.КтЬаню temopat. , обыкнобенного jiffm Копеданйя вешора £l нтые:нооенногсГлуча

" схема зксперимен.

является направлением волнового синхронизма; * гармоники

б; / - лазер; 2 - кварц; 3 - фильтр; 4 - монохроматор; 5 приемник излучения

-L Лазер I I [

Рис. 12.12. Оптическое детектирование (а) и самофокусировка лазерного излучения (б):

о; - длительность импульса; R - резистор; С - емкость конденсатора; б; / область самофокусировки; - область самоканалнзацин

ходит через нелинейный кристалл по направлению оси г. Вектор напряженности электрического поля изменяется во времени (со и пространстве вдоль оси г с периодичностью, кратной длине волны Эта волна в кристалле образует волну поляризации cos (2(ui< - Ikz), которая в свою очередь излучает электромагнитную волну с такой же частотой cos (2(0i/ - ki). Между волной поляризации и световой волной второй гармоники по пути следования в нелинейном кристалле возникает некоторая разность фаз. В том идеальном случае, когда дисперсия в двулучепреломляющем кристалле отсутствует, обе эти волны совпадут по фазе, т. е. будет выполнено условие, называемое фазовым (или волновым) синхронизмом. В этом случае можно получить большое значение длины когерентности (см. п. 3.3).

. Х я

~ 4[Пе(2м)-Яо (м)] 2 (2 - 2/ji)

Причина появления этого условия - неодинаковая поляризуемость молекул при различных направлениях смещения электрона в анизотропном веществе. Например, в одноосном кристалле KDP сферическая обыкновенная Яо и эллипсоидальная необыкновенная «е индикатрисы показателей преломления пересекаются под углом 0 к оси г и Пойи = «е (2*) 2 = 21. Это и есть математическая запись условия синхронизма. Таким образом, если поляризация падающей основной волны является обыкновенной, а свойства кристалла подобраны так, что основная волна возбуждает в нем необыкновенную волну второй гармоники, то в направлении будет максимальное значение мощности излучения второй гармоники (см. рис. 12.11, а).

Как уже отмечалось, при прохождении основной гармоники излучения лазера через нелинейный элемент происходит преобразование частоты основной гармоники в частоты высших гармоник. Например, излучение лазера на неодимовом стекле (к = = 1,06 мкм), проходя через оптически прозрачный кристалл ниобата бария, преобразуется в излучение с длиной волны = 0.53 мкм, т. е. во вторую гармонику.

В настоящее время известно несколько типов кристаллов, пригодных для генерации гармоник: кристаллы кристаллографического класса D2d (KDP, ADP, DKDP и др.), сегнетоэлектрические (LiNbOg, LiTaOg), гексагонально-пирамидальные кристаллы (LilOj и др.), кристаллы со структурой вольфраматовых бронз (BajNaNbOij и др.). Наибольшее практическое применение для генерации второй гармоники получил кристалл KDP. Эффективность генерации гармоник зависит от фазовых соотношений между основной волной и гармониками внутри среды. Взаимодействие двух волн с различными частотами максимально, а следовательно, максимальна и перекачка энергии от основной волны к гармоникам, если их фазовые скорости одинаковы, т. е. выполняется условие фазового синхронизма.

Условие равенства фазовых скоростей основной волны и гармоники выполняется лишь в среде, не обладающей дисперсией. В реальной же диспергирующей среде фазовые скорости на различных частотах не равны между собой. Условия фазового синхронизма выполняются лишь на ограниченных расстояниях, не превышающих длину когерентности/jQj,. Например, для кристалла кварца (/j. ~ 10~ см) условие волнового синхронизма не выполняется. Таким образом, при прохождении излучения лазера через кристалл участки, на которых мощность гармоники увеличивается за счет основной волны, сменяются участками, на которых происходит обратный процесс. Длина каждого такого участка определяется 1.

