CC BY
35
ОСЛАБЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИСПЕРСИОННОГО РАСПЛЫВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ В АТМОСФЕРЕ НА РАБОТУ ПРЕЦИЗИОННЫХ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ДАЛЬНОМЕРОВ
Александр Владимирович Кошелев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры специальных устройств и технологий СГГА, тел. 8 923 243 5505, e-mail: alvlkosh@yandex.ru
Александр Петрович Карпик
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, ректор, тел. 343-25-34, e-mail: rectorat@ssga.ru
Анатолий Константинович Синякин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор кафедры специальных устройств и технологий, проректор, тел. 343-25-34, , e-mail: rectorat@ssga.ru
Юрий Григорьевич Костына
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры высшей математики СГГА, тел. 343-25-77, e-mail: kostinaug@mail.ru
Сергей Сергеевич Овчинников
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ассистент кафедры специальных устройств и технологий СГГА, тел. 8 961 872 4966, e-mail: serpanya@yandex.ru
Юрий Владимирович Скипа
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры высшей математики СГГА, тел. 343-25-77, e-mail: syura63@yandex.ru
Наталья Викторовна Заржецкая
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры специальных устройств и технологий СГГА, тел. 8 913 456 0797, e-mail: zargetskaya@yandex.ru
Предложены методы ослабления влияния дисперсионного расплывания фемтосекундных лазерных импульсов в атмосфере, вызывающего увеличение погрешностей дальномерных измерений.
Ключевые слова: дисперсионное расплывание, ошибка измерений, фемтосекундные лазерные импульсы.
ELIMINATION OF DISPERSION SPREADING INFLUENCE IN ATMOSPHERE ON HIGH-PRECISION FEMTOSECOND LASER RANGER OPERATION
Alexandr V. Koshelev
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), Russia, Novosibirsk 630108, 10 Plakhotnogo St; MSc, senior lecturer, Prof..., department of specialized instrumentation and technologies SSGA; tel. 89232435505, e-mail: alvkosh@ yandex.ru
Alexandr P. Karpik
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), Russia, Novosibirsk 630108, 10 Plohotnogo St; Ph. DSc, Prof., rector. tel. 343-25-34, e-mail: rectorat@ssga.ru
Anatoly K. Sinjakin
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), Russia, Novosibirsk 630108, 10 Plakhotnogo St; MSc, senior lecturer, Prof., department of specialized instrumentation and technologies SSGA; tel., e-mail: rectorat@ssga.ru
Yuri G. Kostina
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), Russia, Novosibirsk 630108, 10 Plakhotnogo St; MSc, senior lecturer, Prof., department of Applied Mathematics SSGA, tel. (383)343-25-77, e-mail: kostinaug@mail.ru
Sergey S. Ovchinnikov
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), Russia, Novosibirsk 630108, 10 Plohotnogo St; postgraduate science student, department of specialized instrumentation and technologies SSGA; tel. 89618724966, e-mail: serpanya@yandex.ru
Yuri V. Skipa
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), Russia, Novosibirsk 630108, 10 Plakhotnogo St; lecturer, department of Applied Mathematics SSGA, tel. (383)343-25-77, e-mail: syura63@yandex.ru
Natalya V. Zarzhetskaya
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), Russia, Novosibirsk 630108, 10 Plohotnogo St; lecturer, department of specialized instrumentation and technologies SSGA; tel. 89134560797, email: zargetskaya@yandex.ru
Same methods of dispersion spreading influence attenuation of femtosecond laser pulses in atmosphere resulting in the increase ranger finder measurements errors are suggested.
Key words: dispersion spreading, measurements errors, femtosecond laser pulses.
Высокая пиковая мощность и сверхмалая длительность фемтосекундных лазерных импульсов (ФЛИ) позволяют существенно повысить инструментальную точность измерения расстояний и дальность действия фемтосекундных лазерных дальномеров (ФЛД) [1]. Это дает возможность выполнять измерения больших расстояний с микрометровой инструментальной погрешностью. Однако при измерении больших расстояний возникают два отрицательных явления способных существенно уменьшить потенциально
высокую точность и эффективность фемтосекундных светодальномерных измерений в предложенном работе [1] дальномере.
