автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Разработка и исследование узлов двухчастотного NH3-CO2 лидара для получения пространственно-временной картины динамических процессов в атмосфере в диапазоне 9...13,5 мкм

ФИЗИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ ИМ. П. Н. ЛЕБЕДЕВА РАН

На правах рукописи УДК 621.373.826.038

РГБ ОД

Чо Чен Вхан ' - !

О

Разработка и исследование узлов двухчастотного ЫН3- С02 лидара для получения пространственно-временной картины динамических процессов в атмосфере в диапазоне 9...13,5 мкм.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук специальность 05.27.03- квантовая электроника

Москва 2000 г.

Работа выполнена в Отделении квантовой радиофизики Физического института им. П.Н. Лебедева Российской Академии наук

Научный руководитель

Доктор физико-математических наук Б.И. Васильев

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

1. Доктор физико-математических наук О.В. Богданкевич (МФТИ)

2. Кандидат физико-математических наук А.П. Дядькин (ТРИНИТИ)

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

Научно-исследовательский институт энергетических проблем в химической физике Российской Академии Наук.

Защита состоится 21 декабря 2000 г. в 11— на заседании Диссертационного Совета К 200.14.01 Института проблем лазерных и информационных технологий Российской Академии Наук по адресу 140700, г. Шатура Московской обл., ул. Святоозерская, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПЛИТ по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан « » ноября 2000 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ Диссертационного Совета К 200.14.01 д.т.н., профессор,

заслуженный деятель науки Л.А. Новицкий

? я !> 9 с /У/. 7 4 О

Диссертация посвящена разработка и исследованию основных узлов двухчастотного (Мз-СОг лидара в спектральном диапазоне 9... 13,5 мкм. В диссертации экспериментально изучены различные оптические схемы излучателя лидара - определены их достоинства и недостатки, предложена и исследована упрощенная схема системы наведения, изучено влияние рассогласования диаграмм направленности двух лазерных пучков на точность проводимых измерений, приведены данные по разработанным и созданным компьютерным драйверу и интерфейсу системы обработки информации.

Целью работы является изучение возможности применения аммиачного лазера для двухчастотных лидарных систем с далеко разнесенными частотами в спектральной области 9... 13,5 мкм, разработка и исследование отдельных узлов NN3-002 лидара.

Актуальность диссертации связана с тем, что разработка лидарных систем в новом спектральном диапазоне 9... 13,5 мкм позволяет диагностировать новые классы веществ (такие вредные для экологии вещества как фреоны, диоксины и т.п.), спектры поглощения которых находятся именно в области 11... 13,5 мкм, недоступной для существующих С02 лидаров.

Научная новизна работы состоит в том, что в них впервые:

• На основе МН3 лазера с оптической накачкой излучением С02 лазера создан макет двухчастотного лидара в спектральном диапазоне 9... 13,5 мкм, причем у такого прибора нет необходимости в сложном и дорогостоящем спестроанализаторе высокого разрешения для получения спектров поглощения исследуемой примеси.

• Разработана оптическая схема двухчастотного ЫНз-СОгЛидара с автоматическим совмещением опорного и измерительного пучков во всем спектральном диапазоне генерации ННз лазера, в результате чего отпадает необходимость в сложной оптической схеме совмещения пучков.

• Предложена и исследована упрощенная оптическая схема наведения мобильного варианта лидара на объест, у которой подвижен только один элемент - плоское зеркало.

• Теоретически рассмотрено влияние рассогласования диаграмм направленности опорного и рабочего лазерных пучков двухчастотного лидара на точность измерения примесей в атмосфере.

Все результаты получены при использовании современных методов проведения экспериментов и теоретических расчетов: спектрального анализа, импульсной осциллографии, фотографии, математического анализа, компьютерных методик и др.

Практическая значимость результатов работы состоит в демонстрации возможности создания, а также в разработке и исследовании основных узлов двухчастотного лидара на основе импульсного МНз лазера с накачкой излучением СОг лазера, работающего в спектральном диапазоне 11... 13,5 мкм, с помощью которого можно определять источники выбросов в атмосферу таких вредных веществ, как фреоны, диоксины и др. Положения, выносимые на защиту:

1. На основе импульсного перестраиваемого ЫНз лазера с накачкой излучением СОг лазера может быть создан двухчастотный лидар с далеко разнесенными частотами, работающий в спектральном диапазоне 9... 13,5 мкм, причем в качестве опорного излучения лидара используется часть излучения накачки ЫН3 лазера.

2. Для такого типа лидара нет необходимости использовать сложные и дорогостоящие спекгроанализаторы высокого разрешения, поскольку в каждом импульсе присутствуют только две далеко разнесенные друг от друга компоненты - неизменная по частоте часть излучения накачки и изменяемая от импульса к импульсу, наперед заданная компонента излучения ЫН3 лазера.

3. Специальная оптическая схема аммиачного лазера позволяет получить двухчастотный лазерный пучок с пространственно совмещенными компонентами во всем спектральном диапазоне генерации ЫНз лазера, в результате чего отпадает необходимость в сложной схеме сведения пучков.

4. Упрощенная схема наведения излучения лидара на цель, содержащая лишь одно подвижное плоское зеркало, позволяет снизить требования к точности изготовления подвижной системы крепления и юстировке зеркала наведения, что особенно важно при создании мобильного варианта лидара. Кроме того, данная схема позволяет объединить несколько излучателей, работающих в разных спектральных интервалах, что значительно расширит список диагностируемых веществ.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись на следующие конференции: I Всероссийское совещание по экологии (Звездный городок, сентябрь 1999 г.), X Международная конференция «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, июнь 2000 г.), Kill Международная конференция Gas Flow & Chemical Lasers and High Power Lasers (GCL/HPL, Флоренция, Италия, сентябрь 2000 г.).

