CC BY
37На правах рукописи
КУЗНЕЦОВ Андрей Петрович
ВНУТРИЛАЗЕРНЫЙ ПРИЕМ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И РАЗРАБОТКА ДВУХКАНАЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА НА ЕГО ОСНОВЕ
01.04.21 - лазерная физика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москва 2000
Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете)
Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, с.н.с. Козин Г.И.
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Ермаченко В.М., доктор физико-математических наук, профессор Киселев М.И.
Ведущая организация: Физический институт
им П.Н. Лебедева РАН
Защита состоится «01» марта 2000 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета К053.03.08 в МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, 31, тел. 323-91-67, 324-84-98.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан «21» января 2000 г.
Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.
Ученый секретарь диссертационного совета
к.ф.-м.н., в.н.с. Корнилов С.Т.
Подписано в печать .01.2000 г. Тираж 100 экз. Заказ
Типография МИФИ, Каширское шоссе, 31
Общая характеристика работы
Актуальность работы
Лазеры, обладая высокой спектральной интенсивностью, исключительно высокой монохроматичностью и направленностью излучения, вот уже более 30 лет являются основным инструментом в оптических информационных, измерительных и диагностических методиках. В различных областях науки и техники лазеры используются для прецизионного контроля перемещений, в интерферометрии, дальнометрии и локации, в оптических линиях связи и для оптической обработки информации. Использование лазеров в спектроскопии и газоанализе позволило достичь чувствительности и спектрального разрешения ранее не доступных оптическим методам. Лазерные интерферометры при использовании их для измерений показателя преломления, вызванного изменениями свойств среды служат эффективным инструментом для различных химических и физических исследований, в качестве средств контроля за состоянием среды в разнообразных технологических процессах. Ярким примером такого рода измерений является применение лазерных интерферометрических методов для диагностики плазмы.
Большим достоинством лазерных измерительных и диагностических методов является их бесконтактность, то есть отсутствие воздействия на измеряемый объект в процессе измерения. Немаловажное значение имеет дистанционность измерений, так как измеряемый объект может находиться на значительном расстоянии от источника и приемника излучения. Вместе с тем, их преимущество заключено в малом времени измерений, определяющемся в первую очередь скоростью распространения электромагнитных волн. Весьма высока чувствительность и точность измерений. Пространственное разрешение при измерениях может быть доведено до величины порядка длины волны зондирующего излучения.
В большинстве задач дистанционных лазерных измерений и диагностики существует проблема приема и демодуляции слабого излучения при его распространении в поглощающих средах или после отражения от удаленных искусственных или естественных объектов. В этих условиях чувствительность и точность измерений определяется эффективностью используемой фотоприемной системы. В лазерных измерительных системах традиционно используют три основных метода:
• Прием, основанный на фотоэлектрическом эффекте (метод прямой фоторегистрации);
• Гетеродинный прием. Принимаемый оптический сигнал смешивается с сигналом местного генератора (гетеродина), отличающимся по частоте, и возникающие биения усиливаются и демодулируются радиотехническими методами;
• Гомодинный прием. Принимаемый оптический сигнал смешивается с излучением местного гетеродина с той же частотой и фазой.
В реальных условиях чувствительность приемной системы ограничена тепловым и фликкер-шумом фотоприемника. В гетеродинных приемниках чувствительность ограничивается шумами мощности и нестабильностью частоты генерации лазера-гетеродина. В большинстве случаев чувствительность гетеродинного приема выше прямой фоторегистрации и только в особых условиях при использовании фотоприемников с высоким внутренним усилением или при использовании преддетекторного усиления в оптических квантовых усилителях (ОКУ) они одного порядка. Наряду с высокой чувствительностью гетеродинный метод обладает большей информативностью по сравнению с прямой фоторегистрацией, так как позволяет помимо амплитудной, регистрировать еще частотную и фазовую модуляцию в излучении.
