WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 747 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/067.pdf

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ Андрей Петрович ВНУТРИЛАЗЕРНЫЙ ПРИЕМ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И РАЗРАБОТКА ДВУХКАНАЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА НА ЕГО ОСНОВЕ 01.04.21 – лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2000 Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 748 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/067.pdf

Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете)

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, с.н.с. Козин Г.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Ермаченко В.М., доктор физико-математических наук, профессор Киселев М.И.

Ведущая организация: Физический институт им П.Н. Лебедева РАН

Защита состоится «01» марта 2000 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета К053.03.08 в МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, 31, тел. 323-91-67, 324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «21» января 2000 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., в.н.с. Корнилов С.Т.

Подписано в печать.01.2000 г. Тираж 100 экз. Заказ.

Типография МИФИ, Каширское шоссе, 31 Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 749 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/067.pdf

Общая характеристика работы

Актуальность работы Лазеры, обладая высокой спектральной интенсивностью, исключительно высокой монохроматичностью и направленностью излучения, вот уже более 30 лет являются основным инструментом в оптических информационных, измерительных и диагностических методиках. В различных областях науки и техники лазеры используются для прецизионного контроля перемещений, в интерферометрии, дальнометрии и локации, в оптических линиях связи и для оптической обработки информации. Использование лазеров в спектроскопии и газоанализе позволило достичь чувствительности и спектрального разрешения ранее не доступных оптическим методам. Лазерные интерферометры при использовании их для измерений показателя преломления, вызванного изменениями свойств среды служат эффективным инструментом для различных химических и физических исследований, в качестве средств контроля за состоянием среды в разнообразных технологических процессах. Ярким примером такого рода измерений является применение лазерных интерферометрических методов для диагностики плазмы.

Большим достоинством лазерных измерительных и диагностических методов является их бесконтактность, то есть отсутствие воздействия на измеряемый объект в процессе измерения. Немаловажное значение имеет дистанционность измерений, так как измеряемый объект может находиться на значительном расстоянии от источника и приемника излучения.

Вместе с тем, их преимущество заключено в малом времени измерений, определяющемся в первую очередь скоростью распространения электромагнитных волн. Весьма высока чувствительность и точность измерений.

Пространственное разрешение при измерениях может быть доведено до величины порядка длины волны зондирующего излучения.

В большинстве задач дистанционных лазерных измерений и диагностики существует проблема приема и демодуляции слабого излучения при его распространении в поглощающих средах или после отражения от удаленных искусственных или естественных объектов. В этих условиях чувствительность и точность измерений определяется эффективностью используемой фотоприемной системы. В лазерных измерительных системах традиционно используют три основных метода:

• Прием, основанный на фотоэлектрическом эффекте (метод прямой фоторегистрации);

• Гетеродинный прием. Принимаемый оптический сигнал смешивается с сигналом местного генератора (гетеродина), отличающимся по частоте, и возникающие биения усиливаются и демодулируются радиотехническими методами;

• Гомодинный прием. Принимаемый оптический сигнал смешивается с излучением местного гетеродина с той же частотой и фазой.

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 750 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/067.pdf В реальных условиях чувствительность приемной системы ограничена тепловым и фликкер-шумом фотоприемника. В гетеродинных приемниках чувствительность ограничивается шумами мощности и нестабильностью частоты генерации лазера-гетеродина. В большинстве случаев чувствительность гетеродинного приема выше прямой фоторегистрации и только в особых условиях при использовании фотоприемников с высоким внутренним усилением или при использовании преддетекторного усиления в оптических квантовых усилителях (ОКУ) они одного порядка. Наряду с высокой чувствительностью гетеродинный метод обладает большей информативностью по сравнению с прямой фоторегистрацией, так как позволяет помимо амплитудной, регистрировать еще частотную и фазовую модуляцию в излучении.

Весьма перспективным методом приема слабого оптического излучения является метод внутрилазерного приема. В этом случае информация содержится в изменении генерации лазера при попадании в его резонатор регистрируемого излучения. Внутрилазерный прием обладает всеми достоинствами традиционного лазерного гетеродинирования, но при этом обеспечивает существенно более высокую чувствительность. Кроме того, внутрилазерный прием обладает качественным отличием. При воздействии внешнего излучения изменяются как мощность, так и частота генерации лазера. Поэтому, кроме традиционного канала регистрации по изменению мощности, для лазеров существует второй канал регистрации по изменению частот генерации. Как известно, точность частотных измерений гораздо выше амплитудных. Использование двух каналов регистрации позволяет измерять одновременно две величины, например, перемещение отражателя и коэффициент отражения от его поверхности.

Внутрилазерный прием отраженного излучения может проводиться либо самим лазером-излучателем, либо другим однотипным лазером, что обеспечивает богатые функциональные возможности измерений и диагностики. На этой основе могут быть разработаны новые измерительные методики, обеспечивающие высокую чувствительность, точность, быстродействие, большой динамический диапазон измерений и новые функциональные возможности. Широкие возможности использования метода внутрилазерной регистрации в различных диагностических и измерительных методиках [1*-7*] и показанные им высокие эксплуатационные характеристики [8*-11*] подтверждают актуальность детального изучения этого метода и разработки на его основе новых дистанционных измерительных методик.

Цель и задачи диссертационной работы.

Целями диссертационной работы являются:

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 751 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/067.pdf 1. Разработка метода внутрилазерного приема оптического излучения с помощью одномодовых и двухмодовых лазеров и изучение их характеристик с целью повышения эффективности приема.

2. Разработка двухканального лазерного интерферометра на основе внутрилазерного приема отраженного излучения.

В соответствии с поставленными целями в диссертации решаются следующие задачи:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование характеристик одномодовых лазеров с различной инерционностью активных сред при инжекции внешнего излучения.