Объем диссертации . Диссертация написана на 121 страницах, содержит аннотацию, введение, три главы основного текста, два приложения, заключение, список литературы из 81 наименования, 22 рисунка и 3 таблицы.

Содержание работы.

Введение. Постоянный контроль содержания в атмосфере вредных веществ является одной из основных задач в проблеме комплексного мониторинга экологического состояния воздушного бассейна Земли. В настоящее время выделяются несколько причин, ухудшающих экологическую обстановку. Среди них - выбросы в атмосферу фреонов (фтор-, хлор-углеродов), разрушающих озоновый слой Земли, образование в результате сжигания мусора диоксинов (веществ, вредно действующих на здоровье человека) и, наконец, попадание в окружающую среду веществ, образующихся в результате уничтожения химического оружия. Оперативное обнаружение источников загрязнения атмосферы на обширной территории представляет собой сложную техническую задачу, которая может быть эффективно решена только с помощью устройств дистанционного контроля химического состава атмосферы. Появление лазеров позволило создать такие устройства наземного, воздушного и космического базирования [1].

Исследования в области применения лазеров для мониторинга атмосферы начались практически с момента их создания [2]. К настоящему времени разработано большое число лазерных систем, так называемых лидаров, в основе действия которых лежат различные механизмы взаимодействия лазерного излучения с газовой средой [3]. Решать проблему мониторинга атмосферы наиболее эффективно позволяют лидары, основанные на принципе абсорбционной спектроскопии [2-4]. Метод абсорбционной спектроскопии предполагает измерение ослабления в

атмосфере лазерного излучения (ЛИ) с двумя длинами волн. Одна из длин волн ЛИ должна совпадать с линией поглощения молекулы примеси (сигнальный луч). Излучение с другой длиной волны, отстроенной от линии поглощения молекул (опорный луч), позволяет учесть влияние рассеяния ЛИ в атмосфере. Таким образом, измеряется дифференциальное поглощение ЛИ, несущее информацию о концентрации контролируемой примеси в атмосфере. С помощью компьютерной системы регистрации измеренные спектральные зависимости поглощения примеси сравниваются со «спектральными портретами» молекул, хранящихся в памяти компьютера, и таким образом определяется характер и концентрация примеси.

Наиболее информативным диапазоном спектра для лазерного мониторинга атмосферы является инфракрасный диапазон, в котором лежат частоты собственных колебаний многоатомных молекул. Для того чтобы содержащиеся в атмосфере водяные пары и углекислый газ не оказывали существенного влияния на процесс распространения ЛИ, его длина волны должна лежать в одном из "окон прозрачности" атмосферы, которые в инфракрасном диапазоне спектра находятся в интервалах длин волн < 2,5 мкм, 3-5 мкм либо 8-14 мкм [2].

В "окно прозрачности" атмосферы попадает излучение СОг-лазера (9-11 мкм), нашедшего широкое применение в качестве источника ЛИ для лидаров [34]. Однако, спектры поглощения большинства молекул лежат в более длинноволновой области спектра (11. .16 мкм), недоступной для излучения С02 лазера. Разработанные в ОКРФ ФИАН лазеры на основе оптической накачки молекул аммиака излучением СОг лазера позволили расширить спектральный диапазон лазерного излучения до 14 мкм, что дает возможность значительно увеличить количество диагностируемых веществ. Таким образом, разработка лидарных систем в новых спектральных диапазонах является весьма актуальной задачей, поскольку именно в диапазоне 11... 13,5 мкм находятся спектры поглощения таких вредных для экологии веществ как фреоны, диоксины и т.п.

Целью настоящей работы является изучение возможности применения аммиачного лазера для двухчастотных лидарных систем с далеко разнесенными частотами в спектральной области 9... 13,5 мкм, разработка и исследование отдельных узлов МНз-С02лидара.

В первой главе диссертации «Физические процессы, протекающие в атмосфере при использовании лазеров для дистанционных измерений» дан литературный обзор работ, посвященных изучению различных механизмов взаимодействия лазерного излучения с атмосферой.

В разделе 1.1 перечислены основные физические процессы взаимодействия фотонов с атмосферным воздухом. Это - комбинационное рассеяние, рэлеевское рассеяние, Ми-рассеяние, резонансное рассеяние, флюоресценция и поглощение.

Раздел 1.2 посвящен описанию и сравнительному анализу основных методов лазерного зондирования атмосферы. В настоящее время методы лазерного зондирования основываются на таких процессах, как рэлеевское рассеяние, комбинационное рассеяние, рассеяние Ми, резонансное рассеяние, флюоресценция, поглощение, а также дифференциальное поглощение и рассеяние (ДПР

Весьма перспективным по сравнению с остальными является метод, использующий Ми-рассеяние. Сечения рассеяния Ми могут быть очень большими, и даже незначительное количество рассеивающих частиц размером порядка длины волны лазерного излучения может дать сигнал рассеянного излучения, полностью перекрывающий сигналы, обусловленные рэлеевским или комбинационным рассеянием, что позволяет зарегистрировать довольно малые концентрации частиц пыли или аэрозолей. Для того чтобы выделить вклад поглощения интересующей нас молекулы в ослабление лазерного пучка, обычно применяется метод дифференциального поглощения. В этом случае используется две частоты: одна в центре линии из полосы поглощения интересующей нас молекулы, а другая - на крыле этой линии. Высокие чувствительность и пространственное разрешение могут быть получены при сочетании дифференциального поглощения с рассеянием (ДПР). В этом случае пространственное разрешение и сильные сигналы на используемых частотах обусловливаются большим сечением рассеяния Ми, а отношение сигналов дает требуемую оценку дифференциального поглощения. Благодаря этому метод ДПР обладает наилучшей чувствительностью при зондировании определенных молекулярных составляющих с больших расстояний [7-9], благодаря чему он и получил наибольшее распространение.

