Введение к работе
Актуальность темы исследования. Изучение явлений, происходящих в атмосфере Земли, было и остается актуальной задачей в деятельности человека. Традиционные методы дистанционного исследования атмосферных явлений, во многих случаях проводимые визуально-экспериментальным путем, давали малоэффективные результаты. Наряду с традиционными методами, в последние годы активно развиваются современные методы и технические средства по сбору информации о процессах, происходящих в атмосфере Земли. Среди них важное место отводится дистанционному зондированию атмосферы оптическими методами, являющимися наиболее перспективными в исследовании и контроле параметров атмосферы Земли.
Интенсивные исследования в области лазерного дистанционного зондирования, проводимые в последние десятилетия, показали, что лидар (lidar – light identification, detection and ranging) является одним из наиболее перспективных инструментов исследования атмосферных газов и загрязнителей атмосферы.
Информация, полученная с помощью первых лидарных систем на основе лазеров, была очень ограничена, поскольку она не позволяла идентифицировать и определять параметры основных компонентов атмосферы.
Дистанционное зондирование с помощью лидарных систем особенно интенсивно начало развиваться после появления импульсных перестраиваемых лазеров, излучающих в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах длин волн, и позволяющих решать ряд принципиально важных задач оптической спектроскопии, а именно:
- достигать предела чувствительности спектрального анализа атомов и молекул, недоступной даже лучшим масс-спектрометрам (экспериментально реализуются методы детектирования отдельных молекул в одном квантовом состоянии);
- проводить исследование спектров и релаксации из возбужденных состояний атомов и молекул (лазерное излучение позволяет селективно возбудить в любое квантовое состояние значительную часть атомов и молекул и проследить пути релаксации их в основное состояние, а также измерить время релаксации);
- выполнять дистанционный спектральный анализ – исследовать комбинационное и резонансное рассеяние атомов и молекул на значительном удалении от лазера и получать информацию об атомном и молекулярном составе вещества;
- с помощью перестройки частоты лазерного излучения, используя избирательность поглощения света веществом, осуществлять селективное воздействие лазерного излучения на вещество с целью определения его состава и свойств.
Лазерные дистанционные исследования компонентов атмосферы Земли, проводимые отечественными научными центрами, в том числе Физическим институтом им. П.Н. Лебедева РАН (г. Москва), Институтом оптики атмосферы СО РАН (г. Томск), Институтом спектроскопии РАН (г. Троицк), Санкт-Петербургским университетом базируются на основе методов флюоресценции, рэлеевского и комбинационного рассеяния.
Существенный вклад в изучение явлений окружающей среды (в частности, конкретных компонентов атмосферы Земли) теоретическими и экспериментальными спектроскопическими методами внесли отечественные ученые: В.Р. Хохлов, С.А. Ахманов, В.Е. Зуев, И.Л.Фабелинский, Ф.В. Бункин, Г.Г. Матвиенко, Ю.Н. Пономарев, Б.И. Васильев и др.
В данной диссертационной работе рассматриваются решения задач исследования газовых сред, связанных с созданием и применением плавно и (или) дискретно перестраиваемых параметрических ИК-лидарных систем, основанных на методе дифференциального поглощения и рассеяния.
Актуальность диссертационного исследования обусловлена необходимостью решения проблемы совершенствования методов и создания, новых лидарных средств, позволяющих расширить диапазон перестройки длины волны лазерного излучения и повысить чувствительность дистанционного детектирования минимально допустимых концентраций молекул газов ИК-лидарной системой.
