Харківський державний технічний

університет радіоелектроніки

Зарудний Олександр Андрійович

УДК 621.396.61

Підвищення ефективності передавача

радіотехнічної системи оптичного діапазону

для зондування домішок атмосфери

05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті радіоелектроніки.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Лагутін Михайло Федорович, Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, професор кафедри радіоелектронних пристроїв.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Доля Григорій Миколаєвич, Харківський військовий університет.

доктор фізико-математичних наук Дзюбенко Михайло Іванович, завідувач відділу квантової електроніки та нелінійної оптики, інститут радіофізики та електроніки імені О.Я. Усикова НАН України, м. Харків.

Провідна установа: Національний аерокосмічний університет –ХАІ імені М.Є. Жуковського, кафедра авіаційно-космічних радіотехнічних систем, м. Харків.

Захист відбудеться “ 28 ” березня 2001 року о 15 годині на засіданні спеціалізованої Вченої Ради Д.64.052.03 у Харківському Державному технічному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14, ауд. 13.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ХТУРЕ : 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “ 27 ” лютого 2001 року.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої Ради Г.І. Чурюмов

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У останні десятиліття швидко розвивається техніка дистанційних досліджень атмосфери лідарними методами, заснованими на взаємодії випромінювання оптичного діапазону з повітряним середовищем, що дозволяють зробити висновки про властивості атмосфери. Використання хвиль оптичного діапазону дає можливість створити малогабаритну приймально-передавальну апаратуру оптичного локатора в порівнянні з аналогічною радіотехнічною апаратурою, що важливо, наприклад, при створенні бортових лідарів.

Одним із найбільш перспективних методів дослідження верхньої атмосфери є лідар, що використовує ефект резонансного розсіювання випромінювання на атомах лужних металів і, зокрема, на атомах натрію. При цьому відкриваються принципово нові можливості визначення складу і динаміки верхніх прошарків атмосфери, у тому числі збуджених і заряджених компонент іоносфери. Останнє особливо важливо для дослідження аерономічних процесів, знання яких необхідно для побудови детальних моделей верхньої атмосфери. Незважаючи на те, що натрієвий прошарок атмосфери уже давно вивчається, інтерес до його досліджень не слабшає також і тому що він є відмінним трасером хвильових процесів. Атмосферні припливи, гравітаційні хвилі, а також вітрові поля істотно впливають на структуру цього прошарку. В області прикладної астрономії запропоновано використовувати лідарні системи на резонансній флуоресценції натрію (РФН) для створення штучних “коригувальних зірок”, що можуть використовуватися наземними адаптивними телескопами з метою компенсації деформацій хвильового фронту випромінювання, обумовлених атмосферною турбулентністю.

До моменту початку виконання даної роботи було очевидно, що в якості випромінювачів у передавачах резонансних лідарів найбільше перспективні генератори на барвниках із ламповим (немонохроматичним) накачуванням, що характеризуються великою енергією випромінювання в імпульсі в сполученні з можливістю плавної перестройки частоти випромінювання. У порівнянні з випромінювачами з когерентним накачуванням, що також використовуються у лідарах, генератори з ламповим збудженням при порівняних величинах середньої потужності випромінювання забезпечують перевагу в співвідношенні сигнал до шуму в умовах сильного фонового засвітлення. Проте практичному використанню в лідарних дослідженнях випромінювачів із немонохроматичним накачуванням на розчинах органічних сполук перешкоджав ряд невирішених проблем, пов'язаних із підвищенням їхньої енергетичної ефективності, спектральної і кутової яскравості випромінювання. Рішення цих задач було пов'язано з розробкою потужних і високоефективних систем лампового накачування, методів звуження і перестроювання спектрів випромінювання. Задачі подібного роду стосовно генераторів, що розроблялися в основному для різноманітних фізичних експериментів, де тривалий ресурс роботи не був потрібний, ставилися неодноразово і достатньо успішно вирішувалися. У атмосферних дослідженнях для виміру, наприклад, добових варіацій вмісту домішкових компонент необхідно забезпечити безупинну роботу передавальної апаратури протягом десятків годин. У зв'язку з зазначеною специфікою використання генераторів у лідарах виникла необхідність проведення додаткових досліджень, спрямованих на досягнення високої спектральної потужності випромінювання і забезпечення стабільних характеристик вихідного випромінювання за умови тривалого ресурсу роботи.

Створення лідарів на основі високоресурсних випромінювачів підвищеної спектральної потужності дозволяє розширити можливості досліджень динаміки верхньої атмосфери в денних умовах, коли фонове випромінювання сумірне з корисним сигналом. Розробка потужних вузькосмугових передавачів необхідна також для зондування вкрай низьких концентрацій домішок в інтересах екологічного моніторингу, наприклад виміру концентрації ізотопів літію, штучних барієвих хмар, вміст яких складає порядку одиниць атомів в кубічному сантиметрі. Велика енергія випромінювання в імпульсі необхідна для постановки “штучної зірки” в мезосфері з яскравістю , достатньою для забезпечення роботи адаптивних оптичних систем спостереження за космічними об'єктами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана у відповідність із тематикою координаційного плану Міністерства освіти і науки України п. 18 “Розробка радіоелектронних методів і систем дистанційного зондування атмосфери Землі в інтересах екології”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є подальше удосконалення передавальної апаратури резонансних лідарів для збільшення величини зворотнорозсіяного випромінювання від атмосферних домішок і підвищення потенційної точності виміру їх концентрації.

