Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Влияние теплового самовоздействия на угловую расходимость и когерентность лазерного излучения в турбулентной среде 16
1. Постановка задачи и методика измерений угловой расходимости мощных световых пучков 16
2 Результаты измерений угловой расходимости и их интерпретация 24
3. Оценки в дефокусировки лазерного пучка на атмосферной трассе . 37
4. Влияние тепловой дефокусировки на когерентность непрерывного лазерного излучения в турбулентной среде. 39
Глава II. Флуктуации интенсивности и когерентность многомодового импульсного излучения со стационарной амплитудной модуляцией при тепловом самовоздействии в однородной среде 52
5. Структура излучения источника и качественная картина изменения его флуктуации при тепловом самовоздействии 52.
6. Экспериментальное исследование пространственной когерентности излучения рубинового лазера 59
7. Экспериментальное исследование флуктуации интенсивности рубинового лазера в однородной среде 68
8. Когерентный оптический анализатор спектра двумерных сигналов 76
Глава III. Влияние тепловой нелинейности на флуктуации импульсного излучения за фазовым экраном в однородной среде 80
9. Расчет в приближении геометрической оптики флуктуации амплитуды и фазы импульсного излучения в однородной среде ... 80
10. Экспериментальная установка и методика измерений. 93
11. Результаты измерений и их обсуждение 98
12. Изменение когерентности мощного светового импульса в атмосфере 109
Заключение. ИЗ
Литература 115
- Оценки в дефокусировки лазерного пучка на атмосферной трассе
- Экспериментальное исследование пространственной когерентности излучения рубинового лазера
- Когерентный оптический анализатор спектра двумерных сигналов
- Расчет в приближении геометрической оптики флуктуации амплитуды и фазы импульсного излучения в однородной среде
Введение к работе
Оптическая неоднородность атмосферы, обусловленная турбулентным движением неоднородных по температуре потоков газа,при-водит к заметным искажениям параметров распространяющегося в ней электромагнитного излучения [1,2] . Наличие в атмосфере поглощения обусловливает заметное ослабление энергии излучения и при достаточной мощности источников приводит к изменению её оптических свойств из-за нагрева, что, в свою очередь, оказывает влияние на параметры самого пучка. Изучение этого явления, получившего название теплового самовоздействия, было начато практически с момента создания лазеров [3-122 .Теоретически и экспериментально были изучены особенности теплового самовоздействия лазерных пучков в однородной стационарной среде, дано качественное объяснение явления. Исследования показали, что тепловая нелинейность заметно проявляется не только в сильнопоглощающих жидкостях и твердых телах, но и в атмосфере, где коэффициент поглощения мал ( порядка 10 - Ю см" К
Это обусловило большой интерес к проблеме теплового само-воздействия лазерных пучков в атмосфере, о чем свидетельствует появление большого количества работ по этой тематике как у нас в стране, так и за рубежом.
Огромная энергоемкость натурных экспериментов не позволяет широко развернуть исследования в реальной атмосфере, а опубликованные к настоящему времени единичные данные не позволяют сделать каких-либо определенных количественных выводов.
Поэтому основными методами исследования теплового самовоздействия в настоящее время являются теоретические ( аналитические и численные ) и модельный лабораторный эксперимент. Конечной целью этих исследований является разработка теоретических моделей, адекватно описывающих процесс распространения мощного излучения на реальных атмосферных трассах, а также выработка практических рекомендаций для конструирования систем дальней лазерной связи, передачи энергии, адаптивных систем и пр.
Наиболее подробно как теоретически так и экспериментально изучено самовоздействие когерентных лазерных пучков в однородных средах [15-2.0J . Изучено распространение лазерных пучков в неподвижной и движущейся средах, влияние различных факторов, существенных для дефокусировки: длительности лазерного импульса, распределения интенсивности в поперечном сечении пучка, регулярного изменения скорости ветра и коэффициента поглощения по трассе, концентрации водного аэрозоля. Получено лучевое уравнение, с помощью которого анализируется ход лучей внутри поглощающей среды при учете сферических аберраций, даны оценки предельно достижимых интенсивностей на различных расстояниях от входа в нелинейную среду Г/5] . Рассчитана и экспериментально исследована величина смещения "центра тяжести" пучка, обусловленная ветровым выносом тепла, распространяющегося в движущейся среде Г/4, і9-202 .