В разделе 1.3 рассматривается метод дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР). В лазерном локаторе на основе метода ДПР как минимум два лазерных пучка с различными длинами волн посылаются вдоль одной и той же трассы в атмосферу. Пришедшие в результате объемного рассеяния на детектор сигналы от обоих пучков детектируются как функции времени, что позволяет выполнять пространственно-временные измерения концентрации поглощающих молекул. Число требуемых лазерных пучков или количество импульсов перестраиваемого по частоте лазера определяется количеством молекулярных микрокомпонентов, поглощающих излучение.

Раздел 1.4 посвящен описанию типов лидаров и их применениям. Функциональные элементы и принцип работы большинства лидаров показаны на рис. 1. Мощный лазерный импульс на одной или нескольких частотах корректируется передающей оптической системой и направляется на мишень.

Блок контроля выходного излучения

к мишени Выходная оптика

Рис. 1. Принципиальная схема лидара

Передающая оптическая система должна в основном решать три задачи: улучшать коллимацию светового потока, осуществлять пространственную фильтрацию пучка и отсекать любое нежелательное излучение, включая побочное излучение некоторых лазеров. Излучение,

отраженно-рассеянное от исследуемого объекта, концентрируется приемной оптикой, затем проходит через анализатор спектра. Этот прибор служит для выделения интервала длин волн, в котором проводятся наблюдения, и, следовательно, для отсечки фонового излучения на других длинах волн. Анализатор спектра может представлять собой либо сложный тщательно настраиваемый моно- или полихроматор, либо набор узкополосных фильтров. Тип фотодетекгора определяется спектральной областью наблюдений. В настоящее время в ИК области используются охлаждаемые жидким азотом фотоприемники на основе тройных полупроводниковых соединений Hg«Cdl !(Te.

По своей компоновке лидарные системы подразделяются на бистатические и моностатические. У бистатического (трассового) лидара излучатель и приемник расположены на противоположных сторонах исследуемого объекта. Этот прибор предназначен для проведения постоянного контроля за состоянием атмосферы в определенном направлении, например, в горнодобывающих карьерах или в районе нефтяных скважин. Моностатический лидар полностью расположен в одном месте базирования (стационар, автомобильное шасси, борт вертолета или самолета, космический корабль). Для возвращения зондирующего излучения используется либо зеркало, либо отражение от естественных топографических объектов - зданий, деревьев, поверхности Земли или воды, либо Ми-рассеяние.

К настоящему времени известно значительное число работ, посвященных использованию различных лазеров для диагностики состояния окружающей среды [10-17]. Так первые лазерные исследования атмосферы Земли были предприняты авторами работы [11], в которой было зарегистрировано "лазерное эхо" от верхних слоев атмосферы, работы [12] по зондированию тропосферы, наземное зондирование малых составляющих мезосферы [13], самолетное зондирование хлорофилла в океане в целях обнаружения районов, богатых рыбой [14], обнаружение нефтяных пятен на водной поверхности [15]. В работах [16] благодаря применению рубинового лазера в сочетании с приемным зеркалом телескопа 32 см были получены пространственно-временные картины структуры аэрозольного загрязнения воздушного бассейна на значительной площади. Но наилучшие перспективы применения лидаров открываются при исследовании молекулярного состава загрязнителей. Работа лазеров на нескольких спектральных линиях позволяет

не только определить наличие загрязнений, но и оценить состав загрязнителей. До недавнего времени для этих целей использовался мощный СОг лазер (спектр излучения 9 ...11 мкм) [4]. С его помощью были обнаружены, например, находящиеся в атмосфере аммиак и озон [17] и целый ряд других веществ. Однако, спектры поглощения многих загрязнителей находятся в более длинноволновой области спектра (11 ...18 мкм), недоступной для излучения СОг лазера. Разработанный в ОКРФ ФИАН аммиачно-азотный лазер позволил удлинить спектральную область лазерного излучения до 14 мкм [18]. Создание на основе этого лазера двухчастотного лидара позволит значительно расширить список обнаруживаемых загрязнителей атмосферы.

Вторая глава диссертации «Принципы работы двухчастотного ЫНз -СОг лидара в спектральном диапазоне 9...13,5 мкм» посвящена теоретическому рассмотрению условий работы двухчастотного №Нз-СОг лидара.

В разделе 2.1 формулируются основы регистрации примесей двухчастотным ЫНз -СОг лидаром. Проведенные всесторонние исследования импульсного аммиачного лазера с резонансной накачкой излучением СОг лазера [18] позволили создать в спектральном диапазоне 11-14 мкм мощный источник когерентного излучения, по своим параметрам (мощность, эффективность) приближающийся к широко распространенному СОг лазеру. С помощью ЫНз-лазера удалось решить ряд задач, связанных с резонансным воздействием на вещество. Особый интерес представляет возможность использовать излучение МНз-лазера в лидарах дифференциального поглощения [19-27]. Уникальный спектральный диапазон лазера позволяет диагностировать вещества, которые не могут быть определены с помощью СОг-пидаров: различные фтор-, хлор- содержащие молекулы (фреоны), способные разрушать озоновый слой Земной атмосферы, диоксины и некоторые другие вещества.

