WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 5 06;07 Оптимизация лидара с полупроводниковыми лазерами для зондирования молекулярного иода и водорода в атмосфере © Р.Н. Веремьев, В.Е. Привалов, В.Г. Шеманин Балтийский государственный технический университет, 198005 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 17 сентября 1998 г. В окончательной редакции 25 октября 1999 г.) Решается лидарное уравнение для комбинационно рассеянного назад молекулами J2 и H2 излучения полупроводникового лазера. Полученные результаты показывают возможность оптимального выбора длины волны для зондирования исследуемых молекул в атмосфере на расстоянии до 2 km.

В продолжение исследований, начатых нами в [1,2], направлении. Следовательно, можно получить лазерные проведено численное моделирование лидара комбина- импульсы длительностью 100 ns с частотой следования ционного рассеяния (КР) с полупроводниковыми лазе- до 200 kHz на длинах волн 419, 678, 780 и 820 nm рами для дистанционного зондирования молекулярного и с пиковыми мощностями 5 и 10 W. Высокая частота водорода и иода в атмосфере. Применение полупровод- следования импульсов позволит при регистрации лидарниковых лазеров в спектроскопических экспериментах ного сигнала сократить время накопления импульсов при в [3,4] позволяет сделать предположение о возможности сохранении дистанции зондирования для эффективной их использования и в лазерных системах дистанционного мощности, определяемой в соответствии с [7] как PN1/2.

зондирования. А появление сообщений [5,6] о создании Целью настоящей работы является численное решеголубого лазерного диода со следующими характери- ние лидарного уравнения для рассеянного назад КР стиками: квазинепрерывная мощность на длине вол- молекул J2, H2 и его изотопных аналогов. Решение ны 419 nm 135 mW при частоте следования импульсов производится для полупроводниковых лазеров с такими 20 kHz и импульсная мощность 5 W при длительности параметрами с целью выбора оптимального варианта импульса 10 ns открывает новые перспективы в этом лидарной системы. Лидарное уравнение для КР (рассеянТаблица 1. Значения сечений и длин волн полос КР молекул водорода и его изотопных аналогов и иода, рассчитанные для длин волн полупроводников лазеров Молекула H2 D2 T2 HD HT DT d, sm 4160 2951 2402 3604 3398 2686 · 1030, sm2/sr d, nm R, nm Лазер 419 507.45 478.12 465.89 493.53 488.56 472.14 3.678 944.35 847.58 809.9 897.24 880.96 828.96 0.780 1154.7 1013.2 959.83 1085 1061.3 986.73 0.820 1244.5 1081.8 1021.1 1164 1136.7 1051.6 0.Эксперимент 337 391.95 374.22 366.68 383.59 380.58 370.54 8.Молекула J2 Nd d, sm-1 213 · 1030, sm2/sr · 1030, sm2/sr d d 0, nm R, nm R, nm Лазер 419 422.77 8.09610017 464.33 1.678 687.93 1.18090018 805.2 0.780 793.18 0.64714537 953.24 0.820 834.58 0.55192054 1013.7 0.Эксперимент 337 365.72 3.514.4 584.45 0.546 552.42 17 488 493.13 4.8 116 Р.Н. Веремьев, В.Е. Привалов, В.Г. Шеманин Таблица 2. Значения коэффициента ослабления в атмосфере, сечение КР исследуемой молекулы; NA — концентрация относительной спектральной чувствительности ФЭУ и спекмолекул; R — расстояние до точки зондирования.

тральной яркости фонового излучения Солнца, рассчитанные Длина волн полос КР для исследуемых молекул I2, H2, для длин волн полупроводниковых лазеров и длин волн полос D2, T2, HD, HT и DT были рассчитаны по формуле КР исследуемых молекул, nm k0, km-RH = 1 -, (2) 419 0.678 0.где — частота собственных колебаний исследуемых 780 0.молекул. Эти частоты для I2, H2, D2 взяты из работ [9], 820 0.а для изотопных аналогов T2, HD, HT и DT были R, nm k, km-1 p, () Sb, W/m2 · sr · nm рассчитаны по правилу сумм квадратов [10] и приведены во второй строке табл. 1. Результаты расчетов длин волн 507.5 0.1685 0.89 15.КР также сведены в табл. 1.

