Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Коррекция овф-врмб-зеркалом искажений оптического пучка, вызванных рассеянием волн на облаке частиц 15
1.1. Методики измерения качества коррекции искажений лазерного пучка в неоднородных средах 15
1.2. Соотношения подобия для лабораторного моделирования компенсации искажений светового пучка ОВФ-ВРМБ-зеркалом для дисперсной среды 24
1.3. Лабораторное моделирование атмосферных искажений лазерного излучения, вызванных рассеянием частиц 30
1.4. Экспериментальная установка 34
1.5. Результаты экспериментов по компенсации искажений лазерного излучения в дисперсной среде 44
Глава 2. Компенсация искажений лазерного пучка в турбулентной среде 54
2.1. Выбор модели турбулентной среды. Схема экспериментальной установки 54
2.2. Точность коррекции ВРМБ-зеркалом турбулентных искажений лазерного пучка .. 59
2.3. Соотношение подобия для лабораторного моделирования компенсации искажений
светового пучка в турбулентной атмосфере 61
2.4. Компенсация фазовых искажений ВРМБ-зеркалом с ограниченными размерами... 67
2.5. Способ передачи оптических сигналов через рассеивающие среды 76
Глава 3. Коррекция тепловых искажений светового пучка в перемещающейся среде овф-врмб-зеркалом 84
3.1. Обоснование выбора модели 84
3.2. Соотношение подобия лабораторного моделирования компенсации зеркалом ОВФ-ВРМБ тепловых искажений лазерного пучка в перемещающейся среде 87
3.3. Результаты экспериментального исследования и сравнения их с расчетными данными.95
Заключение 105
Литература 108
- Соотношения подобия для лабораторного моделирования компенсации искажений светового пучка ОВФ-ВРМБ-зеркалом для дисперсной среды
- Лабораторное моделирование атмосферных искажений лазерного излучения, вызванных рассеянием частиц
- Точность коррекции ВРМБ-зеркалом турбулентных искажений лазерного пучка
- Соотношение подобия лабораторного моделирования компенсации зеркалом ОВФ-ВРМБ тепловых искажений лазерного пучка в перемещающейся среде
Введение к работе
Актуальность проблемы. При решении задач метеорологии, климатологии и физики атмосферы важную роль играют оптические методы и реализующие их оптические системы измерения и контроля параметров атмосферы. Лазеры, генерирующие высококогерентные пучки излучения различных поперечных размеров, интенсивностей, длин волн стали основным элементом' оптических систем мониторинга параметров природных сред, передачи информации, навигации, дистанционного зондирования, работающих в атмосфере или через атмосферу. Атмосфера не является однородной средой и существенно ограничивает дальнедействие, точностные и информационные возможности перечисленных систем. Поглощение лазерного излучения газовыми компонентами атмосферы, рассеяние и поглощение волны твердыми и жидкими аэрозолями значительно ослабляют пучок. Флуктуации поля диэлектрической проницаемости в атмосфере, обусловленные турбулентностью, также вызывают случайные неконтролируемые изменения фазового фронта волны. Перечисленные проблемы нежелательного влияния атмосферы на работу оптических систем, стимулировали проведение исследований, направленных на отыскание и разработку методов подавления искажений, вносимых средой в несущий полезную информацию. пучок излучения. Адаптивные методы считаются эффективными, в которых для управления амплитудно-фазовым распределением поля на излучающей апертуре используется оптическая обратная связь, основанных на схемах с зеркалами, обращающими волновой фронт (ОВФ). В этом случае информация о неоднородностях в канале связи собирается в реальном времени зондирующим (опорным) пучком, который распространяется навстречу основному пучку. Зондирующий пучок (несущий полную информацию о неоднородностях атмосферы на всей трассе) затем попадает в передающее устройство с зеркалом ОВФ, которое обращает волновой фронт (т.е. создает предыскажения фазы волны с обратным знаком) и усиливает излучение. В созданный таким образом пучок модулятором волны во времени вводится информация, и он распространяется к приемнику точно по тем же неоднородностям, что и зондирующее излучение. В итоге предыскажения волнового фронта и искажения, обусловленные атмосферой, взаимно компенсируются, и на приемник поступает излучение, несущее только полезную информацию. Описанная схема иллюстрируется рис.1, на котором представлена система дальней оптической связи в атмосфере с использованием зеркала ОВФ. В состав этой системы входят: маломощный зондирующий лазер (опорный источник); узел развязки; передающее устройство, включающее в себя параболическое зеркало; усилитель; зеркало ОВФ и модулятор, который вносит в пучок необходимую информацию.