У зв'язку з цим вирішуються такі задачі:

на підставі аналізу рівняння локації і спектрів поглинання атомів лужних металів обгрунтування критеріїв ефективності роботи передавача, вимог до ширини і стабільності спектральної лінії випромінювання, а також до енергетичних характеристик випромінювача для характерних застосувань лідару;

дослідження можливостей побудови високоефективних освітлювачів систем накачування генераторів на барвниках, що забезпечують одержання високих енергетичних і просторових параметрів випромінювання;

підвищення ресурсу роботи системи лампового накачування в режимі коротких імпульсів при зберіганні високих спектрально-енергетичних характеристик випромінювання;

формулювання фізичної моделі та чисельне моделювання процесів генерації, перестрою та звуження смуги випромінювання в генераторі на барвниках і підсилення в однопрохідному підсилювачі;

дослідження варіантів побудови передавального пристрою й оптимізація його характеристик по обраних критеріях якості;

розробка передавача й експериментальні дослідження висотної структури домішок верхньої атмосфери за допомогою розробленої передавальної апаратури у складі резонансної радіотехнічної системи зондування.

Об'єкт досліджень: передавальний пристрій резонансного лідару; генератори і підсилювачі на барвниках із ламповим накачуванням оптичного діапазону довжин хвиль і системи їх збудження.

Предмет досліджень: особливості побудови передавального пристрою радіотехнічної системи резонансного зондування атмосфери; особливості накачування активних середовищ на основі складних органічних сполук, що забезпечують максимальну ефективність збудження; встановлення механізмів втрат у резонаторі, перестрою і звуження смуги випромінювання для підвищення спектральної потужності передавача.

Методи досліджень. Для дослідження характеристик передавача оптичного діапазону використовувалися методи спектрального аналізу і калориметричні методи контролю. При аналізі роботи генераторів і підсилювачів та систем їх збудження застосовувалися методи чисельного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів. Сформульовано вимоги до спектральних і енергетичних характеристик передавального пристрою резонансного лідара; у якості основного критерію ефективності роботи передавача запропонований критерій максимальної ефективної енергії випромінювання.

Показано перевагу використання в системах накачування лідарних передавачів надійних і високоефективних освітлювачів із послідовним сполученням дзеркальних еліптичних циліндрів, що дозволяють у широких межах змінювати протяжність накачуваної області. Проведені експериментальні дослідження показали, що передавач побудований за таким принципом володіє високим ККД, можливістю досягнення великої енергії в імпульсі в сполученні з задовільними просторовими характеристиками вихідного випромінювання.

Вперше експериментально показана можливість збільшення ресурсу роботи і підвищення енергетичної стабільності багатолампових систем накачування з загальним комутатором у режимах із передіонізаційним імпульсом.

Досліджено енергетичні характеристики випромінювачів із протяжними активними елементами, побудованих по схемах генератор і генератор-підсилювач. На основі рішення стаціонарних рівнянь балансу населеностей отримані співвідношення для розрахунку енергії випромінювання і коефіцієнта підсилення. У наближенні слабких збурень поперечних мод резонатора отримані розрахункові співвідношення для оцінки параметрів випромінювання генератора з дисперсійним резонатором.

На підставі проведених теоретичних і експериментальних досліджень запропонована і реалізована методика оптимальної побудови передавального пристрою резонансного лідару високої спектральної яскравості за критерієм максимальної ефективної енергії випромінювання. Результати теоретичних і експериментальних досліджень випромінювача показують наявність оптимальних довжин активних елементів генератора та підсилювача по ефективній енергії і ККД і вказують на факт існування характерної загальної протяжності накачуваної області, понад яку побудова передавача за схемою генератор-підсилювач энергетично виправдана.

Надійність та висока ефективність розроблених передавачів резонансних лідарів забезпечила проведення сезонних і річних циклів вимірів домішок лужних металів у верхній атмосфері. Вперше в СНД отримані результати зондування атомів літію. На прикладі дослідження ізотопів літію продемонстрована можливість використання розробленого передавального пристрою в складі резонансного лідара для виявлення вкрай низьких концентрацій домішок атмосфери ( порядку 1 атома в куб. см ) на висотах біля 100км.

Практична цінність отриманих результатів. Застосування в системах накачування освітлювачів із послідовним сполученням еліптичних циліндрів забезпечує поряд із високою ефективністю світлопередачі можливість зміни довжини накачуваної області і вибору оптимального співвідношення довжин генератора і підсилювача.

Використання режиму вмикання ламп із передіонізаційним імпульсом у багатолампових системах дозволяє значно підвищити ресурсні й енергетичні характеристики генератора у діапазоні 0,45-0,7 мкм на розчинах органічних сполук.

Кількісні оцінки спектральних і енергетичних характеристик випромінювання генераторів і підсилювачів на барвниках із ламповим накачуванням, що базуються на стаціонарних рівняннях балансу населеностей дозволяють прогнозувати спектрально-енергетичні параметри потужних лазерів на барвниках і забезпечувати оптимальне узгодження характеристик випромінювання з параметрами об'єктів досліджень в експериментах, що використовують резонансні ефекти взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною.

