Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Особенности спектров КР жидко-капельной и газообразной воды в атмосфере
1.1. Комбинационное рассеяние света в атмосфере 14
1.2. Распространение лазерного излучения в атмосфере, содержащей жидко-капельную воду 24
1.3. Особенности спектров КР воды в жидко-капельном состоянии, на границах раздела фаз, конденсированных состояниях и в атмосфере 45
1.4. Выводы по главе 54
Глава II. Лидарные комплексы для исследования спектров КР атмосферы .
2.1. Анализ параметров лидарных систем 57
2.2. Стационарный лидар для регистрации спектров КР и измерения концентрации основных газовых составляющих атмосферы 62
2.3. Судовой лидар КР 68
2.4. Выводы по главе 79
Глава III. Экспериментальные исследования спектров КР жидко- капельной воды в атмосфере .
3.1. Спектры КР чистой атмосферы и уровни флуоресценции водного аэрозоля в атмосфере 81
3.2. Распространение мощного лазерного излучения в атмосфере, содержащей жидко-капельную воду 91
3.3. Спектры КР водного аэрозоля 98
3.4. Встречное вынужденное комбинационное рассеяние на водном аэрозоле в атмосфере 105
3.5 Выводы по главе 111
Глава IV. Использование КР спектроскопии для исследования полей влажности в нижней атмосфере .
4.1. Измерение вертикального распределения паров воды 112
4.2. Учет особенностей спектров КР жидко-капельной фазы воды при измерении высотных распределений концентрации водяного пара 119
4.3. Использование лидарной спектроскопии КР для исследования динамики паров воды над океаном 129
4.4. Спектроскопия КР в исследовании условий распространения радиоволн над морской поверхностью 136
4.5. Выводы по главе 143
Заключение 144
Литература 147
- Особенности спектров КР воды в жидко-капельном состоянии, на границах раздела фаз, конденсированных состояниях и в атмосфере
- Стационарный лидар для регистрации спектров КР и измерения концентрации основных газовых составляющих атмосферы
- Распространение мощного лазерного излучения в атмосфере, содержащей жидко-капельную воду
- Учет особенностей спектров КР жидко-капельной фазы воды при измерении высотных распределений концентрации водяного пара
Введение к работе
Вода, присутствующая в атмосфере в газообразной и жидкой фазе, является самым изменчивым её компонентом, который оказывает существенное влияние на планетарную жизнедеятельность. Фазовые переходы воды обеспечивают обменные энергетические процессы между океаном и атмосферой, которые в значительной степени определяют глобальные климатические условия [1]. Водяной пар является одним из парниковых газов и поглощение электромагнитных волн парами воды существенно влияет на радиационный баланс планеты. С другой стороны, в атмосфере присутствует жидкая фаза воды в виде капельного аэрозоля, который участвует в общем процессе воздействия атмосферного аэрозоля на радиационный баланс Земли путём рассеяния и поглощения солнечной радиации, а так же счёт модификации свойств облаков [2].
В настоящее время большая доля оперативной информации о процессах взаимодействия океана и атмосферы получается с помощью спутниковых измерительных комплексов [3]. Измерения интегрального по высоте содержания водяного пара проводится с использованием пассивных спутниковых измерителей и систем глобального позиционирования [4]. Однако на измеряемые из космоса характеристики излучения большое влияние оказывают подстилающая поверхность и пограничный слой атмосферы, в котором содержится большая доля водяного пара, подверженная значительным вариациям. В связи с этим возникает необходимость развития методов, позволяющих проводить дистанционные измерения высотного распределения концентрации паров воды. Задачи совершенствования систем получения и передачи информации, локации подвижных объектов, создания приборов, управляемых на расстоянии, требуют всестороннего изучения условий распространения электромагнитных волн различных диапазонов в атмосфере и установления связи между
измеряемыми метеорологическими параметрами и особенностями распространения излучения в атмосферном канале. Одним из важных аспектов изучения механизмов распространения электромагнитных волн является оперативное обнаружение, учет и использование продолжительных отклонений состояния воздушной среды от среднего для целей передачи и получения информации. Такие отклонения наиболее характерны для пограничного слоя атмосферы (ПСА), в котором пространственно-временное распределение метеорологических параметров существенно зависит от подстилающей поверхности [5]. Наиболее выражено эти особенности проявляются в пограничном слое атмосферы над морской поверхностью. Недостаточность данных о структуре ПСА над океаном объясняется, в основном, трудностью метеоизмерений в первых сотнях метров атмосферы над океаном традиционными аэрологическими методами. Для детального изучения этого слоя требуются новые методы и аппаратура, способная оперативно измерять распределение основных метеопараметров с разрешением по высоте от морской поверхности до верхней границы атмосферного пограничного слоя. Традиционные аэрологические методы этим требованиям удовлетворяют не в полной мере, так как с помощью радиозондов нельзя восстановить вертикальный профиль с хорошим пространственным разрешением. Кроме того, датчики температуры и влажности радиозондов инерционны, показания датчиков температуры могут искажаться при контакте с жидкой фазой атмосферной влаги [6-8].
К сказанному выше необходимо добавить, что для решения широкого круга задач необходимо регистрировать наличие жидкой фазы воды в атмосфере, определять начало фазовых переходов из газообразного состояния в жидкую фазу и измерять концентрацию жидкой фазы воды в атмосфере. Это дает основание говорить о необходимости разработки оперативных, дистанционных методов мониторинга полей влажности в приводном слое атмосферы, которые обеспечивают необходимое
пространственное и временное разрешение, а также позволяют изучать динамику фазовых переходов воды в атмосфере.