Весьма перспективным методом приема слабого оптического излучения является метод внутрилазерного приема. В этом случае информация содержится в изменении генерации лазера при попадании в его резонатор регистрируемого излучения. Внутрилазерный прием обладает всеми достоинствами традиционного лазерного гетеродинирования, но при этом обеспечивает существенно более высокую чувствительность. Кроме того, внутрилазерный прием обладает качественным отличием. При воздействии внешнего излучения изменяются как мощность, так и частота генерации лазера. Поэтому, кроме традиционного канала регистрации по изменению мощности, для лазеров существует второй канал регистрации по изменению частот генерации. Как известно, точность частотных измерений гораздо выше амплитудных. Использование двух каналов регистрации позволяет измерять одновременно две величины, например, перемещение отражателя и коэффициент отражения от его поверхности. Внутрилазерный прием отраженного излучения может проводиться либо самим лазером-излучателем, либо другим однотипным лазером, что обеспечивает богатые функциональные возможности измерений и диагностики. На этой основе могут быть разработаны новые измерительные методики, обеспечивающие высокую чувствительность, точность, быстродействие, большой динамический диапазон измерений и новые функциональные возможности. Широкие возможности использования метода внутрилазерной регистрации в различных диагностических и измерительных методиках [1*-7*] и показанные им высокие эксплуатационные характеристики [8*-11 *] подтверждают актуальность детального изучения этого метода и разработки на его основе новых дистанционных измерительных методик.
Цель и задачи диссертационной работы.
Целями диссертационной работы являются:
1. Разработка метода внутрилазерного приема оптического излучения с помощью одномодовых и двухмодовых лазеров и изучение их характеристик с целью повышения эффективности приема.
2. Разработка двухканального лазерного интерферометра на основе внутрилазерного приема отраженного излучения.
В соответствии с поставленными целями в диссертации решаются следующие задачи:
1. Теоретическое и экспериментальное исследование характеристик од-номодовых лазеров с различной инерционностью активных сред при инжекции внешнего излучения.
2. Теоретическое и экспериментальное исследование характеристик двухмодовых лазеров с различным характером поляризаций излучения генерирующих мод при инжекции внешнего излучения.
3. Теоретическое и экспериментальное исследование характеристик и закономерностей распространения излучения с нарушенной пространственной когерентностью.
4. Повышение чувствительности внутрилазерного приема частично когерентного излучения при использовании широкоапертурных приемопередающих телескопических систем.
5. Исследование характеристик двухмодовых лазеров при перекрестном воздействии мод друг на друга при отражении от внешнего отражателя.
6. Разработка двухканального лазерного интерферометра и исследование его рабочих характеристик.
7. Применение разработанного интерферометра для исследования динамики показателя преломления плазмы эрозионного капиллярного разряда в воздухе.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, состоит в следующем:
1. Показано, что лазер в качестве приемника оптического излучения является двухканальным гетеродинным приемником, включающим в себя функцию детектирования гетеродинного сигнала. Гетеродинными сигналами служат изменения мощности и частоты генерации лазера-приемника.
2. Показано, что чувствительность внутрилазерного приема выше, чем у обычного лазерного гетеродина. Она определяется: накоплением поля отраженной волны в резонаторе лазера-приемника, и автодинным уси-
лением сигнала, величина которого возрастает при приближении к порогу генерации.
3. Выявлен резонансный характер реакции мощности на внешний оптический сигнал лазера-приемника с сильной инерционностью активной среды.
4. Показано, что конкуренция мод в активной среде двухмодового лазера является дополнительным фактором, увеличивающим чувствительность внутрилазерного приема.
5. Получены экспериментальные зависимости фактора межмодовой связи от межмодового расщепления в лазерах с различным характером поляризаций мод. Экспериментально показано количественное отличие коэффициентов собственного и перекрестного насыщения для обоих типов лазеров.
6. Показано, что отраженное лазерное излучение представляет собой частично когерентный гаусов пучек с волновым параметром, определяющимся длиной волны, радиусом перетяжки и количеством пятен когерентности.
7. Показано, что при внутрилазерном приеме частично когерентного излучения эффективно действующий радиус входной апертуры приемопередающего телескопа может быть доведен до величин ~10 см.
Практическая ценность результатов диссертационной работы:
1 . Предложен метод формирования двух информативных сигналов в лазерном интерферометре с использованием перекрестного взаимодействия мод лазера-приемника.
2. Разработан и испытан двухканальный интерферометр, обладающий высокими рабочими характеристиками.
3. Интерферометр применен при исследованиях эрозионного капиллярного разряда в воздухе.