Нелинейный элемент для генерации гармоник представляет собой кристалл, вырезанный вдоль так называемого направления синхронизма, где выполняются условия фазового синхронизма и длина когерентности обращается в бесконечность. Направление синхронизма характеризуется углом Q. В кристалле KDP при излучении рубинового активного вещества 9(,„ = 50° 49, а неодимового - 9,, = 41°ЗГ. Существование направлений синхронизма в кристалле KDP и обусловило его широкое распространение. Мощность второй гармоники растет как квадрат длины кристалла /р, т. е.

2ш •

nHLP:

крш"

Его к. п. д. без применения специальных мер может достигать 10...20 %, в то время как к. п. д. других кристаллов достигает 0,1...0,01 %. При использовании систем формирования пространственной структуры луча к, п. д. кристалла KDP может достигать 70 % и более.

Генерация третьей гармоники обусловлена наличием в уравнении (12.11) члена вЕ". Нелинейная часть поляризации в зависимости от этого члена в гармоническом поле мощной световой волны имеет вид

QE> = cos3 0,759cos at + 0,259£ cos Зю.

Впервые излучение третьей гармоники с длиной волны = 0,2313 мкм экспериментально получено в 1962 г. на кристалле кальцита (CaCOg) при воздействии на него излучения рубинового лазера.

Рассмотрим теперь эффекты самофокусировки и самоканализадии излучения.

Самофокусировка представляет собой сужение пучка излучения до световых нитей в результате изменения показателя преломления вещества под воздействием поля световой волны.

Это своеобразное подавление дифракции носит принципиальный характер, так как дифракция формирует оптическое изображение. При нелинейной поляризации среды показатель преломления л зависит от напряженности поля £. В случае гармонического возбуждения нелинейной среды п = Пд + пЕ, где щ = Ке»; Яа = у

Появление нелинейной поляризации и этот оптический эффект принято называть самоаоздействием волны. Наиболее важными последствиями этого являются электро-стрикция и нагрев. В этих случаях показатель преломления изменяется за счет изменения плотности среды.

в результате самовоздействия волны среда становится оптически неоднородной. Для большинства сред rtj > О, и области с максимальной интенсивностью поля являются оптически наиболее плотными. Среда, в которой распространяется световой пучок, приобретает свойства искусственно возникшей собирающей линзы, ось которой совпадает с осью светового пучка: интенсивность света максимальна на оси пучка и убывает в радиальном направлении. Эта линза искривляет плоский фронт падающей волны. В результате возникает самофокусировка светового пучка (область / на рис. 12.12, 6). Наблюдаемая за фокальной точкой светящаяся нить состоит из многочисленных сверхтонких иитей диаметром 2...5 мкм.

При самофокусировке перераспределение интеисивиости пучка в поперечном направлении приводит к концентрации его поля в области, примыкающей к оси пучка. При этом фокусирующая способность среды увеличивается. Таким образом, слабое увеличение интенсивности волны в определенной области приводит к дальнейшей концентрации светового пучка. Эффект самофокусировки - это поразительное явление - можно наблюдать даже при излучении газовых лазеров непрерывного действия.

Сужению светового пучка препятствует дифракция. Угол дифракционной расходимости пучка с диаметром апертуры dj, составляет Рд„ф = 1.22 X/(nd„). Получается любопытная ситуация, когда световой коиус, являющийся следствием дифракции, практически превращается в цилиндрический световой каиал. Для световых лучей образуется цилиндрический волновод с показателем преломления, изменяющимся в поперечном сечении по закону п - п„-\- пЕ. Волновод помещен в оптически менее плотную среду (при > 0) с показателем преломления п„. Этот уникальный волновод имеет свойство: любой луч, падающий на его стеики под углом, ббльшим критического п„

угла ф = arcsin-, , испытывает полное внутреннее отражение и не выхо-

дит за пределы волновода.