Отримані результати і розроблена передавальна апаратура можуть бути використані при створенні засобів дистанційного моніторингу середньої і верхньої атмосфери. Принципи, закладені в конструкції описаного в роботі випромінювача з багатоламповою системою накачування, а також результати досліджень можуть бути застосовані при розробці потужних перестроюваних лазерів із великим ресурсом роботи, придатних для використання в різноманітних галузях науки, техніки і медицини.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто розглянуті питання спектрально-енергетичного узгодження характеристик випромінювання передавального пристрою з параметрами примісного прошарку в атмосфері. Запропонований і реалізований у передавальній апаратурі діючих лідарів багатоламповий випромінювач на базі послідовного сполучення дзеркальних еліптичних циліндрів. Досліджено двохступінчату схему вмикання ламп стосовно до багатолампових систем накачування, що дозволила підвищити ресурсні й енергетичні характеристики передавача. Детально розглянуті основні механізми втрат у широкосмуговому і дисперсійному резонаторах, оцінений вплив посилених радіаційного і розсіюваного шумів на характеристики генератора й однопрохідного підсилювача. Досліджені енергетичні та спектральні характеристики генератора з внутрішньорезонаторними інтерферометрами Фабрі-Перо. Отримані співвідношення для ширини спектральної лінії випромінювання. Досліджені варіанти оптимальної побудови передавального пристрою за схемами генератор та генератор-підсилювач. Проведені дослідження з забезпечення відтворення характеристик випромінювання пасивними методами стабілізації. Досліджені і реалізовані в передавальній апаратурі різноманітні варіанти побудови спектроаналізаторів. Прийнято особисту участь в створенні лідарної апаратури та одержанні й інтерпретації результатів зондування атмосфери.

Апробація роботи. Основні результати і положення дисертаційної роботи доповідалися: на 2-й Всесоюзної конференції “Лазеры на основе сложных органических соединений и их применение”, Душанбе, 1977 р.; на 5-м Всесоюзному симпозіумі по лазерному й акустичному зондуванню атмосфери, Томськ, 1878 р.; на третій Всесоюзній нараді по проходженню лазерного випромінювання в дисперсному середовищі, Обнінськ, 1985 р.; на 9-м Всесоюзному симпозіумі по лазерному й акустичному зондуванню атмосфери, Томськ, 1986 р.; на 10-м Всесоюзному симпозіумі по лазерному й акустичному зондуванню атмосфери, Томськ, 1988 р.; на 15-й Міжнародної конференції по лідарних дослідженнях, Томськ, 1990 р.; на 1-й і 2-й Міжнародних конференціях “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”, Туапсе, 1995 р. і Туапсе, 1996 р.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 7 статтях, 10 матеріалах і тезах конференцій і симпозіумів.

Структура дисертаційної роботи. Робота складається з вступу, 5 розділів, висновку, списку літератури (107 найменувань) і додатків. У основному тексті роботи 199 сторінок, 73 рисунки, 1 таблиця, включаючи додатки 21 сторінок.

Зміст роботи

Вступ містить обгрунтування актуальності дисертаційної роботи, формулювання мети і задач досліджень, наукової новизни, практичної цінності отриманих результатів. Тут також подані дані про особистий внесок автора, апробації і публікації результатів і структурі дисертації.

Перший розділ “Резонансні лідари в дистанційних дослідженнях атмосфери” присвячений формулюванню вимог до спектральних і енергетичних характеристик передавального устрою, призначеного для роботи в складі резонансного лідара.

На початку розділу подана характеристика примісного прошарку, як об'єкта дистанційних досліджень, проведений аналіз досягнутих результатів і перспективи використання флуоресцентних лідарів в атмосферних дослідженнях та в адаптивних системах. Прошарки, що утримують домішки лужних металів, розташовані на висотах від 80 до 110км із незначними варіаціями меж. Найбільше число робіт присвячено резонансної флуоресценції натрію, що пояснюється його порівняно високою концентрацією в атмосфері, великим розміром перетину зворотного розсіювання і наявністю ефективних джерел випромінювання на довжині хвилі відповідній резонансної довжині хвилі атома.

У якості випромінювачів у передавальних пристроях лідарів, як правило, застосовуються діапазонні генератори на розчинах органічних сполук, що володіють можливістю настроювання частоти випромінювання на лінію поглинання досліджуваного атома. Резонансні лідари дозволяють одержувати інформацію про параметри, склад і динаміку атмосфери до висот порядку 100 км, недосяжних для інших дистанційних засобів контролю. Стосовно до адаптивних систем спостереження за об'єктами потужний випромінювач на барвнику спроможний створити в натрієвому прошарку природного походження коригувальну зірку великої яскравості з тим, щоб забезпечити вихід адаптивного телескопа на дифракційну межу. Відзначено, що випромінювачі, існуючі на момент початку даної роботи, потребували в істотній модернізації, як із погляду підвищення спектральної яскравості, так і тривалості їхньої безупинної роботи.

Для випадку лідарної системи на резонансній флуоресценції рівняння локації записується у вигляді

(1)

де - очікуване число фотонів, що повинні дійти з інтервалу дальності;

- абсолютна концентрація атомів домішки на дальності z;

- очікуване число фонових або темнових фотовідбитків на інтервалі по дальності за один випромінений імпульс;

- залежний від частоти і ширини спектра випромінювання ефективний перетин розсіювання на атомах домішки;

- довжина інтервалу по дальності;

- площа антени приймального пристрою;

-енергія кванта випромінювання;

- енергія випромінювання передавача;

- однопрохідний коефіцієнт перепускання атмосфери;

- оптичний ККД лідара, рівний здобутку коефіцієнтів перепускання приймальної і передавальної оптики.

На підставі аналізу лідарного рівняння в якості основного критерію ефективності роботи передавача у резонансній системі локації запропонований критерій максимальної ефективної енергії випромінювання

(2)

де - максимальне значення поперечника розсіювання.

На прикладі спектра поглинання нейтрального атому натрію показано, що звуження ширини спектра випромінювання передавача для збільшення доцільно лише до розміру відповідній ширині сумарного контуру поглинання. Розрахунки були виконані для допплерівського розширювання спектральної лінії натрію при температурі 200 К, що відповідає висоті біля 100км, і гаусової апроксимації спектра випромінювання передавача.

