автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.06, диссертация на тему:Процессы взаимодействия мощного лазерного излучения с жидкими средами в задачах разработки лидарных методов зондирования физических полей океана и атмосферы

од

На правах рукописи

Букин Олег Алексеевич

Процессы взаимодействия мощного лазерного излучения с жидкими средами в задачах разработки лидарных методов зондирования физических полей океана и атмосферы

(05.08.06-физические поля корабля, океана, атмосферы и их взаимодействие)

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени докотора физико-математических наук

Владивосток 1996

Работа выполнена в Тихоокеанском Океанологическом Институте ДВО РАН г. Владивосток

Официальные оппоненты:

_Доктор физ. - мат. наук

профессор Ю.Н. Кульчин Доктор физ.- мат. наук

профессор В. И. Строганов Доктор физ. - мат. наук

профессор В. И. Белоконь

Ведущая организация: Московский Физико - Технический Институт

Защита состоится " го- ¿¿¿ОА'ь? 1996 г. в / у часов на заседании специализированного совета Д 064. 01.01 при Дальневосточном Техническо Университете по адресу: 690600, г.Владивосток, ул. Пушкинская, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДВГТУ Автореферат разослан «20* А'&еЯ_1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета при Дальневосточно! Техническом Университете

профессор -- И.М.Чибиряк.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Успешное исследование процессов, происходящих в океане и атмосфере, а также процессов взаимодействия в системе океан-атмосфера, во многом определяется разработкой новых методов исследований. В последние годы наблюдается интенсивное развитие дистанционных методов измерения параметров океана и атмосферы, особенно это относится к лидарным методам зондирования. Круг задач, решаемых с использованием лидарных методов зондирования зависит от разнообразия механизмов взаимодействия лазерного излучения с веществом, которые используются в лидарах. Актуальность постановки данной работы определяется , с одной стороны, необходимостью расширения круга задач, решаемых с использованием методов лидарного зондирования океана и атмосферы, всвязи с чем проводилось исследование некоторых механизмов взаимодействия мощного лазерного излучения с жидкими средами и разработка, на основе этих исследований, новых методов измерения физических полей океана, атмосферы, и характеристик процессов взаимодействия в системе океан-атмосфера. С другой стороны, прогресс в решении ряда конкретных задач, связанных, например, с динамикой полей влажности в нижнем подстилающем слое атмосферы над океаном, с пространственно-временными структурами светорассеивающих слоев в океане, трансформацией элементного состава морской воды и т.д., связывается именно с разработкой дистанционных, лидарных методов зондирования.

Так, для решения задач энергетического обмена в системе океан-атмосфера, прогнозирования условий сверхдальнего распространения радиоволн УКВ и СВЧ диапазонов над морской поверхностью, необходима разработка методов и судовых лидарных систем, способных обеспечить оперативный контроль высотных распределений концентраций паров воды над морской поверхностью до высот в несколько километров и регистрацию жидкой фазы воды в нижнем слое атмосферы. Это в свою очередь, ставит

задачу исследования механизма комбинационного рассеяния мощного лазерного излучения в атмосфере, содержащей водный аэрозоль.

Определение элементного состава морской воды необходимо при решении широкого круга задач в исследовании океана; использование механизма лазерного диэлектрического пробоя жидкости в лидарных системах, может дать дистанционный метод измерения химического состава морской воды. Однако, механизм оптического пробоя в жидкости и формирование "эмисссиокного спектра лазерной искры в жидких средах не

изучены к настоящему времени. Для исследования аналитических возможностей метода лазерной искровой спектроскопии при определении элементного состава водных сред и определения возможности использования данного метода в дистанционном лидарном зондировании океана, необходимо проведение экспериментальных исследований особенностей формирования эмиссионных спектров лазерной плазмы на поверхности жидкости.

Механизм взрывного вскипания жидкости под действием лазерного излучения является одним из наиболее эффективных механизмов генерации звука. Акустический сигнал, получаемый при таком виде взаимодействия обладает характеристиками, которые трудно реализовать, используя традиционные источники звука: широкая частотная полоса, при больших значениях давления, дистанционная генерация звука. Именно эти характеристики делают его перспективным в задачах зондирования параметров верхнего слоя океана - ВСО ( при определении частотной зависимости коэффициента затухания звука в морской воде или в измерениях распределения воздушных пузырьков, содержащихся в ВСО, по размерам) и в задачах связи с подводными объектами. В литературе представлены, в основном, теоретические исследования этого механизма и лабораторные эксперименты. Актуальность постановки задачи экспериментальных исследований характеристик акустических сигналов, генерируемых лазерным излучением в режиме взрывного вскипания жидкости в натурных условиях определяется необходимостью получения реальных характеристик акустических сигналов, генерируемых лазерным излучением с учетом влияния различных эффектов, связанных с потерями лазерного излучения при его распространении от источника до морской поверхности, с состоянием

морской поверхности и т.д. Именно такие исследования позволят определить перспективы использования данного механизма генерации звука для решения задач акустической океанографии.

Актуальность постановки задачи исследования вышеперечисленных механизмов взаимодействия мощного лазерного излучения с жидкими средами состоит не только в том, что подобные исследования значительно расширяют возможности лидарного зондирования, но и в том, что они значительно стимулируют развитие технических средств. Так, аппаратурные разработки, проведенные для исследования механизмов взаимодействия позволили, в рамках данной работы, разработать судовые лидарные комплексы для зондирования полей влажности в нижнем подстилающем слое атмосферы над океаном и дяя исследования пространственно-временной структуры светорассеивающих слоев в океане.