Наиболее перспективными методами получения оперативной информации о пространственном распределении основных метеорологических параметров в нижнем слое атмосферы являются методы лидарного зондирования [9,10]. Традиционная техника лазерного зондирования основана на интерпретации пространственно-временного изменения сигнала упругого рассеяния в исследуемой среде на одной или нескольких частотах оптического диапазона [11]. В последние десятилетия отмечается закономерная тенденция к расширению диапазона использования линейных и нелинейных, так называемых, трансспектральных процессов, проходящих с переизлучением в исследуемой среде на других частотах [12]. Наиболее практически значимыми являются процессы спонтанного комбинационного (рамановского) рассеяния [13,14] и лазерно-индуцируемой флуоресценции [Ю, 15].
Эти методы позволяют дистанционно, не внося возмущения в исследуемую среду, измерять с помощью лидаров вертикальное распределение влажности, температуры, давления, регистрировать наличие капельной влаги, в слое атмосферы толщиной до десяти километров с пространственным разрешением до 50 метров, как с наземных станций, так и с борта судна или самолёта [16-18].
В настоящее время известны такие методы определения влажности атмосферы с помощью лидаров, как метод регистрации интенсивности сигнала обратного аэрозольного рассеяния [19-24], метод резонансного дифференциального поглощения лазерного излучения молекулами воды [25-28] и метод регистрации интенсивности обратного комбинационного рассеяния света в спектральном интервале, соответствующем рассеянию на молекулах водяного пара [6,13,16,29 - 37].
Первый из этих методов основан на регистрации интенсивности сигнала обратного рассеяния, который увеличивается за счёт конденсации влаги на аэрозолях при повышении влажности атмосферы. Эта же зависимость используется для оценок концентрации капельной влаги по измеренной метеорологической дальности видимости [38]. Хотя корреляция между этими явлениями многократно подтверждалась экспериментально, что послужило основанием для разработки процедур вычисления влажности по данным лидарного зондирования и водности по измерениям метеорологической дальности видимости, её нельзя считать достаточной для создания корректной вычислительной схемы в силу многообразия факторов, влияющих на величину сигнала обратного рассеяния.
Для корректного решения этой задачи требуется учёт микроструктуры аэрозоля и всей совокупности температурных, ветровых и конденсационных процессов, что практически трудно осуществимо. Поэтому данный метод применим лишь для получения качественной картины изменчивости влажности и для грубых оценок водности атмосферы, а также в качестве вспомогательного при использовании прямых методов измерения.
Для определения концентрации паров воды по методу резонансного дифференциального поглощения зондирование проводится обычно на двух длинах волн. Причем одна из длин волн должна попадать в центр линии поглощения водяного пара, а другая должна располагаться вне линии поглощения. Так как длины волн при перестройке излучателя изменяются в небольших пределах, поэтому коэффициенты аэрозольного и молекулярного ослабления, входящие в расчетные соотношения, обычно принимаются равными. При совместном решении системы уравнений для сигналов обратного рассеяния можно исключить эти коэффициенты и получить выражение для расчета концентрации водяного пара по трассе зондирования. В настоящее время данный метод является самым чувствительным методом лидарного измерения пространственного распределения концентрации
водяного пара в атмосфере. В ряде работ сообщается об измерении влажности атмосферы этим методом на высотах порядка 15 км [26]. Однако практическая реализация этого метода встречается с рядом трудностей. Для получения высокой точности измерений необходимо обеспечить ширину линии излучения на порядок меньше, чем ширина линии поглощения. Лазерный излучатель должен обладать хорошей стабильностью, с высокой скоростью и точностью должен перестраиваться из одного спектрального участка вне линии поглощения в спектральный участок, который точно совпадает с центром линии. Эти жесткие требования на характеристики зондирующего излучения приводят к довольно сложной конструкции излучателя лидара и системы контроля его параметров [24]. Кроме этого, для получения профиля концентрации, необходимо учитывать изменение полуширины линии поглощения с высотой и проводить расчёт на вычислительных машинах с применением регуляризующих алгоритмов. В последнее время при многочастотном зондировании для упрощения вычислительных процедур и повышения степени достоверности получаемой измерительной информации используют дополнительный измерительный канал, регистрирующий сигнал комбинационного рассеяния на атмосферном азоте [39-41].
Для абсолютной калибровки подобных лидарных систем используются оптические кюветы с высокой концентрацией измеряемого газа, размещаемые на определенном расстоянии от лидара, что в условиях морского эксперимента трудно осуществимо. Трудности эксплуатации и неоднозначность процедуры калибровки аппаратуры в связи с расчетом геометрического фактора [42, 43] делают данный метод малопригодным для оперативного получения информации об изменчивости влажности на высотах до двух километров мобильными лидарами в полевых условиях. Кроме этого, данный метод не позволяет проведение исследований фазовых переходов атмосферной влаги на одной лидарной установке.