Впервые применить ГМз-лазер для лидаров было предложено в [26]. В дальнейшем, в работе [28] был рассмотрен лидар, в котором используется ЫНз-лазер с неселективным резонатором, вырабатывающий когерентное излучение фазу на нескольких линиях. В этом случае возможно определение спектра поглощения анализируемого вещества за один лазерный импульс, что является несомненным достоинством данного прибора. Однако из-за конкуренции лазерных переходов энергия излучения на каждой отдельной линии

оказывается существенно ниже по сравнению с селективным резонатором, что ограничивает дальнодействие лидара. Кроме того, спектральный диапазон излучения в случае многочастотной генерации значительно уже по сравнению со спектральным диапазоном ЫНз-лазера с селективным резонатором.. Кроме того, необходимость анализа спектра многочастотных сигналов, требует применения сложной дорогостоящей спектральной аппаратуры и мощного вычислительного комплекса. В связи с этим привлекательной представляется идея двухчастотного лидара на основе аммиачного лазера [19-27], то есть использование для лидарных систем одночастстного ЫНз лазера является более перспективным. Идентификация примесей и измерение их концентраций с помощью двухчастотного лидара осуществляется хорошо известным методом двухлучевой абсорбционной спектроскопии. Поглощение излучения молекулами примеси определяется путем сравнения интенсивностей рабочего и опорного пучков. Частоты излучения рабочего пучка выбираются вблизи частоты одной из линий поглощения регистрируемой примеси. Опорный пучок совпадает в пространстве с рабочим пучком, но не испытывает резонансного поглощения. Сравнение интенсивностей опорного и сигнального лучей на выходе лидара и после прохождения ими измерительной трассы в атмосфере позволяет компенсировать влияние нерезонансных потерь - турбулентности и тепловых флуктуации плотности атмосферы - на точность измерений концентрации примеси. Следует отметить, что различие в коэффициенте атмосферного обьемного обратного рассеяния для опорного и рабочего пучков не является существенным, поскольку концентрация примеси определяется соотношением между отношениями сигнального и опорного пучков вблизи центра линии поглощения и на ее краях, где практически отсутствует резонансное поглощение. Опорный луч в таком лидаре генерирует С02-лазер, используемый также в качестве источника оптической накачки ЫН3-лазера, а частота излучения в рабочем пучке перестраивается по линиям спектра ЫНз-лазера.

Концентрация регистрируемого с помощью лидара вещества (п), составляющего малую примесь в атмосфере, вычисляется следующим образом:

п =А(Я1,^0) 1п [1(Д0)/1(Я1)]/1

где L - длина измерительной трассы; Я и ¿о- длины волн вблизи центра линии поглощения и на крыле, где погощение практически отсутствует, соответственно; A(Ai,A0)= п0 Lo /1п[1°(10) / 1°(Я0] - элемент «спектрального портрета» молекулы, полученного для известной длины поглощающего слоя Lo и концентрации п0 ; 1(Ло, = 1раб /(lonop х k); lpae lonop - средние интенсивности излучения рабочего и опорного пучков в плоскости апертуры приемного телескопа лидара; к - отношение указанных интенсивностей на выходе лидара. Оценки показывают, что поскольку сечения поглощения многих органических веществ для валентных колебаний в спектральной области 9... 14 мкм составляет 10"17 см2 и выше, с помощью NH3 - СОг лидара возможно регистрировать вещества с концентрацией больше 0,1 ррм на длине трассы 100 м.

В разделе 2.2 приводятся результаты анализа влияния рассогласования диаграмм направленности опорного и рабочего пучков на точность измерений концентрации примесей. Источником ошибок в любом лидаре, использующем метод двухпучевой абсорбционной спектроскопии, является несовпадение в пространстве опорного и рабочего пучков, связанное либо с различной расходимостью пучков либо с несовпадением их оптических осей. Для предлагаемого лидара на основе аммиачного лазера выявление и устранение таких ошибок имеет принципиально важное значение, так как опорный и рабочий пучки генерируются различными активными средами, расположенными в разных оптических резонаторах, и поэтому могут иметь различные диаграммы направленности излучения. Если расходимости опорного и рабочего пучков отличаются на Да, то величину ошибки (An,) при измерении концентрации примеси можно оценить следующим образом: Дгн »2 (Да I а) / а X где а - расходимость рабочего пучка, о - сечение поглощения загрязняющей примеси, х - длина трассы с загрязнением.

Для измерения концентрации примеси на уровне ~ 1 ррт с относительной ошибкой < 20 % необходимо обеспечить совпадение расходимостей опорного и сигнального пучков с точностью < 10"2, причем длина измерительной трассы должна быть не менее 0,2 либо 2 км при регистрации примеси с сечением поглощения ~ 10~18 либо ~10",9см2 соответственно.

Угловое смещение оси опорного пучка относительно оси рабочего пучка является второй причиной возникновения ошибок при измерении концентрации примеси, так как также приводит к изменению отношения интенсивностей излучения опорного и рабочего пучков в плоскости апертуры приемного телескопа, не связанному с резонансным поглощением излучения.

