Одночастотный ТЕА СО2 лазер с инжекцией внешнего сигнала, применение в ветровых доплеровских лидарах Путивский, Юрий Яковлевич

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время импульсные электро-разрядныэ TEA СО_г лазеры атмосферного давления широко применяется для проведения фундаментальных и прикладных исследований. В ряде задач необходимы мощные узкополосньв инпульсны С0₂ лазеры дгоульного уровня энергии с шириной спектра генерации (.tv а 1 МГц).

Такие одночастотныэ мощнье TEA С0_а лазеры используется для получения генерации в дальнем ИК- диапазоне й в спектроскопии высокого разрешения. Например, в газе ¹²C0₃F реализована генерация на 180 различных длпкзх волн з диапазоне 153,0*1483 vim при накачке СО, лазером, генерярущйм на различных колебательно-вращательных переходах з чстзях ЮР и 10R. На япгаях 10РС14), 10РС18). 10РС20) удалось разрешить тонхуя iv « 0,2 !«Ги структуру линия в газе SF„. Одним пз вазиеймих применений явля-ется использование узкополосных TEA С0₂ лазеров в составе доп-лероэских лидароэ для реіі'гкня задач глобального мониторинга пз-рзуетров ветровых потскоз. являвдихся одним КЗ типов погодо-оЗразугдах характеристик атмосферы: для достижения точности измерения скорости Петра в 1 м/с требуется теркна спектра зенди-руешего кзлучензя не более 0,5 'Гц. Оперативное получение информации о состоянии атмосферы в различных точках семного шара позволяет намного точнее прогнозировать климатические условия. Так, например, з СМ функционирует прогрзкна "LAV'S", в соответствие с которой планируется размещение TEA С0_а лидаров деллз-

ровского типа на специальных космических платформах и космическом кора<5ле многоразового использования Space-Shattle. Предполагается получение данных о скорости ветра в гигантском объеме тороидального типа с сечением 300x20 км².

В ближайшие годы доплеровские лидары. по-видимому, будут широко использоваться для измерения скорости ветровых потоков в приземном слое атмосферы на расстояниях до 10» 15 км.

Однако, до сих пор. при создании узкополосных мощных импульсных TEA С0_Й лазеров возникает ряд проблем из-за эффекта свипирования частоты, приводящего к уширению спектра генерации. Этот эффект обусловлен различными физическими процессами, про-текаиэдми в активной среде лазера и зависящими от конкретной конструкции ТЕЛ С0₂ лазера и способа получения одночастотнои генерации.

Поэтому создание мощных узкополосных TEA С0₂ лазеров является актуальной задачей.

Цель диссертациоыпй работы. Исследование свипирования частоты мощного одноч^стотного TEA С0_а лазера с инжекцией внешнего сигнала и определение оптимальных путей минимизации ширины спектра генерируемогг излучения. Исследование возможности управления спектральными характеристиками такого лазера с помощью внутрирезонаторньк нелинейных сред. Разработка и создание на базе одночастотного TEA С0_г лазера макета ветрового дооперов-ского лидара. Разработка методики обработки гетеродинного сигнала лазерного излучения, рассеянного в атмосфере, с учетом реальных временных и частотных характеристик зондирушего излуче-

ішя для дистанционного определения скорости ветросых потоков. При этом решались следушие задачи:

1. Проведение аиапта различных механизмов свипированил частоты генерзиии TEA С0_а лазера. Выделение дсминкруэдих эффектов Для последукаей минимизации ширины спектра в реальном лазере.

2. Создание мощного одночастотного TEA С0₂ лазера с инхекцией внешнего сигнала с энергией генерации С» 0.3 Да) и узким спает-ром генерируемого излучения С< 1 КГц).

3. Создание автоматкзкровакной системы измерения изменения частоты генерации гетеро шшым датодом на базе вычислительного комплекса ДВК-2 и модулей в стандарте КАМАК.

4. Исследование возможности управления частотой генерации TEA С0_а лазера с помощью гнутрвмзокзторных келикеаньк газовых (cteecb C0₂*N₂+He) и полупроводниковых (кристалл InAs) сред.

3. Создание на базе мощного одночастотного ТЕЛ С0_а лазера макета ветрового доплеровского лидара.

0. РазраЛтка методики определения скорости ветра по гетеродинному сигналу, рассеянному в аткэсферо, с учетом реальны:-: временных и спектральных характеристик зонднруицего излучения. 7. Проведение измерений профилей скорости ветра на натурной трассе.

Научная новизна работы--

5. Разработан и создан мощньй'. одлочастогньй TEA C0_S лазер с энергией генераций 0.3 Дж, длительности импульса 2.5 мке и шириной спектра 0.6 МГц.

6. Предложен и реализован метод компенсации свипированил

частоты генерации с помощью нелинейных Енутрирезонатсрных газовых (смесь COg+Njj+He) и полупроводниковых (кристалл InAs) сред.