Рис. 1. Упрощенная функциональная схема ФЛД с декомпрессией и
компрессией ФЛИ
В процессе распространения ФЛИ в диспергирующей атмосфере происходит дисперсионное расплывание ФЛИ, что приводит к увеличению длительности отраженных импульсов. Поскольку большинство схем импульсно-фазовых ФЛД [1] работает с использованием нелинейных эффектов, основанных на корреляционной обработке опорных и отраженных сигналов при их временном совмещении, то увеличение длительности отраженных импульсов приведет к снижению точности измерений расстояний из-за увеличения погрешностей измерения временных интервалов. Другой отрицательный эффект заключается в том, что из-за сверхвысокой мощности ФИ в воздухе возникают нежелательные нелинейные эффекты. К ним относятся самофокусировка и схлопывание лазерных пучков с последующим существенным увеличением угла расходимости лазерного излучения. Отмеченные факторы могут значительно уменьшить дальность действия измерения расстояний и снизить точность фемтосекундных импульсных светодальномеров из-за малой мощности отраженных импульсов.
Сущность способа ослабления воздействия отмеченных выше отрицательных факторов на работу дальномера [1] рассмотрим на примере упрощенной схемы импульсного лазерного дальномера, представленной на рис. 1. В этой схеме фемтосекундный лазер генерирует одиночные лазерные импульсы. Поскольку мощность импульсов очень велика, то для исключения отмеченных выше эффектов дисперсионного расплывания ФИ и дополнительного увеличения угла расходимости излучение ФИ подается в декомпрессор (ДК) схема которого представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема декомпрессора (ДК) [2]
В простейшем случае ДК для оптических ФИ представляет собой пару дифракционных решеток, обладающих большой угловой дисперсиией [2], на которые импульсы направляются под определенным углом, как это показано на рис. 2. В результате длительность излучаемых импульсов искусственно увеличивается примерно в 104 раз, а их мощность и полоса частот во столько же раз уменьшается. При этом спектр импульса сужается примерно на четыре порядка и поэтому воздействие диспергирующей атмосферы на импульсы большой длительности значительно уменьшается. Это позволяет существенно снизить отрицательное воздействие атмосферы, связанное как с увеличением длительности ФИ, так и со значительным увеличением угла расходимости излучения лазера от нелинейного дробления пучка сверхмощных импульсов. В результате излучение лазера проходит измеряемое расстояние до отражателя и обратно без дополнительных потерь мощности излучения и увеличения длительности ФИ, вызванного дисперсией атмосферы для широкополосного излучения порядка 1015 Гц .
Однако искусственное увеличение длительности импульсов в ДК с низкой крутизной их фронтов отрицательно сказывается на точности измерения временных интервалов, а, следовательно, и расстояний. Поэтому для сохранения потенциально высокой точности измерений, присущей фемтосекундным лазерным импульсам, в приемной оптической системе выполняется действие обратное декомпрессии, т. е. осуществляется компрессия (сжатие) длительности отраженных ФИ. Это происходит в блоке компрессора К, состоящего также из пары дифракционных решеток [2] для выполнения обратной нелинейной операцией по сжатию импульсов во времени, показанного на рис. 3 сразу после приемной оптической системы ПрОС.
С этой целью в компрессоре рис. 3 дифракционные решетки устанавливаются под определенными углами, приводящими к сжатию импульсов во времени. Таким образом, создается возможность выполнять измерения расстояний без искажающих воздействий атмосферы на увеличения длительности ФИ и дополнительного влияния роста угла расходимости импульсного излучения на дальность действия ФЛД и точность измерения расстояний.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кошелев А.В. Фемтосекундный лазерный дальномер. 1998 4 TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON ACTUAL PROBLEMS OF ELECTRONIC INSTRUMENT ENGENIRING PROCEEDINGS, APEIA-98, Novosibirsk, v. 2, р. 241-242.
2. Крюков П.Г. Фемтосекундные импульсы. - М., ФМЛ. 2008.
© А.В. Кошелев, А.П. Карпик, А.К. Синякин, Ю.Г. Костына, С.С. Овчинников, Ю.В. Скипа, Н.В. Заржецкая, 2012