В случае Гауссова распределения интенсивности излучения по апертуре лазерного пучка можно следующим образом оценить величину ошибки Лп2, обусловленную тем, что между оптическими осями пучков с одинаковой расходимостью имеется угол 0:

Лп2 ~(ßla)2/(o X)

Величина отношения 0/а не должна превышать ~ 0,1 для измерений концентрации примеси на уровне ~ 1 ррт с относительной ошибкой < 20 % в указанных выше условиях.

При измерении концентрации примеси ошибки Äni и Лпг суммируются. Если разность расходимостей излучения опорного и рабочего пучка Да остается неизменной от импульса к импульсу, то ошибка Ani является систематической и может быть учтена при обработке сигналов. Неконтролируемый разброс от импульса к импульсу оси диаграммы направленности опорного пучка относительно рабочего пучка приводит к появлению случайной ошибки Лп2, что необходимо учитывать при гидарных измерениях концентраций примесей в атмосфере.

В третьей главе диссертации «Конструктивные особенности двухчастотного NH3-CO2 лидара» приведены экспериментальные результаты разработки и исследования основных узлов этого устройства.

В разделе 3.1 описана блок-схемв двухчастотного ГМНз - СОг лидара. Основными элементами лидара являются: источник двухчастотного лазерного излучения с оптической системой формирования выходного пучка, приемная оптика с фотодетекторами, система наведения лидара на объект и система обработки информации. Использование в качестве источника излучения импульсного перестраиваемого NH3 лазера с оптической накачкой не изменяемым по частоте излучением СОг лазера позволяет создать двухчастотный лидар, у которого в каждом импульсе присутствуют только две частотные компоненты, причем одной из них (опорное излучение) является

неиспользованное излучение накачки, а другой (зондирующее излучение) -перестраиваемое излучение МН3 лазера. Последнее излучение перестраивается по частоте в определенном спектральном диапазоне при переходе от одного импульса к следующему импульсу с помощью системы, управляемой компьютером. Таким образом, полное изучение состояния атмосферы осуществляется за количество импульсов, равное числу линий 1МН3 лазера в исследуемом спектральном диапазоне. Поскольку в каждом импульсе присутствует только одна линия NN3 лазера, такой принцип построения лидара позволяет отказаться от двух многочастотных спектроанализаторов высокого разрешения (на выходе лидара и на его входе) - дорогостоящих оптических устройств, а использовать интерференционный фильтр на частоту 1084 см"1 для отсечки излучения накачки. Такая модификация приводит к значительному упрощению и удешевлению оптической схемы лидара в целом.

Раздел 3,2 посвящен описанию различных оптических схем двухчастотного излучателя лидара. Основу излучателя составляет импульсный перестраиваемый по частоте МН3 лазер с оптической накачкой излучением СОг лазера. Как было установлено в [18], добавление азота в качестве буферного газа к аммиаку позволяет получать генерацию на многих переходах в диапазоне 745-928 см"1 с эффективностью преобразования до 21%.

Т-■—I-■—1-■—г

85й

~Т I г

800

900 V, см"

Рис. 2. Спектрально-энергетическая диаграмма ЫНз - N2 лазера [18].

Главным свойством лазерного излучателя двухчастотного лидара является колинеарность распространения лазерных пучков двух различных частот. В первых работах по двухчастотным аммиачным лидарам [26,27] были

С02 кювета

Рис. 3. Оптическая схема аммиачного лазера с раздельным резонатором.

Мо, М1-зеркала, 61, Сг, вз- дифракционные решетки

рассмотрены различные схемы сведения пучка генерации 1МН3 лазера и пучка лазера накачки (рис. 3). Как видно из этого рисунка, пучки выходят из разных точек пространства и под разными углами, что создает большие трудности при их сведении в один пучок. Для решения этой задачи были использованы оптические системы, содержащие дополнительные элементы, на которых происходила потеря лазерного излучения. Кроме того, такая система требует тонкой юстировки и тщательного изготовления всех деталей крепления оптических элементов, поскольку угол выхода излучения аммиачного лазера зависит от частоты, на которую настроен его резонатор. В работе [19] нами предложена несколько иная схема излучателя (рис. 4). В этой схеме два различных пучка распространялись навстречу друг другу. Совмещение пучков достигалось за счет одного зеркала, возвращающего один из лучей назад. Такая схема проще предыдущей, однако, и она не является оптимальной, так как здесь также затруднена юстировка и имеются потери излучения.

Рис.4. Оптическая схема двухчасготного лидара с оптическим сведением двух пучков.

С точки зрения максимального использования лазерной энергии наиболее подходящей является разработанная нами схема, в которой совмещение пучков осуществляется в самой кювете МНз лазера, а их вывод происходит через дихроичное резонаторное полупрозрачное зеркало аммиачного лазера. В такой схеме колинеарность лазерных пучков обеспечивается во всем спектральном диапазоне излучения ЫНз лазера (рис. 5). Излучение СОг лазера с помощью решетки 61 (100 мм"1) настраивалось на линию 9И(30) (импульсная энергия излучения при этом составляла 2,5 Дж при сечении 3x2 см2) и направлялось примерно перпендикулярно на решетку С2 (75 мм'1), из первого порядка которой излучение накачки поступало в кювету (длина активной области 1,8 м), заполненную смесью 1МН3 : N2 = 1: 20 до давления 10 мм рт.ст. Резонатор МНз лазера образован полупрозрачным зеркалом М1 (германиевая пластинка) и глухим зеркалом Мг, связанными через «0» порядок решетки Сг. На пути излучения с определенной длиной волны, выходящего из "1" порядка решетки Сг, перпендикулярно ему ставилось глухое зеркало М3. Перестройка частоты генерации NN3 лазера осуществлялась поворотом

Рис. 5. Оптическая схема перестраиваемого ЫНз лазера для двухчастотного лидара с автосведением двух лазерных пучков.