Темой диссертации является экспериментальное исследование особенностей компенсации зеркалами ОВФ искажений пучка лазерного излучения при распространении его в неоднородных средах, моделирующих реальную атмосферу.
Состояние исследований. В основе явления обращения волнового фронта лежат нелинейные эффекты, относящиеся к классу вынужденных рассеяний (ВР), а также процессы трех и четырехволнового взаимодействия. Наиболее перспективными являются ОВФ-зеркала, использующие вынужденное рассеяние Мандельштама - Бриллюэна (ВРМБ). Первоначально свойства ОВФ-зеркал были использованы для подавления искажений в резонаторах лазеров. Успехи, достигнутые на пути компенсации искажений в лазерных источниках, стимулировали исследование по использованию зеркал ОВФ для уменьшения возмущений при распространении излучения в неоднородных средах (вне резонаторов), в том числе в атмосфере. Особенно существенные результаты были достигнуты в теоретических исследованиях распространения излучения в неоднородных средах по трассам с отражением от зеркала ОВФ. Рассматривался перенос обращенных волн по трассам в турбулентной атмосфере, а также в условиях самовоздействия (тепловая рефракция, просветление облаков и туманов).
Значительно хуже обстоят дела с экспериментами (как натурными, так и лабораторными) по исследованию компенсации с помощью зеркал ОВФ возмущений, вносимых в лазерный пучок неоднородными средами различного состава, в том числе атмосферой. Публикации .на эту тему весьма немногочисленны и в основном касаются проблемы подавления искажений, обусловленных турбулентностью среды, что не позволяет с высокой степенью достоверности судить об эффективности работы систем с адаптивной коррекцией в реальной атмосфере. Кроме того, вовсе отсутствуют исследования по компенсации возмущений амплитудно-фазового фронта волны, обусловленных аэрозольными частицами, а они, как известно, присутствуют в реальной атмосфере в виде твердых частиц и капель облаков, туманов, дождей. Далее, для практической реализации конкретных оптических систем с ОВФ -зеркалами требуется также проводить исследования влияния ограниченности приемной апертуры зеркала и нестационарности параметров среды на эффективность функционирования указанных систем.
Цель работы. В связи с вышеизложенным целью настоящей работы
является проведение комплексных экспериментальных исследований
возможностей коррекции ОВФ — ВРМБ — зеркалом искажений оптического пучка, вызванных взаимодействием излучения с ансамблем дисперсных частиц.
В рамках темы решались задачи:
-исследование эффективности коррекции возмущений лазерного пучка в турбулентной среде зеркалом ОВФ;
исследование влияния .на компенсацию неоднородностей фазового фронта волны ограниченности приемной апертуры ОВФ-ВРМБ - зеркала;
исследование возможностей подавления ОВФ — зеркалом искажений светового пучка при его тепловом самовоздействии в движущейся среде;
; - исследование передачи с минимальными информационными потерями оптических сигналов через рассеивающие и поглощающие среды; а также получения соотношений подобия для лабораторного моделирования работы
адаптивной системы (с использованием ОВФ-ВРМБ-зеркала) в реальной атмосфере.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Создана уникальная экспериментальная установка для изучения возможностей компенсации ОВФ-ВРМБ-зеркалом искажений лазерного пучка в неоднородных средах, моделирующих реальную атмосферу.
Впервые экспериментально показаны возможности адаптивной коррекции ОВФ-зеркалом искажений лазерного пучка в дисперсной среде. Изучена зависимость параметра коррекции от оптической толщины дисперсной среды.
Впервые экспериментально исследована зависимость точности коррекции ВРМБ-зеркалом турбулентных искажений от характеристик среды.
Предложен метод передачи оптических сигналов через рассеивающие перемещающиеся среды с использованием адаптивных зеркал.
Определена роль ограниченности приемной апертуры ОВФ-ВРМБ-зеркала в компенсации фазовых искажений светового пучка в неоднородной
среде. '...'- '-."' "" '-'.'. "!-. .,
Впервые экспериментально показана возможность компенсации ОВФт зеркалом тепловых искажений импульсно-периодического лазерного излучения в перемещающейся среде.