4. Результаты работы могут быть использованы для разработки новых методик и создания на их основе высокочувствительных измерительных и диагностических дистанционных приборов и комплексов для решения научных и практических задач:
• в научном приборостроении - при разработке высокочувствительных, широкодиапазонных и быстродействующих интерферометрических измерительных средств;
• в авиакосмической отрасли - при разработке оптических локаторов и дальномеров нового поколения;
• на газопроводном транспорте, на газохранилищах, в городских
газовых сетях - при разработке дистанционных газоанализаторов для мобильного контроля утечек, в том числе при использовании автомобильных и воздушных средств;
• в диагностике плазмы, и в частности на крупномасштабных установках УТС типа Токамак;
• в медицине - при разработке новых диагностических приборов и методик, связанных с контролем за состоянием тканей.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Факторами, определяющими чувствительность и быстродействие внутрилазерного приема, являются:
• накопление поля внешней волны в резонаторе;
• автодинное усиление сигнала;
• инерционность активной среды;
• конкуренция мод в активной среде.
2. Отраженное лазерное излучение представляет собой частично когерентный гаусов пучек с волновым параметром, определяющимся длиной волны, радиусом перетяжки и количеством пятен когерентности.
3. При внутрилазерном приеме частично когерентного излучения эффективно действующий радиус входной апертуры приемо-передающего телескопа может быть доведен до величин ~1 0 см
4. Рабочие характеристики двухканального интерферометра:
• Минимальный эффективный коэффициент отражения по мощности при котором интерферометр сохраняет работоспособность: (рэф)2=6.410-11Гц -1/2.
• Чувствительность измерений оптической длины при единичном коэффициенте отражения: А ! =1.4 10-9 см-Гц -1/2.
• Временное разрешение: ~ 1 0 нс.
Доклады на конференциях
Результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:
1. XXIV Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС. (17-21 февраля, Звенигород, 1 997)
2. Научная сессия МИФИ-98 (21-23 января, МИФИ, Москва, 1998)
3. XI конференция по физике газового разряда. (июнь, Рязань, 1998)
4. Российский семинар «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (8-9 ию-
ня, Москва, 1998)
5. Научная сессия МИФИ-99 (18-22 января, МИФИ, Москва, 1999)
6. Международная конференция «Физика атмосферного аэрозоля» (1217 апреля, Москва, 1999)
7. III международная научно-техническая конференция «Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники» (1-4 июня, Егорьевск, 1999)
8. International symposium Plasma'99 "Research and applications of plasmas" (July 7-9, Warsaw, Poland, 1999)
9. 6 Всероссийская научно-техническая конференция «Состояние и проблемы измерений» (23-25 ноября, Москва, 1999)
10. Научная сессия МИФИ-2000 (17-21 января МИФИ, Москва, 2000) Публикации
По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 4 статьи и 11 тезисов докладов. Их список приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из 4 глав, содержит 115 страниц текста, 67 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 173 названий.
Содержание работы
Во введении к диссертации дается краткая характеристика работы, сформулирована ее цель и актуальность.
В литературном обзоре (глава 1) проведен сравнительный анализ чувствительности и функциональных возможностей методов когерентного (оптическое гетеродинирование и гомодинирование, внутрилазерный прием) и некогерентного (прямая фоторегистрация) приема слабого оптического излучения. Показано, что в большинстве случаев чувствительность когерентного приема выше чувствительности прямой фоторегистрации и только в особых условиях при использовании фотоприемников с высоким внутренним усилением или при использовании преддетекторного усиления в ОКУ они одного порядка. Наряду с высокой чувствительностью когерентные методы обладают большей информативностью по сравнению с прямой фоторегистрацией, так как позволяют, помимо амплитудной, регистрировать еще частотную и фазовую модуляцию в излучении. Внутрилазерный прием обладает всеми достоинствами традиционного лазерного гетеродинирования, но при этом обеспечивает существенно более высокую чувствительность и значительно более широкие функциональные возможности измерительных методик, реализованных
на его основе. На основании проведенного анализа формулируются основные задачи, которые необходимо решить в диссертации.