Цели и задачи исследований.

В рамках диссертационной работы ставились следующие задачи:

1. Провести экспериментальные исследования процесса комбинационного рассеяния мощного лазерного излучения при его распространении в атмосфере, содержащей водный аэрозоль.

2. Исследовать механизм оптического пробоя в жидкости для разработки метода дистанционной лазерной искровой спектроскопии водных сред.

3. Исследовать пространственно-временные характеристики акустических сигналов, генерируемых на морской поверхности в режиме взрывного вскипания; определить в натурных условиях возможности опто-акустического источника для зондирования верхнего слоя океана.

Основываясь на результатах исследований провести:

4. Разработку методики и аппаратуры для исследования динамики полей влажности в нижнем подстилающем слое атмосферы над океаном. Использовать лидарное зондирование для исследования условий формирования канального распространения радиоволн УКВ диапазона над морской поверхностью и для регистрации процессов развития конвекции паров воды над морской поверхностью.

5. Разработку судового лидарного комплекса для исследования пространственно-временного распределения светорассеивающих слоев в океане. Исследовать возможность регистрации динамических процессов, модулирующих характеристики светорассеивающих слоев, с использованием судовых лидарных систем.

Научная новизна работы.

Научная~новизна—работы,—определяется теми экспериментальными результатами, которые получены при исследовании механизмов взаимодействия мощного лазерного излучения с жидкими средами и применении разработанных методик к задачам зондирования атмосферы и океана.

1. При исследовании комбинационного рассеяния мощного лазерного излучения в атмосфере, содержащей жидко-капельный аэрозоль зарегистрирован эффект усиления вынужденного комбинационного рассения на водном аэрозоле, ранее не описанный в литературе [ 10].

2. Впервые проведены исследования пространственно-временных характеристик акустических полей, генерируемых лазерным излучением в режиме взрывного вскипания на морской поверхности в натурных условиях, при этом наблюдался эффект вторичной генерации акустического импульса при облучении водной поверхности одиночным лазерным импульсом (3,6].

3. Предложено использование лазерной искровой спектроскопии для анализа элементного состава морской воды, зарегистрировано смещение центра эмиссионных линий элементов лазерной плазмы при сильных лазерных накачках и аномальное поведение эффекта самопоглощения эмиссионных линий плазменного факела, возбуждаемого лазерным излучением на поверхности мишеней [26,5,2,45].

4. Лидарное зондирование применено для исследования условий формирования канального распространения радиоволн УКВ и СВЧ диапазонов над морской поверхностью и исследования динамики полей влажности в нижнем подстилающем слое атмосферы над океаном |11,12|.

5. Лидарное зондирование применено для регистрации динамических процессов, протекающих в ВСО и модулирующих характеристики светорассеивающих слоев [4,7).

6. Впервые проведено восстановление пространственно-временной структуры светорассеивающих слоев в океане с использованием дистанционного лидарного зондирования [1|.

Обоснованность полученных результатов.

Обоснованность экспериментальных результатов, приведенных в диссертации, подтверждена в работе путем многократного и тщательного проведения экспериментов при исследовании механизмов взаимодействия мощного лазерного излучения с жидкими средами и сравнения полученных результатов с литературными данными и теоретическими оценками. Результаты натурных измерений в большинстве случаев, сравниваются с другими, независимыми методами измерений.

Практическая значимость результатов.

Тема диссертации соответствует одному из направлений работ в Тихоокеанском Океанологическом Институте ДВО РАН по развитию методов и средств дистанционного зондирования океана и атмосферы, а научные результаты, изложенные в ней, получены при выполнении госпрограмм ТОЙ ДВО РАН: "Мировой Океан", "Вестпак", а также хоздоговорных тем "Треугольник АН", "Марганец","Росянка", "1/84". В процессе выполнения работы разработаны судовые лидарные комплексы для проведения зондирования нижнего слоя атмосферы и верхнего слоя океана. Данные комплексы устанавливались на борту научно-исследовательских судов "Академик Несмеянов", "Академик Виноградов", "Академик Лаврентьев", "Профессор Богоров" на которых проводились работы по исследованию океана и атмосферы в период 1982 г. - 1993 г. в различных районах Мирового Океана.

Основные положения выносимые на защиту.

Защищаемые положения:

1. Эффект встречного усиления вынужденного комбинационного рассеяния на водном аэрозоле в атмосфере.

2. Методика и судовой лидарный комплекс для исследования динамики полей влажности в нижнем подстилающем слое атмосферы над океаном.

3. Методика и судовые гидролидарные комплексы для проведения разрешенного по—глубине—восстановления_пространственно-временной

структуры светорассеивакшщх слоев в океане.

4. Метод лазерной искровой спектроскопии для анализа элементного состава морской воды с применением одно и многоимпульсного возбуждения плазменного факела на поверхности жидкости.

5. Эффект аномального поведения самопоглощения эмиссионных линий лазерной плазмы и сдвига центра линии излучения при двухимпульсном возбуждении.

6. Результаты натурных исследований пространственно-временных характеристик акустических полей, генерируемых лазерным излучением на морской поверхности в режиме взрывного вскипания.

7. Эффект вторичной генерации акустического сигнала в режиме взрывного вскипания жидкости при облучении морской поверхности одиночным лазерным импульсом.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и представлялись на обсуждение:

1. X и VIII Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, г. Томск. 1988г. и 1984г.

2. 12 Всесоюзной конференции по Когерентной и Нелинейной Оптике. г.Москва. 1985г.