944.4 0.1237 0.54 Дифференциальное сечение колебательного КР для 1154.7 0.1154 0.71 3.случая линейной поляризации лазерного излучения и 1244.5 0.1127 0.79 2.регистрации обеих поляризаций рассеянного назад излу478.1 0.18 0.98 13.чения, следуя [8] и заменяя циклическую частоту на 847.6 0.13 0.45 7.1013.2 0.1197 0.6 4.9 длину волны, можно определить по формуле 1081.8 0.1175 0.66 4.164b2gj 465.9 0.189 1 13.7 d j = 2 + 2, (3) j j 809.9 0.1327 0.42 8.d 4[1 - exp(-hc/kT )] j 959.8 0.1226 0.55 1021.1 0.1193 0.61 4.где bj — амплитуда нулевых колебаний j-й моды; gj — 493.5 0.17 0.95 14.степень ее вырождения; 3j и j являются соответ 897.2 0.1269 0.5 5.ственно следом и анизотропией тензора производной 1085.0 0.1175 0.66 4.поляризуемости молекулы по нормальной координате qj;

1164.0 0.1151 0.72 3.T — колебательная температура молекул; k, h — со488.6 0.1723 0.96 14.ответственно постоянные Больцмана и Планка; c — 881.0 0.1279 0.48 8.скорость света.

1061.3 0.1182 0.64 4.Оставляя только зависисимоть от, формулу (3) 1136.7 0.1159 0.7 3.можно переписать в виде 472.1 0.1845 0.99 13.829.0 0.1314 0.44 7.d 986.7 0.1202 0.58 A/4, (4) 1051.6 0.1184 0.63 4.6 d j 422.8 0.224 0.82 11.где постоянная A определена по известному значению 687.9 0.1419 025 11.793.2 0.1338 0.41 9.1 сечения для азотного лазера с 0 = 337.1nm — d 834.6 0.131 0.44 6.= 8.7 · 10-30 sm2/str [8], приведенному в d j 464.3 0.19 1 13.последней строке табл. 1, и ее значение равно 805.2 0.133 0.415 8.A = 1.122 · 10-19 sm2 · nm4/str (значения сечений КР для 953.2 0.1231 0.55 выбранных длин волн лазеров приведены в последнем 1013.7 0.1196 0.6 4.столбце табл. 1).

Остальные параметры задачи в уравнении (1) имеют следующие значения: R = 15 m для времени измерения td = 100 ns; A2 = 0.008 m2; K2 = 0.495 для длины ного назад) запишем, как и в [8], в виде волны 532 nm в соответствии с [11]; пиковые мощности лазерного импульса P0 = 1 и 10 W; расстояние зондиd P(, R) =P0(0)K1RA2T(0)T () Na/R2, (1) рования R = 0.1, 0.5, 1.0 и 2.0 km; концентрация исслеd дуемых молекул 1019 и 1016 sm-3, значения спектральгде P(, R) — мощность сигнала КР на фотоприемнике ной чувствительности фотокатодов ФЭУ-79 и лавинного на длине волны, приходящая с расстояния R; P0(0) — фотодиода ЛФД-1А взяты из [12] и их относительные мощность лазера и его длина волны; K1 — постоянная величины сведены в третий столбец табл. 2, пропускание лидара; R — шаг по расстоянию; A2 — площадь при- атмосферы рассчитывалось, как и в [8], по значениям емного телескопа; T(0), T() — пропускание атмосфе- коэффициента ослабления k, которые взяты из [13], и для ры соответственно на длине волны лазерного излучения интересующих нас длин волн представлены во втором и сигнала обратного КР; (d/d) — дифференциальное столбце табл. 2.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Оптимизация лидара с полупроводниковыми лазерами для зондирования молекулярного иода... Таблица 3. Результаты расчетов мощности обратного КР исследуемых молекул для четырех длин волн полупроводниковых лазеров мощностью 10 W, дистанций зондирования 0.1–2.0 km и концентрацией молекул 1019 sm-H2 D2 T2 HD HT DT J2 NR, km Na, nm 1E + 19 1E + 19 1E + 19 1E + 19 1E + 19 1E + 19 1E + 19 1E + P0, W 10 10 10 10 10 10 10 0.1 0, nm P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) pW pW pW pW pW pW pW pW 419 0.1852 0.2037 0.2077 0.1976 0.1997 0.2057 0.3773 0.678 0.0166 0.0138 0.0129 0.0153 0.0147 0.0135 0.017 0.780 0.0125 0.0105 0.0097 0.0116 0.0112 0.0102 0.016 0.820 0.0114 0.0095 0.0088 0.0104 0.0101 0.0091 0.0141 0.0.5 0, nm P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) fW fW fW fW fW fW fW fW 419 6.3491 6.951 7.061 6.772 6.8354 7.0062 12.652 2.678 0.5957 0.4948 0.4612 0.5507 0.5284 0.4835 0.6077 0.780 0.4513 0.3806 0.3484 0.4191 0.4062 0.3678 0.5743 0.820 0.4122 0.3436 0.3172 0.3752 0.3647 0.3278 0.5059 0.1 0, nm P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) fW fW fW fW fW fW fW fW 419 1.309 1.4249 1.4409 1.3951 1.4066 1.433 2.5372 0.678 0.1302 0.1078 0.1004 0.1202 0.1152 0.1053 0.1316 0.780 0.0996 0.0838 0.0766 0.0924 0.0895 0.0809 0.1255 0.820 0.0912 0.0758 0.0699 0.0829 0.0805 0.0723 0.1109 0.2 0, nm P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) P(, R) fW fW fW fW fW fW fW fW 419 0.2226 0.2395 0.24 0.2369 0.2383 0.2398 0.4081 0.678 0.0249 0.0205 0.019 0.0229 0.0219 0.02 0.0247 0.780 0.0194 0.0162 0.0148 0.0179 0.0174 0.0157 0.024 0.820 0.0178 0.0148 0.0136 0.0162 0.0157 0.0141 0.0213 0.Используя приведенные выше данные, были проведе- Однако все эти расчеты выполнены для случая отсутны численные расчеты мощности КР по уравнению (1) ствия фоновой засветки или для ночного зондирования.