Глава 2 посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию амплитудно-частотных характеристик одномодовых и двухмодовых лазеров с различной инерционностью активных сред при инжекции слабого внешнего излучения, и изучению факторов, позволяющих повысить чувствительность внутрилазерного приема. Теоретический анализ проведен в общей постановке, когда лазер-приемник, в качестве которого может быть использован, как одномодовый, так и двух-модовый лазер, регистрирует внешнее излучение, например, излучение другого однотипного лазера, и в частности собственное отраженное излучение. В результате расчета определены величины изменения частоты 5ю и мощности р генерации лазера-приемника с безынерционной активной средой, при инжекции в него внешнего излучения отраженного от отражателя, установленного на расстоянии ! от лазера-приемника:
В случае одномодовой генерации лазера-приемника:
5ю = рА^5т(А - 2ке!) (1)
Р(1) = АйТ пП0 1 / Г 2 ^ - 2ке!) (2)
В случае двухмодовой генерации (регистрируемое излучение имеет ту же поляризацию, что и р1):
Р(Ю = , Р2° = - V , Г2=ЗГ1
За+а
Здесь, р - эффективный амплитудный коэффициент отражения внешнего отражателя, Рои - мощность регистрируемого излучения, Р|п - средняя мощность генерации лазера-приемника, ^ - разность частот регистрируемого излучения с волновым числом ке и излучения лазера-приемника, АО=с(1 -р1р2)/Ь - полоса резонатора лазера длиной Ц образованного зеркалами с амплитудными коэффициентами отражения р1,р2, с - скорость света, величина АО* = (с/Ь)(о2/ р2) может рассматриваться как полоса фиктивного резонатора с коэффициентом пропускания выходного зеркала о2, и не имеющего других потерь, Г1 = АО(п0 -1)/п0 - полоса реакции одномодового лазера-приемника на внешнее излучение, по - превышение ненасыщенного усиления над потерями, Б=(а-Ь)/(а+Ь) - фактор межмодовой связи, а - параметр собственного насыщения усиления, Ь -параметр перекрестного насыщения, слабо отличающийся от а.
ао (о.е) 1.0
0.8
0.6
0.4
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Рои (о.е)
Рис.1 Зависимость амплитуды изменения мощности генерации лазера-приемника от мощности внешнего излучения Рои
а0 (о.е) 9
8 7 6 5 4
3 _\_I_I_\_\_I_I_\_\_и
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Рт (о.е)
Рис.2 Зависимость амплитуды изменения мощности генерации лазера-приемника от средней мощности генерации Р|п
:5г::г:!:г::!:гг
.Дл±ш±и :!:!::Г1Ш±п
-4--4-4--14--4-
Выражение (2) показывает, что регистрация на лазер является гетеродинной. Об этом свидетельствует линейная зависимость р от амплитудного коэффициента отражения или корневая - от мощности регистрируемого излучения. Отношение полос в (2) свидетельствует о том, что в резонаторе лазера накапливается поле отраженной волны, как в интерферометре Фабри-Перо. В то же время лазерный гетеродин является нелинейным, выполняющим функцию квадратичного фотодетектора обычных оптических гетеродинов. Гетеродинный сигнал р формируется уже в активной среде лазера, а роль фотодетектора заключается в фотоэлектрическом преобразовании сигнала. Амплитуда модуляции мощности может достигать очень больших значений вблизи порога генерации (п0^0), величина П0/(П0-1) определяет автодинное усиление при внутрилазерном приеме. При использовании двухмодовых лазеров чувствительность внутрилазер-ного приема значительно повышается за счет конкуренции мод в активной среде. Повышение определяется величиной 1/Б, для лазеров с сильной конкуренцией Б~10-1-10-2. Однако, при этом, в Б раз уменьшается полоса реакции Г2.
Выводы теоретического анализа были проверены в эксперименте. На рис.1,2 представлены экспериментально полученные зависимости амплитуды изменения мощности в одномодовом лазере-приемнике (Не-Ые лазер с ^=3.39 мкм) от мощности регистрируемого излучения и средней мощности лазера-приемника.
Рис.3 Зависимость амплитуды модуляции мощности в двухмодовом режиме к одномодовому от межмодового расщепления ю12
Рис.4 Амплитудно-частотная характеристика двухмодового лазера-приемника.
Были проведены экспериментальные исследования характеристик двухмодовых лазеров при их использовании для внутрилазерного приема излучения. Использовался Ие-Ые зеемановский лазер (а) и Ие-Ые лазер с фазоанизотропным резонатором (б) (^=3.39 мкм) с генерацией на круговых и линейных ортогонально поляризованных модах, соответственно.