зеркала М3. В такой схеме нами была получена генерация на 5 линиях: 853,6 см"1 (переход аР(4,0)), 847,4 см"1 (переход $Р(6,к)), 832,0 см"1 (переход аР(5,3)), 828,0 см'1 (переход зР(7,к)), 816,8 см"1 (переход аР(6,0)) с импульсной энергией 80 мДж, 60 мДж, 50 мДж, 100 мДж, 30 мДж соответственно при фоновой энергии излучения на частоте 1084 см"1 350 мДж. На рис. 6 представлена спетрально-энергетическая диаграмма генерации ИНз лазера, работающего в схеме рис.5. Система приема излучения состоит из приемного телескопа или зеркала, спектрального разделителя пучков и двух фотоприемников с фокусирующими зеркалами или линзами. Для отделения излучения с частотой 1084 см"1 достаточно использовать интерференционный фильтр, пропускающий излучение этой частоты и отражающий всё другое более длинноволновое излучение. После этого пространственно разделенные пучки собираются каждый своей фокусирующей системой на соответствующие фотоприемники. Наиболее чувствительными ИК - фотоприемниками являются полупроводники, в которых падающее излучение в результате квантового взаимодействия создает "свободные" носители заряда, Одним из наиболее широко применяемых чувствительных ИК - детекторов в диапазоне 9-13,5 мкм является фотоприемник на основе тройных соединений Нд1-хСс1хТе,

охлаждаемый жидким азотам. Фотоэлементы из Нд1-хСс)хТе имеют спектральный диапазон чувствительности 8-14 мкм, максимальное значение

810 820 830 840 850 860

V см

Рис. 6. Спектр-энергетическая диаграмма NH3 лазера по схеме рис.5.

обнаружительной способности порядка 9х1010 смхГц1/2/Вт при длине волны 10 мкм, сопротивление 100 ... 300 Ом и постоянную времени 10~® с.

Основным элементом приемной оптики в настоящее время является телескоп системы Ньютона или Кассегрена. Однако, в ряде случаев для упрощения конструкции лидара в целом возможно использование только сферического фокусирующего зеркала. Чувствительность приемной системы лидара, а, следовательно, и дальнодействие прибора, пропорционально квадрату диаметра фокусирующего приемного зеркала и обратно пропорционально размеру площадки, на которую фокусируется излучение, т.е. его фокусу. (В нашем случае фокус приемного зеркала -1 м). В то же время при создании мобильных устройств нельзя использовать оптику очень больших размеров. Наиболее целесообразным, с нашей точки зрения, является зеркало диаметром 30...50 см (в нашем случае диаметр зеркала - 40 см). Как показывают оценки, такие размеры при использовании Hg).xCdxTe -приемников и при энергии лазерного пучка - 1 Дж позволяют исследовать

объекты, находящиеся на расстоянии от лидара в зависимости от состояния атмосферы от нескольких сотен метров до нескольких километров. Описанию системы управления, регистрации и обработки информации посвящен раздел 3.4. Задачи, которые стоят перед этой системой следующие: управление режимом работы лидара; управление частотой зондирующего излучения NH3 лазера; измерение энергии излучения в выходящем и принимаемом двухчастотных лазерных пучках на обеих частотах; обработка результатов - получение спектральных характеристик атмосферы и определение наличия и концентрации примесей по имеющимся в памяти компьютера «спектральным портретам» молекул; получение от видеокамеры изображения объекта исследования и отображение его на мониторе компьютера; управление системой наведения лидара на исследуемый объект. Структурная схема системы управления, регистрации и обработки информации приведена на рис. 7. Основой этой системы является персональный компьютер типа IBM PC. К системе регистрации относятся также две пары фотоприемников. Первые два измеряют пришедшее излучение на двух длинах волн, вторая пара служит для измерения ушедшего излучения. Аналоговые сигналы с приемников преобразуются АЦП в цифровой код, а затем обрабатываются компьютером. Для того, чтобы устранить влияние зависимости коэффициента рассеяния от длины волны, для каждой длины волны NH3 лазера вычисляется величина

F = (А 1 /А0)/(В 1 /ВО),

где А1 - пришедший сигнал на частоте NH3 лазера;

АО - ушедший сигнал на частоте NH3 лазера;

В1 - пришедший сигнал на частоте СОг лазера;

ВО - ушедший сигнал на частоте СОг лазера.

Эти измерения проводятся для всех линий генерации аммиачного лазера в заданном спектральном интервале. Поскольку в этом интервале должны находиться и пик, и крыло линии поглощения, то различия в рассеянии излучения опорного и измерительного пучков становятся несущественными. Полученная зависимость F(A) сравнивается со «спектральным портретом» молекул из библиотеки, хранящейся в памяти компьютера, и, таким образом, определяется наличие и примерное количество той или иной примеси в атмосфере.

1ВМ РС

контроллер

АЦП 1

2 3 4

"блоку туска

фотоприемники

К системе наведения

Видеокамера

К системе перестройки частоты лазера

Рис. 7. Структурная схема системы управления, регистрации и обработки информации.