Розглянуто проблему нелінійності розсіюваної від прошарку потужності в залежності від падаючої потужності випромінювання, що обумовлена конкуруючим стосовно спонтанного випромінювання процесом вимушеного випромінювання. Для одержання кількісних оцінок розглядалася двухрівнева модель взаємодії випромінювання з атомами натрію й у стаціонарному наближенні вирішувалася система балансних рівнянь. Показано, що збільшення інтенсивності призводить до систематичної помилки в оцінці величини сигналу зворотного розсіювання. Поправочний коефіцієнт у рівнянні лазерної локації, що враховує зниження рівня розсіюваного сигналу визначає вираженням

(3)

де - відносна інтенсивність випромінювання

- інтенсивність насичення переходу.

Адаптивні оптичні системи мають можливість корекції спотворень, обумовлених атмосферною турбулентністю, за допомогою аналізу хвильового фронту випромінювання, прийнятого від досліджуваного об'єкта і близько до нього розташованого опорного точечного штучного джерела. Випромінювач, придатний для роботи в лідарі, призначеному для створення штучної зірки, повинний мати вузьку ширину спектральної лінії й енергію випромінювання, достатню для одержання інформації про властивості атмосфери від одного імпульсу. Оскільки лазери з ламповим накачуванням працюють у мікросекундному діапазоні тривалостей імпульсів, це забезпечує їхню перевагу в порівнянні з джерелами випромінювання з когерентним накачуванням, тому що останні досягають інтенсивності насичення при значно менших значеннях енергії випромінювання.

Другий розділ присвячений аналізу особливостей побудови освітлювачів систем лампового накачування і дослідженням, спрямованим на збільшення ресурсу роботи імпульсних ламп.

На підставі проведеного аналізу варіантів побудови освітлювачів, запропоновано використовувати в якості базового варіанта освітлювач із послідовним сполученням дзеркальних еліптичних циліндрів такої ж довжини як і лампа, що застосовується для накачування. Особливість конструкції полягає в послідовному сполученні декількох циліндричних освітлювачів, розташованих під кутом один до одного з тим, щоб забезпечити можливість підключити лампи до розрядних ланцюгів і контуру рідинного охолодження. У даному варіанті можливо в принципі необмежено нарощувати протяжність активного елемента випромінювача при фіксованій довжині ламп накачування. При раціональному виборі величини ексцентриситету висока ефективність дзеркального освітлювача поєднується з рівномірним накачуванням робочої речовини.

Порівняння конструкцій ламп накачування показує, що прямолінійна лампа є найбільш перспективною для використання в системах тривалого ресурсу роботи. Крім того використання в якості джерела накачування прямолінійних ламп спрощує процедуру їхньої заміни при виході з ладу без розбирання системи накачування.

Розглянуто особливості розрахунку ефективності світлопередачі еліптичних циліндрів стосовно до ідеї послідовного сполучення елементарних освітлювальних блоків. Аналіз отриманих співвідношень показує, що мінімально можливе значення ексцентриситету досягається при необмеженому зростанні розмірів відбивачів і рівняється . При цьому кут розгортання суміжних блоків освітлювачів наближається до .

Проведені розрахунки були основою для створення генераторної голівки, побудованої з двоеліпсних освітлювальних блоків. Конструкція голівки дозволяє при необхідності нарощувати її довжину і відповідно кількість ламп накачування в залежності від конкретних умов застосування, а також їхню швидку заміну без роз'юстурування резонатора. При обраних параметрах освітлювача система накачування надається не дуже критичної до вісьового зсуву ламп.

Подано результати досліджень ресурсних і енергетичних характеристик джерел накачування в режимах мікросекундної тривалості імпульсів. Основними вимогами до систем збудження генераторів на барвниках були одержання короткого фронту наростання (не більш декількох мікросекунд) і тривалості світлового імпульсу при зберіганні високої енергії розряду. Необхідність забезпечення електричного узгодження розрядного контуру й імпульсної лампи потребувала мінімізації індуктивності контуру. Для зменшення індуктивності ламп була розроблена напівкоаксіальна конструкція тримача , що включає в себе як елементи екрануванні і струмопідводу, так і елементи рідинної герметизації системи охолодження.

Подано результати досліджень режиму роботи з передіонізаційним допоміжним імпульсом у багатолампових системах накачування великої потужності, що комутуються єдиним розрядником. Встановлено, що ефективність використання режиму з передімпульсом у багатоламповій схемі накачування практично відповідає одноконтуровому варіанту за умови вибору оптимального значення енергії передіонизації. На підставі отриманих результатів зроблений висновок, що виграш при використанні режиму вмикання з передіонізацією полягає в підвищенні енергетичної стабільності світлових імпульсів збудження, а також в більш ефективному перетворенні електричної енергії у світлову і можливості зниження навантаження на лампу при зберіганні енергетичних характеристик світлового імпульсу накачування. При цьому, відповідно до поданих оцінок, ресурс ламп у порівнянні з режимом без передімпульсом зростає в декілька разів.

Досліджувалися ресурсні й енергетичні характеристики розряду ламп із ксеноновим заповненням при початкових тисках у діапазоні від 50 до 650 мм рт. ст. Діапазон навантажень ламп відповідав прийнятному з погляду практичного використання ресурсу ламп від до спалахів. Критерієм довговічності було зниження освітлення на 20% у порівнянні з початковим або руйнування лампи. Встановлено, що найкраща світловіддача в режимі з передіонізацією досягається при початковому тиску ксенону в лампах біля 300 мм рт. ст.