Метод спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света, называемый в современной литературе также рамановским методом, основан на измерении интенсивности сигнала обратного рассеяния на молекулах воды, содержащихся в зондируемом объеме атмосферы. Этот метод не налагает жестких требований на длину волны и стабильность зондирующего излучения, поэтому техническая реализация излучателя лидара осуществляется значительно проще, чем в методе дифференциального поглощения. Возможность получения информации о различных составляющих атмосферы при использовании одного излучателя, однозначность и простота интерпретации данных зондирования при высокой информационной ёмкости спектров комбинационного рассеяния, относительная несложность аппаратурной реализации этого метода, часто являются определяющими факторами при выборе метода измерения высотного распределения концентрации водяного пара мобильными лидарными системами. Кроме этого, данный метод позволяет раздельно регистрировать жидкую и парообразную фазу воды в атмосфере, а по спектрам жидкой фазы позволяет отслеживать конденсационные процессы. Особенностью метода спектроскопии комбинационного рассеяния является малое сечение неупругого взаимодействия света с веществом. Это существенно ограничивает дальность зондирования влажности первыми километрами атмосферы для мобильных лидарных систем или десятком километров при отсутствии облачности для стационарных лидарных станций [44]. Таким образом, метод спектроскопии комбинационного рассеяния в наибольшей степени соответствует требованиям получения информации о пространственно-временном распределении влажности и водности в пограничном слое атмосферы над океаном при изучении его влияния на распространение электромагнитных волн различных диапазонов.
Таким образом, актуальность постановки данной работы обусловлена, как необходимостью исследования процессов взаимодействия лазерного излучения с жидко-капельной и парообразной фазами воды, находящимися в реальной атмосфере, так и решением практических задач, связанных с изучением процессов конденсации влаги в атмосфере, механизмов взаимодействия в системе океан-атмосфера, а так же условий распространения радиоволн и мощного лазерного излучения в приповерхностном слое атмосферы. Быстрое развитие оптических дистанционных методов зондирования, создание глобальной лидарной сети и широкое использование лидарных методов для мониторинга окружающей среды с целью решения фундаментальных и прикладных проблем в исследовании океана и атмосферы ставят задачу разработки оперативного и универсального метода исследования динамики полей влажности в нижнем слое атмосферы и исследования механизмов взаимодействия жидко-капельного атмосферного аэрозоля с лазерным излучением.
Цель работы Целью данной работы являлось исследование физических процессов взаимодействия мощного лазерного излучения при его распространение в атмосфере, содержащей водный аэрозоль. Исследование возможностей метода спектроскопии комбинационного рассеяния для измерения концентрации водяного пара и жидкой фазы воды в атмосфере в нижнем слое атмосферы над океаном, создание аппаратурных комплексов для исследования динамики полей влажности в морской атмосфере, изучение динамики фазовых переходов воды.
В задачу исследований входило: 1. Провести исследования процесса распространения мощного лазерного излучения над морской поверхностью при наличии водного аэрозоля:
провести измерения распределения интенсивности в спектральной полосе обратнорассеянного рамановского сигнала при различных концентрациях водного аэрозоля в атмосфере над морской поверхностью;
исследовать полученные спектральные распределения с целью выделения спектрального интервала, подходящего для количественной диагностики жидкой фазы воды;
определить степень вклада вынужденных процессов в сигналы комбинационного рассеяния;
2. Определить величины сигналов от КР жидкой фазы воды и сигнала
широкополосной флюоресценции морского аэрозоля в спектральный
интервал регистрации КР водяного пара в различных атмосферных условиях.
3. Разработать методику коррекции рамановского сигнала водяного пара при
измерении в атмосфере, содержащей водный аэрозоль.
4. Провести разработку аппаратурного комплекса - стационарного и
судового лидара КР, методики абсолютной калибровки двухканального КР
лидара и осуществить пространственно - разрешенные измерения
концентрации водяного пара в пограничном слое атмосферы над океаном.
Научная новизна. Впервые проведено измерение спектров КР водного аэрозоля в атмосфере, исследованы структурные особенности полученных спектров. Выявлены специфические особенности спектров водного аэрозоля, а также зависимость формы спектра от микрофизических параметров водного аэрозоля. Интерпретация полученных данных проведена в рамках теории вынужденного комбинационного рассеяния в водных каплях, которые нужно рассматривать не только как источники стоксовых фотонов, но и как резонаторы-усилители фотонов при их движении к источнику излучения.
Впервые проведены измерения величины сигнала широкополосной флуоресценции аэрозоля над морской поверхностью, которые позволили
получить оценки минимально обнаружимых концентраций водяного пара, измеряемых методом спектроскопии КР.
Изучены угловые характеристики лазерного излучения пикосекундной длительности при его распространении в морской атмосфере, содержащей водный аэрозоль.
Впервые в рамановском спектре водного атмосферного аэрозоля зарегистрирована спектральная компонента комбинационного рассеяния, обусловленная несимметричными ОН-колебаниями молекул воды, находящихся на границе раздела пар - жидкость.
Практическая ценность работы состоит в возможности использования полученных результатов:
в исследованиях распространения мощного лазерного излучения в реальной атмосфере и изучении вынужденных процессов, возникающих при взаимодействии с жидко - капельным аэрозолем;
при измерении концентрации водного пара в атмосфере методов комбинационного рассеяния при наличии жидко - капельной влаги и морского аэрозоля;
в исследованиях динамики полей влажности над морской поверхностью и решении задач взаимодействия океана и атмосферы и прогнозирования условий распространения радиоволн УКВ и СВЧ диапазонов над морской поверхностью
Основные положения, выносимые на защиту:
Взаимодействие лазерного излучения с плотностью мощности более 0,5 ГВт/см2 на длине волны 532 нм при его распространении в атмосфере, содержащей водный аэрозоль, приводит к возникновению эффекта вынужденного комбинационного рассеяния.