3. Fiftinth Intamational Laser Radar Conférence. Tomsk. USSR. 1990.

4. VIH-th Intamational Conférence of Cohérent and Nonlinear Optic. Minsk. USSR. 1988.

5. Intamational Symposium on Marine Science. Pusan. 1994.

6. Ferst Soviet-Chines Oceanography symposium. Vladivostok. 1990.

7. Second Annual Meeting of PICEC. Seattl. USA 1993.

8. Second China-Russia Oceanography Symposium. Dallian. China. 1992.

9. Всесоюзная конференция "Использование современных физических методов в неразрушаюших исследованиях и контроле". Хабаровск. 1984г. и 1987 г.

10. Всесоюзная школа-семинар "Методы гидрофизических исследований". Солнечногорск. 1986 г.

11. 10-ая Всесоюзная конференция по высокоскоростной фотографии и метрологии бысгропротекающих процессов. Москва. 1981 г.

12. Первое Всесоюзное Семинар-Совещание "Проблемы лазерного аэрозондирования поверхности земли". Ташкент. 1985.

Основные результаты работы докладывались на семинаре Ф.В.Бункина в Институте Общей Физики РАН и семинаре Г.М. Сгельмаха в Московском Физико-Техническом Институте.

Публикации.

Основные результаты, изложенные в диссертационной работе опубликованы в 46 научных трудах.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 152 наименования. Работа содержит 226 страниц машинописного текста и 80 рисунков.

Содержание работы. Во введении обоснована актуальность постановки диссертационной работы, описывается круг решаемых задач и описывается содержание глав и параграфов диссертации. Описывается научная новизна результатов, полученных в работе.

В главе 1 дается описание экспериментальных исследований комбинационного рассеяния мощного лазерного излучения в атмосфере, содержащей водный аэрозоль и разработки метода и аппаратуры для зондирования полей влажности в нижнем подстилающем слое атмосферы над

океаном. Приведены результаты натурных экспериментов по зондированию полей влажности в атмосфере над океаном.

В параграфе 1.1 приводятся основные параметры спектров комбинационного рассеяния атмосферных газов и жидкой фазы воды. В параграфе приводится обзор экспериментальных данных по измерению сечений КР атмосферных газов и жидкой фазы воды. Сделан пересчет —имеющихся значений сечения рассеяния к длине волны излучения, которое используется в работе.

В параграфе 1.2 Приведены результаты разработки аппаратуры для лидарных комплексов зондирования полей влажности и исследования спектров КР. Дано описание малогабаритного, одномодового излучателя лидара, разработанного на основе Nd:YAG лазера и двух каскадов оптических усилителей. Использование резонатора Фабри-Перо с большой эффективной длиной обеспечило устойчивое выделение основной моды излучения лазера и позволило применить два каскада оптических усилителей. Это обеспечило энергию в импульсе до 180 мДж на длине волны излучения 532 нм при длительности лазерного импульса 15 не. Были разработаны: малогабаритные блоки питания лазера и оптического усилителя, малогабаритные генераторы импульсов высокого напряжения, многоканальные стробируемые счетчики однофотонных импульсов для регистрации сигналов комбинационного рассеяния, полихроматоры с высоким разрешением и большой величиной подавления сигнала обратного упругого рассеяния. На основе разработанной аппаратуры были созданы судовые лидары для измерения высотных концентраций паров воды и измерения спектров комбинационного рассеяния атмосферных газов и жидкой фазы воды. В параграфе приводится описание разработанной аппаратуры.

В параграфе 1.3. Дано описание метода измерения абсолютных концентраций жидкой и газообразной фаз воды в атмосфере, основанном на измерении аппаратурных констант лвдара (включая геометрический фактор), входящих в лидарное уравнение, с использованием предложенного метода одновременного приема сигнала КР от атмосферного азота в два канала регистрации. Приведены экспериментальные результаты калибровки лидарных измерений на стандартные психрометрические измерения. Данная

калибровка проведена в широком диапазоне значений абсолютных значений влажности воздуха.

В параграфе 1.4 Описываются результаты измерения уровней широкополосной флюоресценции атмосферного аэрозоля морского происхождения, полученные при различных значениях метеорологической дальности видимости в различных метеоусловиях ( дымки, туманы, осадки). Уровни сигнала широкополосной флюоресценции измерялись в двух спектральных интервалах шириной 40А с центрами на длинах волн 560 нм и 635 нм. Измерения показали, что сигналы флюорисценции атмосферного аэрозоля, по порядку величины равны или превосходят величину сигнала спонтанного КР, соответствующего концентрации жидкой фазы воды в атмосфере при данных значениях м.д.в. Однако, сигналы в области КР жидкой фазы воды уверенно регистрировались на фоне широкополосной флюорисценции. Исследование формы спектра сигнала в области КР жидкой фазы воды выявили сильные отличия формы регистрируемых спектров от формы широкой неоднородной линии спонтанного комбинационного рассеяния. На рис. 1 приведено относительные распределения интенсивности в спектре СКР жидкой фазы воды и КР водного аэрозоля.

Рис.1. Распределение относительной интенсивности в спектре СКР воды (1) и водного аэрозоля (2) в зависимости от частотного сдвига Ау.

В параграфе приводится анализ характеристик спектров КР водного аэрозоля полученных при различных условиях зондирования и величин сигналов в спектре КР жидкой фазы воды. Наблюдается усиление сигнала по сравнению с сигналом СКР более чем на два порядка. Расщепление линий в широком неоднородном контуре, находящихся в резонансе Ферми и усиление сигнала говорят о том, что наблюдается эффект встречного усиления ВКР на системе жидких капель, находящихся внутри длины когерентности зондирующего импульса. Данный эффект использовался для регистрации жидкой фазы воды— в атмосфере ( регистрации процесса конденсации влаги).

