CC BY
35
Геодезия
УДК 528.517: 537.715.1
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. 8923-243-55-05, 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. (383)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, тел. (383)343-25-55, 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. (383)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. 8961-872-49-66, 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. (383)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. 8913-456-07-97, e-mail: zargetskaya@yandex.ru
Предложены методы ослабления влияния дисперсионного расплывания фемтосекундных лазерных импульсов в атмосфере, вызывающего увеличение погрешностей дальномер-ных измерений.
Ключевые слова: дисперсионное расплывание, ошибка измерений, фемтосекундные лазерные импульсы.
25
Геодезия
ELIMINATION OF DISPERSION SPREADING INFLUENCE IN ATMOSPHERE ON HIGH-PRECISION FEMTOSECOND LASER RANGER OPERATION
Alexandr V. Koshelev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., MSc, senior lecturer, Prof., department of specialized instrumentation and technologies SSGA, tel. 8923-243-55-05, e-mail: alvkosh@ yandex.ru
Alexandr P. Karpik
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plohotnogo St., Ph. DSc, Prof., rector, tel. (383)343-25-34, e-mail: rectorat@ssga.ru
Anatoly K. Sinjakin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., MSc, senior lecturer, Prof., department of specialized instrumentation and technologies SSGA, tel. (383)343-25-34, e-mail: rectorat@ssga.ru
Yuri G. Kostina
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 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, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plohotnogo St., postgraduate science student, department of specialized instrumentation and technologies SSGA, tel. 8961-872-49-66, e-mail: serpanya@yandex.ru
Yuri V. Skipa
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 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, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plohotnogo St., lecturer, department of specialized instrumentation and technologies SSGA, tel. 8913-456-07-97, e-mail: 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 эффек-
26
Геодезия
тивность фемтосекундных светодальномерных измерений в предложенном в работе [1] дальномере.
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. 1. Упрощенная функциональная схема ФЛД с декомпрессией и компрессией ФЛИ
27
Геодезия
В простейшем случае ДК для оптических ФИ представляет собой пару дифракционных решеток, обладающих большой угловой дисперсией [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 уменьшаются. 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 1015Гц.
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 операции по сжатию импульсов во времени, показанного на рис. 1 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
28
Геодезия
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. 4 th international conference on actual probtems of electronic instrument engeniring proceedings, APEIA-98, v. 2. - Novosibirsk, 1998. -Р. 241-242.
2. Крюков П.Г. Фемтосекундные импульсы. - М.: ФМЛ, 2008.
Получено 13.02.2012
©А.В. Кошелев, А.П. Карпик, А.К. Синякин, Ю.Г. Костына, С.С. Овчинников, Ю.В. Скипа, Н.В. Заржецкая, 2012
29