Выведены соотношения подобия для лабораторного моделирования компенсации светового пучка в реальной атмосфере.
Практическая ценность работы определяется тем, что.
с одной стороны, полученные новые знания углубляют понимание процессов адаптивной коррекции в дисперсных средах, а с другой стороны, тем, что позволяют оценивать точность и эффективность компенсации искажений, вносимых в лазерный пучок атмосферой, системами с.ОВФ" - ВРМБ - зеркалами. Использование полученных данных обязательно при разработке высококачественных оптических систем контроля параметров природных сред, Зондирования, связи, работающих в атмосфере.
Защищаемые положения. ........
1. С помощью ОВФ-ВРМБ-зеркала можно компенсировать искажения
светового пучка, вызванные его рассеянием на ансамбле частиц дисперсной
среды. Точность коррекции этим зеркалом не зависит от размеров частиц
рассматриваемого в работе диапазона и незначительно уменьшается при
увеличении оптической толщины дисперсной среды Т от 0 до 2,5.
2. Точность компенсации турбулентных искажений светового пучка
падает от 0,8 до 0,3 при увеличении от 0 до 16,7 безразмерного параметра В,
характеризующего флуктуации интенсивности пучка.
-
Тепловые искажения светового пучка импульсно-периодического лазера в перемещающейся среде компенсируются ОВФ-ВРМБ-зеркалом. Точность коррекции с увеличением параметра нелинейной рефракции R незначительно падает.
-
Искажения оптического сигнала, вызванного рассеянием волн на движущихся неоднородностях, компенсируются с помощью операций
.5
обращения волнового фронта и его поворота на угол a=2v/c, определяемый скоростью движения среды v' и света с.
5. Точность коррекции уменьшается с увеличением глубины фазовой модуляции падающего излучения и с удалением фазоискажающей среды от ВРМБ-зеркала;
Личный вклад автора.
Диссертация является обобщением работ по экспериментальному исследованию адаптивной коррекции. Автором была лично создана экспериментальная установка, разработаны методики измерений, выполнены эксперименты, проводилась обработка и осмысление результатов, теоретические оценки.
Публикации. '
По теме диссертации автором опубликована 21 работа в научных журналах и сборниках. Получено 1 авторское свидетельство на изобретение.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на: IV Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде (Обнинск-Барнаул,1988 г.); Всесоюзной школе "Лазеры и атмосфера" (Обнинск^ 1988г.); IV Всесоюзном совещании по атмосферной- оптике (Томск, 1988 г.); Всесоюзной конференции "Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах" (Минск, 1989 г.); X Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1989 г.); научно-технической конференции "Проблемы развития спутниковой связи" (Москва, 1989 г.); IV Всесоюзной конференции "Оптика лазеров"(Ленинград, 1990 г.); ' ХУ1 Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Харьков, 1989 г.); научных семинарах под руководством Б. Я. Зельдовича, В. В. Шкунова (ИПМ АН СССР, Москва, 1987, 1989 г.г.у, научном семинаре под руководством И.Г. Зубарева (Москва, ФИАН, КРФ, 1989 г.); конференциях СМУС НПО "Тайфун"(1985, 1987, 1989 г.г.); выставках НТТМ НПО "Тайфун" и г. Обнинск (1986,1988 г.г.).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из титульного листа, оглавления, введения, трех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 117 страниц машинописного текста, 33 рисунка. Список литературы включает 96 наименований.