В параграфе 1.5 приведены результаты применения лидарного зондирования для исследования изменчивости высотных профилей влажности в нижней атмосфере для некоторых районов мирового океана. Приведены характерные высотные распределения полученные в различных районах Средиземного моря и экваториальной части Индийского океана в летнее время года. Получены величины высотных градиентов концентрации паров воды, проведена регистрация и измерены параметры процессов развития ночной конвекции водяного пара. На рис.2 приведен один из таких экспериментов. По горизонтальной оси - местное время. По вертикальной концентрация молекул водяного пара на измеряемых высотах ( справа над кривыми).

В параграфе 1.6 лидарное зондирование использовано для исследования условий волноводного распространения радиоволн УКВ диапазона над морской поверхностью. Описан эксперимент по обнаружению и исследованию динамики приподнятого радиоволновада. Лидарное зондирование позволило провести измерение параметров радиоволновода, отследить его динамику в течении длительного времени. Одновременно с лидарным зондированием было проведено радиопросвечивание трассы с частотой излучения 156,6 Мгц. Была установлена устойчивая радиосвязь между двумя судами, находящимися на расстоянии 258 км. На рис. 3 приведен сильно инверсионный профиль влажности, полученный лидарным зондированием и соответствующий ему М-профиль, рассчитанный из данных лидарного зондирования. По данным лидарного зондирования были рассчитаны параметры радиоволновода. По геометрии, характерным

размерам, географическому положению и устойчивости, данный волновод был отнесен к классу адвективных.

Рис.2 Регистрация конвективных потоков.

Глава2. Посвяшена описанию разработки аппаратуры и методики лидарного зондирования верхнего слоя океана. В параграфе 2. приводится краткое описание результатов зондирования ВСО и лидарных систем, используемых для исследования светорассеивающих слоев ( судовых и самолетных). Известны те трудности с которыми сталкивается теория переноса при описании обратнорассеянного сигнала в неоднородных средах. На сегодняшний день нет решения уравнения переноса излучения способного

280

190

100

10

10

2 4 6 8 рх1017,см-3 340 370 400 430 М-ед.

Рис.3 Профиль влажности (а) и М-профиль (б).

описать одной величиной распределение светорассеивающего слоя в пределах ' глубины первых 100 метров от поверхности при наличии сильных градиентов коэффициента обратного рассеяния. Однако, при создании лидарных систем для зондирования ВСО необходимо использовать способ обработки данных лидарного зондирования и отображения результатов, которые давали бы наглядное представление о пространственно-временной структуре светорассеивающего слоя. Наиболее чувствительной величиной к появлению рассеивателей или к изменению их концентрации в зондируемом объеме является е, т.к. она учитывает как процесс рассеяния, так и процесс поглощения зондируемого излучения гидрозолем. Большинство гидрофизических процессов проявляются наиболее ярко в области сезонного термоклина, глубина залегания которого варьируется в широких пределах и превышает границы оптических толщин для точного определения е. Кроме того, в области термоклина, как правило, не выполняется условие оптической квазиоднородности среды, по причине существования больших градиентов гидрологических параметров. В этих условиях, производная по времени от натурального логарифма сигнала обратного рассеяния, теряет физический смысл коэффициента ослабления лазерного излучения, поскольку эта производная для неоднородной среды является функцией не только е, но и ее градиента по глубине.

В данной работе из формы сигнала обратного рассеяния восстанавливается следующая величина:

е*=Н/2) <УсЩп[Раг)/ф(Ь)|} где - Р(Ь) мощность сигнала обратного рассеяния, регистрируемого с глубины Ь, ф(Ь) - геометрический фактор лидара. Для случая однородной и квазиоднородной среды данная величина соответствует коэффициенту ослабления е. Распределение, приведенное на рис.4 соответствует случаю когда выполняется квазиоднородное приближение, в этом случае данная структура отображает распределение показателя ослабления лазерного излучения в ВСО( градации серого - изолинии е», непрерывное распределение представляется в виде слоистой структуры) . На рис.5 приведено распределениев случае больших градиентов по глубине. При восстановлении е* из данных лидарного зондирования геометрический фактор определялся путем калибровки в ВСО, где вода обладала высокой прозрачностью и отсутствовали светорассеивающие слои, там же проводилась "сшивка" данных измерений двух каналов лидара, обеспечивающих необходимый динамический диапазон приемной системы, необходимый для регистрации сигнала обратного рассеяния в большом диапазоне глубин.

В параграфе 2.2 приводится описание четырехканального судового лидара для зондирования ВСО через морскую поверхность. Приводятся результаты измерения влияния состояния морской поверхности на форму сигнала обратного рассеяния и дисперсию интенсивности обратнорассеянного сигнала регистрируемого с различных глубин. Приведены результаты натурных экспериментов по регистрации внутренних волн лидаром через поверхность. Отмечается, что при наличии на морской поверхности мелкомасштабной ветровой ряби коэффициенты корреляции между контактными измерениями внутренних волн и лидарными имеют низкие значения. В случае зондирования через гладкую поверхность (полный штиль) коэффициенты корреляции доходят до значений 0,8. В параграфе 2.3 описывается схема гидролидара, установленного в гидрооггтической шахте НИС "Академик Лаврентьев" и принципиально исключающая влияние состояния морской поверхности на форму сигнала обратного рассеяния

регистрируемого с глубины. Эта схема позволила проводить восстановление пространственно-временного распределения е* в ВСО до глубин порядка 60 метров с пространственным разрешением 1,2 метра, как в дрейфе, так и по ходу судна. На рис. 4 и рис. 5 представлены примеры распределений е* по ходу судна. По вертикальной оси отложены глубины в метрах, по Торнзонтальной^время-измерения в минутах.—-—___.__

0.08 Г ОЛ 0.12мШ 0.14ЩР 11.16В1 Д.18Щ1 0.2 Щ!\.12 *г<

Рис. 4 Структура светорассеивающего слоя.

