WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В литературном обзоре (глава 1) проведен сравнительный анализ чувствительности и функциональных возможностей методов когерентного (оптическое гетеродинирование и гомодинирование, внутрилазерный прием) и некогерентного (прямая фоторегистрация) приема слабого оптического излучения. Показано, что в большинстве случаев чувствительность когерентного приема выше чувствительности прямой фоторегистрации и только в особых условиях при использовании фотоприемников с высоким внутренним усилением или при использовании преддетекторного усиления в ОКУ они одного порядка. Наряду с высокой чувствительностью когерентные методы обладают большей информативностью по сравнению с прямой фоторегистрацией, так как позволяют, помимо амплитудной, регистрировать еще частотную и фазовую модуляцию в излучении.

Внутрилазерный прием обладает всеми достоинствами традиционного лазерного гетеродинирования, но при этом обеспечивает существенно более высокую чувствительность и значительно более широкие функциональные возможности измерительных методик, реализованных Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 755 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/067.pdf на его основе. На основании проведенного анализа формулируются основные задачи, которые необходимо решить в диссертации.

Глава 2 посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию амплитудно-частотных характеристик одномодовых и двухмодовых лазеров с различной инерционностью активных сред при инжекции слабого внешнего излучения, и изучению факторов, позволяющих повысить чувствительность внутрилазерного приема. Теоретический анализ проведен в общей постановке, когда лазер-приемник, в качестве которого может быть использован, как одномодовый, так и двухмодовый лазер, регистрирует внешнее излучение, например, излучение другого однотипного лазера, и в частности собственное отраженное излучение. В результате расчета определены величины изменения частоты и мощности р генерации лазера-приемника с безынерционной активной средой, при инжекции в него внешнего излучения отраженного от отражателя, установленного на расстоянии от лазера-приемника:

В случае одномодовой генерации лазера-приемника:

* = sin(ft - 2ke ) (1) * 0 Гp(I) = PinPout cos(ft - 2ke ) (2) 2 0 -Г1 + f В случае двухмодовой генерации (регистрируемое излучение имеет ту же поляризацию, что и р1):

1 a Г2 b ( ( p1II) = p(I), p(II) = - p1II), Г2=SГS a + b a Г2 + f Здесь, - эффективный амплитудный коэффициент отражения внешнего отражателя, Рout – мощность регистрируемого излучения, Pin – средняя мощность генерации лазера-приемника, f – разность частот регистрируемого излучения с волновым числом kе и излучения лазера–приемника, = c(1- 12 ) / L - полоса резонатора лазера длиной L, образованного зеркалами с амплитудными коэффициентами отражения 1,2, с - скорость света, величина * = (c /L)(2 / 2) может рассматриваться как полоса фиктивного резонатора с коэффициентом пропускания выходного зеркала 2, и не имеющего других потерь, Г1 = (0 -1) / 0 - полоса реакции одномодового лазера-приемника на внешнее излучение, 0 - превышение ненасыщенного усиления над потерями, S=(a-b)/(a+b) – фактор межмодовой связи, a - параметр собственного насыщения усиления, b параметр перекрестного насыщения, слабо отличающийся от a.

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 756 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/067.pdf a (о.е) a (о.е) 1.0.0.0.0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.Р (о.е) Р (о.е) out in Рис.1 Зависимость амплитуды изме- Рис.2 Зависимость амплитуды измененения мощности генерации лазера- ния мощности генерации лазераприемника от мощности внешнего приемника от средней мощности генеизлучения Pout рации Pin Выражение (2) показывает, что регистрация на лазер является гетеродинной. Об этом свидетельствует линейная зависимость р от амплитудного коэффициента отражения или корневая - от мощности регистрируемого излучения. Отношение полос в (2) свидетельствует о том, что в резонаторе лазера накапливается поле отраженной волны, как в интерферометре Фабри-Перо. В то же время лазерный гетеродин является нелинейным, выполняющим функцию квадратичного фотодетектора обычных оптических гетеродинов. Гетеродинный сигнал р формируется уже в активной среде лазера, а роль фотодетектора заключается в фотоэлектрическом преобразовании сигнала. Амплитуда модуляции мощности может достигать очень больших значений вблизи порога генерации (00), величина 0/(0-1) определяет автодинное усиление при внутрилазерном приеме.

При использовании двухмодовых лазеров чувствительность внутрилазерного приема значительно повышается за счет конкуренции мод в активной среде. Повышение определяется величиной 1/S, для лазеров с сильной конкуренцией S~10-1-10-2. Однако, при этом, в S раз уменьшается полоса реакции Г2.