Соотношения подобия для лабораторного моделирования компенсации искажений светового пучка ОВФ-ВРМБ-зеркалом для дисперсной среды
Исследования в натурных условиях возможностей компенсации ОВФ-ВРМБ-зеркалом искажений лазерного пучка в дисперсной среде вызывают значительные трудности. В связи с этим для изучения основных закономерностей такой адаптивной коррекции представляется необходимым использовать лабораторное моделирование, построенное на принципах теории подобия. Для решения поставленной задачи применение теории подобия состоит в следующем. Система уравнений с граничными условиями, описывающая процессы распространения излучения, как в атмосфере, так и в активной среде ОВФ-зеркала, приводится к безразмерному виду. Процессы распространения световых пучков являются подобными в лабораторных и натурных условиях, если для них совпадают соответствующие параметры в безразмерных уравнениях и граничные условия [53]. Пусть излучение лазера 1 распространяется вдоль оси z (начало оси - в плоскости входа пучка накачки в кювету 2), где моделируется искажающая среда; область - z занимает неоднородная среда (рис. 1.4). Зондирующее излучение проходит через искажающую среду и попадает на приемную апертуру телескопа 3, находящегося в плоскости Z L\, После телескопического сужения пучка в N раз, он проходит через is оптический усилитель 4 с коэффициентом усиления у, собирается фокусирующей линзой 5, а затем попадает в активную среду ОВФ-зеркала 6, находящегося при 2 3. Будем рассматривать явление ОВФ при ВРМБ в схеме с фокусировкой накачки. Для стационарного случая процессы можно описать следующей системой уравнений в декартовых координатах ,у, г: Анализ уравнений (1.19) - (1.22) с граничными условиями (1.23) - (1.26) показывает, что для адекватного лабораторного моделирования атмосферных процессов рассеяния лазерного излучения на облаке частиц необходимо, чтобы средние характеристики искаженных и скорректированных пучков совпадали до постоянного сомножителя. В связи с этим рассмотрим уравнения (1.19) и (1.22), точное аналитическое решение которых приведено в [6]. Анализ этого решения при " " = , у показывает, что выражения для (коэффициент поглощения 53 см"1), при лабораторном моделировании прохождения излучения через водно-капельную среду использовали излучение второй гармоники неодимового лазера, а среда создавалась в боксе длиной =90 см , максимальная величина которой была установлена экспериментальным путем с точки зрения равномерности распределения частиц по объему, когда работает один генератор более или менее монодисперсных капель. В камере 50x50x90 см3 удалось создать под действием сжатого воздуха оптическую толщину дисперсной среды т не более 1.0 и с максимальным диаметром частиц 2г = 5 мкм Исходя из этих соображений, был использован второй способ создания модельной дисперсной среды, которая по своим характеристикам соответствует реальным атмосферным трассам и погодным условиям. Среды создавались в коротких кюветах. При этом длина волны излучения равна А=1,06 мкм, энергия в импульсе Е Имп=2 Дж. Были подобраны прозрачные по отношению к излучению частицы со средним диаметром 5 мкм и 20 мкм из корунда (АЬОз) и 50 мкм из стекла в кюветах с длинами 2 =1 см и 0,1 см. Частицы, равномерно распределенные по объему, во взвешенном состоянии в дистиллированной воде находились достаточно долго, чтобы произвести "выстрел" и измерения величины оптической толщины. Заметим, что оптические свойства выбранных нами дисперсных сред для данных длин волн близки к оптическим свойствам облаков, туманов и дождей в атмосфере, т.к. средний диаметр капель, частиц корунда и стекла выбирались близкими к среднему диаметру капель воды в облаках, туманах, и дождях, и отношения показателей преломления корунда и воды, стекла и воды, воды и воздуха в лабораторном моделировании с точностью до 2% совпадают с отношением показателей преломления воды и воздуха в условиях атмосферы.
Лабораторное моделирование атмосферных искажений лазерного излучения, вызванных рассеянием частиц
