежутка и полного сопротивления схемы питания.
В результате проведенных экспериментов удалось найти оптимальный для модифицированного лазера состав рабочей смеси, позволивший достигнуть минимальной длительности импульса, практически такой же, как на буферном газе
- Не (-24 нсек) в сочетании с высокой энергии в импульсе (меньшей всего на 5%, чем при применении буферного газа - Ие). Такой смесью явился «коктейль» 50/50% буферных газов Ие и Не. Полный состав смеси: 1.4 ата Не +1.4 ата Не + 0.04 ата Хе