Эффективная интенсивность лазерного пучка при самовоздействии в неоднородной атмосфере

2
СОДЕРЖАНИИ
Введение..................................................................4
ГЛАВА 1. ЭФФЕКТИВНАЯ ИНТЕНСИВНОСТЬ ЛАЗЕРНОГО
ПУЧКА В НЕОДНОРОДНОЙ АТМОСФЕРЕ.........................14
1.1. Самовоздействие лазерного пучка в атмосфере........................14
1.1.1. Уравнения процесса.................................................14
1.1.2. Влияние нелинейных оптических эффектов на распространение
лазерного излучения в атмосфере....................................16
1.1.3. Формирование комплексной диэлектрической проницаемости
в нелинейной среде.................................................19
1.2. Критерии качества и интегральные параметры лазерного
пучка в нелинейной среде...........................................26
1.2.1. Дифференциальные и интегральные критерии качества..................26
1.2.2. Эффективная интенсивность и интегральные
параметры лазерного пучка..........................................27
1.2.3. Эффективная интенсивность и пороги нелинейных эффектов.............31
1.2.4. Коэффициент передачи атмосферно-оптического канала.................33
1.2.5. Уравнения для эффективных параметров лазерного пучка...............35
ГЛАВА 2. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА В РЕГУЛЯРНОЙ НЕЛИНЕЙНОЙ РЕФРАКЦИОННОЙ СРЕДЕ.......................................................39
2.1. Эффективная интенсивность лазерного пучка при самовоздействии
в однородной нелинейной рефракционной среде........................39
2.1.1. Преобразование эффективных параметров лазерного пучка..............39
2.1.2. Эффективная интенсивность и пороги нелинейных эффектов
нсгауссовых лазерных пучков в однородной нелинейной среде..........42
2.1.3. Пороги нелинейных рефракционных эффектов при распространении
зондирующего пучка в канале мощного лазерного излучения............52
2.2. Основные закономерности преобразование эффективных параметров
лазерного пучка в неоднородной нелинейной рефракционной среде 53
2.2.1. Режим слабых нелинейных искажений в неоднородной среде.............58
2.2.2. Режим сильных нелинейных искажений в неоднородной среде............60
2.2.3. Эффект подобия при самовоздействии лазерных пучков
в режиме сильных нелинейных искажений................................61
2.2.4. Исследование режима каустик при самовоздействии лазерных
пучков на основе метода уравнения переноса яркости...................69
Выводы по главе......................................................79
ГЛАВА 3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ЛАЗЕРНОЙ ЭНЕРГИИ
НА АТМОСФЕРНЫХ ТРАССАХ..........................................80
3.1. Оптимизация коэффициента передачи атмосферного оптического канала... 80
3.2. Критические энергетические параметры лазерного пучка на
неоднородных атмосферных трассах ...................................81
3.2.1. Режим стационарной ветровой нелинейности.............................81
3.2.2. Режим длинного импульса..............................................85
3.2.3. Режим короткого импульса.............................................86
3.2.4. Режим изменения поляризуемости среды.................................87
3.2.5. Влияние турбулентности...............................................89
3.3. Влияние нелинейности коэффициента поглощения на эффективность
передачи энергии лазерного ИК-излучения в атмосфере..................89
3.3.1. Распространении излучения С02-лазсра с длиной волны 10.6 мкм.........90
3.3.2. Распространение в атмосфере излучения с длиной волны 5.3 мкм.........94
3.4. Влияние пространственной когерентности излучения и параметров
трассы на интегральные характеристики пучка..........................98
3.4.1. Фокусировка лазерного пучка на вертикальной атмосферной трассе.......98
3.4.2. Самовоздействие при кинетическом охлаждении: влияние частичной
когерентности излучения на эффективные параметры пучка..............100
Выводы но главе.....................................................106
Заключение.................................................................107
Литература.................................................................109
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Проблема потерь энергии и направленности интенсивных лазерных пучков при распространении в неоднородной атмосфере - важная задача в комплексной проблеме распространения волн в природных средах. Именно эти потери определяют эффективность работы в атмосфере существующих и проектируемых огтгико-электронных систем и устройств с лазерными источниками с высокой энергетикой, применяемых для оптической связи, зондирования, локации и передачи оптической энергии. Существенным фактором, влияющим на точность оценки эффективности работы указанных систем является правильный учет неоднородности атмосферных трасс. Другой важной задачей является разработка и использование методов описания многопарамстрических задач. Постоянное совершенствование современных лазерных систем, возрастание энергетического потенциала лазеров, освоение новых спектральных диапазонов, использование пучков различных типов и когерентности в задачах разной геометрии обуславливает актуальность поиска возможности обобщенного описания основных закономерностей процесса самовоздействия лазерного излучения в неоднородной атмосфере.