У результаті проведених експериментальних досліджень установлено, що в режимі з передіонізацією при початковому тиску 300 мм рт. ст. довговічність ламп, обумовлена по числу імпульсів при який світловіддача зменшувалася на 20%, визначалася вираженням

(4)

де - тривалість імпульсу току, в мксек;

- енергія накачування, що підведена до лампи, в Дж.

Енергія випромінювання шестилампового випромінювача у плоскопаралельному резонаторі перевищувала 3 Дж. Показано, що при оптимальній по енергії генерації концентрації барвника коефіцієнт перетворення електричної енергії в вихідне випромінювання досягає 0,6%, а розходження випромінювання не перевищує 5 мрад. Отримане значення ККД пристрою є достатньо високим і незначно поступається тільки конструкціям із “щільним упаковуванням” і коаксіальним системам накачування, які поступаються перед запропонованими у відношенні просторових характеристик випромінювання.

Третій розділ присвячений оцінкам ефективності генерації, аналізу внутрішньорезонаторних утрат та дослідженням по підвищенню спектральної потужності генератора на барвниках із ламповим збудженням

Розглянуто основні фактори, що знижують ефективність генерації випромінювачів на розчинах органічних сполук: радіаційний шум, посилений розсіюваний шум і підвищені крайові втрати при термічних спотвореннях в активному елементі. Найбільш істотні в лазерах на барвниках шуми, що виникають унаслідок посилення люмінесценції, через високу випромінювальну спроможність і посилення активного середовища.

На основі рішення балансних рівнянь для населеностей рівнів у стаціонарному режимі, доповнених співвідношеннями для посилених радіаційного і розсіюваного шуму, отримані аналітичні розрахункові співвідношення для порога, потужності і частоти випромінювання генератора на барвнику з ламповим накачуванням. Детально розглянуті особливості енергетичного розрахунку генератора для форми імпульсу накачування, близької до реальної.

Розглянуто вплив неоднорідності поглинання випромінювання накачування на втрати і розходження випромінювання генераторів на барвниках. У рамках розглянутої моделі термічних спотворень резонатора оцінений вплив неоднорідності показника переломлення на коефіцієнт утрат та розходження випромінювання. На підставі експериментальних результатів зроблені оцінки ККД накачування, розміру і характеру крайових утрат.

Подано обгрунтування вибору в якості внутрішньорезонаторних селекторів похилих інтерферометрів (еталонів) Фабрі-Перо. У наближенні слабких збурень поля резонатора подані співвідношення для смуги перепускання і втрат резонатора з похилими інтерферометрами-селекторами.

Детально аналізуються фактори, що визначають спектр випромінювання оптичного генератора. Найбільш істотними і принципово неусувними факторами, що обмежують процес природного звуження ширини спектральної лінії лазерів на барвниках із ламповим накачуванням є велика розходженність випромінювання, обумовлена термооптичними збуреннями резонатора і просторова неоднорідність інверсної населеності.

Розрахункові оцінки характеристик генерації проводилися для резонатора, що містить на всіх ступенях селекції внутрішньорезонаторні інтерферометри Фабрі-Перо. При виборі кількості внутрішньорезонаторних інтерферометрів передбачалося, що збільшення числа селекторів у резонаторі для підвищення спектральної яскравості випромінювача має сенс доти, поки зростає . Проаналізовано можливість збільшення спектральної яскравості випромінювання за рахунок використання телескопа в схемі резонатора.

Проведено теоретичний аналіз характеристик випромінювання генератора з дисперсійним резонатором. Параметрами, що змінювались у розрахунках були довжина і діаметр кювети з барвником, коефіцієнти відбитка пластин селектора і вихідного дзеркала резонатора. Варіант з еталоном розраховувався з внутрішньорезонаторним телескопом, кратність якого оптимізувалась з використанням отриманих співвідношень. Розрахунки проводилися для двох варіантів селекторів - юстированого розбірного інтерферометра і суцільного кварцового еталона.

Дослідження показали, що при середній якості виготовлення пластин застосування юстированих селекторів вигідніше. На підставі отриманих теоретичних оцінок і експериментальних досліджень зроблений висновок, що при середній якості пластин селекторів вигідніше використовувати схему резонатора з двома юстированими інтерферометрами . Однак найкращі результати, що дозволяють помітно підвищити , отримані для високоякісного еталона в схемі з трьома селекторами в сполучення з оптимальним телескопом. Отримані оптимальні значення параметрів внутрішньорезонаторних елементів і геометрії активного елемента у відповідністю з критерієм максимальної ефективної енергії випромінювання. Розрахунки вказують, що при постійній на одиницю довжини щільності накачування існують оптимальні значення довжин та діаметрів накачуваної області, при яких ефективна енергія випромінювання досягає свого максимального значення.

Аналіз розрахунків, проведених при різних варіантах побудови резонатора показав, що в усіх випадках найкращі результати по досягаються при сумарних неселективних утратах селектора за рахунок апертурного ефекту і нерівномірності товщини зазору біля 0,15. Це дозволило одержати наближене співвідношення для оптимальних значень різкості внутрішньорезонаторного інтерферометра при різноманітних конфігураціях резонатора. Зокрема, у відсутність телескопа оптимальне значення різкості селектора визначається вираженням

(5)

де - довжина хвилі випромінювання;

t - база основного селектора;

- кут нахилу селектора до осі резонатора;

- розходження випромінювання;

- кут клина в зазорі селектора;

- радіус пучка.