Наличие вынужденного КР на водном аэрозоле приводит к изменению формы спектра КР жидкой фазы воды: наблюдается разрешение линий симметричного колебания - Vi и второго обертона деформационного
колебания - 2v2 , находящихся в резонансе Ферми; перераспределение интенсивности этих линий; смещение центров этих линий.
При распространении лазерных импульсов пикосекундной длительности с мощностью порядка 0,1 ГВт в атмосфере, содержащей жидко - капельный аэрозоль наблюдается значительное перераспределение плотности мощности в поперечном сечении лазерного пучка, обусловленное эффектом мелкомасштабной фокусировки.
Наличие сигнала широкополосной флуоресценции морского аэрозоля в атмосфере увеличивает значения минимально обнаружимых концентраций паров воды, регистрируемых методом спектроскопии КР.
5. Присутствие в атмосфере мелкодисперсного аэрозоля приводит к
проявлению свободных несимметричных ОН колебаний с частотным
сдвигом около 3750 см'1 в спектре комбинационного рассеяния воды,
которые наблюдаются в виде разрешённого пика, либо в виде перегиба на
длинноволновом крыле симметричных колебаний Vi водяного пара.
Особенности спектров КР воды в жидко-капельном состоянии, на границах раздела фаз, конденсированных состояниях и в атмосфере
Нелинейно-оптические эффекты в слабопоглощающей жидкости (вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), рассеяние Мандельштама - Бриллюэна) известны достаточно давно. Однако только в последнее время было обнаружено, что для жидкости, находящейся в капельном состоянии, проявление данных эффектов имеет свои характерные особенности. Обзор основных экспериментальных результатов по этому вопросу выполнен в работе [87]. Эти особенности проявляются главным образом в спектрально-временной структуре сигнала рассеяния и уменьшении пороговых характеристик проявления нелинейных эффектов. Основной причиной возможности возникновения резонансных нелинейно-оптических эффектов в микронных каплях является наличие в них резонансов внутреннего оптического поля (MDR s - morphology-dependent resonances) [109 - 111]. Эти резонансы наблюдаются при определенных значениях параметра дифракции частицы х =2яа/Х, где а радиус капли; X - длина волны лазерного излучения и характеризуются порядком и номером моды парциальной электромагнитной волны, создавшей резонанс. Резонансы могут быть достаточно узкими с до бротностью Q 10 для однородной, прозрачной сферической капли. На практике значения Q, как правило, достигают величин 106 - 108. Из теории Ми, описывающей дифракцию электромагнитной полны на диэлектрической сфере, следует, что при достаточно больших значениях параметра дифракции внутреннее оптическое поле в ней характеризуется наличием множества пиков с перепадом интенсивности в 10 - 100 раз. При этом максимальные значения внутреннего оптического поля достигаются вблизи поверхности капли.
Однако, как было обнаружено, сначала экспериментально по наличию пичков в рассеянном сигнале [112], при совершенно определенных соотношениях значения радиуса капли и длины волны возбуждающего излучения, внутреннее оптическое поле может усиливаться в 104—10б раз, особенно в областях максимумов. Подобный эффект получил название MDR s и рассматривается как собственные колебательные (резонансные) моды капли - сферического резонатора, которые иногда называют «модами шепчущей галереи». Существование резонансов внутреннего оптического поля, которое следует непосредственно из теории Ми, было затем подтверждено более детальными расчетами. Наличие резонансов внутреннего оптического поля в сферических частицах связано не с интерференцией парциальных волн внутри капли, а с суммированием высокочастотных составляющих, то есть с симметрией капли. Поэтому для несферических и не осесимметричных частиц резонансы не наблюдаются. Зависимость структуры резонансных спектров от размера капель может быть использована для измерительных целей, поскольку спектральное положение резонансных пичков в рассеянном на капле сигнале однозначно определяется радиусом, формой и показателем преломления частицы.