На рис.3 представлены экспериментальные зависимости р(||)/р(|) от межмодового расщепления. Видно, что при ю12=10 МГц амплитуда реакции двухмодового лазера более чем на порядок выше амплитуды реакции одномодового лазера. С уменьшением фактора связи Б увеличивается амплитуда реакции мощности лазера и, соответственно, уменьшается полоса реакции Г2 (рис.4). В работе экспериментально показано, что реакция мощности у зеемановского лазера меньше, а полоса реакции больше, чем у лазера с фазоанизотропным резонатором.
Теоретически выявлен и при использовании СО2 лазера волноводного типа экспериментально подтвержден резонансный характер реакции мощности лазера-приемника с сильной инерционностью активной среды. Проведенный расчет показал, что
амплитуда изменения мощности испытывает резонанс
Ртах = Р0Д^/Уа(П0 -1)/п0 ~ 104р0 с шириной л/3уап0 на разностной частоте 1рез = л/дОуа(п0 -1) . Здесь уа - принятая одинаковой для обоих лазерных уровней ширина, р0 - амплитуда изменения мощности лазера с безынерционной активной средой. Экспериментально измеренная частота
резонанса мощности СО2 лазера Т=350±20 кГц соответствует времени релаксации рабочих уровней лазерного перехода ~310-4с, что согласуется с известными данными для этого типа лазеров.
Глава 3 посвящена исследованию эффективности внутрилазерного приема частично когерентного излучения и повышению чувствительности приема при использовании приемо-передающих оптических систем. Рассмотрены вопросы приема лазерного излучения, отраженного с нарушением пространственной когерентности от удаленных отражателей. Величина сигнала регистрации, в этом случае, определяется согласованием отраженного монохроматического света с угловой и линейной апертурами приемного устройства. При этом, как известно, качество согласования для традиционных лазерных гетеродинов^/^при внутрилазерном приеме, в отличие о1 прямою фотодетектирования, 'за'виси1 о1 комплексной величину степени, лрост-ранив^энной когерентности светана входной апертуре
приемника. Поэ
частично когерентного отраженного излучен распространения без ограничения на 2 углы /падения результате показано, что
в0у.ет пар
фазы с ц
в0.р4ассмотрение степень угловых -перемещений,: та ет^я-функцией -углов -наблюдения. Получе интенсивность и- простран
работе проведено
в дальней зоне отра лическая, : близкая к сферическо тром в центре
характеристик мерностей его тжения. В енного излуч!ения сущест-поверхность регулярной
освещенно10^08?тна". Это дало основание ввести пространственной^когерентности, :как функцию к же, как инт§ноивность излучения представля-ы соотношения связывающие ственную когерентность в дальней зоне с пространственной когерентностью и интенсивностью на отражателе и в изо-б| 0 2 т 6 , оптических с 0 20 4 60 ^ЭДных ог-рршшевивиситаеказанй-э ротцоинпри угловрис.бапзртисааостаиемиогогиустртййства, малой пот сравпе наикртйр'углеий- рассеявнияиjpгзeвт0га>кefiиемя' от приближении ^ЛЖЙiдflt?Щi®íЮíа'(еЛICкflЮИHИIИмаеMГую часатр5трй жПЮBBMP«ПеjЛtЦЗе,ЮB?ГPо излучения
рилазерном приеме скопа
можно представить частично когерентным гаусовым пучком с волновым
параметром, определяющимся длиной количеством пятен когерентности.
волны, радиусом перетяжки и
Проведен теоретический анализ эффективности регистрации отраженного лазерного излучения при приеме большого количества пятен когерентности. Показано, что в это случае расчет эффективности согласования можно провести в представлении геометрической оптики. Применимость геометрических представлений для согласования отраженного лазерного излучения с приемной системой была проверена в эксперименте с использованием ОКУ.