Таким образом, при = рф нелинейная рефракция полностью компенсирует дифракционную расходимость, в результате чего пучок сохраняет свою форму и размеры при распространении в среде. Это - явление самоканализации светового пучка (область на рис. 12.12, б). Пороговая мощность, при превышении которой наблюдается явление самофокусировки, Рр = (1,22Хо)2 пъ- , а эффективная длина

самофокусировки Р/ = 0,25d „/(пЕ). Пороговые значения мощности, например для сероуглерода при X = 1 мкм, составляют ~ 10 кВт. Однако в воздухе при атмосферном давлении Р ~ 10 МВт. Весьма интересно прохождение мощного лазерного излучения, превышающего критическое значение (Р > Рр) и сфокусированного в прозрачном веществе, например в стекле. Из фокуса выходит тонкая световая нить диаметром 40Х,. Внутри этого светящегося канала появляются пузырьки, свили и помутнения.

Распространение светового пучка в нелинейной среде сопровождается не только перераспределением интенсивности в пространстве, но и изменением его частотного состава. Возникает фазовая модуляция светового импульса, которая приводит к уширению его спектра. Уширение пропорционально длине пути, пройденного в нелинейной среде, и скорости изменения во времени показателя преломления. Ширина спектра на выходе из нелинейной среды может в сотни и тысячи раз превышать ширину спектра входного сигнала. Имеется много гипотез, поясняющих динамику явления самоканализации. Например, линза, появляющаяся при самофокусировке, имеет изменяющееся фокусное расстояние, которое движется в пространстве с большой скоростью (порядка 10* м/с). Изучение нелинейных эффектов - актуальная проблема, поскольку много фактов, в частности связанных с самокапализацией, пока не выяснено. Неизвестны зависимость размеров светового канала от мощности излучения, как передается энергия в канале, и т. д. и т, п. [3].

Раздел 3

ПРИМЕНЕНИЕ УСТРОЙСТВ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНИКИ

Глава 13. ЛАЗЕРНЫЕ ДАЛЬНОМЕРЫ

13.1. Принципы проектирования лазерных дальномеров

Среди многочисленных областей применения лазеров перспективным является создание лазерных систем измерения дальности и угловых координат движущихся объектов (кораблей, самолетов, искусственных спутников Земли, планет и т. д.).

Лазерная локация осуществляется облучением объекта наблюдения (цели) лазерным излучением и приемом части отраженной от этого объекта энергии, несущей полезную информацию о местоположении его в пространстве. Техническими средствами лазерной локации яаляются высотомеры, дальномеры и лазерные локационные станции (лидары).

С развитием новых, высокоинтенсивных источников излучения, в частности твердотельных лазеров импульсного действия, лазерные локаторы получили широкое распространение. Они используются в бортовых системах управления летательными аппаратами, в метеорологии и геодезии, применяются для картографирования Луны.

Узкая направленность и высокая монохроматичность лазерного излучения позволяют создавать спектральную и пространственную плотность энергии, превышающую аналогичную характеристику радиолокаторов диапазона СВЧ [6, 18, 21, 23].

Системы лазерной локации обладают преимуществом по сравнению с радиолокаторами: большей точностью измерения доплеровского сдвига частот, лучшим разрешением, большей точностью определения координат наблюдаемого объекта. Лазерные дальномеры имеют функциональную схему, аналогичную схеме радиолокатора. Отличие состоит в основном в электронных схемах приема и обработки оптического сигнала и характеристиках излучателя и антенн (рис. 13.1) *.

Уместно отметить, что задолго до появления радиолокаторов и лазеров в 1936 г. акад. А. А. Лебедевым (1893-1969), основоположником оптической локации и светодальнометрии, был предложен и практически реализован метод измерения дальности.

Существует несколько основных методов измерения дальности до неподвижных и подвижных объектов: импульсный, фазовый, интерференционный, базовый и т. д. Рассмотрим первые два из них.

Импульсный метод основан на измерении промежутка времени, необходимого для прохождения импульса излучения до объекта и

* См.: Малашин М. С, Каменский Р. П., Борисов Ю. Б. Основы проектирования лазерных локационных систем.-М., 1983,- 208 с.