Поэтому любые изменения формы капли приводят к соответствующим изменениям в положении резонансных пичков. Уменьшение радиуса капли приводит к сдвигу спектра резонансов в сторону более коротких длин волн, а увеличение -наоборот, в длинноволновую область. Так, например, смещение пиков резонансов внутреннего оптического поля в каплях с флюоресцирующим красителем по шкале длин волн на 0,1 мкм соответствует уменьшению радиуса капли примерно на 0,7 мкм при возбуждении аргоновым лазером. Увеличение показателя поглощения вещества капли приводит к снижению интенсивности самых высоких приповерхностных пичков и подавлению резонансов высоких порядков, что проявляется как уменьшение «волнистости» в спектре. Замечено, что наличие поглощения практически не приводит к смещению положения пичков. Более того, даже если в капле прозрачной жидкости содержатся твердые частицы сильно поглощающего материала, то спектр резонансов внутреннего оптического поля очень близок к спектру для однородной капли. В прозрачных частицах, как было отмечено ранее в параграфе 1.2, падающее излучение в основном фокусируется передней поверхностью капли в область, находящуюся недалеко от задней поверхности. Входной резонанс может быть реализован для падающего излучения. В этом случае оптическое поле в капле возрастает в сотни раз в основном вблизи сферической поверхности капли. Выходной резонанс достигается, когда для какой либо из длин волн вторичной эмиссии (например, комбинационного рассеяния или флюоресценции) выполняются условия резонанса. Для таких длин волн каплю можно рассматривать как оптический резонатор со своими собственными модами. Потери в таком резонаторе обусловлены как поглощением вещества, так и частичным выходом излучения сквозь поверхность капли. Спонтанное комбинационное рассеяние происходит во всем объеме капли, но наибольшее усиление оно получает в области фокального
Стационарный лидар для регистрации спектров КР и измерения концентрации основных газовых составляющих атмосферы
Схема основных узлов лабораторного рамановского лидара приведена на рис. 2.2.1. Рассеянное в атмосфере излучение фокусируется собирающей линзой 1 на входную щель монохроматора 2. Диаметр приемной апертуры равен 200 мм, а фокусное расстояние 500 мм. Относительные отверстия фокусирующей линзы и монохроматора совпадали, что обеспечивало оптимальную передачу светового потока на фотоприемник. Использование короткофокусной оптики из стекла при спектральных исследованиях является более предпочтительным, так как влияние хроматических аббераций проявляется менее выражено по сравнению с длиннофокусной оптикой. В установке использовался серийный монохроматор МДР-2 с дифракционной решеткой 1200 штр./мм. Величина обратной линейной дисперсии составляла порядка 2 нм/мм. Излучение на зондирующей длине волны, обусловленное молекулярным и аэрозольным рассеянием в атмосфере, подавлялось оранжевыми светофильтрами 4 и 5 типа ОС-12. Общее подавление сигнала упругого рассеяния светофильтрами вместе с монохроматором превышает 108. Отражение от фильтра 4, установленного под углом к оптической оси, фокусировалось на диафрагме фотоумножителя опорного канала 3. Перед фотоумножителем устанавливались полосовой светофильтр типа ОС-14 и интерференционный светофильтр с максимумом пропускания на длине волны рамановского рассеяния на молекулах азота 607,3 нм. Спектральная ширина светофильтра составляла 6 нм на полувысоте максимума пропускания. Подавление излучения на длине волны 532 нм в опорном канале превышает 106, что обеспечивало и подавление линии кислорода. Для обеспечения одинаковых углов приема в обоих каналах на фотокатод опорного ФЭУ и входную щель монохроматора помещались диафрагмы диаметром 1 мм. Спектральная зависимость коэффициента пропускания перестраиваемого канала приведена на рис.2.2.2. В двух каналах регистрации использовались ФЭУ-79 и ФЭУ-136 (7 и 3), работающие в режиме счета одноэлектронных импульсов. Для усиления одноэлектронных импульсов после фотоумножителей использовались стробируемые усилители 8, 9 с полосой до 200 МГц. Коэффициенты усиления в пределах счетного строба равнялись 40 дБ, подавление вне строба 80 дБ.
Счет однофотонных импульсов производился на счетчиках 10, 11 с полосой пропускания 150 МГц при уровне дискриминации 0,15В. При таком уровне дискриминации собственные шумы усилителей отсекались полностью, а однофотонные импульсы имели среднюю амплитуду 0,5 В после усиления. При этом средняя длительность однофотонных импульсов составляла 20 10 9 с. Импульс строба формировался генератором 12, который запускался фотодиодом 15. Длина стробирующего импульса могла меняться от 0,1 до 10 мкс с изменяемой задержкой относительно момента запуска от 0 до 1 с. Фотодиод 15 откалиброван по стандартному измерителю мощности типа ИКТ, что позволяло осуществлять контроль за энергией излучателя 17 по импульсному вольтметру 16. Цифрами 13, 14 обозначены осциллограф визуального контроля и счетчик импульсов строба соответственно. Оптические оси приемника и излучателя были разнесены на 30 см. Юстировка параллельности этих осей достигалась изменением положения излучателя, выполненного в виде моноблока.
Оптическая схема излучателя приведена на рис.2.2.3. На рисунке изображено: 1,8 - зеркала резонатора; 2,3-линзы телескопа с кратностью 1:2; 4-электрооптический затвор; 5-призма поляризатор; 6-активный элемент лазера; 7,10,12-диафрагмы; 9,10- активные элементы усилителей. Особое внимание при разработке лидаров уделялось излучателю, поскольку получение средних мощностей на уровне 1,5 Вт на второй гармонике излучения Nd:YAG лазера предполагает применение в излучателях каскадов оптических усилителей. Требование малой расходимости зондирующего излучения при высокой энергии в импульсе приводит к необходимости устойчивого выделения одной поперечной моды TEMooq с гауссовым распределением интенсивности по поперечному сечению пучка.