3. Предложена методика определения нелинейной добавки к показателе преломления различных сред, помещенных внутрь резонатора одночастотного TEA С0₂ лазера по изменению частоты генерации такого лазера.

4. Разработана методика расчета скорости ветра по гетеродинному сигналу рассеянного излучения с учетом реальных спектральных характеристик зондирущего излучения.

5. Проведены измерения скорости ветра с помощью макета доплеровского лидара на базе одночастотного TEA С0_г лазера с ингекцией внешнего сигнала на расстояниях до 13 км в приземном слое атмосферы с точностью ±1.5 м^с.

Практическая ценность работы:

1. Созданный мощный одночастотный TEA С0_г лазер может быть использован для селективного воздействия на вещество, спектроскопических измерений с высоким разрешением.

2. Методика помещения внутрь резонатора нелинейно-оптических сред позволяет с уществлять компенсацію свипкрования частоты генерации, изучать нелинейные свойства самих нелинейных сред.

3. Разработанный макет доплеровского лидара на базе мощного одночастотного TEA С0_г лазера с инкекцией внешнего сигнала позволяет проводить измерения скорости воздушных потоков в приземном слое на расстояниях до 13 км с точностью ±1.5 м/с.

Защищаемые положения:

4. Проведен анализ различных механизмов свипнрования частоты генерация одночастоткого TEA Ш₂ лазера с инжекциен внешнего сигнала, позволивший разработать и создать иотъй одночастотньй TEA COj, лазер с энергией генерации 0.3 Дз. длительностью импульса 2.3 ікс и шириной спектра 0.6 МГц.

5. Предлоге» и экспериментально реализован метод компенсации СЕИПкроаания частоты генерации с пошиьв нелинейных вкутрирезо-каторных сред на основе узкозонного полупроводникового кристалла InAs. смеси газоз С0₂+М₂+Не.

6. Разработан и создан макет Петрового яоплеровского лкдара на базе одкочастотного TEA С0₃ лазера с ингекцией внешнего сигнала в соосной приеио-передэощей схеме зондирования и автоматизированной системе на базе вычислительного комплекса ДВК-2 и модулей в стандарте КАМАК.

7. Разработана методика определения скорости Еетра по гетеродинному сигналу излучения, рассеянного в атмосфере, с учетом реальных временных а спектральных характеристик зондирующего излучения.

8. Проведены экспериментальные измерения профилей скорости ветра на приземной трассе на расстояниях до 13 км с точностью ±1.5

М/С.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры общей физики и волювых процессов физического факультета МТУ. а такге на следующих конференциях:

1. XII Международная конференциия по когерентной и нели-

нейной оптике. Москва, 1985.

2. 5-ая Всесоюзная конференция "Оптика лазеров". Ленин--град. 1987.

3. 6-ая Всесоюзная конференция "Оптика лазеров". Ленинград. 1990.

4. SPIE International symposium ОЕ LASE'91. LASER RADAR

VI. Los Angeles. USA. 1991.

5. XI Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах, Томск. 1991.

6. Х1У Международная конференциия по когерентной и нелинейной оптике. Ленинград. 1991.

7. SPIE International symposium ОЕ LASE'92. LASER RADAR

VII. Los Angeles. USA. 1992.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем дкс :ертации. Диссертация состоит из введения. 4 глав к заключения. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста. сол-ржит 54 рисунка и список литературы из 106 наименований.

Похожие диссертации на Одночастотный ТЕА СО2 лазер с инжекцией внешнего сигнала, применение в ветровых доплеровских лидарах

Обращение волнового фронта излучения импульсных СО2 лазеровКовалев Валерий Иванович

Импульсно-периодические CO2-лазеры, накачиваемые мощным комбинированным разрядомИванов, Максим Геннадьевич

Волноводные ВЧ СО2 лазеры с управляемой частотой излучения в непрерывном и импульсно-периодическом режимах генерацииГерасимчук, Александр Георгиевич

Исследование насыщенного поглощения молекулы SiF4 в области генерации СО2-лазераИмхесин, Хамуд Халаф

Модовая и частотная селективность резонаторов волноводных Со2-лазеровПшиков, Мустахим Искиндирович

Импульсные электроразрядные СО2-лазеры с плазменными электродамиКовалев, Игорь Олегович

Экспериментальное исследование динамических свойств излучения СО2-лазеров с модулированными параметрамиЯрцев, Владимир Петрович

Теа-Со2 лазеры с внутрирезонаторными жидкокристаллическими ПБМССидоров, Александр Иванович

Конкуренция генерирующих волн в СО2-лазерах и ее использование для развития методов внутрирезонаторной лазерной спектроскопииПрокопов, Анатолий Петрович

Нелинейные оптические свойства активной среды импульсных электроионизационных СО2 и СО лазеров при внутрирезонаторном обращении волнового фронтаКотков, Андрей Александрович