Градации серого соответствуют значениям е* приведенным в нижней части рисунка. В параграфе приводятся результаты регистрации внутренних волн одновременно контактными и лидарными методами. Отмечается хорошая корреляция .между временной зависилюстью температуры, полученной с помощью распределенного термодатчика и временной зависимостью е*, полученной лидарными измерениями с тех же глубин. Коэффициенты корреляции имели значения от 0.7 до 0.9.

н, М т;с

0.08 ' 0.1 1Ш 0.12 Ш 0.14ЙЩ 0.16ВЯ 0.188Д 0.2 Ш0.22 м"

Рис.5 Пространственное распределение е«.

В главе 3 Описаны результаты исследования механизма лазерного диэлектрического пробоя в жидкости для разработки метода определения элементного состава морской воды. В параграфе 3.1 приводятся общие сведения, имеющиеся в литературе о лазерном диэлектрическом пробое в жидкости. В параграфе 3.2 приводятся результаты исследования спектрального состава плазменного факела, генерируемого одиночным лазерным импульсом на поверхности и внутри жидкости.. Хороший контраст эмиссионных линий плазмы наблюдается только при пробое на поверхности жидкости. Описана схема экспериментальной установки, используемой для одноимпульсного возбуждения плазменного факела на поверхности жидкости. Схема использовалась для исследования эмиссионных спектров лазерной плазмы на поверхности морской воды, определены спектральные интервалы, наиболее удобные для регистрации таких элементов, входящих и соитии морской воды, как Ми, Си. К. О, С. Для Nи проведено измерение мшшмально-обнаружнмых концентраций с использованием калибровочных растворон. На рис. 6 приведена калибровочная кривая, показывающая

зависимость интенсивности эмиссионной линии №( дублет 5895А и 5889А) в зависимости от концентрации Иа в калибровочном растворе.

Рис.6 Концентрационный график для раствора №а. Минимально-обнаружимые концентрации для № составили величину порядка 0,05 г/л, для одноимлульсного возбуждения плазмы без накопления сигнала. Этот результат позволяет применять данный метод для решения задач, в которых требуется определение макросостава морской воды. В параграфе приведены результаты использования искрового спектрометра для измерения глубинного распределения Са ( в пробах воды отобранных с различных горизонтов). Время измерения одной пробы составило 20 - 30 секунд, относительная ошибка измерения концентрации не превышала 8%. Использование многоканального оптического спектрометра, позволило применить технику накопления сигнала и повысить чувствительность метода. Так при накоплении сигнала по 10 мин. (.частота лазерных импульсов 0,2 Гц) минимально обнаружимые концентрации для Ыа составили величину 10^ г/л.

На рис.7 приведены эмиссионные линии К в морской воде, полученные с применением техники накопления.

Рис.7 Эмиссионные линии К, полученные с накоплением сигнала. В параграфе 3.3 описана методика двухимпульсного возбуждения плазменного факела, позволяющая поднять контраст эмиссионных линий на фоне непрерывного излучения лазерной плазмы ( более чем в три раза). Применение пространственной селекции участков плазменного факела, позволили также увеличить контраст линии в три раза. Комбинация двухимпульсного возбуждения и пространственной селекции позволили получить минимально-обнаружимые концентрации для Ыа на уровне 10"3г/л при временах накопления сигнала, соответствующих нескольким лазерным импульсам.

В параграфе 3.4 дано описание экспериментально-обнаруженного эффекта сдвига центра эмиссионных линий элементов в лазерной плазме при сильных лазерных накачках (рис.8) и аномальное поведение эффекта самопоглощения линий (рис.9). Эффект наблюдался при генерации лазерной плазмы как на поверхности жидких , так и твердых мишеней. По литературным источникам, данный эффект наблюдался впервые. Эффект состоит в смещении центров эмиссионных линий элементов в красноволновую область (величины смещения до 10А) при сильных

1000

500

0

Рис. 8. Смещение эмиссионных линий А! при сильных накачках; а-возбуждение одним гигантским импульсом (смещение отсутствует), б-двумя импульсами. 4046А - калибровочная линия ртути.

лазерных накачках ( возбуждении двумя гигантскими импульсами суммарной энергией порядка 0, 6 Дж), и в аномальном характере поведения эффекта самопоглощения эмиссионных линий элементов в лазерной плазме. Аномальность поведения самопоглощения проявляется в том, что центр линии поглощения первоначально сдвинут в красную область на величину порядка несколько

4046

3962 3944

А. А

4046 3962 3944 А

Рис. 9. Смещение центра провалов в эмиссионных линиях А1; положение курсоров соответствует несмещенным центрам линий излучения А1; 4046А-калибровочная линия ртути.

ангстрем от центра линии излучения, по мере усиления поглощения ( увеличения провала в эмиссионной линии элемента) происходит приближение центра поглощения к центру излучения линии.