При гетеродинном приеме, как известно, регистрируется примерно одно пятно когерентности и, следовательно, эффективно действующий апертурный угол проектирующей системы сравним с углом когерентности, а соответствующий эффективный радиус когерентности на отражателе -с радиусом светового пятна. Для внутрилазерного приема, кроме этого, необходимо учитывать, что сигналы регистрации по мощности и частотам генерации вырабатываются по всей длине активной среды лазера. В результате проведенного анализа, показано, что согласование частично когерентного гауссова пучка с гетеродинным достигается одновременно во всей каустике гетеродина и может применяться при внутрилазерном приеме. Расчитаны величины гетеродинного сигнала при традиционном лазерном гетеродинировании и при внутрилазерном приеме в зависимости от углового увеличения и апертурного ограничения проектирующей оптической. В работе была проведена теоретическая и экспериментальная оценка возможного повышения эффективности внут-рилазерного приема отраженного излучения при использовании приемопередающего телескопа (рис.5,6). Как видно, экспериментальные значения (показаны точками) хорошо согласуются с расчетной кривой. При используемом в эксперименте угловом увеличении телескопа, эффективность приема максимальна при радиусе главного зеркала 3 см. Показано, что в условиях спокойной атмосферы радиус апертуры приемопередающего телескопа можно довести до величин ~10 см и повысить эффективность внутрилазерного приема на 3 порядка по сравнению с приемом без телескопа.
Глава 4 посвящена разработке двухканального интерферометра на основе внутрилазерного приема отраженного излучения. Как видно из (1) и (2) изменения мощности и частоты генерации лазера-приемника, при регистрации собственного отраженного излучения гармонически зависят от оптической длины пути света до отражателя. Поэтому внутрилазерный прием может быть положен в основу интерферометрических методик для измерений перемещений или изменений показателя преломления среды. В месте с тем внутрилазерный прием, обладающий высокой чувствительностью, позволяет проводить такие измерения при использовании удаленных отражателей с низким коэффициентом отражения, в том числе при использовании отражателей с диффузным характером поверхности.
Принцип работы интерферометра основан на перекрестном воздействии отраженного излучения на моды двухмодового лазера-приемника.
Для этого на пути света к отражателю устанавливается четвертьволновая фазовая пластинка, взаимно преобразующая поляризации излучений мод с частотами ю1 и юг. В результате перекрестного воздействия отраженных волн на моды возникает модуляция мощности обеих мод на разностной частоте Т=ю2-ю1:
р12 = ±рРАО-—, Г эт(2к!)зт(А) (1-канал)
■ АО Б п - 1^Г 2 + Г2
и появляется вторая гармоника в сигнале межмодовых биений:
иь = 1 рР ^^со8(2к!)оо5(2Г1) (11-канал).
Полезные сигналы реализуются на высоких несущих частотах ^ и 21^ существенно превышающих диапазон фликкер-шумов фотоприемников. Изменение оптической длины пути вызывает соответствующие изменения в амплитудах модуляций по каждому из каналов. Сигналы демодулируют-ся при гетеродинировании с сигналом межмодовых биений и сигналом удвоенной частоты и поступают на вход быстродействующей платы аналого-цифрового преобразователя компьютера. Использование двух каналов позволяет реализовать идеологию квадратурного интерферометра и дает возможность измерять с высокой фотоэлектрической точностью изменения оптической длины, много большие длины волны излучения и одновременно контролировать коэффициент отражения поверхности отражателя.
При разработке интерферометра за основу был принят двухмодовый зеемановский Не-Ые лазер с ^=3.39 мкм, межмодовым расщеплением Т=5 МГц и экспериментально измеренной полосой реакции 17 МГц. При испытании работоспособности интерферометр показал высокие рабочие характеристики (см. положения выносимые на защиту).
Интерферометр был использован для одновременного контроля меняющегося во времени показателя преломления и коэффициента отражения при исследовании эрозионного капиллярного разряда в воздухе. Сложность эксперимента заключалась в том, что в наиболее интересном варианте зондирования разряда вдоль его оси можно было использовать только отражение от поверхности графитового катода с р^~0,1. К тому же, в процессе развития разряда поверхность катода модифицировалась и менялся коэффициент отражения. Оптическая длина пути в разряде менялась на несколько длин волн, при этом требовалась точность измерений не хуже одной сотой длины волны. Этим условиям известные интер-ферометрические средства не удовлетворяют. С помощью разработанного прибора были получены зависимости ! (1) и р^©. В частности, в результате однократного разряда, длящегося 6 мс, наблюдалось уменьшение амплитудного коэффициента отражения катода на 5%.