Состояние исследований
Одно иь крупных направлений нелинейной оптики, связанное с проблемой распространения интенсивных лазерных пучков имеет более чем тридцатилетнюю историю и продолжает развиваться. Основополагающие результаты в данной области получены в Институте оптики атмосферы СО РАН, Московском государственном университете, Институте прикладной физики РАН, Институте радиотехники и электроники РАН, НПО «Тайфун», Научно-исследовательском радиофизическом институте и других российских и зарубежных научных коллективах. Обширный теоретический материал к настоящему времени обобщен в монографиях [4, 20, 24,28, 57, 87 ] и обзорах [12, 13, 16,29, 72, 90,102-104]. Наиболее крупные достижения связаны с реализацией различных подходов на основе параболического уравнения квазионтики и уравнения переноса излучения, которые позволили создать основы теории волновых процессов в нелинейных средах [12, 16, 24, 29, 57], разработать
5
методы и алгоритмы численного моделирования процессов распространения и реализовать численные эксперименты ряда задач самовоздействия лазерных пучков [13, 29, 67, 102, 103].
Вместе с тем, в ряде работ [22, 32, 35, 36, 57, 62, 84] развивался подход, основанный на использовании уравнений для моментов интенсивности и инте1ралов движения уравнений квазиоптики для анализа задач распространения лазерного излучения в нелинейных средах. Привлекательность такого подхода заключается в том, что он позволяет более наглядно выявить общие закономерности эволюции интегральных параметров пучков в нелинейных средах, получить приближенные, а в некоторых случаях и точные решения для интегральных характеристик пучка. Он также позволяет подтвердить правильность результатов численного моделирования, так как экспериментальные данные по распространению интенсивного лазерного излучения в атмосфере являются крайне скудными и до настоящего времени. На основе материалов, накопленных к момент>г начала исследований, были созданы соответствующие методики [15], однако основные результаты относились к случаю распространения лазерного излучения в однородных средах.
Таким образом, при изучении проблемы потерь энергии и направленности лазерного пучка весьма актуальными были разработки, направленные на исследование критериев качества пучка и создание методов оценки эффективности передачи лазерной энергии, пригодных для большинства основных ситуаций, реализующихся при распространении интенсивного лазерного излучения в атмосфере, включая распространение на неоднородных атмосферных трассах, что и определило основное направление диссертации. Начало работ автора над этой проблемой относится к 1983 г., когда была поставлена задача поиска «универсального» критерия качества пучка и создание на его основе методики оценки эффективности передачи энергии интенсивного лазерного излучения в атмосфере. Отметим, что интерес к данной проблеме существует и в настоящее время [70].
Целью настоящей работы является:
1. Исследование основных закономерностей преобразования эффективной интенсивности лазерного пучка, как критерия качества, при самовоздействии в однородных и неоднородных средах с газовой нелинейностью.
6
2. Разработка методики оценки эффективности передачи лазерной энергии через атмосферно-оптический канал для пучков различных типов, различной степени когерентности и различных механизмов нелинейного взаимодействия излучения со средой.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Введен критерий качества пучка - эффективная интенсивность, на примере ряда практически важных задач обоснована его применимость для проблемы распространения лазерного излучения в нелинейных рефракционных средах и исследованы основные закономерности его преобразования.
2. Обнаружен и исследован эффект подобия в поведении относительной эффективной интенсивности коллимированных пучков при самовоздействии в режиме сильных нелинейных искажений. Введены обобщенные переменные и получено автомодельное решение для относительной эффективной интенсивности пучка.
3. Создана методика оценки эффективности передачи лазерной энергии при фокусировке излучения в неоднородной атмосфере, устанавливающая связь коэффициента передачи атмосферно-оптического канала с начальными параметрами пучка и характеристиками трассы для различных механизмов нелинейного взаимодействия и пучков различных типов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Исследование поведения эффективных параметров пучка в нелинейных рефракционных средах позволило определить условия существования и получить решения для эффективной интенсивности, усредненного радиуса кривизны фазового фронта и предельной угловой расходимости. Впервые установлено различие в структуре решения для эффективной интенсивности пучка для безаберрационного и аберрационного случаев.
2. Показано, что формирование предельной угловой диаграммы направленности лазерного пучка при распространении в атмосфере происходит в нелинейном слое, образующемся в однородной среде за счет уменьшения с дистанцией силы нелинейной линзы, а в неоднородной среде - за счет вышеупомянутого механизма и/или за счет неоднородности трассы. Установлено, что при самовоздействии лазерного пучка на неоднородной трассе в режиме сильных нелинейных искажений предельная расходимость излучения равна своему
7
значению в однородной среде. В режиме слабых и умеренных нелинейных искажений предельная расходимость зависит от масштаба рефракционной неоднородноеги трассы.
3. Установлено наличие подобия в поведении относительной эффективной интенсивности коллимированных пучков при самовоздействии в режиме сильных нелинейных искажений. Введены обобщенные переменные, в которых вид зависимости относительной эффективной интенсивности одинаков для пучков различных типов, что позволяет сравнивать их по качеству.