Для решения этой проблемы нами был использован метод, основанный на повышении селективных свойств резонатора Фабри-Перо путем увеличения эффективной длины резонатора ЬЭфф. Увеличение ЬЭфф приводит к уменьшению числа зон Френеля на выходном зеркале резонатора и уменьшению числа конкурирующих мод. Наиболее просто данный метод реализуется введением в резонатор телескопа [128] .В такой схеме величина ЬЭфф пропорциональна значению кратности телескопа. Практика показывает, что значительное повышение кратности телескопирования приводит к увеличению плотности мощности на зеркале резонатора с коэффициентом отражения в 100% и вызывает его повреждение. В конструкции нашего лазера кратность телескопирования, равная 2, оказалась достаточной для устойчивого выделения одной поперечной моды. Полученное в генераторе распределение интенсивности по поперечному сечению пучка, близкое к
Распространение мощного лазерного излучения в атмосфере, содержащей жидко-капельную воду
Уже первые исследования спектров комбинационного рассеяния в стоксовой области валентных колебаний жидкой фазы воды в атмосфере, проведенные нами, показали, что распределение интенсивности в этом спектральном интервале существенно отличается от «канонического» распределения для сплошной водной среды, а регистрируемые уровни сигналов КР от жидкой фазы воды превышают значения, полученные из предварительных оценочных расчетов. Возможной причиной наблюдаемых явлений могло быть нелинейное взаимодействие зондирующего излучения с водным аэрозолем, проявляющееся в виде вынужденного комбинационного рассеяния света на водном аэрозоле. Однако плотность мощности излучателя нашего лидара, составляющая величину порядка 0.5 ГВт/см , была недостаточна для генерации вынужденного комбинационного рассеяния, которое наблюдалось в воде, согласно данным различных авторов [154,155] при интенсивностях возбуждающего импульса порядка 3 ГВт/см и длине взаимодействия более сантиметра. Для выяснения деталей картины распространения мощного лазерного импульса в водно-аэрозольной среде нами была проведена серия прямых экспериментов [156] . Схема Цифрами на рисунке обозначены: 1- He-Ne газовый лазер, 2- пикосекундный лазер на стекле, активированном Nd3+, 3 - удвоитель частоты излучения неодимового лазера, 4- отводящее зеркало на длину волны 1060 нм, 5-объектив МТО-ЮООАМ, 6- блок нейтральных фильтров, 7- фотокамера. Неодимовый лазер, работающий в одномодовом режиме с фототропным затвором на красителе №3955, растворенном в нитробензоле, генерирует цуг из 10-15 пикосекундных импульсов с длительностью каждого 11 Я импульса порядка 2x10" с и суммарной мощностью более 10 Вт.
Угол расходимости излучения обоих лазеров одинаков и составляет величину порядка 0.5 мрад. Выходящее излучение распространялось на высоте три метра над поверхностью морского залива. Эксперименты проводились в конце августа - начале сентября в темное время суток, когда наблюдаются большие ночные градиенты температур поверхности моря и воздуха, способствующие процессам конденсации испаряющейся влаги. Необходимо отметить, что во время проведения экспериментов визуально наличие водного аэрозоля в виде тумана или мороси на трассе не наблюдалось, что свидетельствовало о незначительности концентрации и малом размере частиц водного аэрозоля. Протяженность трассы равнялась 520 метров. В конце трассы излучение попадало на приемный объектив, в фокальной плоскости которого располагалась фотокамера. Нейтральные светофильтры подбирались таким образом, чтобы уравнять интенсивности излучения обоих лазеров на фотопленке. При анализе полученных фотоснимков были выявлены отличия в распределении интенсивности в фокальном пятне для разных лазеров. Фотографии распределения интенсивности для обоих случаев приведены нарис. 3.2.2. Фокальное пятно газового лазера характеризовалось более равномерным спадом интенсивности от центра пятна к периферии, а фокальное пятно неодимового лазера имело явно выраженный провал на спаде, то есть центральное пятно было окружено кольцом с равномерным спадом интенсивности на внешней границе. Фокальное пятно неодимового лазера, прописанное на микрофотометре, и обратное преобразование Фурье от этого распределения приведены на рис. 3.2.3. Хорошо известно [157], что распределение интенсивности в фокальной плоскости объектива с точностью до фазового множителя является Фурье-образом распределения амплитуды поля в пространстве предметов перед объективом, вычисленном для пространственных частот kx=xAf и kz=z/ Xf, где (х, z - координаты на фокальной плоскости, X - длина волны света, f Второму максимуму на рис. 3.2.3 (а) с пространственной координатой z = 0.32 мм соответствует пространственная частота около kz = 6 см . Распределение интенсивности в фокальной плоскости подобно угловому распределению излучения с коэффициентом подобия, равному фокусному расстоянию. Изменение исходного углового распределения интенсивности характерно для явления самофокусировки мощных лазерных пучков, когда световой пучок с поперечным радиусом d фокусируется на расстоянии [97] F з -== , где по - показатель преломления вне пучка, а Дпнл - градиент нелинейного показателя преломления в пучке. Для практических расчетов расстояния фокусировки часто используется формула Марбургера [158], в которой фигурирует отношение мощности пучка к критической мощности, при которой нелинейная рефракция подавляет естественную дифракционную расходимость пучка. Величина критической мощности самофокусировки всего пучка в воздухе составляет Ркр ЗГВт [159], что на порядок больше импульсной мощности цуга, генерируемого лазером, который мы использовали в эксперименте. Учитывая, что импульсная мощность отдельных пичков пикосекунднои длительности может превышать импульсную мощность для цуга в целом, а также то обстоятельство, что в аэрозольной среде происходит перераспределение интенсивности по сечению пучка за счет фокусировки и дифракции на отдельных каплях, то наблюдаемые в нашем эксперименте изменения углового распределения интенсивности в мощном световом пучке могут быть проявлениями мелкомасштабной самофокусировки. Это явление хорошо известно в лазерной физике, когда в световых пучках большой мощности пространственные флуктуации интенсивности экспоненциально нарастают и пучок разбивается на отдельные нити-филаменты [94], что может приводить к разрушению активных элементов лазеров.