В заключении представлены основные результаты работы:
1. Показано, что лазер в качестве приемника оптического излучения является двухканальным гетеродинным приемником, включающим в себя функцию детектирования гетеродинного сигнала. Гетеродинными сигналами служат изменения мощности и частоты генерации лазера-приемника.
2. Показано, что чувствительность внутрилазерного приема выше, чем у обычного лазерного гетеродина. И определяется: накоплением поля отраженной волны в резонаторе лазера-приемника, и автодинным усилением сигнала, величина которого возрастает при приближении к порогу генерации.
3. Исследованы амплитудно-частотные характеристики одномодовых лазеров с различной инерционностью активных сред при инжекции излучения другого однотипного лазера с изменяемой частотой генерации. Выявлен резонансный характер реакции мощности на внешний оптический сигнал лазера-приемника с сильной инерционностью.
4. Проведены теоретические и экспериментальные исследования внут-рилазерного приема при использовании двухмодовых лазеров. Показано, что конкуренция мод в активной среде является дополнительным фактором, увеличивающим чувствительность внутрилазерного приема.
5. При использовании двухмодовых лазеров в качестве приемников излучения впервые получены экспериментальные зависимости фактора межмодовой связи от межмодового расщепления в лазерах с различным характером поляризаций мод. Экспериментально показано количественное отличие коэффициентов собственного и перекрестного насыщения для обоих типов лазеров.
6. Получены характеристики частично когерентных световых пучков и закономерностей их распространения и определены методы согласования частично когерентных лазерных пучков с когерентным излучением в лазере-приемнике.
7. Получены критерии согласования лазера-приемника с приемопередающей оптической системой. Показано, что при внутрилазерном приеме частично когерентного излучения эффективно действующий радиус входной апертуры приемо-передающего телескопа может быть доведен до величин ~1 0 см.
с. Предложен метод формирования измерительных сигналов с использованием перекрестного взаимодействия мод лазера-приемника при отражении от исследуемого объекта.
9. Разработан и испытан в условиях реального плазменного эксперимента двухканальный интерферометр, обладающий высокими рабочими характеристиками.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Козин Г.И., Кузнецов А.П., Башутин О.А., Вовченко Е.Д., Савелов А.С. Двухмодовый лазерный интерферометр с внешним диффузным отражателем для диагностики термоядерной плазмы // Тезисы докладов XXIV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС. г. Звенигород, 182-184, (1997)
2. Козин Г.И., Кузнецов А.П., Башутин О.А., Вовченко Е.Д., Савелов А.С. Новый двухканальный лазерный интерферометр, научные и технические области его применения // Тез. докл. Российского семинара «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» Москва, МИФИ, 10-11, (1998)
3. Козин Г.И., Кузнецов А.П., Башутин О.А., Вовченко Е.Д., Савелов А.С. Исследование эрозионного капиллярного разряда в воздухе с помощью нового двухканального лазерного интерферометра // Тез. докл. XI конф. по физике газового разряда. Рязань, ч.2, 75-77, (1998)
4. Козин Г.И., Корнилов С.Т., Кузнецов А.П., Прокопова Н.М. Влияние инерционности активной среды на внутрилазерный прием оптического излучения // Сборник научных трудов. Научная сессия МИФИ-99, том 3, М, МИФИ, 56-57, (1999)
5. Козин Г.И., Кузнецов А.П., Лебединский М.О. Характеристики двухмо-дового лазера при воздействии внешнего излучения // Сборник научных трудов. Научная сессия МИФИ-99, том 3, М., МИФИ, 58-59, (1999)
6. Козин Г.И., Кузнецов А.П., Пространственная когерентность и интенсивность отраженного лазерного излучения // Сборник научных трудов научной сессии МИФИ-99, т.3, с.72, (1999)
7. Козин Г.И., Кузнецов А.П. Двухканальный лазерный интерферометр на основе внутрилазерного приема диффузно отраженного излучения // Сборник научных трудов научной сессии МИФИ-98, ч.2, с.176-177, (1998)
