Лазерное зондирование атмосферы с использованием молекулярного поглощения

• Автор: Романовский, Олег Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 240 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
ГЛАВА
ЛИДАРНЫЕ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ
1.1. Основные спектроскопические эффекты взаимодействия оптического излучения, применяемые в лидарном зондировании
1.2. Лидарный метод дифференциального поглощения
1.2.1. Физические основы и математический формализм лидарного метода дифференциального поглощения
1.2.2. Анализ применения источников лазерного излучения для газоанализа атмосферы по методу дифференциального поглощения
1.2.3. Критерии потенциальных возможностей лидарного зондирования
малых газовых составляющих атмосферы по МДП и характеристики условий численного моделирования
1.3. Физические основы лидарного зондирования метеорологических
параметров атмосферы методом дифференциального поглощения
1.4. Лидарное зондирования газового состава атмосферы
с помощью DIAL и DOAS
1.5 Краткие выводы по 1 главе
ГЛАВА
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ХАРАКТЕРИСТИКАМ ЛИДАРОВ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ
2.1. Анализ систематических ошибок лидарного метода
дифференциального поглощения
2.1.1. Влияние вариаций метеопараметров атмосферы на точность априорного расчета коэффициента поглощения
2.1.2. Учет сдвига центров линий поглощения атмосферных газов давлением воздуха

2.1.3. Другие источники ошибок априорного расчета эффективного коэффициента поглощения
2.2. Методика поиска информативных длин волн для зондирования газовых составляющих атмосферы
2.2.1. Критерии отбора линий поглощения
2.2.2. Алгоритм расчета пропускания атмосферы
2.2.3. Общая схема работы автоматизированной системы поиска
2.2.4. Пример работы системы поиска информативных длин волн
2.3. Результаты поиска информативных длин волн для зондирования газовых составляющих атмосферы
2.3.1. Информативные микроокна прозрачности для зондирования газовых компонент в диапазоне спектра 4.5 - 5.5 мкм
2.3.2. Результаты поиска в области нетрадиционных полос излучения С02 лазера
2.3.3. Результаты поиска в области суммарных и разностных частот Излучения СО и С02 лазеров
2.4. Экспериментальная проверка результативности работы методики поиска
2.4.1. Трассовый газоанализатор на основе СО и С02 лазеров с преобразователями частоты излучения
2.4.2. Результаты измерений фоновых концентраций малых газовых компонент в горной местности
2.4.3. Измерения газового состава атмосферы на преобразованных чстотах излучения в пригородной и загрязненной зонах промышленного центра
2.5 Краткие выводы но 2 главе
ГЛАВА
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИДАРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
ГАЗОВЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ И МЕТЕОПАРАМЕТРОВ
АТМОСФЕРЫ МЕТОДОМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО
ПОГЛОЩЕНИЯ
3.1. Возможности лидарного зондирования водяного пара и угарного

газа в средней ИК области спектра
3.2. Численное моделирование зондирования стратосферных и тропосферных
профилей влажности в области спектра 3 мкм
3.3. Возможности определения выбросов окислов азота при бортовом
базировании лидара
3.4. Применение вертолетного лидара на основе ТЕА С02 лазера для
обнаружения утечек метана и аммиака
3.5. Использование БР лазера в лидаре бортового базирования для
Обнаружения аэрозольных и газовых выбросов
3.6. Результаты численного моделирования возможности обнаружения
аномальных концентраций СН4 и С2Нб в приземном слое атмосферы спутниковым лидаром
3.7 Краткие выводы по 3 главе
ГЛАВА
ЛИДАРНЫЕ МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ МЕТЕОПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ И ИХ АППАРАТУРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
4.1. Метеорологический лидар МЕЛ-01
4.2. Численное моделирование лидарного зондирования метеопараметров
атмосферы в области спектра 2 мкм
4.3. Применение лазера на парах стронция для решения задач лидарпого
зондирования газового состава и метеопараметров атмосферы
4.3.1. Исследование режимов работы 8г лазера в полосах излучения
в области спектра 1 и 3 мкм
4.3.2. Отпаянный лазер на парах стронция
4.3.3. Выбор длин волн зондирования газовых компонент атмосферы
4.3.4. Исследование поглощения парами воды излучения лазера
на парах стронция
4.4. Краткие выводы но 4 главе

оптические параметрические генераторы, способные перекрыть весь средний ИК диапазон спектра, но они имеют ограниченный ресурс работы и широкую линию генерации [22]. Эти лазерные источники применялись, например, при одновременном зондировании по МДП влажности и температуры в области спектра 1.77 мкм [69], а также аммиака в 9 мкм диапазоне [20].
Перспективным путем решения проблемы является создание источников когерентного излучения, представляющих собой хорошо отработанные и эффективные молекулярные лазеры низкого давления (или гибридные), прежде всего С02 и СО лазеры, снабженные набором параметрических преобразователей частоты (ППЧ) из монокристаллов '/пСеР2, CdGeAs2 и [14, 70-72]. Такие
источники лишены основных недостатков указанных выше лазеров и удовлетворяют потребностям лазерного газоанализа по МДП. Спектром преобразованных двухкаскадными преобразователями частот излучения одного, например, С02 лазера, перекрывается весь спектральный диапазон от 2 до 18 мкм [73]. Комбинацией различных пар линий излучения и вторых гармоник достигается очень плотное, с шагом до 10'3 см'1, перекрытие этого спектрального диапазона. Узкая, 10'2 - 10'3 см'1, спектральная ширина линий излучения и положение их центров обусловлены физическими параметрами активной среды и известны с заранее высокой точностью. Это практически снимает проблему формирования и контроля спектральных характеристик лазерного излучения. Такой источник не уступает по возможностям извлечения информации о параметрах атмосферы узкополосным, плавно перестраиваемым по частоте лазерам.
С целью разработки и создания источников когерентного излучения ИК диапазона на базе ППЧ и молекулярных лазеров были проведены комплексные исследования возможностей преобразования лазерного излучения в наиболее перспективных нелинейных оптических средах - тройных полупроводниках 2пСеР2, СсЮеЛь^ и Т13ЛяАе
Численное решение системы укороченных уравнений, описывающих процесс нелинейного преобразования взаимодействующих частот, показало реальность достижения эффективностей преобразования порядка 90% при относительно небольших длинах кристаллов [74].