1 - усилитель двигателей системы наведения;

2 - блок связи видеокамеры с компьютером;

3 - блок управления шаговым двигателем перестройки частоты лазера;

4 - синхронизатор блока запуска лазера

В разделе 3.5 приводится описание системы наведения на цель. Задача системы наведения состоит в том, чтобы обеспечить с одной стороны доставку лазерного излучения в нужную область пространства, а с другой стороны -создать условия для получения рассеянно-отраженного излучения фотоприемниками. Как правило, у лидаров наведение на цель осуществляется вращением платформы, на которой установлены лазер, фотоприемники и приемо-излучательный телескоп. Для небЬпьших по размерам лазеров такая система является приемлемой. В нашем случае источник излучения имеет довольно большие размеры (~2м), поэтому использовать такую систему наведения не целесообразно. Мы разработали для этой цели схему, в которой подвижно только одно плоское зеркало наведения. Оно вращается по двум координатам (азимут и тангаж), в то время как все остальные элементы лидара остаются неподвижными. При такой оптической схеме наведения снижаются требования к точности изготовления механического узла крепления и юстировки

подвижного зеркала. Кроме того, поскольку все оптические элементы кроме зеркала наведения неподвижны, значительно облегчается юстировка системы и устраняется необходимость корректировки положения некоторых узлов при перенаведении прибора с одного объекта на другой, что особенно важно при разработке и создании мобильных систем. Еще одним достоинством предложенной системы наведения является то, что она позволяет облучать объект несколькими лазерными пучками. Для этого достаточно, чтобы лазерные пучки были направлены параллельно друг другу и шли вертикально вверх. Использование такой схемы позволит в будущем создать лидарную систему, работающую в различных спектральных участках, что значительно повысит точность определения состава примесей в атмосфере. Наведение лидара на цель осуществляется с помощью видеокамеры, изображение с которой передается на экран монитора компьютера. Полная оптическая схема МНз - СОг лидара приведена на рис. 8.

Для обеспечения связи компьютера с внешними устройствами - блоком запуска импульсного СОг лазера, двигателем узла перестройки частоты К1Нз лазера, двигателями системы наведения, фотоприемниками, видеокамерой -был разработан и изготовлен специальный интерфейс, описание которого дано а приложении I.

Для согласования видеокамеры с компьютером был создан специальный драйвер, описание которого дано в приложении II. При нажатии определенных клавиш клавиатуры интерфейс выдает электрические сигналы для двигателей зеркала наведения, и таким образом лидар наводится на изучаемый объект.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Экспериментально продемонстрирована возможность (создан макет) использования аммиачного лазера с оптической накачкой излучением С02 лазера для двухчастотного лидара с далеко разнесенными частотами в спектральном диапазоне 9... 13,5 мкм, где находятся линии поглощения таких вредных веществ, как фреоны, диоксины и т.п.

2. Предложена и создана оптическая схема импульсного двухчастотного МН3-СОг лидара, в которой, благодаря далеко разнесенным частотам, отсутствует дорогостоящий спектроанализатор высокого разрешения, что существенно упрощает и удешевляет конструкцию прибора.

10 :_________

1

Рис. 8. Оптическая схема двухчастотного ЫН3 - СОг лидара.

1 - Исследуемый объект; 2 - направляющее зеркало; 3 - фокусирующее приемное зеркало; 4 -ЫН3 / СОг лазер; 5 - видеокамера; 6 - интерференционное зеркало на 1084 см"1; 7 - компьютер; 8 - фотоприемники приемной части; 9 - фотоприемники лазерной части; 10 -вспомогательные зеркала.

- Ход лучей от объекта

Ось лазерного пучка

---------- Соединения с компьютером

—--------- Ось видеокамеры

3. Получена оценка влияния рассогласования диаграмм направленности опорного и рабочего пучков двухчастотного лидара на точность измерения примесей. Так, для измерения концентрации примеси с относительной ошибкой < 20 % необходимо обеспечить совпадение опорного и ситального пучков с точностью <3.10"3.

4. Исследованы различные оптические схемы излучателя лидара на основе аммиачного лазера. Разработана и опробована специальная оптическая схема источника лазерного излучения, в которой зондирующее излучение ЫНз лазера и опорное излучение СОг лазера распространяются в одном

пучке параллельно друг другу, что устраняет необходимость пространственного сведения этих лучей. Показано, что такая оптическая схема может функционировать во всем спектральном диапазоне перестройки NH3 лазера (11... 13,5 мкм).

5. Разработана упрощенная оптическая схема наведения лазерного излучения на объект для мобильного варианта NH3-CO2 лидара, в которой подвижным элементом является только одно плоское зеркало. Определено, что в такой системе наведения снижаются требования к точности изготовления механических узлов и юстировки подвижной части системы. Кроме того, такая схема может использоваться для совмещения работы нескольких источников излучения лидара, работающих в различных спектральных диапазонах, что существенно расширяет возможности лидара.

6. Разработаны и' созданы компьютерные интерфейс и драйвер системы наведения двухчастотного лидара. Эти элементы позволяют с помощью компьютера наблюдать объект на экране монитора, доставлять лазерное излучение к объекту исследования и получать отраженно - рассеянное излучение от объекта, а также вводить в компьютер исходные данные для последующей обработки.

Основные результаты работы опубликованы в [19-25]

ЛИТЕРАТУРА

1. Межерис. Р. "Лазерное дистанционное зондирование", М., Мир, (1987). Зуев В.В., Зуев В.Е. Лазерный экологический мониторинг газовых компонентов атмосферы. Итоги науки и техники, сер. Метеорология и климатология. М., ВИНИТИ, 20, 187, (1992).