Экспериментальное исследование возможностей компенсации искажений светового пучка, которые он испытывает при прохождении через различные среды: турбулентная, дисперсная и перемещающаяся с тепловым воздействием - проводилось на установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 1.7. В качестве источника лазерного излучения использовалась система задающий генератор - усилитель 1 . Его параметры выбраны так, чтобы излучение распространялось линейно в искажающей среде и нелинейно в активной ОВФ-ВРМБ-среде. Коротко опишем принцип работы всей экспериментальной установки. Одномодовое одночастотное излучение неодимового лазера 1 (энергия до 2 Дж, длительность импульса по полувысоте 40 не, вектор энергетического поля параллелен плоскости рисунка, диаметр пучка до уровню интенсивности / - ш Вт/см равен 5 мм) после развязки, состоящей из клина 2 (исландский шпат) и ромба Френеля 3, проходил через искажающую среду 4 и фокусировался линзой 5 диаметром 80 мм и фокусным расстоянием 120 мм, находящейся на расстоянии 20 мм от границы среды, в кювету 6, где возбуждалось ВРМБ. Полная энергия пучка после его отражения от зеркала ОВФ измерялась калориметром 8 (в угле рад). Калориметром 9 в сочетании с диафрагмой 10 измерялась энергия 2 в угле, близком к дифракционному. Остановимся более подробно на элементах экспериментальной установки. В качестве источника лазерного импульса 1 применялся квантрон К-104А, предназначенный для использования в твердотельных лазерах (рис. 1. 8). Осветитель на алюммоиттриевом гранате с неодимом, работающий в моноимпульсном режиме одномодового одночастотного генерирования на длине волны мкм, использовался в качестве задающего генератора. Активный элемент имел длину 65 мм, диаметр полного светового окна 3 мм. Рабочее напряжение на лампу накачки Н-21 колебалось от 650 до 1500 В в зависимости от входного напряжения в блок питания, которое регулировалось реостатом. Энергия импульса накачки до 10 Дж. Энергия импульса лазерного излучения 20 мДж. Лазерный элемент из кристалла LiF: F2 представляет собой радиационно окрашенный кристалл фторида лития с обработанными согласно требованиям, предъявляемым к оптическим элементам лазеров, рабочими гранями, на которые нанесены просветляющие покрытия или без него, и служат для пассивной модуляции добротности лазерного резонатора. Использовался кристалл с начальным пропусканием при перпендикулярном падении на него пучка Т=60%. При меньших коэффициентах пропускания (до 45%) формирование импульса не происходило, т.к. затвор не открывался. При больших коэффициентах пропускания из резонатора выходила серия импульсов, вплоть до режима свободной генерации. Кристалл располагался между глухим зеркалом и активным элементом под углом Брюстера. Отметим, что установка кристалла под углом Брюстера является оптимальным с точки зрения: 1) уменьшения резонансных потерь (в том случае, когда кристалл расстроен на (1-2) от оси резонатора, энергия на выходе из генератора уменьшается в 2 раза по сравнению с положением, когда кристалл стоит под углом Брюстера). 2) под углом Брюстера небольшие дефекты изготовления кристалла резонатора (например, клин), в том числе и активного элемента, не искажают выходное распределение излучения генератора; 3) из генератора выходит линейно поляризованное излучение. Для подавления угловых мод с отличными от нуля поперечными индексами внутрь резонатора вводилась диафрагма. Дифракционные потери для плоского резонатора в этом случае для моды ТЕОоо и TEMQI 10% и 20% соответственно [56].
Точность коррекции ВРМБ-зеркалом турбулентных искажений лазерного пучка
Суждения о возможном наличии обращения в эксперименте обычно делают, сравнивая фотографии поперечного распределения интенсивности падающего и отраженного от ОВФ-зекрала пучков в некотором сечении. Это сечение соответствует дальней зоне [17, 78].
На рис. 2.3 справа показаны фотографии пучков в фокальной плоскости линзы, соответствующие угловым распределениям исходного (а), искаженного турбулентной средой (б) и отраженного от ВРМБ-зеркала после прохождения турбулентной среды (в)
излучений. Данные распределения получены при СЕ2 «10"7см 3 в едином масштабе: 1 см: 3-Ю"4 рад. На рис. 2.3 а - пучок накачки, который соответствовал плоской волне дифракционного качества, и имел расходимость G = 2-Ю-4 рад по уровню интенсивности 7,5-106 Вт/см2, которая соответствует чувствительности фотобумаги УФ-67. Излучение накачки специально искажалось турбулентной средой, после чего расходимость возрастала до 2,8-10"3 рад по горизонтали и 4-Ю"3 рад по вертикали (т.е. примерно в 10 раз по телесному углу), а картина поля в дальней зоне приобретала большое число нерегулярных максимумов и минимумов (рис. 2.3). Если поместить сразу за турбулентной средой обычное плоское зеркало, то после прохода назад излучение увеличивало свою расходимость еще примерно в два раза.
Распределение интенсивности в дальней зоне для прошедшей через турбулентную среду отраженной волны представлено на рис. 2.3 б. Прохождение через те же неоднородности не только увеличило расходимость рассеянной волны, но и "выправило" эту расходимость до практически исходного дифракционного качества, повторяя даже угловую структуру пучка накачки.