Применение в ряде практических задач многомодовых источников оптического излучения послужило толчком в исследовании физических явлений, возникающих при тепловом самовоздействии частично-когерентных лазерных пучков, распространяющихся в однородных поглощающих средах Г Z1 - 30}
Результаты, полученные по этой тематике в основном теоретические.
В работе С293 методом статистических испытаний показано, что на дистанциях порядка длины теплового самовоздействия когерентного излучения происходит распад многомодового пучка на нити с ухудшением его пространственной когерентности и сильным изменением статистики излучения. В \.2€} выяснена зависимость критической мощности некогерентного пучка от начального радиуса когерентности, проанализирован характер изменения эффективной ширины пучка, радиуса корреляции и профиля интенсивности.
В приближении метода плавных возмущений в работе 21 была исследована трансформация пространственного спектра флуктуации поля с ростом величины нелинейности при наличии возмущений амплитуды и фазы на входе среды. Показано, что распространение импульса при тепловом самовоздействии неустойчиво, оно сопровождается экспоненциальным ростом амплитудных и фазовых флуктуации.
Результаты численного эксперимента Г30] , в котором моделировалось самовоздействие двумерного частично - когерентного пучка в регулярной кубичной среде, также указывают на существенное изменение статистики светового поля при самовоздействии, причем это изменение заметно уже в докритическом режиме распространения.
В работах [ ZZ} 23] , в приближении заданного канала, было теоретически рассчитано изменение радиуса когерентности при стационарной тепловой дефокусировке многомодового излучения, показано, что когерентность при этом ухудшается. Эксперимент, проведенный авторами, подтвердил правильность этих теоретических выводов, было обнаружено уменьшение радиуса когерентности излучения даже тогда, когда пучок уширялся из-за дефокусировки.
В последние годы интенсивно ведется исследование самовоздействия когерентного оптического излучения в турбулентной атмосфере. Особенностью такой среды, как уже указывалось выше, является наличие в ней пульсаций скорости, неоднородностей диэлектрической проницаемости, обусловленных температурными флук-туациями среды, что существенно влияет на формирование профиля температуры в канале распространяющегося излучения, распределения интенсивности и фазы волны в месте приема.
Оценки влияние турбулентного перемешивания на нелинейную рас ходимость непрерывного лазерного излучения, определяемую наведенным пучком в среде средним температурным профилем f -J3J, показали, что влияние флуктуации скорости на самоуширение пучка может быть значительным. На основе методов, развитых в полуэмпирической теории турбулентности №0] , в Г312 был введен коэффициент эффективной турбулентной температуро-проводности /rVPp , позволяющей провести расчет влияния турбулентного перемешивания на самовоздействие светового пучка.
Однако модельный эксперимент 51] , в котором исследовалось угловое уширение пучка углекислотного лазера на выходе воздушной кюветы с искусственно создаваемой турбулентностью, показал, что расчеты выполненные авторами на основе полуэмпирического уравнения теплопроводности дают результаты на порядок большие, чем наблюдаемые в эксперименте.
При таком подходе оказывается довольно сложно описать поведение различных параметров излучения при тепловом самовоздействии, воспользовавшись одним и тем же коэффициентом турбулентной температуропроводности /Гі/р Входящий в выражение для /т рб неопределенный числовой коэффициент, оказывается различным при описании поведения угла нелинейной расходимости пучка, ветрового сноса в турбулентной среде [321, а также при исследовании просветления облачной среды в условиях турбулентного движения водяных капель [34].
Эксперимент ГЗЗЗ , в котором исследовалась тепловая дефокусировка светового пучка в турбулентной среде, с неоднороднос-тями показателя преломления, показал, что относительное увеличение его поперечного сечения равно сумме относительных приращений за счет теплового самовоздействия и турбулентных флуктуации показателя преломления.