Для устранения этого явления в активной среде лазеров применяют специальные меры для сглаживания амплитудного профиля светового пучка. Дифракция света на водном аэрозоле действует на амплитудный профиль пучка двояким образом. С одной стороны она способствует расплыванию и сглаживанию периферийного амплитудного профиля, а с другой стороны к увеличению локальных градиентов амплитудного профиля в центре пучка за счет интерференции излучения, дифрагированного в сторону центра пучка. Полученные нами экспериментальные данные качественно согласуются с результатами численного расчета, проведенного авторами [92], которые установили, что увеличение концентрации аэрозоля приводит к более раннему перераспределению энергии в сечении пучка и, следовательно, ускоряет развитие мелкомасштабной самофокусировки в пучке в условиях керровской нелинейности. Нормированный пространственный Фурье-спектр, рассчитанный в этой работе для фемтосекудного лазерного импульса с мощностью, превышающей критическую в сто раз, приведен на рис. 3.2.4. O.OSpF/Cz; ft)/F,(0; О) Рис. 3.2.4. Изменение усредненного пространственного спектра интенсивности пучка при самофокусировке в дожде (модель [92]): I при Zm = 1 м, 2 - 50 м, 3 - 60 м; 4 - более 62 м; 5 — спектр при Zm = 69,4 м в отсутствие дождя. В данной работе установлено, что в присутствии водного аэрозоля пространственный спектр становится двухмасштабным, а увеличение амплитуды локального максимума отражает увеличение доли искажений соответствующего масштаба в лазерном пучке и, следовательно, рост количества «горячих» точек, в которых интенсивность излучения может превышать начальную более чем в десять раз. Следовательно, возмущения пучка вследствие рассеяния на каплях способствуют развитию мелкомасштабной самофокусировки, препятствуя сжатию пучка в целом. Это подтверждает тот факт, что при наличии водного аэрозоля мелкомасштабная самофокусировка происходит быстрее, чем глобальная в отсутствии аэрозоля. Таким образом, в описанном эксперименте, нами экспериментально было зарегистрировано изменение пространственного спектра лазерного пучка пикосекундной длительности при его распространении в атмосфере над морской поверхностью. Эти изменения вызваны взаимодействием мощного светового пучка с водным аэрозолем, который присутствует в атмосфере. Наши экспериментальные данные качественно совпадают с модельными расчётами, выполненными для случая распространения фемтосекундного лазерного импульса в атмосфере, содержащей водный аэрозоль в виде дождя. Несмотря на то, что для нашего случая, согласно модели, описанной в работе [93], условия глобальной самофокусировки не выполняются (порог мощности составляет 3 ГВт для чистой атмосферы, а в наших экспериментах она составляла 108 Вт или ОД ГВт), тем не менее для пикосекундного импульса в присутствии аэрозоля проявляется мелкомасштабная фокусировка, вызванная интерференцией дифрагированных на водном аэрозоле волн и лазерного излучения основного пучка. Эта интерференция приводит к возникновению локальных областей в пределах апертуры пучка, в которых плотность мощности более чем на порядок может превысить начальную плотность мощности [92]. На водном аэрозоле, находящимся в этих областях, происходит дальнейшее увеличение плотности мощности лазерного излучения за счет фокусировки на аэрозольных микролинзах [103].
Это может приводит к лазерному пробою капель и зарождению филаментов. Отличие экспериментального пространственного спектра, полученного в этой работе, от модельного, приведённого в работе [92], следует отнести к различию в параметрах эксперимента и модели. Так, в нашем эксперименте использовалась вторая гармоника излучения лазера на неодиме, с длиной волны 532 нм, длительность отдельных пичков составляла 2 х 10"11 сек, мощность излучения в пичковом режиме порядка 0,1 ГВт, максимум функции распределения водного аэрозоля по размерам приходился на 2 мкм. В то время как в модельных расчётах полагалось, что средний размер капель дождя равен 250 мкм, длительность лазерного импульса составляла 45 фс, мощность излучения более 150 ГВт, длина волны лазерного излучения 800 нм. Данное качественное совпадение результатов показывает сложный характер формирования структуры лазерного пучка при его распространении в атмосфере, содержащей жидко-капельную воду. Наличие «горячих» точек должно приводить к развитию нелинейных эффектов. Важно, что нелинейные эффекты (в частности, нелинейное рассеяние) будет иметь место при достижении некоторого порога плотности мощности, вне зависимости от длительности лазерного импульса. Результаты, приведенные в параграфе 3.1, показывают, что сигнал спонтанного КР от концентраций жидкой фазы воды, который соответствуют ее реальному содержанию в дымках, туманах, должен быть порядка или менее сигнала широкополосной флуоресценции от тех же объектов. Однако результаты измерения спектров в области КР жидкой фазы воды показали, что спектры водного аэрозоля надежно регистрируются на фоне широкополосной флюоресценции [131]. Кроме этого, форма линий КР водного аэрозоля, полученная при зондировании в атмосфере, сильно отличалась от широкой неоднородной полосы спонтанного рамановского рассеяния объемной жидкой воды. Изучение спектров комбинационного рассеяния света (включая вынужденное комбинационное рассеяние) жидкой фазы воды, проводилось во многих работах (см. например [57-59,64-67]). Как правило, они посвящены исследованию структурных свойств воды. Изучение спектров КР водного аэрозоля в лабораторных условиях представляет значительные трудности из-за технических сложностей в создании самой среды. В атмосфере естественно осуществляются