Соответствующие рассчитанные распределения даны линиями постоянного уровня на рис. 2.3 слева [39]. Расчет произведен численно на основе уравнений:
Зависимость точности коррекции турбулентных искажений светового пучка в зависимости от безразмерного параметра В и структурной характеристики флуктуации диэлектрической проницаемости турбулентной среды показана на рис. 2.4. Пунктирной линией показана экспериментальная кривая. Сплошная линия соответствует результатам численного расчета [69]. Видно, что точность коррекции падает с увеличением С\. Это
происходит из-за того, что возникает неоднородность распределения интенсивности сфокусированного пучка в объеме ВРМБ-активной среды, а с ней неоднородность "бриллюэновского" коэффициента усиления в зоне нелинейного взаимодействия. Действительно, фокальные расстояния периферийных зон пучка больше, чем центральных, что приводит к перераспределению энергии всего пучка в области нелинейного взаимодействия в активной среде. В фокальной перетяжке сначала будут концентрироваться центральные зоны (рис. 2.2, снизу), а потом - периферийные, которые обладают меньшей интенсивностью, чем пороговая интенсивность возбуждения ВРМБ, что и приводит к уменьшению параметра коррекции.
Для того, чтобы параметрически связать распространение лазерного излучения в лабораторной модели и турбулентной среде, необходимо, чтобы явления, которые в них происходят, были подобными. Очевидно, что два процесса распространения пучка в средах будут подобными, если для них подобны начальные распределения амплитуды и совпадают соответствующие параметры подобия после прохождения среды. Тогда по заданным характеристикам модели простым пересчетом получим характеристики атмосферы, или наоборот, имея соотношения подобия [53, 70, 72, 78]. (2.4) (2.5)
На рис. 2.2 показана схема экспериментальной установки. Излучение лазера 1 распространяется вдоль оси z, искажается в турбулентной среде 2, фокусируется линзой 3 в активную среду 4. Для описания данных процессов воспользуемся общим видом системы уравнений граничных условий (1.1)-(1.8). Система уравнений, описывающих распространение лазерного излучения в турбулентной и активной средах, выглядит следующим образом: где є - флуктуационная часть диэлектрической проницаемости турбулентной среды є,.
Уравнения (2.4)-(2.7) носят статистический характер, поэтому и соотношения подобия необходимо выводить для статистических характеристик процессов. Аналогично тому, как в [70] получено уравнение для функции взаимной когерентности, уравнение (2.4), описывающее распространение в турбулентной среде зондирующего гауссовского пучка, запишем в виде уравнения для функции взаимной когерентности:
Качество компенсаций искажений при ОВФ может значительно ухудшаться вследствие потери информации о волновом фронте обращаемого излучения. В [21] экспериментально изучен характер искажений пространственного спектра обращенного излучения при наличии апертурных потерь на ОВФ-зеркале, собранном по схеме беспорогового отражения на бриллюэновской нелинейности. Теоретические исследования влияния размеров зеркала ОВФ на точность коррекции искажений светового пучка в случайно-неоднородной среде проведено в [54, 79]. В этих работах предполагалось, что в пределах ограниченной области зеркала имеет место идеальное ОВФ. Из результатов [21, 54, 79], в частности, вытекает, что с увеличением расходимости излучения, внесенного фазоискажащей средой, точность коррекции искажений ОВФ-зеркалом с ограниченными размерами падает. Для компенсации фазовых искажений наиболее часто применяют зеркала, в которых ОВФ имеет место при вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна сфокусированного в активную среду светового пучка (зеркала ВРМБ). При этом ОВФ существенно отличается от предполагаемого обращения в исследованиях [21, 54, 79].
В настоящем параграфе экспериментально исследуется влияние размеров ВРМБ-зеркала на качество компенсации им фазовых искажений оптического излучения [67,80].