Образующаяся при воздействии лазерного излучения на погло -8 щающую турбулентную среду протяженная тепловая линза приводит к изменению флуктуации интенсивности и когерентности лазерного излучения С41-4Є] .Из теоретических оценок изменения флуктуации интенсивности №51 следует, что дефокусировка протяженной тепловой линзой приводит к ослаблению флуктуации такому же, как и дефокусировка тонкой линзой, помещенной на входе нелинейной среды, если тонкая и протяженная линзы дают одинаковое уширение пучка на выходе среды.
В эксперименте Г461 было обнаружено уменьшение дисперсии флуктуации интенсивности непрерывного аргонового лазера, распространяющегося в модельной турбулентной среде, с ростом мощности излучения» Этот эффект объясняется появлением в среде инициируемых флуктуациями интенсивности тепловых линз, которые ослабляют действие турбулентных неоднородностей.
Выполненные в [451 расчеты в приближении заданного поля изменения радиуса когерентности ограниченного светового пучка показали, что обусловленное наведенной в среде температурной линзой уширение пучка как целого, приводит к улучшению его пространственной когерентности, ослаблению флуктуации фазы.
Тепловое самовоздействие импульсного лазерного излучения в случайно - неоднородной среде исследуется методом статистических испытаний в работе C4F] . Из анализа влияния нелинейности на пространственную когерентность и флуктуации интенсивности следует, что при поглощении средой энергии излучения развивается пространственно - временная неустойчивость поля световой волны. Авторами работ Г21 9481 , показано, что развивающая неустойчивость оказывается такого же типа, что и при распространении светового пучка в однородной среде.
Пространственные спектры флуктуации интенсивности лазерного излучения, прошедшего поглощающую турбулентную среду теоре -9 тически и экспериментально исследованы в работе СН92 . Как показал расчет, тепловая нелинейность приводит сначала к подавлению высокочастотной части спектра и уменьшению дисперсии флуктуации интенсивности, возникающей внутри среды пространственно -временной модуляцией флуктуации интенсивности. Выполненный авторами эксперимент, в котором источником излучения служил многомодовый лазер, указал на заметное ослабление флуктуации.
Экспериментальное исследование СА9] относится к наиболее сложному классу задач - самовоздействию частично - когерентного излучения в случайно - неоднородной среде. В зависимости от соотношения между радиусом когерентности поля падающей волны и характерным масштабом неоднородностей среды, как показывает расчет на основе метода возмущений для среды с кубичной нелинейностью 50] 9 наблюдается различный характер преобразования амплитудных и фазовых флуктуации. В случае, когда среда является "более когерентной", т.е. когда масштаб неоднородностей среды велик по сравнению с радиусом когерентности излучения, поведение флуктуации определяется начальной шумовой модуляцией источника. В противном случае развитие возмущений происходит подобно случаю распространения когерентной волны в случайно - неоднородной среде.
Оценки в дефокусировки лазерного пучка на атмосферной трассе
В первой главе приводятся результаты экспериментального исследования дефокусировки непрерывного аргонового лазера в модельной турбулентной среде. На основе измерений ширины фокального пятна за линзой» установленной на выходе среды, получена зависимость угла нелинейной расходимости от параметров турбулентности и мощности излучения. Приводятся результаты расчета угловой расходимости пучка, основанные на представлении турбулентной среды в виде набора движущихся перпендикулярно оси пучка слоев, скорости которых имеют гауссовское распределение вероятности. Получена формула для угла нелинейной рефракции пучка в среде с флуктуациями скорости, хорошо яписывающая результаты эксперимента.
Экспериментальное исследование картины дифракции мощного светового пучка, прошедшего модельную турбулентную среду, на узкой вертикальной щели, установленной на выходе среды и количественное измерение видности дифракционной картины показало, что возрастание мощности излучения приводит к росту радиуоа когерентности пучка непрерывного лазера, причем это возрастание тем более заметно, чем сильнее уровень флуктуации интенсивности на выходе среды.Сравнение полученных результатов с расчетами, выполненными в приближении заданного поля показало, что увеличение радиуса когерентности за счет уширения пучка как целого значительно меньше наблюдаемого в эксперименте.
Вторая глава посвящена исследованию пространственной когерентности и флуктуации интенсивности излучения многомодового импульсного лазера при тепловом самовоздействии в однородной среде.