Учет особенностей спектров КР жидко-капельной фазы воды при измерении высотных распределений концентрации водяного пара
Впервые раздельная пространственно-разрешенная регистрация рамановских сигналов жидкой и газовой фаз воды в атмосфере лидарным методом была проведена авторами работ [17, 166] при использовании Nd-YAG излучателя, работающего на третьей гармонике. Кроме наших работ [131,137], в которых впервые были приведены результаты спектрально-разрешенных интегральных по дистанции измерений рамановских сигналов жидкой и газовой фаз воды в атмосфере лидарным методом, автор [17, 166] в своей диссертации [80] ссылается на работы [123-125], в которых наблюдался сигнал рамановского рассеяния жидкой фазы в облаках, но использование в качестве излучателя широкополосного эксимерного лазера не позволило разделить сигналы от разных фаз, чтобы с достаточной точностью оценить содержание жидкой фазы и учесть ее вклад в канал регистрации водяного пара. Из опыта наших исследований, как на горизонтальных трассах, так и при обнаружении слоев конденсации при высотном измерении влажности [131,169], известно, что при появлении жидкой фазы воды на трассе зондирования наблюдается увеличение сигнала в канале регистрации пара, происходящее за счет частичного перекрытия рамановских спектров двух фаз воды. Поэтому для восстановления реального значения влажности в этих случаях необходимо проводить коррекцию результатов измерений. Подобная коррекция проводилась в [166] основываясь на априорной информации о спектральном распределении интенсивности в рамановских спектрах жидкости и пара.
Приемник используемого в этой работе лидара осуществлял спектральное разделение рассеянного излучения с помощью дихроичных зеркал и интерференционных фильтров, спектральные характеристики которых, наложенные на спектры жидкости и пара, приведены на рис. 4.2.1 и 4.2.2. Степень «просачивания» (по терминологии автора [80]) сигнала жидкой фазы в канал пара авторы этих работ оценивали по введенному ими коэффициенту распределение интенсивности в полосе жидкой фазы, полученное в лабораторных условиях при тщательном измерении сигнала обратного рамановского рассеяния в жидкой воде [171]. Измеренные значения коэффициентов составили для Туар(А.нч) = 9 %, а для Тщ (Хуар) = 0.15 %. Как видно на рис. 4.2.1 кривая рамановского спектра жидкости пересекает полосу пропускания фильтра в канале регистрации пара примерно на уровне 10%. Рис.4.2.2. Спектр рамановского рассеяния водяного пара [175] и спектральная характеристика интерференционного фильтра, используемого Е канале регистрации пара [166]. Результаты коррекции по методике [80] нормированного рамановского сигнала от водяного пара приведены на рис 4.2.3. азота) сигналов от жидкой и газообразной фаз воды и степени деполяризации сигнала упругого рассеяния. Пунктиром показан профиль сигнала водяного пара после коррекции вклада, обусловленным «просачиванием» сигнала от жидкой фазы [166,80]. Необходимо отметить, что проведенные авторами [80, 166] измерения степени деполяризации одновременно для сигналов упругого и рамановского рассеяния для азота, водяного пара и жидкой воды представляют значительный интерес как наиболее перспективное направление в решении задачи корректного разделения рамановских сигналов различных фаз воды в атмосфере. Как показали наши исследования спектров рамановского рассеяния жидкой и газообразной фазы воды, результаты которых приведены в третьей главе, распределение интенсивности в спектре жидкой фазы зависит от микроструктуры водного аэрозоля и условий возбуждения.
Поэтому изложенная выше методика коррекции результатов измерения для рамановских лидаров с приемником, настроенным на фиксированные длины волн, может служить лишь первым приближением к получению реальных значений влажности при измерении в атмосфере, содержащей водный аэрозоль. Понимая ограниченность исследовательских возможностей рамановского лидара со спектральной селекцией рассеянного излучения на основе интерференционных фильтров, которые мы использовали в наших первых аппаратурных разработках, в последующих вариантах судового лидара мы использовали перестраиваемый спектральный приемный блок, описанный во второй главе. При необходимости коррекции результатов : . измерений влажности, проведенных . на таком лидаре, использоваласьТ; процедура сходная с изложенной в [80].
Но в наших измерениях использовалась не априорная информация о спектральном распределении интенсивности в полосе жидкой фазы F]iq(X,), а непосредственно измеренные уровни сигналов по обеим сторонам относительно центра линии регистрации водяного пара на длине волны 660.5 нм. На рис 4.2.4 приведены измеренные нами [131] рамановские спектры воды в атмосфере при различном содержании жидкой фазы. Стрелками показано положение спектральных интервалов в полосе жидкой фазы воды, в которых измерялись уровни сигнала, используемые затем для коррекции сигнала от водяного пара. Выбор именно этих спектральных интервалов обусловлен тем, что по нашим данным на длине волны 656 нм наиболее часто встречается минимум интенсивности в рамановском спектре жидкой фазы. Расстояние от этой длины волны до центра лини пара на 660,5 нм составляет 4.5 нм, что близко к ширине аппаратной функции спектрального прибора, равной 4.0 нм, как наиболее часто используемой при измерениях.