Експериментальні дослідження показали якісну згоду з теоретичними розрахунками. Зокрема, експериментально виявлені оптимальні значення коефіцієнтів відбитка пластин селектора, довжин активних елементів по ефективній енергії випромінювання і ККД генераторів із дисперсійним резонатором. Отримані величини енергії випромінювання генератора порядку десятих Джоуля, ширини спектра одиниць пікометрів при ресурсі передавача до імпульсів.

У четвертому розділі подані результати досліджень спектральних і енергетичних характеристик випромінювача, побудованого за схемою генератор - підсилювач з бігучою хвилею (однопрохідний підсилювач).

На початку розділу поданий стислий аналіз особливостей підсилення оптичного випромінювання. Оскільки для зондування атмосфери принципове значення має спектральна чистота випромінювання, доцільніше використання підсилювачів бігучої хвилі. У цьому випадку спектральні і просторові характеристики вихідного пучка змінюються незначно. Перераховано основні фактори, що визначають величину коефіцієнта підсилення за прохід. Відзначено, що найкраща ефективність використання енергії накачування в підсилювачі бігучої хвилі досягається при інтенсивності вхідного сигналу, сумірної з інтенсивністю насичення барвника.

Теоретичний аналіз характеристик підсилювача на барвнику з ламповим накачуванням базувався на рішенні системи рівнянь балансу населеностей у наближенні стаціонарного режиму для довільного перетину z активного елемента. При виведенні співвідношення для визначення коефіцієнта підсилення враховувався вплив інтенсивностей посилених радіаційного і розсіюваного шумів. Інтенсивність випромінювання на виході підсилювача в загальному випадку визначається послідовною процедурою обчислень

(6)

де - інтенсивність випромінювання в довільному перетині z;

- інтенсивність випромінювання на вході підсилювача;

- вихідна інтенсивність.

Розглянуто особливості розрахунку інтенсивності посиленого радіаційного шуму в підсилювачі і вплив на процес посилення неоднорідності розподілу по перетині кювети енергії накачування.

Аналіз підсилювача проводився в припущенні загальної системи накачування генератора і підсилювача, що забезпечує однакові часові характеристики світлових імпульсів і значень ККД накачування. Дослідження коефіцієнтів підсилення проводилися при різноманітних вхідних інтенсивностях і при щільностях енергії накачування, що відповідають ресурсу роботи ламп не менше . З отриманих розрахункових та експериментальних залежностей випливає, що з ростом протяжності підсилювача має місце режим насичення посилення. Ефект насичення посилення був обумовлений декількома факторами: по-перше, зростанням інтенсивності випромінювання в процесі проходження його через активне середовище й адекватне зниження посилення; по-друге наростанням із довжиною активного елементу інтенсивності посиленого шуму, що залежить від інтегрального коефіцієнта підсилення й у третіх, аналогічним впливом посиленого розсіюваного випромінювання. При збільшенні вхідних інтенсивностей оптимальне по ККД значення довжини кювети підсилювача зміщувалося убік менших значень. При порівняних по характеристиках варіантів генераторів системи генератор-підсилювач із двома і трьома внутрішньорезонаторними селекторами останній варіант генератора виявився більш доцільним.

Отримані експериментальні залежності спектральних і енергетичних характеристик системи генератор-підсилювач якісно узгоджуються з результатами теоретичних оцінок. Зіставлення по ефективній енергії випромінювання системи генератор-підсилювач і генератора свідчить про те, що при однаковій протяжності накачуваної області перевага випромінювача з підсилювачем починає позначатися лише починаючи з деякої довжини, що залежить від щільності накачування і втрат у резонаторі генератора. Якщо ж довжина накачуваної області менше цього розміру, то випромінювач вигідніше будувати за схемою з одним тільки генератором.

П'ятий розділ присвячений особливостям застосування запропонованого передавального пристрою у резонансному лідарі, та аналізу деяких результатів атмосферних досліджень.

В процесі аналізу структурної схеми передавального пристрою резонансного лідара розглянуті основні проблеми, що виникають при розробці передавачів флуоресцентних лідарів. У порівнянні з іншими засобами зондування атмосфери багаторазово зростають вимоги до точності настроювання і стабільності спектральної лінії на виході передавального пристрою. Експериментальними дослідженнями і розрахунковими оцінками показана можливість забезпечення відтворених характеристик випромінювання протягом тривалого часу за допомогою пасивних методів стабілізації. Найбільше складною задачею була стабілізація температури внутрішньорезонаторних еталонів із точністю біля .

Розглянуто варіанти побудови спектроаналізаторів для контролю довжини хвилі випромінювання, ширини і форми спектральної лінії. Обгрунтовано використання комбінованих вимірювальних устроїв, що поєднують візуальний метод контролю (спектроскоп), набір резонансних камер і один вимірювальний еталон. Подано результати експериментальних досліджень оптогальваничного ефекту в лампах із порожнистим катодом. Показано, що лампи з порожнистим катодом можуть бути використані в якості датчиків настроювання випромінювання імпульсного передавача на резонансну лінію.

Представлені характеристики передавачів, що успішно функціонують у складі ряду резонансних лідарів, зокрема в Харкові, Ашхабаді, Туапсе, на антарктичній станції Молодіжна. Розроблені випромінювачі мали спектрально-енергетичні характеристики на рівні кращих закордонних аналогів, показали високу експлуатаційну надійність при тривалому ресурсі роботи. За допомогою розробленої апаратури отримані масиви даних, опрацювання яких дало можливість одержати важливу інформацію про вміст і висотний розподіл малих домішкових компонентів природного та антропогенного походження, динамічних і фотохімічних процесах в атмосфері.