Стационарная амплитудная модуляция лазерного пучка возникает вследствие фокусировок выходного излучения источника на неоднородностях активного элемента лазера. Самовоздействие такого излучения как показано в эксперименте, сопровождается развитием неустойчивости начального распределения интенсивности в пучке. Это приводит к усилению амплитудных и фазовых флуктуации, что подтверждается результатами измерений радиуса когерентности и пространственных спектров флуктуации интенсивности. Экспериментально показано, что в спектре флуктуации интенсивности наблюдается усиление высокочастотной области, при этом радиус пространственной когерентности поля убывает.
В этой главе приводится описание методики измерений, экспериментальной установки. Исследование пространственной когерентности проведено на основе двухлучевой интерференции по измерению видности интерференционной картины. Описан простой двухлучевой оптический интерферометр, представляющий собой воздушный клин с изменяемым углом, образованный между двумя стеклянными пластинами.
Пространственные спектры флуктуации интенсиности измерялись путем оцифровки фотоснимков сечения лазерного пучка, полученных с помощью скоростной киносъемки на выходе среды, и их дальнейшей обработки на ЭВМ.
В третьей главе содержатся результаты экспериментального исследования влияния тепловой нелинейности на флуктуации интенсивности и пространственную когерентность импульсного излучения в однородной поглощающей среде, на входе в которую установлен фазовый экран. Обнаружено, что рост энергии излучения приводит сначала к ослаблению флуктуации интенсивности, а затем их усилению.
Выполненные на основе двухлучевой интерферометрии измерения радиуса пространственной когерентности светового пучка показали, что рост нелинейности приводит сначала к его увеличению, а затем уменьшению.
В первом приближении метода плавных возмущений на основании решения параболического уравнения получены теоретические зависимости для спектров флуктуации интенсивности и радиуса когерентности от безразмерного параметра нелинейности, хорошо согласующиеся с результатами эксперимента.
К числу новых результатов данной работы можно отнести следующее 1. На основании измерений угловой расходимости излучения непрерывного лазерного источника, распространяющегося в модельной турбулентной среде при сильно различающихся режимах турбулентности, получена эмпирическая формула, позволяющая учитывать влияние турбулентного перемешивания на угол нелинейной расходимости ограниченного светового пучка. Результаты этого эксперимента хорошо согласуются с расчетами, выполненными без привлечения полуэмпирического уравнения турбулентной теплопроводности для описания установления среднего температурного профиля в среде. 2. В эксперименте обнаружен рост радиуса пространственной когерентности непрерывного лазерного излучения при тепловом самовоздействии в турбулентной среде с ростом мощности излучения. Сравнение данных эксперимента с результатами расчета, позволило сделать вывод о доминирующим характере влияния локальных тепловых линз, наведенных в области фокусировок излучения на неоднородностях среды, на его когерентность. 3. Экспериментально обнаружено усиление амплитудных и фазовых флуктуации частично - когерентного импульсного излучения со стационарной пространственной модуляцией интенсивности при тепловом самовоздействии в однородной поглощающей среде. Показано, что это является следствием неустойчивости начальных возмущений интенсивности распространяющегося в среде излучения.
Экспериментальное исследование пространственной когерентности излучения рубинового лазера
В модельных экспериментах и расчетах, результаты которых были приведены, влияние турбулентности на самовоздействие исследовалось в средах,средняя скорость движения которых относительно пучка равнялась нулю. При этом нелинейность проявляется наиболее эффективно. Для атмосферных задач распространения представляет интерес в основном случай, когда флуктуации скорости V много меньше среднего значения (/"о.
Не представляет затруднений учесть влияние среднего ветра на дефокусировку пучка в турбулентной среде. Выражение (I.I2) для средней температуры справедливо и в случае, когда Оценки влияния турбулентного перемешивания на дефокусировку в движущейся среде Г323 показывают, что флуктуации скорости V t/ 0 приводят к поправкам для угла нелинейной рас-ходимости порядка отношения у/і/10
Это несогласие привело авторов работы T3IJ к выводу, что турбулентность сказывается заметно слабее, чем дают расчеты на основе уравнения теплопроводности. При использовании предложенной в 2 модели учета турбулентности для интерпретации эксперимента [ЗІ] получается хорошее согласие результатов расчета и измерений.