В главе 4 проводится исследование механизма взрывного вскипания жидкости под действием лазерного излучения для генерации акустических полей в океане. В параграфе 4.1 приводятся общие сведения о механизме взрывного вскипания жидкости под действием лазерного излучения и обзор литературных данных. В параграфе 4.2 дано описание экспериментальной установки и аппаратуры, разработанной специально для проведения

исследованшгтенерации звука -лазером -в -режиме взрывного вскипания, -В-

работах применялся электроразрядный СС>2 лазер (длина волны излучения 10,6 мкм) с неустойчивым резонатором, обеспечивающий энергию излучения в импульсе до 200 Дж при длительности импульса порядка 10 мксек. Для регистрации акустического сигнала применялись стандартные широкополосные гидрофоны типа ГИР-1 с равномерной амплитудно-частотной характеристикой в полосе частот до 300 Кгц. В параграфе 4.3 приведены результаты натурных экспериментов по исследованию характеристик акустического сигнала, генерируемого в режиме взрывного вскипания. Были проведены измерения потерь лазерного излучения при прохождении от источника до поверхности воды, за счет поглощения водяным паром и потерь энергии на испарение аэрозоля. Так при относительной влажности воздуха более 90% поверхности воды достигает только 34% от выходной энергии лазера. Подсчитанный коэффициент преобразования энергии лазерного излучения в акустическую энергию составил величину порядка 1,5%. В параграфе приведены пространственные и временные характеристики акустического сигнала, измеренные до глубин 100 м. Наблюдалось формирование предвестника импульса, возникающего за счет проявления релаксационных механизмов из-за присутствия пузырьков в приповерхностном слое моря и растворенных солей М§504 . На различных глубинах для условия дальней зоны, были выполнены измерения угловой зависимости амплитуды акустического давления, которая имеет дополнительный максимум при углах 22°, причиной этого является

неоднородность распределения оптической энергии в фокальном пятне фокусирующей линзы. На рис.10 приведены осциллограммы акустического импульса, зарегистрированного на различных глубинах.

Р.кПа

-О-

-2-

А

/ 1 лл

V ' ч/

!

1М1 | I

ммм

0.6 0.4 0.2 -0,0 -0,2 -0,4

О 10 20 30 40 50 60

Т.ыкс

Р.кПа

гттт

0 10 20 30 40 50 60 70

Т. мхе

Рис. 10 Форма акустического сигнала, зарегистрированного вдоль

оси излучения на глубинах: а - 8 метров, 6-28 метров

гтл

гп

II

I

гтп

В параграфе 4.4 проводится описание временной формы акустического сигнала, которая обнаруживает наличие второго акустического импульса через время примерно 20 мкс после излучения основного сигнала, образованного реакцией отдачи паракапельной струи при взрывном вскипании ( на рис.8 положение второго импульса указано стрелкой). Импульс устойчиво регистрировался при различных условиях наблюдения и составлял до-20% от амплитуды основного импульса. Возникновение этого двухполярного импульса меньшей длительности связывается с особенностями нестационарного поверхностного испарения сильно перегретой жидкости после прохождения импульса света. Температура поверхности воды, во время действия оптического импульса может достигать 600 °К ( по литературным данным), начинается процесс испарения с поверхности сильно перегретой жидкости в холодную атмосферу. В результате взрыва на поверхности воды, возникает ударная волна в атмосфере, скорость которой может превысить скорость звука. В этом случае скорость испарения также превысит скорость звука и образуется конденсационный скачек, т.е. внезапная конденсация паров, которая служит источником второго акустического импульса.

В параграфе 4.5 приводятся примеры применения оптоакустического источника для задач формирования гидроакустических полей, измерения затухания звука в морской воде и восстановления функции распределения пузырьков в верхнем слое океана по размерам. Экспериментально реализована схема возбуждения акустического сигнала одновременно двумя лазерными импульсами, т.е. при создании на поверхности воды простейшей антенной решетки из двух источников. Приводятся результаты измерения угловых характеристик акустического поля, генерируемого простейшей антенной. Проведен анализ эволюции спектрального состава оптоакустического сигнала в широкой полосе частот, который позволил восстановить распределение пузырьков по размерам в приповерхностном слое океана.

В заключении сформулированы основные задачи, поставленные в работе и основные полученные результаты.

Основные научные результаты и выводы работы.

1. Экспериментально исследован механизм комбинационного рассеяния мощного лазерного излучения в атмосфере, содержащей водный аэрозоль. Зарегистрирован процесс встречного усиления вынужденного комбинационного рассеяния на водном аэрозоле в атмосфере.

2. Разработана методика и судовые лидарные комплексы для проведения лидарного зондирования полей влажности ( газообразная и жидкая фазы) в нижнем подстилающем слое атмосферы над океаном.

3. Лидарное зондирование применено для решения задач энергетического обмена в системе океан-атмосфера и исследованию условий волноводного распространения радиоволн УКВ и СВЧ диапазонов над морской поверхностью.

4. Разработана методика и судовые лидарные комплексы для исследования пространственно-временных характеристик светорассеивающих слоев в океане.

5. Исследован механизм диэлектрического лазерного пробоя жидкости для разработки метода лазерной искровой спектроскопии водных сред. Определена чувствительность метода по регистрации элементов в морской воде.

6. Обнаружен и исследован эффект смещения центров эмиссионных линий элементов в лазерной плазме при сильных накачках и аномальное поведение самопоглощения эмиссионных линий.

7. Исследован механизм взрывного вскипания жидкости под действием лазерного излучения для задач генерации звука в океане. Проведены натурные эксперименты по исследованию пространственно-временных характеристик оптоакустического источника в натурных условиях.

8. Зарегистрирован эффект вторичной генерации звука при облучении морской поверхности одиночным лазерным импульсом.