Так как фоновое излучение Солнца оказывает сильное для двух значений концентраций исследуемых молекул, влияние на регистрируемую лидаром мощность КР, были выбранных длин волн и пиковых мощностей полупроводвыполнены расчеты фоновой мощности на фотоприемниниковых лазеров в диапазоне расстояний зондирования ке Pb(, R) и рассмотрено влияние фоновой засветки на от 0.1 до 2.0 km с целью поиска оптимального варианта потенциальные возможности лидара. Как самые тяжелые лидарной системы. Результаты расчетов для всех моледля работы лидара были выбраны условия яркого солнечкул приведены в табл. 3. В последнем столбце для сравного дня и с использованием данных [14,15] (из-за ненения приведены результаты расчетов для N2. Из табл. определенности положения оси телескопа относительно следует, что увеличение мощности лазерного излучения направления на Солнце) было построено спектральное ведет к пропорциональному увеличению мощности КР, распределение фонового излучения Sb(), приведенное а уменьшение концентрации зондируемых молекул вев последнем столбце табл. 2. Используя эти значения дет соответственно к пропорциональному уменьшению Sb(), по уравнению мощности КР без изменения спектральной зависимости сомножителей, входящих в лидарное уравнение (1). С Pm(, R) =1.5Sb()T (, R)K2p()A2(R), (7) увеличением расстояния сигнал КР уменьшается на два порядка от 0.1 до 1 km и еще на порядок от 1 до 2 km.

где (R) — телесный угол поля зрения приемного теАнализ этих результатов показывает, что оптимальным лескопа, — спектральная ширина приемного тракта, является использование в такой системе голубого лазера аналогичного [15], были рассчитаны значения фоновой с длиной волны 419 nm, который позволяет получить мощности Pb(, R) для нашего случая. Минимально домаксимальное значение мощности КР для всех молекул пустимое отношение сигнал/шум принято равным 1.5 [8].

в диапазоне расстояний 0.1-2.0km. Полученные результаты расчетов представлены в табл. 4.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 118 Р.Н. Веремьев, В.Е. Привалов, В.Г. Шеманин Список литературы Таблица 4. Результаты расчетов минимально детектируемой лидаром мощности для длин волн полос КР исследуемых [1] Привалов В.Е., Шеманин В.Г. // Опт. и спектр. 1997. Т. 82.

молекул и дистанций зондрования 0.1–2.0 km № 4. С. 700–702.

[2] Лактюшкин Г.В., Привалов В.Е., Шеманин В.Г. // ЖТФ.

Моле- R, k 0.1 0.5 1.0 2.1998. Т. 68. Вып. 1. С. 20–22.

кула 0, nm Pb, fW Pb, fW Pb, fW Pb, fW [3] Schmidtke G., Kohn W., Klocke U., Riedel W.J., Wolf H. // Appl. Opt. 1989. Vol. 28. N 17. P. 3665–3670.

H2 507.5 41.86338 1565.391 359.7274 75.[4] Кузнецов А.И., Логачев А.П., Степанов Е.В. // Изв.

944.4 8.448444 321.6235 75.58345 16.АН СССР. Сер. физ. 1990. Т. 54. № 10. С. 1909–1914.

1154.7 7.559807 288.7511 68.14043 15.[5] Калачева Т.С. // Лазерная техника и оптоэлектроника.

1244.5 6.434149 246.0215 58.13539 12.1991. Сер. 11. Вып. 6(1629). 28 с.

D2 478.1 42.38466 1577.61 360.4566 75.[6] Hardin R.W. // Photonics Spectra. 1998. April. P. 110–114.

847.6 9.991029 379.3909 88.87871 19.[7] Иванов Е.К., Колбенков В.А., Конопелько Л.А., Росто1013.2 9.203097 350.9134 82.63185 18.скуев В.В. // Измерительная техника. 1986. № 5. С. 56–57.

1081.8 8.679115 331.2254 78.08162 17.[8] Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М.:

T2 465.9 42.58901 1579.519 359.2726 74.35025 Мир, 1987. 550 с.

809.9 11.55458 438.2901 102.5383 22.44892 [9] Murphy W.Y., Holzer W., Bernstein H.J. // Appl. Spectr.

959.8 8.605843 327.7597 77.06787 17.0439 1969. Vol. 23. N 3. P. 211–218.

1021.1 9.1659 349.551 82.3275 18.26727 [10] Волькенштейн М.В., Грибов Л.А., Ельяшевич М.А., Степанов Б.И. Колебания молекул. М.: Наука, 1972. 336 с.

HD 493.5 43.79126 1636.498 375.7859 79.[11] Antipina T.V. et al. // Proc. Of Intern. Aerosol Symp.

897.2 8.132935 309.2164 72.55153 15.Vol. Technologies. Moscow, 1994. P. 123.

1085.0 8.472469 323.339 76.22253 16.[12] Справочник по лазерам / Под ред. А.М. Прохорова. Т. II.

1164.0 7.666513 292.8619 69.12089 15.М.: Сов. радио, 1978. С. 134.

HT 488.6 43.04632 1607.18 368.6294 77.[13] Справочник по лазерам / Под ред. А.М. Прохорова. Т. I.

881.0 12.16065 462.1663 108.384 23.М.: Сов. радио, 1978. С. 382.

1061.3 8.816261 336.3652 79.2655 17.[14] Rosen H., Robish P., Chamberlain O. // Appl. Optics. 1975.

1136.7 7.672162 292.984 69.12204 15.Vol. 14. N 8. P. 2703–2706.

DT 472.1 41.2584 1532.927 349.4603 72.[15] Inaba H., Kobayasi T. // Opto-Electronics. 1972. Vol. 4. N 2.

829.0 10.04278 381.1427 89.22661 19.P. 101–123.

986.7 9.077431 346.0526 81.46686 18.1051.6 9.072804 346.1253 81.55735 18.J2 422.8 28.45043 1040.486 232.56 46.687.9 9.135838 345.2692 80.4053 17.793.2 11.66271 442.1973 103.3955 22.834.6 9.492873 360.3302 84.37123 18.N2 464.3 40.71973 1509.588 343.1947 70.805.2 11.41668 433.0074 101.2872 22.953.2 8.605413 327.6778 77.02935 17.1013.7 9.015369 343.7691 80.95358 17.Сравнение этих результатов с данными табл. 3 позволяет заключить, что превышения мощности КР над фоновой не получено ни для одной длины волны для всего диапазона расстояний. Поэтому, чтобы зарегистрировать полезную информацию, надо реализовать режим накопления по 200–300 импульсов. Дальнейшее повышение чувствительности лидара может быть достигнуто увеличением диаметра приемного телескопа, но это ведет к резкому увеличению массы и габаритов лидарной системы.

Таким образом, полученные результаты показывают возможность оптимального выбора длины волны лазерного излучения для зондирования исследуемых молекул в атмосфере на заданном расстоянии.




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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.