Тепловая дефокусировка, как было показано в предыдущих параграфах настоящей главы, оказывает существенное влияние на формирование углового спектра лазерного пучка на выходе турбулентной среды. Рассмотрим теперь поведение другой важной статистической характеристики непрерывного излучения, распространяющегося в случайно-неоднородной среде - пространственной когерентности. Ввиду того, что к настоящему времени не получено количественное решение этой задачи, проведем ее качественное рассмотрение, которое позволит выяснить физический смысл возникающих здесь эффектов.
Если в турбулентной среде имеется внешний механизм, генерирующий неоднородности показателя преломления независимо от наличия пучка излучения, то эти неоднородности приводят к появлению фазовых флуктуации в распространяющейся волне. По мере распространения волны вглубь среды эти флуктуации ухудшают когерентность и переходят в амплитудные. Флуктуации амплитуды или интенсивности имеют продольный масштаб корреляции ч , значительно превышающий поперечный х и пучок на некотором расстоянии от входа в турбулентную среду разбивается на отдельные случайные трубки, интенсивность внутри которых оказывается больше средней. На некотором расстоянии LT концентраций энергии в них достигает слабо выраженного максимума и наблюдаются сильные флуктуации интенсивности с относительной дисперсией.
Нагрев среды излучением приводит в этих условиях к образованию сильно вытянутых неоднородностей показателя преломления длиной порядка С;/ строго коррелированных со случайным распределением интенсивности. Количественный расчет наведенных случайных возмущений показателя преломления достаточно сложен. Эксперименты же Г46, 55] свидетельствуют о том, что при Ь 1 и достаточной для теплового самовоздействия мощности имеет место расплывание случайных лучевых трубок и, как следствие, уменьшение дисперсии флуктуации интенсивности.
Наведенные пучком случайные неоднородности показателя преломления могут приводить к увеличению когерентности. Это оказывается возможным из-за появления неоднородностей, коррелированных с флуктуациями поля излучения. Можно поставить эксперимент, в котором будут проведены измерения радиуса когерентности в условиях сильных флуктуации интенсивности, и получить знак эффекта, оценку порядка его величины и выделить роль локальных перегревов на фоне общего уширения пучка, которое также приводит к улучшению пространственной когерентности поля излучения.
Одним из возможных путей измерения радиуса пространственной когерентности лазерного пучка на выходе турбулентной среды является хорошо известная методика, предложенная в работе Г67] и устанавливающая связь между радиусом когерентности 9ког и шириной фокального пятна где F - фокусное расстояние измерительной линзы, k - волновое число, d - ширина по уровню 0,5 фокального пятна.
Однако данная методика становится неприменимой при наличии тепловой дефокусировки, поскольку наведенная пучком в среде тепловая линза, во-первых, приводит к смещению области фокусировки пучка за измерительной линзой, а во-вторых, являясь аберрационной, вносит дополнительные искажения в угловое распределение интенсивности, не связанные с когерентностью. Наименее чувствительной к аберрационным искажениям и искривлению фазового фронта тепловой линзой является приосевая часть пучка и для нее применение формулы (1.26) становится оправданным.
Измерение угловых спектров было проведено на установке, описанной в 1 (рис.ІЛ). На выходе кюветы устанавливалась диафрагма диаметром 0,25 см, вырезающая приосевую часть пучка (диаметр пучка на входе в среду 0,58 см). Турбулентность создавалась в этиловом спирте, подкрашенным фуксином коэффициент поглощения ск - 0,03 см""1 и характеризовалась следующими параметрами: R.Q. я 4,5 10 , 5"и = 0,107 см/сек.