На рис.1 поданий типовий висотний профіль сигналів зворотного розсіювання від домішку натрію, отриманий на Ашхабадській лідарній станції. Оскільки точність виміру концентрації домішки у вертикальному стовпі обумовлена стохастичною природою лідарних сигналів, висотний профіль лідарного сигналу являє собою результат накопичення інформації протягом значного числа імпульсів.

Подано результати досліджень сезонних і широтних варіацій концентрації природного натрію у верхній атмосфері. Загальний вміст натрію у верхніх широтах у декілька разів перевершує ті, що спостерігаються на середніх широтах. Відзначено, що вміст натрію співпадає із сезонно-широтними варіаціями температури в області мезопаузи.

Досягнуті характеристики передавальної апаратури дозволили здійснити успішні експерименти по дослідженню ізотопів літію природного походження, вміст яких складав порядку одиниць атомів у куб. сантиметрі на висоті біля 90 км.

Загальні висновки. У поданій роботі була досліджена передавальна частина флуоресцентного лідара з погляду досягнення високої спектральної потужності випромінювання в імпульсі за умови тривалого ресурсу роботи ламп накачування. Основною задачею досліджень було забезпечення максимальної величини резонансного розсіюваного випромінювання від домішкових прошарків лужних металів у мезосфері. Підвищення енергетичної ефективності передавального пристрою досягалося використанням передімпульсу в системі накачування, оптимальним вибором смуги перепускання і втрат дисперсійного резонатора, розмірів активного елемента, а також використанням в оптичній схемі випромінювача однопрохідного підсилювача. Результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень показали, що випромінювачі на органічних барвниках із ламповим накачуванням найбільше достатньо задовольняють вимогам, запропонованим до передавачів резонансних лідарів. Основні результати дисертаційної роботи можна сформулювати таким чином.

Проведено аналіз можливостей систем резонансного засобу досліджень атмосфери з погляду одержання максимального розміру зворотнорозсіяного сигналу. На підставі аналізу лідарного рівняння в якості критерію ефективності випромінювача запропонована ефективна енергія випромінювання. На прикладі атома натрію, як об'єкту локації показана недоцільність зменшення ширини спектра випромінювання генератора менше ширини сумарного контуру поглинання атомів домішки. Визначено граничні значення енергії випромінювання передавача для різних варіантів застосування флуоресцентних лідарів. Показано перевагу використання в якості випромінювачів флуоресцентних лідарів генераторів на барвниках із ламповим накачуванням мікросекундного діапазону тривалості імпульсів у порівнянні з джерелами випромінювання з когерентним накачуванням.

Проведені дослідження зі створення потужного випромінювача на базі послідовного сполучення еліптичних дзеркальних освітлювачів у системі накачування. Поряд із високими енергетичними характеристиками, випромінювач, побудований по такому принципі, має малу розходженність випромінювання. Запропоновано співвідношення, необхідні для розрахунку оптимальної геометрії відбивачів, що забезпечує максимальну ефективність освітлювачів, побудованих із застосуванням послідовного сполучення двоеліпсних блоків. На базі проведених досліджень розроблена конструкція генераторної голівки, що дозволяє робити швидку заміну ламп, які відпрацювали ресурс, і в міру необхідності нарощувати довжину накачуваної області з дискретністю, обумовленою розрядним проміжком ламп.

Експериментально доведена можливість збільшення ресурсу роботи і підвищення енергетичної стабільності багатолампових систем накачування з загальним комутатором у режимах із передіонізаційним імпульсом. Показано, що застосування передімпульсу дозволяє за умови зберігання незмінної енергії випромінювання генератора, на 20% -30% знизити інтенсивність накачування, істотно збільшивши тим самим термін служби ламп. Одержані розрахункові співвідношення для визначення ресурсу роботи ламп у залежності від навантаження. Показано, що найкраще сполучення енергетичних характеристик і терміна служби ламп у режимі з передімпульсом досягається при початковому тиску в них біля 300 мм рт ст.

Проведений аналіз можливостей перестрою і звуження смуги випромінювання генератора на барвниках внутрішньорезонаторними інтерферометрами Фабрі-Перо. Отримані основні розрахункові співвідношення для ширини спектральної лінії випромінювання. На підставі чисельних розрахунків отримані наближені аналітичні вираження для оптимальних значень параметрів внутрішньорезонаторних елементів. Показано, що при використанні в якості селекторів тільки юстированих інтерферометрів вигідніше використовувати побудову резонатора з двома інтерферометрами.

У стаціонарному наближенні отримані основні співвідношення для потужності і порога генератора. Дослідження характеристик випромінювання показали, що для генератора з дисперсійним резонатором існують оптимальні величини довжин активних елементів, при яких реалізуються максимальні значення спектральної потужності і ККД. Основними втратами, що зростають при збільшенні протяжності накачуваної області і обмежують зростання інтенсивності гостронаправленого випромінювання в порядку їхньої пріоритетності є: підвищені крайові втрати, обумовлені термічними збуреннями резонатора; посилений радіаційний шум; посилений шум за рахунок розсіювання випромінювання.

Досліджено можливість подальшого збільшення спектральної потужності за рахунок застосування в оптичній схемі випромінювача однопрохідних підсилювачів. Отримані основні співвідношення для розрахунку коефіцієнта підсилення підсилювача бігучої хвилі. Проаналізовано основні фактори, що обмежують зростання підсилення при збільшенні довжини накачуваної області. Показано, що основною перешкодою до зростання посилення є підсилений радіаційний шум. Досліджено задачу вибору оптимального співвідношення довжин генератора і підсилювача. Показано доцільність побудови випромінювача лідара за схемою генератор-підсилювач для збільшення спектральної потужності випромінювання за умови перевищення сумарної протяжності накачуваної області деякої характерної довжини, обумовленою щільністю накачування і втратами в резонаторі генератора.

