Cпектрально-временной анализ сред с помощью импульсной интерферометрии Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 006:528

Б.С. Могильницкий, А.С. Толстиков ФГУП «СНИИМ», СГГА, Новосибирск

СПЕКТРАЛЬНО-ВРЕМЕННОЙ АНАЛИЗ СРЕД С ПОМОЩЬЮ ИМПУЛЬСНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

Импульсная интерферометрия является простым и эффективным методом для реализации спектрально-временного анализа исследуемых сред. Интерферометр Фабри-Перо (ИФП) используется в качестве оптического анализатора формы как одиночного эхо-сигнала, так и синхронизированной последовательности сверхкоротких импульсов.

B.S. Mogilnitsky, A.S. Tolstikov

Siberian Scientific-Research Institute of Metrology (SSRIM) 4 Dimitrova, Novosibirsk, 630004, Russian Federation; Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

SPECTRAL-TEMPORAL AYALISIS OF MEDIUM WITH A PULSED INTERFEROMETRY

The pulsed interferometry is a more simple and effective method to realize spertral-temporal analysis of the investigated medium. The Fabry-Perot interferometer (IFP) is used as an optical analyzer both of a single echo signal shape, and a synchronized sequence of ultrashort pulses.

Развитие технологии получения лазерных импульсов сверхкороткой длительности открывают новые возможности изучения природы веществ, в частности, атмосферных газов. Получение информации о процессах возбуждения и релаксации в газовых средах является важным дополнением к вопросам спектроскопии атомов и молекул. Зондирование атмосферы импульсным лазерным излучением вызывает потребность в эффективных методах анализа получаемой информации. Прямое детектирование временных процессов пико- и фемтосекундной длительности в настоящее время невозможно из-за отсутствия приемных устройств сверхвысокого временного разрешения. В связи с этим разрабатываются чисто оптические методы исследования формы сверхкоротких импульсов. К настоящему времени разработаны методы анализа формы импульсов на основе сложных современных технологий. Метод FROG (Frequency Resolved Optical Gating) использует накопление данных на принципе стробирования временного процесса [1], метод SPIDER (Spectral Phase Interferometry for Direct Electric field Reconstruction) основан на спектральной интерферометрии сдвига [2]. В последнее время предложен метод самореферентного измерения сверхкоротких импульсов на принципах интерферометрии сдвига [3].

Более простым и достаточно эффективным является метод импульсной интерферометрии, позволяющий реализовать спектрально-временной анализ исследуемых сред[4]. В качестве оптического анализатора используется интерферометр Фабри-Перо (ИФП). Особенности его работы при импульсном освещении рассмотрены в [5,6]. ИФП может быть использован как для анализа

формы одиночного импульсного эхо-сигнала, так и для последовательности синхронизованных сверхкоротких импульсов.

Проблема спектрально-временного анализа волновых полей является одной из центральных в задачах приема и обработки информации. Оптимальные условия отображения динамики спектра импульсов с помощью ИФП: ти = Т, где Т= № то = 1/(с-5у) - время установления интерференции в ИФП, 8у - полуширина аппаратной функции интерферометра, N - острота (фактор резкости), ти - длительность импульса. Это условие отражает компромисс между спектральным и временным разрешением: еще нет существенных временных искажений динамики импульса и спектр импульса при этом полностью разрешается.

Компьютерное моделирование спектрально временных откликов ИФП на импульсные информационные эхо-сигналы дают полные временные картины исследуемых спектров [4].

Рис. 1. Спектрохронограмма Гауссовского импульса (длительность 10 нс)

регистрируемая ИФП (база 5 см):

сплошная линия справа - интегральный спектр импульса, прерывная -динамика интенсивности импульса [4]

Из спектрохронограммы, полученной при помощи ИФП, и временного анализатора (щелевой камеры) можно извлечь информацию об исходной амплитудно-фазовой картине светового импульса. Полученная информация -результат соединения высокого временного разрешения спектрохронограммы с высоким спектральным разрешением ИФП, регистрирующий интегральный

2

спектр сверхкороткого импульса. Необходимо отметить, что увеличение спектрального разрешения, определяемого условием Т»ти, приводит к значительным искажениям временного хода спектральных компонент исследуемого сигнала. И, наоборот, улучшение воспроизведения динамики спектральных компонент при Т«ти сопровождается значительным ухудшением спектрального разрешения. Компромисс достигается при Т~ ти .

Получение информации с помощью ИФП при облучении исследуемых сред импульсной генерацией дает реальную возможность определения состава среды не только по спектрам поглощения, но и по картине переходных процессов, происходящих в актах взаимодействия атомов и молекул с лазерным излучением. Комбинационное рассеяние света - один из источников такой информации. Процесс комбинационного рассеяния включает обмен энергией между рассеянным фотоном и рассеивающей молекулой. Вследствие этого спектральные компоненты комбинационного рассеяния сдвинуты относительно частоты падающего излучения на частотный интервал, соответствующий внутренней энергии молекул. Спектры комбинационного рассеяния дают уникальные возможности для анализа сложных молекулярных смесей. Это фотокарточка данного соединения.

Рис. 2. Схема регистрации спектров импульсов при вынужденном комбинационном рассеянии света

С другой стороны временные свойства сверхкоротких импульсов позволяют исследовать наиболее фундаментальные процессы в веществе. К таким фундаментальным процессам, характерные времена которых можно измерить с помощью ИФП, относятся: свободное затухание молекулярных колебаний и ориентационных флуктуаций в газах и жидкостях, распад фононов,

распад и образование плазмы в газах, процессы переноса заряда и другие безизлучательные процессы в молекулярных средах.

Необходимо отметить возможности применения ИФП как оптического анализатора и в такой фундаментальной области исследования как спектроскопия атмосферы. Принимаемый эхо-сигнал при лазерной локации весьма часто несет информацию о комбинационном рассеянии света атмосферой что дает возможность определения ее молекулярного состава.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Trebino R. et al.Rev.Sci.Instrum. 1997. - V. 68. - № 9. - P. 3277.

2. Walmsley I.A., Jaconis Ch. IEEE J. Quant. Electron. 1999. - V. 35. - № 4. - Р. 501.

3. Мазуренко, Ю.Т. Самореферентное измерение сверхкороткого импульса методом стандартной интерферометрии сдвига [Текст] / Ю.Т. Мазуренко // Оптика и спектроскопия. 2009. - Т. 106. - № 1. - С. 134-145.

4. Беспалов, В.Г. Спектрально-временной анализ переходных процессов в интерферометре Фабри-Перо [Текст] / В.Г. Беспалов, Ю.Н. Ефимов, Д.И. Стаселько // Оптика и спектроскопия. - 2001. - Т. 90. - № 4. - С. 900-698.

5. Могильницкий, Б.С. Интерферометр Фабри-Перо при импульсном освещении: новый подход и возможности [Текст] / Б.С. Могильницкий // Измерительная техника. - 2009. - № 12. - С.11-15

6. Mogilnitsky, B.S. Fabry-Perot Interferometer in the World of Pulses: New Approaches and Capabilities [Text] / B.S.Mogilnitsky, Ju.N. Ponomarev // Atmospheric and Oceanic Optics. 2009. -V. 22. - № 5. - PP. 544-550.

© Б.С. Могильницкий, А.С. Толстиков, 2010

5