Когерентный оптический анализатор спектра двумерных сигналов
В экспериментах по исследованию распространения мощного им (пульсного светового излучения в однородной поглощакщей среде ис пользовался рубиновый лазер ГОР-300, работающий в режиме свободной генерации и дающий многомодовое излучение на длине волны 0,069 мкм. Наличие неоднородностей показателя преломления в активном элементе лазера - искусственном кристалле рубина - обуславливает появление регулярных фазовых искажений выходного излучения, что, в свою оче редь, приводит к возникновению амплитудной модуляции в его попе речном сечении. На рис.2.1 приведены фотографии пучка одномодового гелий-неонового лазера, прошедшего активный элемент лазера ГОР-300, снятые на нескольких расстояниях от кристалла. Поскольку кристалл рубина является двулучепреломляющим, то съемка производилась через поляроид, так что на фотографии приведено распределение интенсив ности только обыкновенного луча. Как видно из приведенных снимков, в сечении пучка наблюдаются искажения распределения интен сивности, являющиеся следствием фокусировок на неоднородностях показателя преломления кристалла. Продольный масштаб корреляции наблюдаемых флуктуации интенсивности, как видно из снимков, не меньше L ц »25 см. Аналогичная картина распределения интенсив ности имеет место и в выходном излучении рубинового лазера, работающего с этим активным элементом.
Отметим, однако, что фазовые искажения, вносимые неоднородностями кристалла в одномодо вый пучок Ие-А/е. лазера ишют поперечный масштаб корреляции 0,8 мм, в то время как радиус когерентности излучения лазера ГОР-300, измеренный по методике, описанной ниже, изменяется от 0,25 мм в начале до 0,1 мм к концу импульса, что, по-видимому, связано с увеличением числа поперечных мод в процессе генерации.
Это означает, что пространственная когерентность рубинового лазера определяется в основном модовой структурой пучка, а не фазовыми искажениями, вносимыми неоднородноетями активного элемента.
Прежде чем перейти к измерению количественных характеристик пространственной когерентности и флуктуации интенсивности частично - когерентного светового пучка со стационарной амплитудной модуляцией при распространении в поглощающей среде был поставлен эксперимент, целью которого явилось выяснение качественной картины влияния тепловой нелинейности на параметры такого излучения. Схема его приведена на рис .2.2.
Пучок излучения рубинового лазера ГОР-300 (I) направлялся в кювету из оптического стекла длиной 25 см, заполненную этиловым спиртом, подкрашенным метиленовой синью. Энергия излучения, равная 10 Дж на длине кюветы ослаблялась приблизительно в 2 раза. Навстречу пучку от лазера (І) в кювету направлялся пучок одномодо-вого гелий-неонового лазера мощностью 30 мВт точно такого же диаметра и идущего в кювете по тому же самому пути, что и излучение рубинового источника. Отразившись от полупрозрачного зеркала (2), излучение гелий-неонового лазера попадало в объектив (9) скоростной кинокамеры CKG -ІМ (10), которой осуществлялась съемка изображения пучка в плоскости выходного (для лазера (8)) окна кюветы. Наличие двулучепреломляющего кристалла (6) обусловлено необходимостью отвести в сторону излучение рубинового источника, чтобы избежать попадания в кинокамеру его лучей, отраженных от выходного зеркала лазера (8). Для этой цели активный элемент рубинового лазера устанавливался таким образом, чтобы направления поляризации лазеров (I) и (8) были взаимно перпендикулярны.
Такая постановка эксперимента с использованием пространственно-когерентного зондирующего источника дает возможность по фото-j снимкам визуально проследить за мелкомасштабными изменениями температуры среды, вызванными ее нагревом мощным пучком. Плохая пространственная когерентность многомодового рубинового лазера этого сделать не позволяет.
Поджиг системы накачки лазера ГОР-300 осуществлялся после запуска кинокамеры, спустя 2 сек, необходимые для набора камерой скорости съемки 3000 кадров в секунду.
На рис.2.3 приведены фотографии сечений пучка гелий-неонового лазера в различные моменты времени генерации излучения рубинового источника. Как видно из приведенных снимков, в первоначально однородном пучке зондирующего лазера во время прохождения через среду мощного излучения появляются флуктуации интенсивности. Эти флуктуа ции являются следствием фокусировок излучения на температурных не одно родное тях среды, наведенных мощным пучком.
Видно также, что структура этих флуктуации становится значительно более мелкомасштабной к концу импульса генерации рубинового источника, т.е. с увеличением его энергии.