9. Лазерная генерация звука использована для решения задач измерения затухания звука в широкой полосе частот и измерения распределения пузырьков по размерам в верхнем слое океана.__________

Публикации

1. Букин O.A., Ильичев В.И., Майор А.Ю. и др. Судовой гидролидарный комплекс для зондирования верхнего слоя океана. Оптика атмосферы и океана, т.7. №10. 1994. с.1403-1409.

2. Букин O.A., Зинин Ю.А., Свирвденков Э.А. и др. Определение макросостава морской воды методом лазерной искровой спектроскопии. Оптика атмосферы и океана, т.5. №11. 1992. с. 1213-1216.

3. Букин O.A., Ильичев В.И., Киселев В.Д. Обнаружение вторичной генерации звука в жидкости при объемном вскипании под действием лазера. Письма ЖЭТФ, т.52. вып.12. 1990. с.1261-1263.

4. Букин O.A., Ильичев В.И., Критский И.А., Павлов А.Н. Стратификация коэффициента ослабления лазерного излучения в верхнем слое океана по данным лвдарного зондирования. ДАН. т.312. №4. 1990. с.972-973.

5. Букин O.A., Павлов А.Н., Сушилов Н.В., Эдуардов CJI. Использование спектроскопии лазерной искры для анализа элементного состава водных сред. ЖПС. т.52. №5. 1990. с.736-738.

6. Букин O.A., Ильичев В.И., Киселев В.Д. Исследование акустических сигналов, генерируемых СОг лазером в морской воде. ДАН. т.315. №1.1990. с.84-86.

7. Ильичев В.И., Букин O.A., Лысун В.Н. и др. Применение глубинного зондирования дня исследования динамических процессов в океане. ДАН. т.ЗОЗ. №6. 1988. с.1482-1485.

8. Тяпкин В.А., Лысун В.H., Букин О.А. и др. Малогабаритный блок питания для твердотельного лазера и оптического усилителя. Приборы и техника эксперимента. №2. 1986. с.176-178.

9. Букин О.А., Столярчук С.Ю., Тягпсин В.А. Измерение профилей влажности в нижнем слое атмосферы методом спектроскопии спонтанного комбинационного рассеяния света. ЖПС. T.XLII. №4. 1985. с.631-636.

10. Копвиллем У.Х., Букин О.А., Чудновский В.М. и др. Вынужденное комбинационное рассеяние назад на водном аэрозоле в атмосфере. Оптика и спектроскопия, т.59. вып.2. 1985. с.306-310.

11. Бородин В.Г., Букин О.А., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А. Обнаружение условий волноводного распространения УКВ над морем с помощью лидара. Радиотехника и Электроника. т.ХХХ. №6. 1985. с.1219-1221.

12. Бородин В.Г., Букин О.А., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А. Изменчивость профилей влажности воздуха над океаном по данным лидарного зондирования. Известия АН СССР. ФАО. N°3. 1985. с.324-327.

13. Букин О .А., Копвиллем У.Х., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А. Исследование спектров комбинационного рассеяния атмосферных газов. ЖПС. T.XXXVIII.Bbm.5. 1983. с.776-778.

14. Букин О.А., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А. Метод отбора фотоумножителей дня регистрации слабых световых потоков. ПТЭ. №5. 1982. с.144-145.

15. Ильичев В.И., Букин О.А., Лысун В.Н. и др. Автоматезированный лазерный комплекс для исследования параметров верхнего слоя океана. Тихоокеанский ежегодник. Владивосток. 1988. с. 185-190.

16. Alekseev A.V., Bukin О.А., Mayor A.Yu., Pavlov A.N., Tyapkin V.A. Monitoring of marine pollution by modem physical methods. International symposium on Marine Sciences, Abstracts, p.5, May 31, 1994, Pusan.

17. Bukin O.A., Il'ichev V.I., Kritsky I.A., Pavlov A.N. Lidar sounding of the upper océan layer. Fiftinth Intarnational Laseer Radar Conferebce. Abstract of papers. Part 2. Julay 23-27. 1990. Tomsk. USSR. p.52-56.

18. Bukin O.A., H'ichev V.I., Kiselev V.D. Mayor A. Yu. Laser generation broad band acoustic signal in the sea. The ferst Soviet-Chines Oceanography Symposium. Vladivostok. USSR. Abstract of papers. 1990. p.93-94.

19. Bukin O.A., Il'ichev V.I., Pavlov A.N., Tyapkin V.A. Detection of the dynamical processes in the upper oceanic layer by lidar sounding. 8-th Intarnational Conference of Coherent and Nonlinear Optic. Part 2. Minsk. USSR. 1988. p.218-219.

20. Копвиллем У.Х., Букин O.A., Столярчук С.Ю. и др. Усиление вынужденного комбинационного рассеяния назад на водном аэрозоле в атмосфере. 12-ая Всесоюзная конференция по Когерентной и Нелинейной Оптике. Тезисы. Часть 2. Москваю 1985. с.170-171.

21. Alekseev A.V., Bukin О.A., Sushilov N.V. Ocean atmospheric interection monitoring by laser spark spectroscopy. The second China-Russia joint Oceanographyc Symposium, Dallian, China, Abstract of papers, 1992, p.60-61.

22. Alekseev A.V., Bukin OA, Mayor A. Yu. Laser monitoring of chlorophyll A in the North Pacific. Second Annual Meeting of PICEC. Abstract. Oct. 25-30. Seattle. USA. 1993.

