Содержание
Введение.............................................................. 3
ГЛАВА 1 Анализ методов регистрации слабого отраженного или
рассеянного лазерного излучения............................ }
1.1 Прямое фотодетектирование...................................... 9
1.2 Оптический квантовый усилитель.................................. 12
1.3 Лазерное гетеродинирование...................................... 14
1.4 Внутрилазерный прием............................................ 16
1.5 Выводы.......................................................... 25
ГЛАВА 2 Характеристики одномодовых и двухмодовых лазеров при
внутрилазерном приеме излучения............................ ^
2.1 Теоретическое исследование характеристик одномодовых лазеров-приемников...................................................... 28
2.1.1 Генерация одномодового лазера.................................. 28
2.1.2 Воздействие внешнего излучения на одномодовый лазер............ 30
2.2 Экспериментальное исследование реакции мощности одномодовых
лазеров......................................................... 35
2.2.1 Исследование амплитуды модуляции мощности одномодового лазера от мощности регистрируемого излучения и средней мощности генерации лазера-приемника................................. 37
2.2.2 Исследование амплитудно-частотных характеристик лазера со слабой инерционностью активной среды............................ 38
2.2.3 Исследование амплитудно-частотных характеристик лазера с сильной инерционностью активной среды........................... 38
2.3 Теоретическое исследование характеристик двухмодовых лазеров-
приемников...................................................... 41
2.4 Экспериментальное исследование характеристик двухмодовых лазеров-приемников.............................................. 45
2.4.1 Исследование зависимости амплитуды модуляции мощности двухмодового лазера-приемника от относительной мощности генерации регистрируемой моды....................................... 48
2.4.2 Экспериментальное исследование зависимости амплитуды модуляции мощности двухмодового лазера от фактора межмодовой связи............................................................... 49
2.4.3 Исследование амплитудно-частотных характеристик двухмодового лазера с генерацией на ортогональных модах с линейными поляризациями при инжекции внешнего излучения.................... 52
2.4.4 Экспериментальное исследование амплитудно-частотных
характеристик двухмодового лазера с генерацией на ортогональных модах с круговыми поляризациями при инжекции внешнего излучения....................................................... 55
2.5 Выводы.......................................................... 57
1
ГЛАВА 3. Внутрилазерный прием отраженного излучения с
нарушенной пространственной когерентностью.............. ^
3.1 Пространственная когерентность и интенсивность отраженного лазерного излучения............................................. 60
3.2. Эффективность приема отраженного лазерного излучения........... 67
3.2.1 Взаимная интенсивность отраженного излучения при приеме большего числа пятен когерентности. Эффективность приема на ОКУ.................................................................. 68
3.2.2 Взаимная интенсивность отраженного излучения при приеме малого числа пятен когерентности................................ 74
3.2.3 Расчет гетеродинного сигнала при приеме частично когерентного излучения....................................................... 77
3.2.4 Оптимизация параметров согласующих приемопередающих оптических устройств............................................ 78
3.2.5 Экспериментальное исследование эффективности внутрилазерного приема при использовании приемопередающего телескопа............ 81
3.3 Выводы........................................................ 83
ГЛАВА 4 Квадратурный интерферометр на основе внутрилазерного
приема отраженного излучения.............................
4.1 Краткий обзор и анализ лазерных интерферометрических методов... 85
4.2 Разработка квадратурного интерферометра с использованием двухчастотного лазера с перекрестным взаимодействием мод 88
4.2.1 Теоретический анализ характеристик двухмодового лазера при перекрестном приеме собственного отраженного излучения 88
4.2.2 Формирование измерительных сигналов интерферометра........... 92
4.2.3 Экспериментальное исследование характеристик интерферометра.. 94
4.2.4 Принципиальная схема интерферометра.......................... 100
4.3 Интерферометрические исследования плазмы эрозионного
капиллярного разряда........................................... 103
4.3.1. Оптические свойства плазмы.................................. 103
4.3.2. Эрозионный капиллярный разряд в воздухе..................... 104
4.3.3. Интерферометрические исследования эрозионного капиллярного разряда........................................................ 108
4.4. Выводы........................................................ 112
113
Заключение.........................................................
Литература......................................................... 115
2
Введение
Лазеры, обладая высокой спектральной интенсивностью, исключительно высокой монохроматичностью и направленностью излучения, вот уже более 30 лет являются основным инструментом в оптических информационных, измерительных и диагностических приложениях. Лазеры используются для прецизионного контроля перемещений, в интерферометрии, дальнометрии и локации, в оптических линиях связи и для оптической обработки информации. Использование лазеров в спектроскопии и газоанализе позволило достичь чувствительности и спектрального разрешения, не доступных традиционным методам. При использовании для измерений показателя преломления, вызванного изменениями свойств среды, лазерные интерферометры служат эффективным инструментом в различных химических и физических исследованиях, в качестве средств контроля за состоянием среды в разнообразных технологических процессах. Ярким примером такого рода измерений является применение лазерных интсрферометрических методов для диагностики плазмы.
Достоинствами лазерных методов измерения и диагностики являются бссконтактность, дистанционность, высокая чувствительность и точность измерений. Пространственное разрешение измерений может быть доведено до величины порядка длины волны зондирующего излучения.
В большинстве задач дистанционных лазерных измерений и диагностики существует проблема приема и демодуляции слабого излучения при его распространении в поглощающих средах или после отражения от удаленных искусственных или естественных объектов. В этих условиях чувствительность и точность измерений определяется характеристиками используемой фотоприемной системы. В лазерных измерительных системах традиционно используют три основных метода:
• Метод прямой фоторегистрации;
• Гетеродинный прием. Принимаемый оптический сигнал смешивается с сигналом местного генератора (гетеродина), отличающимся по частоте, и возникающие биения усиливаются и демодулируются известными радиотехническими методами;
• Гомодинный прием. Принимаемый оптический сигнал смешивается с излучением местного гетеродина с той же частотой и фазой.
Обзор публикаций, посвященных приему слабого отраженного или рассеянного лазерного излучения, и сравнительный анализ чувствительности и функциональных возможностей методов его регистрации приводится в главе 1 настоящей дисертации. В результате показано, что весьма перспективным методом приема слабого оптического излучения является метод внутрилазерного приема. В этом случае информация содержится в изменении параметров генерации лазера при попадании в его резонатор регистрируемого излучения. Внутрилазерный прием обладает всеми достоинствами традиционного лазерного гетеродинирования, но при этом обеспечивает существенно болсс высокую чувствительность. Кроме того,
3
внутрилазерный прием обладает качественным отличием. При воздействии внешнего излучения изменяются как мощность, так и частота генерации лазера. Поэтому, кроме традиционного канала регистрации по изменению мощности, для лазеров существует второй канал регистрации по изменению частоты генерации. Как известно, точность частотных измерений гораздо выше амплитудных. Использование двух каналов регистрации позволяет измерять одновременно две величины, например, перемещение отражателя и коэффициент отражения от его поверхности. Внутрилазерный прием отраженного излучения может проводиться либо самим лазером-излучателем, либо другим однотипным лазером, что обеспечивает богатые функциональные возможности измерений и диагностики. На этой основе могут быть разработаны новые измерительные методики, обеспечивающие высокую чувствительность, точность, быстродействие, большой динамический диапазон измерений и новые функциональные возможности. Однако для эффективной реализации измерительных методик на основе внутрилазерного приема требуется решить ряд принципиально важных и до настоящего времени не решенных вопросов, связанных как с характеристиками самих лазеров-приемников, оптимизацией их параметров с целью повышения чувствительности измерений, так и с влиянием свойств регистрируемого излучения (пространственной когерентностью) на эффективность приема.
Диссертация посвящена разработке метода внутрилазерного приема: исследованию амплитудных и частотных характеристик лазеров различного типа при воздействии на них внешнего или собственного отраженного, в том числе и частично когерентного излучения; изучению характеристик лазерного излучения с нарушенной пространственной когерентностью и вопросов его согласования с внутрилазерным излучением с использованием для этого приемных и передающих оптических систем; разработке новой интерферометрической методики на его основе.
Глава 2 посвящена исследованию амплитудно-частотных характеристик одномодовых и двухмодовых лазеров с различной инерционностью активных сред при инжекции слабого внешнего излучения, изучению факторов, позволяющих повысить чувствительность внутрилазерного приема.
Глава 3 посвящена исследованию эффективности внутрилазерного приема частично когерентного излучения и повышению чувствительности приема при использовании приемо-передающих оптических систем. Проведено изучение характеристик частично когерентных световых пучков и закономерностей их распространения и определены методы согласования частично когерентных лазерных пучков с когерентным излучением в лазере-приемнике. Получены критерии согласования лазера-приемника с приемопередающей оптической системой.
Глава 4 посвящена разработке двухканального квадратурного интерферометра на основе внутрилазерного приема отраженного излучения. Разработана принципиальная схема формирования информативных сигналов
4
при использовании перекрестного воздействия отраженного излучения на генерируемые моды в двухмодовом лазере-приемнике. Результатами 1, 2 и 3 глав аргументируется выбор параметров лазера, других элементов схемы измерений. Приведены результаты измерений рабочих характеристик и испытаний интерферометра при его использовании для измерения динамики показателя преломления плазмы эрозионного капиллярного разряда в воздухе.
Цель и задачи диссертационной работы.
Целями диссертационной работы являются:
1. Разработка метода внутрилазерного приема оптического излучения с помощью одномодовых и двухмодовых лазеров и изучение их характеристик с целью повышения чувствительности приема.
2. Разработка двухканального лазерного интерферометра на основе внутрилазерного приема отраженного излучения.
В соответствии с поставленными целями в диссертации решаются следующие задачи:
1. Теоретическое и экспериментальное исследование характеристик одномодовых лазеров с различной инерционностью активных сред при инжекции внешнего излучения.
2. Теоретическое и экспериментальное исследование характеристик двухмодовых лазеров с различным характером поляризаций излучения генерирующих мод при инжекции внешнего излучения.
3. Теоретическое и экспериментальное исследование характеристик и закономерностей распространения излучения с нарушенной пространственной когерентностью.
4. Повышение чувствительности внутрилазерного приема частично когерентного излучения при использовании широкоапертурных проективных телескопических систем.
5. Исследование характеристик двухмодового лазера-приемника при перекрестном воздействии отраженного излучения на генерируемые моды.
6. Разработка двухканального лазерного интерферометра и исследование его рабочих характеристик.
7. Применение разработанного интерферометра при исследовании динамики показателя преломления плазмы эрозионного капиллярного разряда в воздухе.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, состоит в следующем:
5
1. Показано, что лазер в качестве приемника оптического излучения является двухканальным активным гетеродинным приемником, включающим в себя функцию квадратичного детектирования сигнала. Информативными сигналами служат изменения мощности и частоты генерации лазера-приемника.
2. Показано, что увеличение чувствительности внутрилазерного приема по сравнению с обычным лазерным гетеродином определяется: накоплением поля отраженной волны в резонаторе лазера-приемника и автодинным усилением сигнала, величина которого возрастает при приближении к порогу генерации.
3. Выявлен резонансный характер реакции мощности на внешний оптический сигнал лазера-приемника с сильной инерционностью активной среды.
4. Показано, что конкуренция мод в активной среде двухмодового лазера является дополнительным фактором, увеличивающим чувствительность внутрилазерного приема.
5. Получены экспериментальные зависимости фактора межмодовой связи от межмодового расщепления в лазерах с различным характером поляризаций мод.
6. Показано, что отраженное лазерное излучение представляет собой частично когерентный гаусов пучок с волновым параметром, определяющимся длиной волны, радиусом перетяжки и количеством пятен когерентности.
7. Показано, что при внутрилазерном приеме частично когерентного излучения эффективно действующий радиус входной апертуры приемопередающего телескопа может быть доведен до величин ~10см, что повышает эффективность внутрилазерного приема в 103 раз по сравнению с приемом без телескопа.
Практическая ценность результатов диссертационной работы:
1. Предложен метод формирования двух информативных сигналов в лазерном интерферометре с использованием перекрестного взаимодействия мод лазера-приемника.
2. Разработан и испытан двухканальный квадратурный лазерный интерферометр, обладающий высокими рабочими характеристиками.
3. Интерферометр применен при исследованиях динамики показателя преломления плазмы эрозионного капиллярного разряда в воздухе.
4. Результаты работы могут быть использованы для разработки новых методик и создания на их основе высокочувствительных измерительных и диагностических дистанционных приборов и комплексов для решения различных научных и практических задач:
6
• в научном приборостроении - при разработке высокочувствительных, широкодиапазонных и быстродействующих интерферометрических измерительных средств;
• в авиакосмической отрасли - при разработке оптических локаторов и дальномеров нового поколения;
• на газопроводном транспорте/на газохранилищах, в городских газовых сетях - при разработке дистанционных газоанализаторов для мобильного контроля утечек, в том числе при использовании автомобильных и воздушных средств;
• в диагностике плазмы, к в частности на крупномасштабных установках У ТС типа Токамак;
• в медицине - при разработке новых диагностических приборов и методик, связанных с контролем за состоянием тканей.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Факторами, определяющими чувствительность и быстродействие внутрилазерного приема, являются:
• накопление поля внешней волны в резонаторе;
• автодинное усиление сигнала;
• инерционность активной среды;
• конкуренция мод в активной среде;
2. Отраженное лазерное излучение представляет собой частично когерентный гаусов пучек с волновым параметром, определяющимся длиной волны, радиусом перетяжки и количеством пятен когерентности.
3. При внутрилазерном приеме частично когерентного излучения
эффективно действующий радиус входной апертуры приемо-передаюшего телескопа может быть доведен до величин -10 см
4. Рабочие характеристики двухканального интерферометра:
• Минимальный эффективный коэффициент отражения по мощности при котором интерферометр сохраняет работоспособность:
(Р>ф)2=6.4- I О’11Гц ’,/2.
• Чувствительность измерений оптической длины при единичном
коэффициенте отражения: Д С-\.4-10'9 см-Гц*,/2.
• Временное разрешение: - 10 не.
Апробация результатов исследования. Основные результаты
диссертационной работы опубликованы в пятнадцати работах [108,109,125-
127,132-141] и доложены на следующих научных конференциях и семинарах:
1. XXIV Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС. (17-21 февраля, Звенигород, 1997)
2. Научная сессия МИФИ-98 (21-23 января, МИФИ, Москва, 1998)
3. XI конференция но физике газового разряда, (июнь, Рязань, 1998)
7
4. Российский семинар «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (8-9 июня, Москва, 1998)
5. Научная сессия МИФИ-99 (18-22 января, МИФИ, Москва, 1999)
6. Международная конференция «Физика атмосферного аэрозоля» (12-17 апреля, Москва, 1999)
7. III международная научно-техническая конференция «Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники» (1-4 июня, Егорьевск, 1999)
8. International symposium Plasma’99 “Research and applications of plasmas” (July 7-9, Warsaw, Poland, 1999)
9. 6 Всероссийская научно-техническая конференция «Состояние и проблемы измерений» (23-25 ноября, Москва, 1999)
10.Научная сессия МИФИ-2000 (17-21 января МИФИ, Москва, 2000)
8
ГЛАВА 1
Анализ методов регистрации слабого отраженного или рассеянного
лазерного излучения
Проведение дистанционных оптических измерений, в условиях поглощающих или рассеивающих сред, при работе с естественными или искусственными отражателями с низким коэффициентом отражения, требует регистрации слабых потоков лазерного излучения. В этих условиях чувствительность и точность измерений всего измерительного комплекса определяется характеристиками используемого метода детектирования излучения. Поэтому сравнительный анализ существующих методов фоторегистрации излучения является необходимым условием при разработке любой лазерной измерительной системы.
1.1 Прямое фотодетектированис
Метод прямого фотодетектирования заключается в непосредственном преобразовании световой энергии в электрический сигнал в пределах спектральной области чувствительности используемого фотоприемника. Основные достоинства этого метода - простота приемного устройства, отсутствие требований к пространственной когерентности регистрируемого излучения и к угловой апертуре фотоприемника, что позволяет использовать для сбора световой мощности короткофокусную оптику большой апертуры.
Фотоприемники являются квадратичными приборами, в которых выходной ток I пропорционален мощности падающего излучения [1]
1(0 = ^Р(0 (1.1.1)
йсо
где: г\ - квантовая эффективность фотоприемника, в - коэффициент внутреннего усиления по току**, е - заряд электрона, й - постоянная Планка, © - частота поля, Р(0= Пе(г,0|2с1г - интеграл от интенсивности поля световой
волны Е(г, г) по чувствительной площадке фотоприемника. При равномерной освещенности чувствительной площадки фотоприемника, зависимость Ё(7,1)от пространственной координаты можно опустить. Если регистрируемое поле световой волны промодулировано, в общем случае, по амплитуде, частоте, фазе и поляризации, его можно записать как Е(0 = ё(ОА(Оехр(иоО. Здесь комплексная амплитуда А(1) описывает амплитудную, частотную и фазовую модуляцию, а единичный вектор поляризации с(0 - поляризационную. В величине Р информация об изменениях частоты, фазы и поляризации исчезает, что является недостатком метода прямого фотодетектирования.
Фотоприемник регистрирует изменение мощности излучения в полосе ограниченной частотой, определяемой общей емкостью фотоприемника С и
Усиление достигается за счет вторичной фотоэмиссии в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ), или лавинного эффеета при работе фотодиода (ЛФД) на уровне порога пробоя.
9
- Київ+380960830922