8. Козин Г.И., Кузнецов А.П., Пространственная когерентность и интенсивность отраженного лазерного излучения // Квантовая электроника, 25, №12, 1079-1083, (1998)
9. Волков А.А., Козин Г.И., Корнилов С.Т., Кузнецов А.П., Прокопова Н.М. Лазерная локация на основе активного приема отраженного излучения // Сборник научных трудов научной сессии МИФИ-99, т.3, с.73-74, (1999)
10. Козин Г.И., Кузнецов А.П., Корнилов С.Т., Лебединский М.О., Прокопова Н.М., Проценко Е.Д. Регистрация рассеянного на аэрозолях лазерного излучения методом двухчастотного внутрилазерного приема // Труды международной конференции «Физика атмосферного аэрозоля», Москва, 200-206, (1999)
11. Козин Г.И., Кузнецов А.П. Двухчастотный интерферометр с внутрила-зерной регистрацией отраженного излучения // Тезисы докладов 6 Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» Москва, 244-245, (1999)
12. Козин Г.И., Кузнецов А.П. Дистанционный контроль вибраций двухка-нальным активным лазерным интерферометром // Тезисы докладов III международной научно-технической конференции «Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники». 262-263, г. Егорьевск, (1999)
13. Козин Г.И., Кузнецов А.П., Башутин О.А., Вовченко Е.Д., Савелов А.С. Двухканальный интерферометр на основе внутрилазер-ной регистрации отраженного излучения // Измерительная техника, №7, 36-39, (1999)
14. Kozin G.I., Kuznetsov A.P., Bashutin O.A., Vovchenko E.D., Savjolov A.S. Novel active double-channel laser interferometer // Journal of Technical Physics, 40, №1, 407-409, (1999)
15. Козин Г.И., Кузнецов А.П., Лебединский М.О. Эффективность гетеродинного приема отраженного лазерного излучения // Сборник научных трудов. Научная сессия МИФИ-2000, том 3, М, МИФИ, 58-59, (2000)
Цитированная литература:
1*. Кикин П.Ю., Смирнов Ю.И., Ханин Я.И. Исследование неоднородно-стей внутри прозрачных сред по эффекту обратного рассеяния лазерного излучения // Квантовая электроника, 5,№4, 913-914, (1978)
2*. Donati S. Laser interferometry by induced modulation of cavity field // J. Appl. Phys, 49, №2, 495-497, (1978)
3*. Бураков С.Д., Годлевский А.П., Останин С.А. Определение профиля удаленных объектов когерентным автодинным лидаром // Оптика атмосферы, 3, №5, 547-551, (1990)
4*. Годлевский А.П., Иванов А.К., Копытин Ю.Д. Высокочувствительный газоанализ атмосферы на основе внутрирезонаторного лазерного приема рассеянного излучения // Квантовая электроника, 9, №9, 2007-2012, (1982)
5*. Гордиенко В.М., Коновалов А.Н., Путиевский Ю.Я. и др. Исследование динамики лазерно-индуцированного взрывного кипения воды по схеме самогетеродирования // Теплофизика высоких температур, №5, 812818, (1998)
6*. Кортунов В.Н., Дмитриев А.К., Панченко В.Я., и др. Диагностика прохождения лазерного излучения через границы слоев биотканей методом автодинного детектирования обратно рассеянного излучения // Тез. докл. V международная научно-техническая конференция Оптические методы исследования потоков, Москва, 162-163, (1999) 7*. Smith J.A., Rathe U.W., Burger C.P. Laser with optical feedback as displacement sensors // Opt. Eng., 34, №9, 2802-2810, (1995) 8*. Берштейн И.Л. Воздействие отраженного сигнала на работу лазера //
Изв. Вузов - Радиофизика, Том XVI, №4, 526-530, (1973) 9*. Казарян Р.А., Мнацакян Т.А. Характеристики внутрирезонаторного приема ИК оптического сигнала в атмосфере и повышение его помехоустойчивости // Квантовая электроника, 14, №3, 607-609, (1987) 10*. Викторов Е.А., Галактионова Н.М., Мак А.А. Высокочувствительная регистрация слабого отраженного или рассеянного излучения методом внутрирезонаторного когерентного приема с YAG-Nd-лазером // Оптика и спектроскопия, 62, вып.2, 430-436, (1987) 11*. Козин Г.И., Петров В.В., Проценко Е.Д. Детектирование отраженного излучения по частоте биений двухмодового лазера // Квантовая электроника, 18, №3, 391-393, (1991)