23. Букин O.A., Ильичев В.И., Кленин C.A. и др.Комплексные исследования лидарными и сонарными методами процессов рассеяния в ВСО. Труды X Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск. 1988. с. 118-123.

24. Букин О.А., Ильичев В.И., Павлов А.Н. и др. Лазерное зондирование светорассеивающих слоев в океане. Труды X Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск. 1988. с. 123-128.

25. Букин О.А., Данченкова О.П., Лысун В.Н. и др. Некоторые результаты применения лазерного зондирования для исследования нижнего подстилающего слоя атмосферы над океаном. Труды X Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск. 1988. с.241-244.

26. Букин О.А., Павлов А.Н., Сушилов Н.В. и др. Исследование спектрального состава лазерной искры в воде. Труды X Всесоюзного

симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск.

1988. с. 244-246.

27. Букин O.A., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А., Шевцов Б.М. О возможности статистического описания обратнорассеянного света в атмосфере. Труды 8-го Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск. 1984.

28. Букин O.A., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А. Измерение спектров KP жидкой фазы воды в атмосфере. Труды 8-го Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск. 1984.

29. Букин O.A., Киселев В.Д., Кленин С.А. и др. Комплексное оптоакустическое зондирование ВСО. ДЕПОН ВИНИТИ №8118-В88.1989.

30. Букин O.A., Ильичев В.И., Критский И.А., Павлов А.Н. Некоторые результаты лидарного зондирования ВСО. ДЕПОН ВИНИТИ. №6502-В89.

1989.

31. Букин O.A., Тяпкин В.А., Копвиллем У.Х., Столярчук С.Ю. СКР лидар для исследования газового состава атмосферы. ДЕПОН ВИНИТИ. №5471-81.

32. Букин O.A., Киселев В.Д., Кленин С.А., Лысун В.Н. Исследование спектральных характеритсик акустических полей, генерируемых лазерным излучением в двухфазной среде. Тезисы докладов V Дальневосточной акустической конференции. Часть 3. Владивосток. 1989.С.69-70.

33. Букин O.A., Ильичев В.И., Киселев В.Д., Майор А.Ю. Изучение характеристик акустического сигнала, генерируемого лазерным излучением на поверхности жидкости в натурных условиях. Препринт ТОЙ ДВО АН СССР, Владивосток, 1990.

34. Копвиллем У.Х., Букин O.A., Чудновский В.М. и др. Вынужденное комбинационное рассеяние назад в атмосфере. Препринт ТОЙ ДВНЦ АН СССР. Владивосток. 1984.

35. Букин O.A., Тяпкин В.А. Измерение средних размеров микротурбулентностей над морской поверхностью. В сборнике "Прикладные методы физических измерений". Владивосток. 1981. с. 17-19.

36. Букин O.A., Столярчук С.Ю.,Тяпкин В.А. Дистанционный лидарный контроль некоторых параметров атмосферы. Всесоюзная конференция

" Использование современных физических методов в неразрушаю щих исследованиях и контроле". Тезисы докладов. Хабаровск. 1981. с.9-11.

37. Букин O.A., Тягасин В.А.,Миронов А.Е. Рассеяние Мандельштамма -Бриллюена в жидкости при возбуждении короткими импульсами. В сборнике "Когерентные методы в акустических и оптических измерениях" Владивосток.

П981Гс^1^23.-—---

38. Букин O.A., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А. Зондирование атмосферы лазерным локатором. "Когерентные методы в акустических и оптических измерениях" Владивосток. 1981. с.23-24.

39. Алексеев A.B., Букин O.A., Копвиллем У.Х. и др. Прохождение пикосекундных импульсов в атмосфере. Тезисы докладов 10-ой Всесоюзной конференции по высокоскоростной фотографии и метрологии быстропротекающих процессов. Москва. 1981. с. 144.

40. Букин O.A., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А. Измерение концентрации жидкой фазы воды в атмосфере методом спектроскопии KP. В сборнике "Переходные явления в океане, гидросфере, атмосфере и литосфере. Владивосток. 1985. с.41-44.

41. Богданов С.С., Букин O.A., Краев E.H. и др. Регистрация волновых процессов в верхнем слое океана методами лазерного зондирования. Материалы Всесоюзной школы-семинара " Методы гидрофизических исследований" Секция "Неконтактные методы в гидрофизике". Солнечногорск. 1986. с. 19.

42. Букин O.A., Столярчук С.Ю. Лидар для измерения статистических характеристик обратнорассеянного света в атмосфере. Материалы Всесоюзной конференции "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" Хабаровск. 1987. с.235.

43. Букин O.A., Лысун В.Н. Автоматизированная система регистрации однофотонных сигналов с фотоумножителя. . Материалы Всесоюзной конференции "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" Хабаровск. 1987. с.238.

44. Букин O.A., Павлов А.Н. Исследование спектров флюоресценции фитопланктона для задач дистанционного зондирования. Материалы

Всесоюзной конференции "Использование современных физических методов в неразрушающнх исследованиях и контроле" Хабаровск. 1987. с.173-174.

45. Букин O.A., Майор А.Ю., Сушилов Н.В. Влияние эффекта поглощения пробного поля на форму интенсивных линий флюоресценции атомарного AI в лазерной плазме. Препринт. ТОЙ ДВО РАН. Владивосток. 1995.

46. Копвиллем У.Х., Букин O.A., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А., Чудновский В.М. Диагностика парообразной и капельно-жидкой фаз воды в атмосфере методом спектроскопии KP. Материалы Первого Всесоюзного семинара-Совещания "Проблемы лазерного аэрозондирования поверхности земли". Ташкент. 1985. с.3-10.