Проводились измерения параметра коррекции ОВФ-ВРМБ-зеркалом искажений пучка, вносимых различными фазовыми пластинами, которые моделировали турбулентную среду по расходимости искаженного пучка. Замена турбулентной ячейки на фазовую пластину нужна потому, что в турбулентной среде характеристики прошедшего через нее светового пучка сильно флуктуируют, поэтому влияние ограниченности апертуры ВРМБ-зеркала сложно выделить без подробного статистического анализа. С этой целью обратимся к уравнению (2.9), точное аналитическое решение которого получено в работе [33] в приближении квадратичной аппроксимации функции Н(х1 -х2;у{ -у2). В этом приближении для функции взаимной когерентности получается следующая формула [52]
Соотношение подобия лабораторного моделирования компенсации зеркалом ОВФ-ВРМБ тепловых искажений лазерного пучка в перемещающейся среде
При приведенных условиях проводилось лабораторное моделирование компенсации ОВФ-зеркалом тепловых искажений излучения импульсно-периодического лазера. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 3.2. Непрерывное (воздействующее) излучение аргонового лазера 1 (длина волны 0,48 мкм, диаметр пучка 5 мм, мощность от 0 до 0,8 Вт) после прохождения светоделительной пластинки 2 поворотным зеркалом 12 направлялось в кювету 3, имитировавшую перемещающуюся поглощающую атмосферу. Эта кювета была расположена на реверсивной тележке и передвигалась перпендикулярно направлению распространения пучка. Кювета наполнялась этиловым спиртом, подкрашенным фуксином. Ее длина в направлении распространения пучка Z,=30 см, скорость перемещения Г = 0,33 см/с, коэффициент поглощения среды а = 0,04 см"1. Мощность излучения аргонового лазера контролировалась измерителем средней мощности 4. Таким же прибором 5 измерялась мощность этого излучения, прошедшего через поглощающую среду.
Вследствие поглощения излучения аргонового лазера и нагрева среды в кювете 3 в канале пучка наводилось неоднородное поле показателя преломления. Параллельно пучку аргонового лазера под небольшим углом (ф = 1,5 мрад) к оси этого пучка в кювету 3 заводился одномодовыи зондирующий пучок второй гармоники импульсного неодимодового лазера 6 (длина волны 0,53 мкм, энергия до 0,2 Дж, длительность импульса по полувысоте 40 не, диаметр пучка на входе в среду 5 мм, расходимость 9 « 0,26 мрад). Излучение зондирующего лазера распространялось в кювете 3, искажалось в поле показателя преломления, наведенном излучением аргонового лазера. Затем оно фокусировалось линзой 7 в кювету 8 с четыреххлористым углеродом, где возбуждалось ВРМБ. Фокусное расстояние линзы 12 см, длина кюветы - 60 см.
Пучок стоксовой компоненты, сформированный ОВФ-зеркалом, распространялся навстречу зондирующему излучению. Полная энергия , этого пучка до прохождения поглощающей среды измерялась калориметром 9.Калориметром 10 в сочетании с диафрагмой 11 измерялась аргонового лазера (длина волны 0,48 мкм, диаметр пучка 5 мм, мощность от 0 до 0,8 Вт); 2- светоделительная пластинка; 3 - кювета , имитировавшая перемещающуюся поглощающую атмосферу; 4, 5,9,10- калориметры; 6- одномодовый зондирующий пучок второй гармоники импульсного неодимодового лазера (длина волны 0,53 мкм, энергия до 0,2 Дж, длительность импульса по полувысоте 40 не, диаметр пучка на входе в среду 5 мм, расходимость (0 « 0,26 мрад); 7 - линза; 8- кювета с четыреххлористым углеродом, где возбуждалось ВРМБ; 11- диафрагма; 12 - поворотное зеркало. энергия Е2 в близком к дифракционному углу (0 «0,28 мрад) этого излучения прошедшего через поглощающую среду. Мерой точности коррекции искажений излучения являлась величина W = Е2/Е1. В отдельных вспышках каждый из пучков фотографировался. Изображение их получалось в фокальной плоскости линзы, которая ставилась на пути пучка, отведенной от различных участков трассы светоделительной пластинкой.
Эксперименты проводились при следующих значениях параметров: I, = 30 см; воздействующего пучка на входе в поглощающую среду варьировалось от 0 до 0,6 Вт. Эксперимент проводился при Р = 0,16 Вт.
В экспериментах энергия излучения, отраженного от зеркала ОВФ, была не меньше 25% от энергии падающего импульса. Оптического пробоя в кювете 8 не наблюдалось.
На рис.3.3 справа показаны фотографии пучков в фокальной плоскости линзы, соответствующие угловым распределениям зондирующего пучка на входе в поглощающую среду (а), искаженного этой средой (б), а также отраженного от ОВФ-зеркала излучения (стоксовой компоненты) после прохождения искажающей среды (в). Соответствующие рассчитанные распределения даны линиями постоянного уровня слева [44]. Для этого система уравнений с граничными условиями решалась численно. Для каждого импульса вычислялись распределения комплексных амплитуд пучков: воздействующего E(x,y,z), зондирующего E3(x,y,z), стоксовой компоненты Ec(x,y,z), а также углового спектра:
