Чувствительность и эффективность когерентных методов регистрации оптического излучения

• Автор: Лебединский, Максим Олегович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 119 с. : ил.

Глава 1 Литературный обзор работ по когерентному детектированию и естественным флуктуациям лазерного излучения, определяющим предельную чувствительность детектирования

1.1 Лазерное гетеродинирование

1.2 Внутрилазерный прием

1.3 Технические флуктуации излучения

1.4 Естественные флуктуации излучения

Глава 2 Воздействие оптического излучения на лазеры

2Л Общие свойства узконаправленных монохроматических пучков

2.2 Внутрилазерное детектирование излучения

2.3 Выводы

Глава 3 Естественные флуктуации мощности и частоты

3.1 Теоретический анализ флуктуаций в лазерах

3.1 Л Источники флуктуаций
3.1.2 Связь между флуктуациями мощности и частоты генерации
3.2 Экспериментальное исследование естественных флуктуаций

3.2.1 Экспериментальная установка
3.2.1.1 Методика измерений
3.2.1.2 Управление частотным расщеплением мод и продольным сдвигом их стоячих волн
3.2.2 Экспериментальное исследование спектров естественных флуктуаций при изменении мощности генерации
3.2.2.1 Экспериментальное исследование связи между естественными мощностными и частотными флуктуациями излучения при изменении уровня накачки
3.2.2.2 Экспериментальное исследование связи между естественными флуктуациями мощности и частоты излучения при изменении уровня потерь
3.2.3. Экспериментальное исследование естественных флуктуаций мощности и частоты при изменении связи между модами
З.2.З.1. Экспериментальное определение фактора связи
3.2.3.2 Экспериментальное исследование естественных мощностных и частотных флуктуаций при изменении
фактора межмодовой связи
3.3 Определение естественной ширины линии излучения Не-Ые лазера с длиной волны излучения 0,63мкм
3.4 Выводы
Глава 4 Эффективность гетеродинного и внутрилазерного приема
излучения с нарушенной пространственной когерентностью
4.1 Взаимная интенсивность отраженного излучения при приеме малого числа пятен когерентности
4.2 Расчет гетеродинного сигнала при приеме частично
когерентного излучения
4.3 Оптимизация параметров согласующих приемопередающих оптических устройств
4.4 Экспериментальное исследование эффективности внутрилазерного приема при использовании приемопередающего телескопа
4.5 Выводы
Глава 5 Интерферометрический комплекс ЛИРА и оценка его
предельной чувствительности и быстродействия
5.1 Интерферометрические измерения электронной плотности плазмы
5.2 Интерферометрический комплекс ЛИРА
5.2.1 Принцип работы интерферометра
5.2.2 Формирование сигналов
5.2.3. Принципиальная схема интерферометра
5.3 Экспериментальные оценки рабочих характеристик
интерферометра
5.4 Выводы
Заключение
Литература

Благодаря своим свойствам: высокой спектральной интенсивности, исключительной монохроматичности и направленности излучения, лазеры являются основным инструментом в оптических измерительных методиках. Достоинством лазерных измерительных и диагностических методов является их бесконтактность, дистанционность, малое время измерения, высокая чувствительность и точность, пространственное разрешение, которое может быть доведено до величины порядка длины волны. Во многих задачах оптических измерений и диагностики, таких как интерферометрия, дальнометрия и локация, оптическая обработка информации, спектроскопия и газоанализ, часто требуется регистрировать слабые оптические сигналы. Традиционно для регистрации оптических потоков используют метод прямой фоторегистрации. Кроме него существуют когерентные методы регистрации. Традиционным когерентным методом является метод оптического гетеродинирования. За исключением особых случаев, при использовании фотоприемников с высоким внутренним усилением или при использовании преддетекторного усиления в ОКУ, гетеродинный метод обладает большей чувствительностью по сравнению с прямой фоторегистрацией. Существует и другой метод когерентного детектирования, который обладает всеми преимуществами гетеродинной регистрации, но во многих задачах представляется более перспективным. Это - метод внутрилазерного детектирования. Благодаря эффективному накоплению регистрируемого излучения в резонаторе лазера, автодинному эффекту, а также, межмодовой конкуренции, при использовании двухмодового режима генерации, он имеет более высокую чувствительность. Кроме того, по сравнению с гетеродинированием, внутрилазерное детектирование обладает большей функциональностью, так как при таком приеме меняется как мощность, так и частота генерации лазера, что позволяет организовать два канала регистрации. Чувствительность обоих методов (гетеродинного и внутрилазерного детектирования) ограничивается одними и теми же причинами. Во-первых, важно обеспечить оптимальное согласование сигнального поля с полем гетеродина в случае гетеродинной регистрации, а при внутрилазерной регистрации - принимаемого поля с полем в резонаторе. Во-вторых, предельная чувствительность регистрации определяется естественными флуктуациями мощности и частоты генерации лазеров: лазера-гетеродина в случае оптического гетеродинирования и лазера-приемника в случае внутрилазерного детектирования. Это определяет интерес к вопросам согласования полей и спектральным характеристикам флуктуаций.
В главе 1 настоящей дисертации проведен обзор публикаций, посвященный когерентным методам регистрации слабого оптического излучения и публикациям, посвященным естественным флуктуациям излучения лазеров, определяющих предельную чувствительность этих методов. Обзор показал, что, несмотря на достаточное количество работ по

3.2.1.2 Управление частотным расщеплением мод и продольным сдвигом их стоячих волн.
Фактор межмодовой связи S, как известно, зависит от характера поляризаций конкурирующих мод, от величины межмодового расщепления соп и от величины N [155], характеризующей отношение второй пространственной гармоники инверсии активной среды к её среднему значению:

1 с
N = - Jcos2S(z)dz
где (и р2 - координаты концов активного элемента, 1 - его длина, 8(/.)-пространственный сдвиг стоячих волн мод в точке г активной среды лазера. Величина N отражает пространственную неоднородность перекрёстного насыщения модами активной среды из-за пространственного сдвига их стоячих волн.
Фазоанизотропные элементы были изготовлены из кристаллического кварца в виде клиньев с одинаковой ориентацией осей анизотропии. Соседние по частоте моды резонатора с такими элементами линейно поляризованы вдоль осей фазовой анизотропии и, следовательно, ортогональны друг другу. Условия для определения волновых чисел полей мод к|_2 имеет вид:
кик + ки (по.с -1 Xе1! + Аг) = Щ.
где ё12 =<1®2 +ах12, с1с,|.2 - средняя толщина каждого фазоанизотропного элемента, Х],2 - поперечный сдвиг клина, а-угол клиновидности, п0е -показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей.
Учитывая малость Дк = к,-к2«к, где к = ~- среднее значение
волнового числа, и Дп = п0-пе «п-1, получим для Д к :
ДкЬ + кДп(ё, +ё2) = 0, Дк = -^Дп(ё, +ё2),
а соответственно для разности частот: ДО = О,-02 = сДк. Следовательно, межмодовое расщепление определяется суммарной толщиной клиньев. Таким образом, перемещая клинья вдоль поперечной оси в резонаторе можно линейно управлять межмодовым расщеплением.
Для соседних с одинаковыми (гп=0) и отличающимися на единицу (ш= 1) продольными индексами и отсчётом частоты в обоих случаях от одинаково поляризованной моды справедливо выражение:
П11„-![4*МЁгкЫ + т
1Д 2Ь X