Выводы теоретического анализа были проверены в эксперименте. На рис.1,2 представлены экспериментально полученные зависимости амплитуды изменения мощности в одномодовом лазере-приемнике (He-Ne лазер с =3.39 мкм) от мощности регистрируемого излучения и средней мощности лазера-приемника.

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 757 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/067.pdf p(II)/p(I) a2 (о.е.) 1. - S=0.0. - S=0. - S=0.0.0.0.0 0.0 2 4 6 8 0 50 100 150 200 f (МГц) m (МГц) Рис.3 Зависимость амплитуды моду- Рис.4 Амплитудно-частотная халяции мощности в двухмодовом режи- рактеристика двухмодового лаземе к одномодовому от межмодового ра-приемника.

расщепления Были проведены экспериментальные исследования характеристик двухмодовых лазеров при их использовании для внутрилазерного приема излучения. Использовался He-Ne зеемановский лазер (а) и He-Ne лазер с фазоанизотропным резонатором (б) (=3.39 мкм) с генерацией на круговых и линейных ортогонально поляризованных модах, соответственно.

На рис.3 представлены экспериментальные зависимости p(II)/p(I) от межмодового расщепления. Видно, что при 1,2=10 МГц амплитуда реакции двухмодового лазера более чем на порядок выше амплитуды реакции одномодового лазера. С уменьшением фактора связи S увеличивается амплитуда реакции мощности лазера и, соответственно, уменьшается полоса реакции Г2 (рис.4). В работе экспериментально показано, что реакция мощности у зеемановского лазера меньше, а полоса реакции больше, чем у лазера с фазоанизотропным резонатором.

Теоретически выявлен и при использовании СО2 лазера волноводного типа экспериментально подтвержден резонансный характер реакции мощности лазера-приемника с сильной инерционностью активной среды.

Проведенный расчет показал, что амплитуда изменения мощности испытывает резонанс pmax = p0 / a(0 -1)/ 0 ~ 104p0 с шириной 3a0 на разностной частоте fрез = a(0 -1). Здесь а – принятая одинаковой для обоих лазерных уровней ширина, р0 – амплитуда изменения мощности лазера с безынерционной активной средой. Экспериментально измеренная частота Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 758 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/067.pdf резонанса мощности СО2 лазера f=350±20 кГц соответствует времени релаксации рабочих уровней лазерного перехода ~310-4с, что согласуется с известными данными для этого типа лазеров.

Глава 3 посвящена исследованию эффективности внутрилазерного приема частично когерентного излучения и повышению чувствительности приема при использовании приемо-передающих оптических систем. Рассмотрены вопросы приема лазерного излучения, отраженного с нарушением пространственной когерентности от удаленных отражателей. Величина сигнала регистрации, в этом случае, определяется согласованием отраженного монохроматического света с угловой и линейной апертурами приемного устройства. При этом, как известно, качество согласования для традиционных лазерных гетеродинов 2и 2при внутрилазерном приеме, в р, о.е. р /R, о.е.

отличие от прямого фотодетектирования, зависит от комплексной величины µ степени пространственной когерентности света на входной апертуре 0.1.приемника. Поэтому в работе проведено изучение характеристик частично когерентного отраженного излучения и закономерностей его 0.0.распространения без ограничения на углы падения и отражения. В результате показано, что в дальней зоне отраженного излучения сущест0.вует параболическая, близкая к сферической, поверхность регулярной 0.фазы с центром в центре освещенного пятна. Это дало основание ввести 0.в рассмотрение степень пространственной когерентности, как функцию угловых перемещений, так же, как интенсивность излучения представля0.0.ется функцией углов наблюдения. Получены соотношения связывающие интенсивность и пространственную когерентность в дальней зоне с пространственной когерентностью и интенсивностью на отражателе и в изо0.0 0.0 4 0 4 6 R,см 0.00 0.02 0.04 0.06 0.00 0.02 0.04 0.06R,см бражении 2проектирующих оптических систем с 2учетом их апертурных ограничений. Показано, что при угловой апертуре приемного устройства, Рис.5 Зависимость гетеродинного Рис.6 Зависимость эффективности сигнала от радиуса апертуры прие- внутрилазерного приема от радиуса малой по сравнению с углом рассеяния от отражателя, в приближении мопередающего телескопа при внут- апертуры приемопередающего мягкой диафрагмы принимаемую часть отраженного лазерного телеизлучения рилазерном приеме скопа можно представить частично когерентным гаусовым пучком с волновым параметром, определяющимся длиной волны, радиусом перетяжки и количеством пятен когерентности.

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 759 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/067.pdf Проведен теоретический анализ эффективности регистрации отраженного лазерного излучения при приеме большого количества пятен когерентности. Показано, что в это случае расчет эффективности согласования можно провести в представлении геометрической оптики. Применимость геометрических представлений для согласования отраженного лазерного излучения с приемной системой была проверена в эксперименте с использованием ОКУ.