2. Теоретическое и экспериментальное исследование характеристик двухмодовых лазеров с различным характером поляризаций излучения генерирующих мод при инжекции внешнего излучения.

3. Теоретическое и экспериментальное исследование характеристик и закономерностей распространения излучения с нарушенной пространственной когерентностью.

4. Повышение чувствительности внутрилазерного приема частично когерентного излучения при использовании широкоапертурных приемопередающих телескопических систем.

5. Исследование характеристик двухмодовых лазеров при перекрестном воздействии мод друг на друга при отражении от внешнего отражателя.

6. Разработка двухканального лазерного интерферометра и исследование его рабочих характеристик.

7. Применение разработанного интерферометра для исследования динамики показателя преломления плазмы эрозионного капиллярного разряда в воздухе.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации, состоит в следующем:

1. Показано, что лазер в качестве приемника оптического излучения является двухканальным гетеродинным приемником, включающим в себя функцию детектирования гетеродинного сигнала. Гетеродинными сигналами служат изменения мощности и частоты генерации лазераприемника.

2. Показано, что чувствительность внутрилазерного приема выше, чем у обычного лазерного гетеродина. Она определяется: накоплением поля отраженной волны в резонаторе лазера-приемника, и автодинным усиЭлектронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 752 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/067.pdf лением сигнала, величина которого возрастает при приближении к порогу генерации.

3. Выявлен резонансный характер реакции мощности на внешний оптический сигнал лазера-приемника с сильной инерционностью активной среды.

4. Показано, что конкуренция мод в активной среде двухмодового лазера является дополнительным фактором, увеличивающим чувствительность внутрилазерного приема.

5. Получены экспериментальные зависимости фактора межмодовой связи от межмодового расщепления в лазерах с различным характером поляризаций мод. Экспериментально показано количественное отличие коэффициентов собственного и перекрестного насыщения для обоих типов лазеров.

6. Показано, что отраженное лазерное излучение представляет собой частично когерентный гаусов пучек с волновым параметром, определяющимся длиной волны, радиусом перетяжки и количеством пятен когерентности.

7. Показано, что при внутрилазерном приеме частично когерентного излучения эффективно действующий радиус входной апертуры приемопередающего телескопа может быть доведен до величин ~10 см.

Практическая ценность результатов диссертационной работы:

1. Предложен метод формирования двух информативных сигналов в лазерном интерферометре с использованием перекрестного взаимодействия мод лазера-приемника.

2. Разработан и испытан двухканальный интерферометр, обладающий высокими рабочими характеристиками.

3. Интерферометр применен при исследованиях эрозионного капиллярного разряда в воздухе.

4. Результаты работы могут быть использованы для разработки новых методик и создания на их основе высокочувствительных измерительных и диагностических дистанционных приборов и комплексов для решения научных и практических задач:

• в научном приборостроении - при разработке высокочувствительных, широкодиапазонных и быстродействующих интерферометрических измерительных средств;

• в авиакосмической отрасли - при разработке оптических локаторов и дальномеров нового поколения;

• на газопроводном транспорте, на газохранилищах, в городских Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 753 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/067.pdf газовых сетях - при разработке дистанционных газоанализаторов для мобильного контроля утечек, в том числе при использовании автомобильных и воздушных средств;

• в диагностике плазмы, и в частности на крупномасштабных установках УТС типа Токамак;

• в медицине - при разработке новых диагностических приборов и методик, связанных с контролем за состоянием тканей.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Факторами, определяющими чувствительность и быстродействие внутрилазерного приема, являются:

• накопление поля внешней волны в резонаторе;

• автодинное усиление сигнала;

• инерционность активной среды;

• конкуренция мод в активной среде.

2. Отраженное лазерное излучение представляет собой частично когерентный гаусов пучек с волновым параметром, определяющимся длиной волны, радиусом перетяжки и количеством пятен когерентности.

3. При внутрилазерном приеме частично когерентного излучения эффективно действующий радиус входной апертуры приемо-передающего телескопа может быть доведен до величин ~10 см 4. Рабочие характеристики двухканального интерферометра:

• Минимальный эффективный коэффициент отражения по мощности при котором интерферометр сохраняет работоспособность:

(эф)2=6.410-11Гц -1/2.

• Чувствительность измерений оптической длины при единичном коэффициенте отражения: =1.410-9 смГц -1/2.

• Временное разрешение: ~ 10 нс.

Доклады на конференциях Результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:

1. XXIV Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС. (17-февраля, Звенигород, 1997) 2. Научная сессия МИФИ-98 (21-23 января, МИФИ, Москва, 1998) 3. XI конференция по физике газового разряда. (июнь, Рязань, 1998) 4. Российский семинар «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (8-9 июЭлектронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 754 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/067.pdf ня, Москва, 1998) 5. Научная сессия МИФИ-99 (18-22 января, МИФИ, Москва, 1999) 6. Международная конференция «Физика атмосферного аэрозоля» (1217 апреля, Москва, 1999) 7. III международная научно-техническая конференция «Инженернофизические проблемы авиационной и космической техники» (1-4 июня, Егорьевск, 1999) 8. International symposium Plasma’99 “Research and applications of plasmas” (July 7-9, Warsaw, Poland, 1999) 9. 6 Всероссийская научно-техническая конференция «Состояние и проблемы измерений» (23-25 ноября, Москва, 1999) 10. Научная сессия МИФИ-2000 (17-21 января МИФИ, Москва, 2000) Публикации По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них статьи и 11 тезисов докладов. Их список приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из 4 глав, содержит 115 страниц текста, 67 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 173 названий.

Содержание работы Во введении к диссертации дается краткая характеристика работы, сформулирована ее цель и актуальность.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»