Также весьма актуальным представляется исследование параметрических процессов генерации лазерного излучения ближнего и среднего ИК-диапазона и создание на его основе эффективной многочастотной и многофункциональной лидарной системы, позволяющей изучать спектральные свойства молекул газов при нелинейно-оптическом взаимодействии с лазерным излучением.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является выявление и обоснование физических закономерностей и особенностей технологических методов обработки нелинейно-оптических кристаллов и создание на их основе высокоэффективных параметрических генераторов света ближнего и среднего ИК-диапазона, обеспечивающих дистанционное зондирование атмосферных газов.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи, в которые входит:
1) исследование влияния различных факторов (например, ориентации кристалла, концентрации и вида примеси, температуры окружающей среды, термохимической обработки, -облучения и поляризации излучения лазера) на величину и время хранения наведенной оптической неоднородности (НОН), возникающей в активных элементах параметрического генератора света (ПГС) из нелинейных кристаллов ниобата лития (LiNbO3) и калия титанила фосфата (КТР);
2) исследование спектральных, пространственно-временных, амплитудных и поляризационных характеристик излучения ИК ПГС с плавной и (или) дискретной перестройкой длины волны; выявление особенностей этих параметров; исследование влияния вида резонатора ИК ПГС на пространственно-временные, амплитудные и спектральные характеристики излучения; выявление путей получения квазимонохроматичного излучения и определение его степени во всем диапазоне перестройки длины волны ИК ПГС;
3) разработка и реализация ИК-лидарного комплекса, основанного на ПГС, позволяющего плавно и (или) дискретно (от импульса к импульсу) проводить зондирование атмосферы в ближнем и среднем ИК-диапазоне длин волн;
4) проведение экспериментальных исследований дистанционного измерения малых концентраций газов в условиях открытой атмосферы методом дифференциального поглощения и рассеяния; выполнение сравнительного анализа чувствительности данного метода с другими методами при дистанционном измерении концентраций молекул газов в стандартных условиях;
5) исследование особенностей изменения параметров колебательно-вращательного спектра поглощения газовых сред атмосферы Земли (интенсивность, ширина и форма спектральной линии) с учетом влияния различных факторов со стороны окружающей среды;
6) выявление возможностей использования плавно и (или) дискретно перестраиваемого ИК-лидарного комплекса для дистанционного и оперативного определения концентраций биологически агрессивных газовых сред с высокой точностью и чувствительностью.
Объекты и методы исследования
В качестве основных объектов исследования выбраны:
- нелинейно-оптические кристаллы YAG:Nd3+, LiNbO3, LiTaO3 и KTP;
- ИК - параметрический генератор света;
- различные газовые среды, имеющие колебательно-вращательные спектры поглощения в диапазоне частот перестройки ИК - лидара.
При выполнении работы использованы различные методы исследований, в том числе: фотографические, фотоэлектрические и спектроскопические, а также компьютерное моделирование.
Экспериментальные исследования проводились на созданном автором ИК-лидарном комплексе с применением метода дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР).
Научная новизна заключается выявление и обоснование физических закономерностей и особенностей технологических методов обработки нелинейно-оптических кристаллов и создание на их основе высокоэффективных параметрических генераторов света ближнего и среднего ИК-диапазон, при этом впервые:
1) разработан системный подход к решению проблемы возникновения НОН в активном элементе ПГС из нелинейного кристалла LiNbO3; определено влияние весового содержания введенной в кристалл примеси, температуры, термохимической обработки и -облучения кристалла на величину и время релаксаций НОН;
2) разработан и реализован новый класс параметрических генераторов излучения на нелинейных кристаллах LiNbO3 и KTP, позволяющих осуществлять плавное и (или) дискретное преобразование частоты накачки лазера в ближний и средний ИК-диапазон, с рекордным значением эффективности преобразования и при спектральной ширине менее (или равной) 1 см-1;
3) на основе ИК ПГС разработаны физико-технические основы ИК-лидаров с одним лазерным источником, позволяющим осуществлять зондирование компонентов атмосферы Земли методом ДПР;
4) уровень чувствительности устройств ИК лидара позволяет реализовать обнаружение органического газа в атмосфере путем дистанционной регистрации обратно рассеянных лазерных эхо-сигналов от топографической мишени методом ДПР. На примере атмосферного метана теоретически рассчитан и экспериментально зарегистрирован колебательно-вращательный спектр поглощения 3 полосы с расстояния 2,2 км и определена его интегральная концентрация (по горизонтальной атмосферной трассе на высоте 50 м от поверхности Земли) с чувствительностью менее 1,7 ppm.
Оригинальность и новизна результатов подтверждается публикациями в ведущих зарубежных и отечественных физических журналах, определенных ВАК Минобрнауки РФ.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается использованием современных представлений о параметрическом преобразовании частоты лазерного излучения, а также нелинейного взаимодействия интенсивного лазерного излучения с газовой средой, основанного на общепринятых физических моделях и подтверждается сопоставлением с наблюдаемыми экспериментальными данными и с результатами численных расчетов.
Практическая значимость результатов работы заключается в создании и оптимизации параметров ИК-лидарной системы, позволяющей благодаря плавной и (или) дискретной перестройке частоты ИК-излучения осуществлять зондирование атмосферных газов в ближнем и среднем ИК-диапазоне. Указанная система может быть использована в качестве приборов физического эксперимента для абсолютных измерений частот лазерного излучения с погрешностью менее 310-4см-1, а также найти применение в лидарных системах, в том числе, в составе военно-технического комплекса. Кроме того, использование высокой чувствительности ИК-лидара на основе одного импульсного параметрического лазера, работающего по методу ДПР, может существенно снизить их стоимость и применяться для картирования пространственного распределения молекул загрязняющих веществ в атмосфере.