Расчет в приближении геометрической оптики флуктуации амплитуды и фазы импульсного излучения в однородной среде
Первым импульсом с выхода схемы совпадения осуществлялся под-жиг лазера (рис .106), что позволяло при многократной съемке лазерных импульсов на одну и ту же пленку добиться совпадения их покадровой развертки с большой точностью. Все элементы измерительной системы достаточно прочно закреплены на массивной оптической скамье, что исключало дрожание и сдвиги интерференционной картины в плоскости ргистрации.
Для нахождения распределения интенсивности в полученной интер-фернционной картине на пленку впечатывался ступенчатый ослабитель. Съемка ступенчатого ослабителя осуществлялась в красном свете (А = =0,69 мкм), что исключало ошибки, связанные с зависимостью коэффициента контрастности пленки от длины волны излучения.
Обработка полученных интерферограмм проводилась на микрофотометре Ш-4. Размеры измерительной щели микрофотометра удовлетворяли условиям: высота щели равнялась вертикальному размеру интерференционных полос (высоте кадра), ее ширина была много меньше ширины полосы. Измерялась величина Iт(ц и -интенсивность в минимуме и максимуме интерференции, f =1,2, л/ , где л/-число полос в кадре. Затем находилась величина функции видное ти и строилась зависимость V от величины поперечного смещения пучков , определяемого форлулой (2.2). Взличина &, при которой V принимала значение 0,5, принималась за радиус когерентности.
Измерения проводились для трех значений длин кюветы г =5,10, 15 см. Радиус пучка, энергия излучения и коэффициент поглощения были соответственно: Ог0 =0 8 см, \л/ =10Дж, сС =0,055 см" . Относительная дисперсия флуктуации интенсивности составляла 20%. На рис .2.11 приведены значения радиуса когерентности в различные моменты времени генерации источника, изшренные на выходе трех кювет различной длины. Кривая I, соответствующая случаю линейного распространения излучения ( эС =0), одинакова для всех кювет. Уменьшение радиуса когерентности в этом случае обусловлено, как уже указывалось, увеличением числа генерируемых мод к концу импульса. Наличие в среде поглощения приводит к ухудшению когерентности тем более заметному, чем больше длина трассы (ср.кривые 2, 3, 4).
Отметим, что характерное время теплопередачи и характерное время возникновения нестационарной конвекции в эксперименте были много больше длительности светового импульса.
Экспериментальное исследование флуктуации интенсивности рубинового лазера в однородной среде. Экспериментальное исследование влияния тепловой нелинейности на флуктуации интенсивности рубинового лазера ГОР-300 было проведено на установке, схема которой приведена на рис.2.12.
Пучок излучения рубинового лазера (I) уширялся коллиматором (2), ограничивался диафрагмой (3), вырезающей его приосевую часть с равномерным в среднем распределением интенсивности. Диаметр пучка за диафрагмой равен 1,6 см. Далее пучок направлялся в кювету из оптического стзкла (4) длиной 2 =25 см, заполненную этиловым спиртом, подкрашенным метиленовой синью. Энергия излучения лазера ослаблялась в 2,7 раза на длине кюветы. Съемка производилась со скоростью около 2500 кадров в секунду, что обеспечивало развертку лазерного импульса длительностью 6,5 мсек на 15 кинокадров.
Количественное исследование изменений флуктуации интенсивности с ростом энергии излучения проводилось путем обработки полученных фотографий . С учетом характеристической кривой пленки, построенной по впечатанному на нее ступенчатому ослабителю, по ее почернению рассчитывалось распределение интенсивности сетки с размерами —- , где ь =0,64 см -ширина стороны квадрата, расположенного в центре пучка, т =128 -число точек разбиения по каждой оси. С помощью быстрого преобразования Фурье вычислялись двумерные спектры флуктуации интенсивности.
На рис.2.13 приведены фотографии, сделанные с экрана дисплея ЭШ оцифрованного фрагмента пучка и рассчитанного двумерного спектра флуктуации интенсивности. Более яркие точки на фотографии спектра соответствуют большим значениям спектральной плотности.
Далее проводилось определение полученного двумерного спектра фрагмента "по кругу", т.е. находилось среднее значение спектральной плотности Ftfy)