4. Установлена связь коэффициента передачи атмосферно-оптического канала с начальными параметрами пучка и характеристиками трассы при фокусировке лазерного излучения в неоднородной атмосфере. Впервые введены понятия критической мощности (критической плотности энергии) для неоднородной трассы и установлена их связь с соответствующими значениями в однородной среде. Для данных величин, а также для нелинейной составляющей эффективной кривизны фазовою фронта лазерною пучка, которая имеет смысл масштаба нелинейности в неоднородной среде, получены аналитические выражения для различных механизмов нелинейного взаимодействия.
5. Впервые проанализировано влияние частичной когерентности лазерных источников на реализацию режимов самовоздействия в условиях эффекта кинетического охлаждения на высотных трассах в атмосфере. Установлено, что отсутствуют качественные отличия в структуре интенсивности и поведении интегральных параметров когерентных и частично когерентных пучков на дистанциях много меньших их дифракционных длин для параметров распределенной вдоль трассы линзы, когда реализуется режим либо чистой фокусировки, либо дефокусировки, а для режима слабой фокусировки частичная когерентность излучения приводит к нарушению условий самофокусировки пучка.
Научное и практическое значение результатов работы.
Результаты работы расширяют и углубляют представления о закономерностях преобразования интегральных параметров лазерных пучков при их самовоздействии в однородных и неоднородных средах.
Полученные результаты охватывают основные нелинейно-оптические ситуаций, реализующихся при распространении интенсивного лазерного излучения на атмосферных трассах, и применимы для оценки эффективности
8
передачи лазерной энергии для созданных и перспективных лазерных систем различного назначения, работающих в атмосфере.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Эффективная интенсивность, определяемая отношением мощности лазерного пучка к его эффективной площади в системе координат, связанной с центром тяжести, является критерием качества, позволяющим сравнивать пучки различных типов. Нелинейные искажения лазерного пучка при самовоздействии в рефракционной среде возрастают с увеличением начальной эффективной интенсивности.
2. При самовоздействии лазерного излучения в атмосфере в режиме сильных нелинейных искажений зависимость относительной эффективной интенсивности от дистанции, нормированной на свой для каждого типа пучка масштаб нелинейности является автомодельной, указанные величины являются критериями подобия, а предельная угловая расходимость излучения равна своему' значению в однородной среде. В режиме слабых и умеренных искажений предельная расходимость зависит от масштаба рефракционной неоднородности атмосферы.
3. Коэффициент передачи атмосферно-оптического канала при фокусировке в зависимости от режима работы лазерного источника определяется критической мощностью, либо критической плотностью энергии, которые зависят от масштаба рефракционной неоднородности атмосферы.
Достоверность результатов работы подтверждается их непротиворечивостью общефизическим представлениям, известным теоретическим данным, а также результатами численных экспериментов как выполненных ранее другими авторами, так и специально поставленных в рамках данной работы.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на VIII и X Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере /Томск, 1986, 1989/, IX Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы /Томск, 1987/, Всесоюзной школе "Лазеры и атмосфера" /Обнинск, 1990/, XI Всесоюзном и XII Межреспубликанском симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах /Томск, 1991, 1993/, Topical Meeting on Atmospheric, Volume, and Surface Scattering and Propagation /Florence, Italy, 1991/, OSA Annual Meeting
9
/Albuquerque, USA, 1991/, SPIE's International Symposium on Atmospheric Propagation and Remote Sensing /Orlando, USA, 1993/, I Межреспубликанском симпозиу ме "Оптика атмосферы и океана" /Томск, 1994/, семинарах лаборатории нелинейных оптических взаимодействий и отделения распространения волн ИОА СО РАН.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в статьях [38, 42, 44, 47-49, 111], трудах конференций [37, 39, 41, 45, 109] и тезисах докладов [40, 43, 46, 110].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 116 страниц текста, включая 18 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 111 наименований, включающий публикации автора. Нумерация формул, рисунков и таблиц проводится по главам.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведен обзор изучаемой проблемы, сформулирована цель работы и основные задачи исследования, показана научная новизна, практическая значимость и достоверность полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту; определена структура и объем диссертации и кратко изложено содержание работы
В первой главе диссертации выполнена математическая постановка задачи и сделаны основные определения. Приведены основные уравнения процесса самовоздсйствия лазерного пучка в нелинейной среде с комплексной диэлектрической проницаемостью, используемые в методе параболического уравнения и методе уравнения переноса яркости для расчета интенсивности световой волны с соответствующими 1раничными условиями.
Сделана общая характеристика и рассмотрены особенности проявления нелинейных оптических эффектов в атмосфере. Рассмотрены основные механизмы формирования нелинейного возмущения комплексной диэлектрической проницаемости среды иод действием лазерного излучения и условиях их реализации в атмосфере, приведены основные режимы формирования и характеристики нелинейной линзы в канале пучка.