Основные научные положения, выносимые на защиту
1. Утверждается, что оптические искажения в нелинейном кристалле LiNbO3, индуцированным импульсным лазерным излучением, возникают в момент начала действия светового импульса (погрешность измерения 5 10-9 с); отсутствует порог образования искажения при изменении плотности энергии записывающего светового импульса от 0,003 до 0,75 Дж/см2. Изменения внешних влияющих факторов в широком диапазоне (нагрев кристалла в интервале от 400 до 600 К, термохимическая обработка в окислительной и восстановительной средах, варьирование содержания примеси в кристалле от 0,01 до 0,3 вес.%, -облучение кристалла) не приводят к изменению амплитудного значения НОН в кристалле LiNbO3. Вместе с тем динамический диапазон времени релаксации НОН, обусловленной внешними факторами, находится в интервале от 10-7 до 104 с.
2. Показано, что комплексирование кольцевого резонатора и спектрального фильтра на основе эталона Фабри – Перо обеспечивает наивысшую монохроматичность и эффективность преобразования основного излучения YAG:Nd+3- лазера в параметрическое излучение ближнего и среднего ИК-диапазона длин волн. Максимальный коэффициент преобразования ( 27 %) со спектральной шириной 1 см-1 и расходимостью излучения 3,5 мрад достигается при частоте повторения импульсов ПГС от 25 до 30 Гц.
3. Доказано, что электрооптический и угловой способы изменения угла синхронизма активного элемента ПГС из нелинейного кристалла LiNbO3, обеспечивают одновременную реализацию плавной и (или) дискретной перестройки частоты излучения параметрического лазера от импульса к импульсу, что служит основой для создания ИК-лидарного комплекса с одним лазером.
4. Разработан ИК-лидарный комплекс, основанный на одном параметрическом лазере и действующий по методу ДПР, позволяет дистанционно детектировать газовые среды, имеющие колебательно-вращательные полосы поглощения, комбинированные и вращательные частоты в диапазоне перестройки ИК-лидара. Прозрачность атмосферы вблизи длины волны 3,4 мкм позволяет проводить измерения концентрации метана методом ДПР на вращательных линиях P7, P9 и P10. Пороговая концентрация метана по открытой атмосферной трассе с расстояния 2,2 км от лидара зарегистрирована на уровне 1,7 ppm.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и конгрессах.
1. III Всесоюзная конференция по выращиванию и росту кристаллов, 21-24 сентября, 1977 г., г. Кировакан, Арм. ССР.
2. IV Всесоюзная Вавиловская конференция по нелинейной и когерентной оптике, 25-29 июня, 1985 г., г. Новосибирск.
3. ХV научно-техническая конференция преподавателей СГГА, 15-18 апреля, 1996 г., г. Новосибирск.
4. ХVI научно-техническая конференция преподавателей СГГА, 22-28 апреля, 1997 г., г. Новосибирск.
5. Conference «The Laser Applied and Technology - 2002», г. Москва.
6. ХII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Атмосферная физика», 27-30 июня, 2005 г., г. Томск.
7. VI Международная конференция «Лазерная физика-2005», 11-14 октябрь, 2005 г., Аштарак, Армения.
8. IV Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2008», 22–24 апреля, 2008 г., г. Новосибирск.
9. V Международный научный конгресс «ГЕО-СИБИРЬ-2009», 20-24 апреля, 2009, г. Новосибирск.
10. Международная научно-техническая конференция «Геодезия, картография и кадастр – ХХI век» 25-27 мая 2009, г. Москва.
Основное содержание диссертации отражено в 31 научной работе (24 – в соавторстве), в том числе 12 работ из перечня ВАК («Письма в ЖТФ», «Оптика атмосферы и океана», «Журнал прикладной спектроскопии», «Приборы и техника эксперимента»). По результатам работы получены 4 авторских свидетельства СССР.
Кроме этого, результаты работы опубликованы в сборниках материалов международных конференций: «Нелинейная и когерентная оптика», «Оптика атмосферы и океана. Атмосферная физика», «The Laser Applied and Technology».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и 3 приложений. Она изложена на 191 страницах машинописного текста, содержит 54 иллюстрации и список использованных источников, содержащий 123 наименования, в том числе 66 – на иностранном языке.