Z 10

9 фмЗ ф7

Рис. 13.1. Функциональная схема лазерной локационной станции: / - лазерный передатчик; 2 - объектив; 3,6 - скаиаторы; 4 ц,ель; 5, 7 = приемные объективы; 8 - фильтр; 9- фотоэлектронный умножитель; 10 - система обработки данных; - платформа; 12...14 - система автоматического наведения; 15 блок исходных данных» III - система целеуказания; 17 - система ручного наведения

обратно, по количеству калиброванных импульсов л„:

Тзн = %Т = 2D/c; D = 0,5стзн,

где Т - период калиброванного импульса.

Погрешность измерения дальности в этом случае приблизительно можно оценить погрешностью измерения времени Атз„:

AD = (DAr/c + 0,5сАТз„) 0,5сАТз„.

Фазовый метод измерения дальности основан на регистрации запаздывания фазы модулированного сигнала при двойном прохождении измеряемого расстояния. Дальность до объекта в данном случае является функцией разности фаз и частоты модуляции излучения: D ==

[М -Ь ф/(2я)], где М - целое число полных фазовых

циклов в общем сдвиге фаз ф (либо целое число длин волн Я = с „, укладывающихся на расстоянии 2D); ф/(2я) - дробная часть фазового цикла о ф 2я. Для определения числа м измерения D производят на нескольких частотах.

Выбор и оценка необходимой мощности излучателя. В настоящее время наиболее применимыми в дальномерах видимого и ближнего инфракрасного спектров (рис. 13.1, 13.2) являются длины волн: в импульсных дальномерах Яо = 0,6943 и 1,065 мкм, в фазовых дальномерах Яо = 0,6328; 0,85 и 10,6 мкм. На этих длинах волн работают и достигли наибольшего технического совершенства мощные импульсные рубиновые, неодимовые лазеры на YAG, гелий-неоновые газоразрядные, молекулярные на СОа и полупроводниковые лазеры на арсениде галлия.

Рис. 13.2. Функциональная схема типового импульсного лазерного высотомера (дальномера):

/ - лазер-излучатель; 2 - коммутатор; 3 - телеобъектив; 4 - объектив с фильтром; 5 - схема накачки; 6 - усилитель; 7 - триггер; 8 - схема совпадения; 9 - счетчик; 10 - индикатор; 11 - фотоэлектронный умножитель: VD - фотодиод: Ml, М2 - двигатели

Дальность действия лидаров зависит от степени ослабления мощности оптического сигнала, несущего полезную информацию в атмосфере, а также от коэффициента использования излучения, т. е. соответствия спектральных характеристик лазера, атмосферы и приемника излучения. Несмотря на то что принцип действия импульсных, интерференционных, фазовых и т. д. дальномеров различен, тем не менее, при проектировании лидаров необходимо учитывать следующие общие закономерности.

Ослабление уровня полезного сигнала из-за обратного рассеяния. Наличие шума, вызванного регистрацией приемником обратного рассеяния излучения в атмосфере, снижает уровень полезного сигнала. Мощность шума, принятая приемником излучения от обратного рассеяния, можно оценить соотношением [6, 21, 23]

f ш.обр =

где Ризл - мощность передатчика, Вт; Af, г - полоса пропускания (Гц) и квантовая эффективность приемника излучения; - диаметр приемной антенны, см; т, х, х - коэффициенты пропускания передающего и приемного каналов и фильтра соответственно; т„ - длительность импульса излучения, не; Dp - расстояние до рассеивающего слоя атмосферы, км; (Я) - спектральный коэффициент рассеяния излучения в атмосфере, км-; Кх - коэффициент ослабления энергии на единицу пути луча, км-.

Например, для дальномеров с d = 7 см, Р„зл= 1 МВт при квантовой эффективности приемника излучения г ~ 2,5 • 10~, т„ = 50 не среднее количество фотоэлектронов в приемнике, обусловленное обратным рассеянием излучения в атмосфере на расстоянии 1...6 км, составляет порядка 10 [23].