2. Laser remote sensing". Trends In Analytical Chemistry, 17, 8-9 (август 09), 491-500, (1998).

3. "Lidar atmospheric monitoring". Proc. of Int. Conf. on Lidar Atmospheric Measurements, 16-18 June 1997, Munich, FRG, Bellingham, Wash., USA: SPIE, (1997).

4. Кольяков С. Ф., Малявкин Л. П.. Квантовая электроника, 15, №1, 212-217, (1988).

5. Schotland R. М., Some Observation of the Vertical Profile of Water Vapor by a Laser Optical Radar, Proc. 4th Symposium on Remote Sensing of the Environment, 12 - 14 April 1966, Univ. of Michigan, Ann Arbor, 1966, p.273 - 283.

6. Grant W. В., Hake R. D., Jr., Liston E. leal., Robbins R. C., Proctor E.K., Jr., Calibrated Remote Measurements of NO, Using Differential Absorb tion Backscatter Technique, Appl. Phys. Lett., 24,550 - 552 (1974)

7. Ahmed S. A.,, Molecular Air Pollution Monitoring by Dye Laser Measurement for Differential Absorption of Atmospheric Elastic Backscatter Appl. Optics, 12, 901- 903, (I973).

8. Rothe K. W„ Brinkman U., Walter H., Applications of Tunable Dye Lasers to Air Pollution Detection; Measurements of Atmospheric N02 Concentration by Differential Absorption, Appl. Phys., 3, 115 - 119 (1974a).

9. Hoell J. M., Jr., Wade W. R., Thompson R. Т., Jr, Remote Sensing of Atmospheric S02 Using the Differential Absorption Lidar Technique, Int. Conf. on Environ. Sens. Assessment, Las Vegas, 14 Sept, 1975.

10. U. Panne. "Laser remote sensing". Trends In Analytical Chemistry, 17, 491-500, (1998).

H.Fiocco G.,Smullin L.D., Detection of Scattering Layers in the Upper Atmosphere (60140km) by Optical Radar, Nature, 199,1275-1276,1963.

12. LigdaM.G.H., Proc. Conf. Laser Technol., 1st, San Diego, Calif.,63-72,1963

13. Granier C., Megie G., Daytime Lidar Measurements of Mesospheric Sodium Layer, Planet.Space Sci., 30,169-177,1982.

14. Hoge F.E., Swift R.N., Airborne Simultaneous Spectroscopic detection of Laser Indused Water Raman Backscatter and Fluorescence from Chlorophyll-a, and Other Naturally Occurring Pigments,Appl. Optics, 20, 3197-3205,1981.

15. Богородский B.B., Кропоткин M.A., Шевелева Т.Ю. Методика и техника обнаружения нефтяных загрязнений вод. Л., Гидрометеоиздат, 1975.

16. Зуев В.Е., Кауль Б.В., Краснов О.А., Самохвалов И.В.Некоторые результаты лазерного зондирования атмосферы индустриального центра. Труды ИВсесоюзного симпозиума ло распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск, 1973.

17. Stewart R., Bufton J.L. Development of a pulsed 9,5 mkm lidar for regional scale 03 measurement. - Opt. Eng., 1990,v.19, N 4, p.503.

18. См., напр., Ахраров M. А., Васильев Б. И., Грасюк А. 3. и др., Труды ФИАН, 106, 3 (1982). Васильев Б. И., Докторская диссертация, ФИАН, Москва, 1997.

19. Ананьев В.Ю., Васильев Б.И., Лобанов А.Н., Лыткин А.П., Чо Чен Вхан, Ким Жен Сен . Двухчастотный лидар на основе аммиачного лазера. КЭ, 30, №6, 535-539, 2000

20. Васильев Б.И., Лыткин А.П., Чо Чен Вхан. Мобильный двухчастотный аммиачный лидар для дистанционного обнаружения источников загрязнения атмосферы. Лазер информ №10,3-7,2000.

21. Васильев Б.И., Чо Чен Вхан. NH3 лазер в качестве источника излучения двухчастотного лидара. КЭ, 30, №12,1113-1114,2000

22. Васильев Б.И., Чо Чен Вхан. Двухчастотный аммиачный лидар (Конструкция прибора). ПТЭ №1, 5-6,2001

23. Васильев Б.И., Чо Чен Вхан. Конструктивные особенности двухчастотного NH3 -СОг лидара. Препринт ФИАН, № 42, 2000.

24. Vasiliev B.I., Lytkin А.Р., Cho Cheon Whan. Formation of reference and signal laser beams in a differential absorption lidar. X conference on laser optics. Technical program. St. Petersburg, Russia, 2000.

25. Vasiliev B.I., Lytkin A.P., Cho Cheon Whan.Stadies of two-frequency differential absorption NH3 lidar. The XIII international Symposium on Gas Flow & Chemical Lasers and Power Laser Conference, Florence, Italy, 2000.

26. Васильев Б.И., Ястребков А.Б. Известия РАН. Серия физическая. Т.58, № 2, с. 202 -206.1994

27. Ананьев В.Ю., Васильев Б.И., Жеггтухин А.А., и др., Препринт ФИАН №54, М., 1998.

28. Баранов В. Ю., Бобков И. В., Дядькин А. П., и др., Препринт ТРИНИТИ № 0043-А, Троицк, 1998.

Подписано в печать 15 аоября 2000 г. Заказ №143 .Тиражей экз. П. л. 1,5.

Отпечатано в РИИС ФИАН. Москва, В-333, Ленинский проспект, 53