Розглянуто характерні риси побудови передавального пристрою резонансного лідару. Показано необхідність термостабілізації оптичних елементів випромінювача для забезпечення відтворення характеристик випромінювання. Проведено аналіз варіантів побудови вимірювачів довжини хвилі випромінювання і можливих помилок при настроюванні генератора на резонансну лінію. Результати досліджень були покладені в основу розробки випромінювачів підвищеної надійності та спектральної потужності, що успішно функціонують у складі лідарних станцій резонансного зондування. За допомогою розробленої за участю автора апаратури проведені дослідження сезонних і широтних варіацій вмісту мезосферного натрію, виміри вмісту у верхній атмосфері ізотопів літію з концентрацією біля 1 атома в кубічному сантиметрі на висотах порядку 90 км, що підтверджує достовірність наведених висновків дисертаційної роботи.

Основні результати дисертації опубліковані у таких роботах:

1. Лазерное зондирование атмосферы на Антарктической станции Молодежная / Лагутин М.Ф., Мегель Ю.Е., Петров Н.П., Зарудный А.А., Кузнецов В.Н., Мельников В.Е., Мустецов Н.П., Баранов Н.Г. // ДАН СССР. – 1981. – Т.258. - №21. – С.334-335.

2. Лагутин М.Ф., Мустецов Н.П., Зарудный А.А. Исследование влияния режима питания ламп на генерационные характеристики ОКГ на красителях // Приборы и техника эксперимента.-1984.-№2.-С.178-180.

3. Сезонные вариации атмосферного натрия в Антарктиде / Лагутин М.Ф., Мегель Ю.Е., Зарудный А.А., Рыбалка А.И. // Бюл. САЭ. – 1987. - №110. – С.56-61.

4. Зарудный А.А., Мегель Ю.Е., Лагутин М.Ф. Лидар для исследования мезосферной примеси // Оптика атмосферы.-1988.-Т.1.-№6.-С.83-89.

5. Лазеры на красителях с ламповой накачкой для исследования атмосферы / Лагутин М.Ф., Зарудный А.А., Басецкий В.Л., Плетенев В.Г. // Радиотехника.-1997.-Вып.102.-С.104-114.

6. Зарудный А.А., Плетенев В.Г., Верхоробин А.Л. Лазер повышенной спектральной яркости для исследования атмосферы // Радиотехника.-1998.-Вып.102.-С.170-175.

7. Результаты экспериментальных исследований динамики параметров натриевого слоя / Верхоробин В.Л., Лагутин М.Ф., Зарудный А.А., Торжков В.П. // Оптика атмосферы и океана.-1993.-Т.6. №5.-С.553-558.

8. Лагутин М.Ф., Мустецов Н.П., Зарудный А.А. Однокаскадный усилитель на органических красителях // Тезисы докладов 2-й Всесоюзной конференции “Лазеры на основе сложных органических соединений и их применение”. –Душанбе.-1977.-С.341-342.

9. Возможности аппаратуры и методика лазерного зондирования атмосферы на Антарктической станции / Лагутин М.Ф., Зарудный А.А., Мегель Ю.Е., Мустецов Н.П. // Тезисы докладов 5-го Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы.-Томск.-1878.-Ч.2.-С.21-22.

10. Зарудный А.А., Лагутин М.Ф. Лазер повышенной спектральной яркости для спектрометрических измерений // Труды 9 Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. –Томск.-1987.-Ч.2.-С.280-284.

11. Лагутин М.Ф., Зарудный А.А. К вопросу выбора параметров резонансного лидара // Труды 9 Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. –Томск.-1987.-Ч.2.-С.359-364.

12. Мегель Ю.Е., Зарудный А.А., Лагутин М.Ф., Рыбалка А.И. Влияние геометрического фактора и динамических шумов на точность определения температуры атмосферы лидарным методом // Труды 9 Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. –Томск.-1987.-Ч.2.-С.370-373.

13. Измерение вертикального коэффициента турбулентной диффузии верхней атмосферы методом оптической локации / Лагутин М.Ф.. Смагин Д.М., Пивненко А.Д., Зарудный А.А., Мегель Ю.Е. // Труды 10 Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. –Томск.-1989.-Ч.2.-С.23-26.

14. Влияние нестабильности излучения перестраиваемого лазера на результаты измерений / Лагутин М.Ф., Зарудный А.А., Плетенев В.Г., Верхоробин А.Л. // Труды 10 Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. –Томск.-1989.-Ч.1.-C.256-260.

15. Станция резонансного лазерного зондирования в районе г. Туапсе / Лагутин М.Ф., Шурыгин И.Г., Торжков В.П., Зарудный А.А., ВерхоробинА.Л., Торба А.А. // Труды 10 Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. –Томск.-1989.-Ч.2.-С.298-301.

16. Зарудный А.А. Исследования фонового содержания лития в атмосфере резонансным лидаром // Международная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”, тезисы докладов.-Харьков-Туапсе.-1995.-с.86.

17. Зарудный А.А., Басецкий В.Л. Оптимизация оптической схемы излучателя резонансного лидара // 2-я Международная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”, тезисы докладов.-Харьков-Туапсе.-1996.-Ч.2.-с.12.

Анотації

Зарудний О.А. Підвищення ефективності передавача радіотехнічної системи оптичного діапазону для зондування домішок атмосфери. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового