Оглавление
Введение___________________________________________________________________
Глава 1. Проблемы транспортировки когерентного излучении на большие расстояния с использованием методов адаптивной оптики (обзор литературы)_________________________________________________________________
1.1. Основные проблемы транспортировки излучения на большие расстояния___
1.2. Нелинейно-оптические методы формирования волнового фронта большого поперечного сечения и его точной адресации_______________________________
1.3. Системы формирования волнового фронта и наведения излучения, базирующиеся на подходах линейной адаптивной оптики______________________
1.4. Астрономические адаптивные телескопы и системы для передачи лазерного излучения на удаленные объекты_________________________________
1.5. Способы извлечения информации о фазе излучения и недостатки традиционных датчиков волнового фронта___________________________________
Глава 2. Гетеродинное фазовое детектирование в лазерных системах и при анализе волнового фронта излучения _________________________________________
2.1. Особенности гетеродинного анализа волнового фронта, усиление сигнала при гетеродинном приеме и факторы, определяющие его предельные возможности______________________________________________________________
2.2. Преобразование сигнала и шума в системе вторичного детектирования___
2.3. Погрешность определения фазы и амплитуды при гетеродинном приеме____
2.4. Использование матричного приемника в гетеродинном аэрозольном лидаре атмосферы для повышения потенциала системы_______________________________
2.5. Экспериментальные исследования предельных возможностей гетеродинного анализа волнового фронта___________________________________
Глава 3. Методы и средства коррекции волнового фронта когерентного излучения __________________________________________________________________
3.1. Механические методы коррекции волнового фронта, их особенности и предельные возможности (обзор литературы)________________________________
3.2. Электрооптические быстродействующие фазовые модуляторы для компенсации высокочастотных вибраций элементов оптического тракта________
_ 4
12
. 12
14
17
21
29
33
33
37
41
45
52
56
56
62
3.3. Применение электрооптических фазовых корректоров в качестве
внутрирезонаторных частотных модуляторов_______________________________65
Глава 4. Релаксационные колебания в одномодовом оптическом генераторе ________69
4.1. Возбуждение релаксационных колебаний при смещении частоты
генерации______________________________________________________________69
4.2. Релаксационные колебания и стабилизация частоты СОг-лазера____________77
4.3. Управление параметрами релаксационных колебаний при помощи поглощающей ячейки_________________________________________________________83
Глава 5. Сопряженное фазирование независимых излучателей как метод
построения систем транспортировки лазерного излучения __________________89
5.1. Преимущества использования системы независимых излучателей и основные принципы их частотного согласования в ходе процедуры сопряженного фазирования___________________________________________________89
5.2. Оптическая схема системы сопряженного фазирования и алгоритм сопряженного фазирования с частотным согласованием_________________________93
5.3. Алгоритм работы системы фазирования локальных гетеродинов модулей_____99
5.4. Параметры системы сопряженного фазирования и алгоритм се запуска_____104
5.5. Факторы, определяющие предельные возможности метода _________________109
Заключение___________________________________________________________________113
Литература___________________________________________________________________115
3
Введение
Эффективность передачи энергии лазерного излучения на большие расстояния определяется его угловой расходимостью и точностью наведения луча. Волновой фронт (ВФ) лазерного излучения искажается как в самих лазерах, так и в оптических системах, формирующих и направляющих излучение. Распространение излучения в атмосфере также сопровождается искажением волнового фронта (1], вызванным турбулентностью атмосферы и тепловым самовоздействием излучения.
Для контроля формы волнового фронта и повышения эффективности доставки энергии используются методы как адаптивной, так и нелинейной [2] оптики. Последние успехи лазерной техники в области создания непрерывных лазеров с высокой эффективностью [3] и стабильностью частоты излучения [4] стимулируют развитие новых методов линейной адаптивной оптики и открывают широкие возможности для построения систем передачи излучения. Прогресс в области адаптивной оптики способствует решению большого числа задач, среди которых создание экологически безопасных и экономически рентабельных внеземных источников энергии [5], уничтожение космического мусора, снабжение космических аппаратов энергией, изменение траекторий объектов и т.п.
Особую актуальность проблеме лазерной транспортировки энергии придаст, в частности, проект лунного энергетического парка (ЬЕР) (6], нацеленный на освоение природных ресурсов Луны для решения проблем глобального энергетического кризиса. В рамках этой концепции предполагается строительство на поверхности Луны ядерных реакторов, работающих на топливе, добываемом из ее недр. Ключевой научной проблемой концепции является доставка энергии с Луны на Землю [6] при помощи лазерного излучения. Для ее решения в рамках проекта МНТЦ №929 «Разработка методов контроля лазерного пучка с использованием нелинейной и когерентной оптики» были привлечены специалисты НИИ ЛФ. В их задачу входил поиск надежной и работоспособной концепции построения лазерной системы транспортировки на базе анализа особенностей реализации космических лазерных систем.
В ходе проведенного анализа [7] были выявлены общие принципы построения подобной системы, важнейшие из которых:
1) многомодульная схема построения лазера;
2) использование сегментированных расширителей пучка;
3) когерентное сложение излучения каналов.
Требуемая точность наведения обеспечивается за счет использования лазерного маяка, размещаемого в области приема излучения и служащего репером. В ходе анализа возможных вариантов реализации систем, основанных на этих принципах, автором предложен рассмотренный в [8] подход к построению лазерных систем для доставки энергии на большие расстояния. Этот подход основан на привязке частот и фаз излучения большого числа независимых одночастотных излучателей к частоте и фазе лазерного маяка. Как будет показано ниже, предлагаемый алгоритм работы принципиально отличен от стандартного метода фазирования лазеров с выравниванием фаз излучения в ближней зоне, поэтому было предложено называть этот подход методом сопряженного фазирования. Ключевой особенностью предложенного метода является использование гетеродинного фазового детектирования [9] для анализа 13Ф как слабого излучения маяка, так и мощных излучателей. Существенно, что при гетеродинном фазовом детектировании, в отличие от некогерентных методов, сохраняется информация о флуктуациях частоты сигнала. Это позволяет осуществить прецизионное выравнивание частот независимых излучателей и создать необходимые условия для выравнивания фаз независимых излучателей.
В данной работе проведено обоснование реализуемости алгоритма сопряженного фазирования, определены требования к спектральным, временным и энергетическим параметрам системы и проанализированы предельные возможности систем с гетеродинным приемом сигната.
В первую очередь, дтя этого потребовалось провести теоретический анализ шумов, определяющих погрешность измерения фазы в реальных гетеродин тих фазовых детекторах. Проведенный анализ выявил пути дальнейшего расширения возможностей гетеродинных методов приема излучения. В частности, с его помощью удалось показать, что применение матричного приемника в когерентной лидарной системе может в несколько раз увеличить ее потенциал.
Особое внимание было уделено также способам управления фазой излучения, в первую очередь, электрооптическим методам [10], позволяющим существенно уменьшить время компенсации возмущений, в частности. Было показано, что ускорение процессов внутрирезонаторного управления частотой лазеров приводит к возбуждению в генераторе нежелательных релаксационных колебаний [11], которые
5
при определенных темпах перестройки частоты могут приводить даже к срыву генерации. Для подавления релаксационных колебаний в задающих генераторах автором было предложено использовать внутрирезонаторные поглощающие ячейки [12]. Теоретический анализ показал, что упомянутые ячейки могут быть применены как для резкого обострения релаксационных колебаний в системах стабилизации частоты, так и для полного их подавления в перестраиваемых по частоте одномодовых излучателях.
Цели и задачи работы
Основной целью настоящей работы являлось изучение возможностей применения гетеродинных методов и средств адаптивной оптики для эффективного анализа сигналов и управления параметрами когерентных волновых фронтов, необходимого для решения задачи доставки лазерного излучения на большие расстояния. При этом необходимо было решить следующие задачи:
- исследовать шумы, определяющие предельные возможности гетеродинного фазового детектирования, и их влияние на погрешность измерения фазы излучения;
- изучить возможности технической реализации высокочастотной внерезонаторной фазовой и внутрирезонаторной частотной модуляции излучения лазера;
- теоретически и экспериментально изучить процесс возбуждения релаксационных колебаний с целью поиска возможностей их обострения в режиме стабилизации частоты и подавления при работе лазера с перестраиваемой частотой излучения;
- на базе общего анализа схем разработать принципы построения систем передачи энергии и выработать алгоритм, позволяющий фазировать излучение лазерных излучателей в дальней зоне по сигналу лазерного маяка;
- исследовать диапазон работоспособности алгоритма фазирования независимых излучателей и определить требования к спектральным, временным и энергетическим параметрам системы сверхдальней лазерной транспортировки энергии.
Актуальность работы
Решение задачи передачи энергии на космические расстояния существенно расширит возможности человечества в освоении космоса и недоступных на сегодняшний день внеземных ресурсов. Оно, в свою очередь, немыслимо без использования приемов формирования и коррекции ВФ излучения. Метод сопряженного фазирования независимых излучателей существенно расширяет область
применения гетеродинных методов линейной адаптивной оптики. Модификации метода могут найти применение и в других областях адаптивной оптики, например, для фазирования крупногабаритных сегментированных зеркал.
Результаты анализа погрешностей измерения параметров сигнала при гетеродинном приеме полезны при определении рабочего диапазона локационных и других систем с указанным типом приема сигнала. В частности, они позволили найти пути повышения эффективности работы гетеродинного аэрозольного лидара за счет применения матричного детектора и некогерентного суммирования сигналов.
Способ управления релаксационными колебаниями генератора с помощью внутрирезонаторных поглощающих ячеек позволяет создавать излучатели со сверхвысокой чувствительностью мощности излучения к внутрирезонаторной модуляции потерь. Этот способ может найти применение как при внутрирезонаторных измерениях очень слабой осцилляции поглощения, так и при разработке генераторов со сверхвысокой стабильностью частоты излучения. Кроме того, использование внутрирезонаторных поглощающих ячеек позволяет осуществлять частичное или полное подавление релаксационных колебаний, что имеет существенное значение для стабильной работы лазеров с быстрой перестройкой частоты излучения.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней
- на основе теоретического анализа получены выражения для отношения сигнал/шум и погрешностей измерения параметров сигнала при гетеродинном приеме излучения, примененные к реальным приемным системам;
- предложено использовать матричный детектор с некогерентным суммированием сигналов в гетеродинном аэрозольном лидаре и показано, что эго позволит в несколько раз повысить потенциал лидара;
- аналитическим образом исследован процесс возбуждения релаксационных колебаний в непрерывном лазере с поглощающей ячейкой и продемонстрирована возможность управления их параметрами вплоть до резкого обострения или полного подавления резонанса в активной среде лазера;
- предложен новый принцип формирования волнового фронта большого поперечного сечения на базе независимых лазерных излучателей, в котором прецизионное выравнивание частот и фаз излучения источников осуществляется автоматически в ходе процедуры фазового сопряжения;
Автор выносит на защиту следующие положения:
• При гетеродинном приеме излучения в системе, измеряющей амплитуду или фазу сигнала, отношение сигнал/шум на ее выходе, как и в случае прямого детектирования, пропорционально корню квадратному из мощности сигнала.
• Применение матричного детектора и нскогсрснтного суммирования в гетеродинном аэрозольном лидаре с одинаковыми пространственно разнесенными входной и выходной апертурами увеличивает отношение сигнал/шум в несколько раз.
• Использование внутрирезонаторной поглощающей ячейки позволяет управлять параметрами релаксационных колебаний непрерывного лазера в широких пределах: от существенного увеличения чувствительности мощности излучения к модуляции потерь на частоте релаксационных колебаний до полного подавления осцилляций.
• При гетеродинном детектировании фазовые модуляторы способны обеспечить прецизионное выравнивание частот независимых источников непосредственно в ходе процесса линейного обращения волнового фронта лазерного маяка.
Практическая значимость полученных результатов определяется тем, что:
- полученные выражения для погрешностей измерения параметров сигнала при гетеродинном приеме могут быть использованы для оценки возможностей широкого класса систем, использующих вторичное детектирование при обработке сигнала биений;
- использование матричного детектора позволяет в 2-3 раза увеличить потенциал гетеродинного СОг-лидара, который был разработан и в настоящее время изготавливается для действующего образца мобильного лидарного комплекса;
- предложенный способ функционального анализа чувствительности выходной мощности излучения к модуляции резонаторных потерь позволяет производить расчет параметров релаксационных колебаний в непрерывном лазере с произвольным набором внутрирезонаторных элементов;
- способ управления параметрами релаксационных колебаний при помощи поглощающей ячейки может быть применен как для повышения чувствительности систем внутрирезонаторного измерения поглощения и систем стабилизации частоты, так и для подавления релаксационных колебаний в непрерывных генераторах;
- метод сопряженного фазирования независимых излучателей и выработанные
I
требования к параметрам системы были использованы при разработке облика лазерных адаптивных систем для передачи энергии излучением с Луны на Землю через зеркало на геостационарной экваториальной орбите и из пустынных областей экваториального пояса через аналогичное зеркало в заданные зоны средних широт.
Личный вклад автора в представленную работу выразился:
- в разработке метода сопряженного фазирования независимых излучателей, способа функционального анализа чувствительности выходной мощности излучения к
• модуляции потерь и метода управления параметрами релаксационных колебаний при помощи внутрирезонаторной поглощающей ячейки;
- в проведении теоретических и экспериментальных исследований, а также, совместно с Е. Н. Сосновым, численных расчетов;
- в обработке и анализе полученных экспериментальных данных.
Апробация работы
Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на VI, VII, VIII и XI международных конференциях «Оптика лазеров», г. С.-Петербург, в 1990, 1993, 1995 и 2003 гг., а также на научных семинарах Института Лазерной Физики.
По результатам исследований опубликовано 12 научных работ.
Объем и структура
Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 121 странице. Она содержит 39 рисунков, 3 таблицы и список литературы, включающий 108 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
%
*
9
Краткое содержание работы:
9
Во введении показана актуальность темы диссертационной работы и сформулированы цели исследований.
В первой главе обсуждены основные проблемы транспортировки излучения на космические расстояния, заключающиеся в необходимости формирования путем когерентного суммирования лазерных каналов крупноапертурного волнового фронта излучения высокой мощности с расходимостью излучения, близкой к дифракционной, и обеспечения сверхточного наведения. Проанализированы возможности нслинейно-
« оптических методов и линейной адаптивной оптики, отмечены достоинства линейных
методов для решения поставленной задачи. На основе литературных данных проведен анализ последних достижений в разработке систем линейной адаптивной оптики, существующих способов измерения фазового профиля световой волны и основных недостатков датчиков фазы негетеродинного типа.
Во второй главе проанализированы преимущества и выявлены особенности гетеродинного анализа волнового фронта и основные факторы, определяющие его предельные возможности. Рассмотрено преобразование сигнала и шума в системе вторичного детектирования, получены выражения для погрешности определения
* параметров сигнала при гетеродинном приеме. Доказано преимущество использования матричных детекторов в когерентном аэрозольном лидаре. Представлены результаты экспериментальных исследований предельных возможностей гетеродинною анализа волнового фронта.
В третей главе на основе литературных данных проанализированы механические методы управления волновым фронтом излучения, рассмотрены их особенности и ключевые параметры. Приведены результаты исследования
4 возможностей применения высокоскоростных электрооптических модуляторов на базе
кристалла из СсГГе для компенсации высокочастотных фазовых флуктуаций в
й
оптическом тракте, а также для быстрого управления частотой одномодового СОг-лазера. Представлены результаты экспериментальных исследований генерации СОг-лазера с внутрирезонаторным элсктроонтическим частотным модулятором.
В четвертой главе на основе полученных экспериментальных данных численно исследован процесс возбуждения релаксационных колебаний при изменении длины
• резонатора и смешении частоты излучения СОг-лазера. Предложен метод
10
- Київ+380960830922