При гетеродинном приеме, как известно, регистрируется примерно одно пятно когерентности и, следовательно, эффективно действующий апертурный угол проектирующей системы сравним с углом когерентности, а соответствующий эффективный радиус когерентности на отражателе – с радиусом светового пятна. Для внутрилазерного приема, кроме этого, необходимо учитывать, что сигналы регистрации по мощности и частотам генерации вырабатываются по всей длине активной среды лазера. В результате проведенного анализа, показано, что согласование частично когерентного гауссова пучка с гетеродинным достигается одновременно во всей каустике гетеродина и может применяться при внутрилазерном приеме. Расчитаны величины гетеродинного сигнала при традиционном лазерном гетеродинировании и при внутрилазерном приеме в зависимости от углового увеличения и апертурного ограничения проектирующей оптической. В работе была проведена теоретическая и экспериментальная оценка возможного повышения эффективности внутрилазерного приема отраженного излучения при использовании приемопередающего телескопа (рис.5,6). Как видно, экспериментальные значения (показаны точками) хорошо согласуются с расчетной кривой. При используемом в эксперименте угловом увеличении телескопа, эффективность приема максимальна при радиусе главного зеркала 3 см. Показано, что в условиях спокойной атмосферы радиус апертуры приемопередающего телескопа можно довести до величин ~10 см и повысить эффективность внутрилазерного приема на 3 порядка по сравнению с приемом без телескопа.

Глава 4 посвящена разработке двухканального интерферометра на основе внутрилазерного приема отраженного излучения. Как видно из (1) и (2) изменения мощности и частоты генерации лазера-приемника, при регистрации собственного отраженного излучения гармонически зависят от оптической длины пути света до отражателя. Поэтому внутрилазерный прием может быть положен в основу интерферометрических методик для измерений перемещений или изменений показателя преломления среды.

В месте с тем внутрилазерный прием, обладающий высокой чувствительностью, позволяет проводить такие измерения при использовании удаленных отражателей с низким коэффициентом отражения, в том числе при использовании отражателей с диффузным характером поверхности.

Принцип работы интерферометра основан на перекрестном воздействии отраженного излучения на моды двухмодового лазера-приемника.

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 760 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/067.pdf Для этого на пути света к отражателю устанавливается четвертьволновая фазовая пластинка, взаимно преобразующая поляризации излучений мод с частотами 1 и 2. В результате перекрестного воздействия отраженных волн на моды возникает модуляция мощности обеих мод на разностной частоте f=2-1:

p1,2 ±P sin(2k )sin(ft) (I-канал) S - 2 + f и появляется вторая гармоника в сигнале межмодовых биений:

Ub P cos(2k )cos(2ft) (II-канал).

2 f Полезные сигналы реализуются на высоких несущих частотах f и 2f, существенно превышающих диапазон фликкер-шумов фотоприемников.

Изменение оптической длины пути вызывает соответствующие изменения в амплитудах модуляций по каждому из каналов. Сигналы демодулируются при гетеродинировании с сигналом межмодовых биений и сигналом удвоенной частоты и поступают на вход быстродействующей платы аналого-цифрового преобразователя компьютера. Использование двух каналов позволяет реализовать идеологию квадратурного интерферометра и дает возможность измерять с высокой фотоэлектрической точностью изменения оптической длины, много большие длины волны излучения и одновременно контролировать коэффициент отражения поверхности отражателя.

При разработке интерферометра за основу был принят двухмодовый зеемановский He-Ne лазер с =3.39 мкм, межмодовым расщеплением f=МГц и экспериментально измеренной полосой реакции 17 МГц. При испытании работоспособности интерферометр показал высокие рабочие характеристики (см. положения выносимые на защиту).

Интерферометр был использован для одновременного контроля меняющегося во времени показателя преломления и коэффициента отражения при исследовании эрозионного капиллярного разряда в воздухе.

Сложность эксперимента заключалась в том, что в наиболее интересном варианте зондирования разряда вдоль его оси можно было использовать только отражение от поверхности графитового катода с ef~0,1. К тому же, в процессе развития разряда поверхность катода модифицировалась и менялся коэффициент отражения. Оптическая длина пути в разряде менялась на несколько длин волн, при этом требовалась точность измерений не хуже одной сотой длины волны. Этим условиям известные интерферометрические средства не удовлетворяют. С помощью разработанного прибора были получены зависимости (t) и ef(t). В частности, в результате однократного разряда, длящегося 6 мс, наблюдалось уменьшение амплитудного коэффициента отражения катода на 5%.

Pages:     | 1 || 3 |






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