Лазерное гетеродинирование и корреляционная обработка при измерениях в оптически неоднородной среде

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В настоящее время в мире в активно развивающейся области лазерной физики особой задачей выступает высокоразрешающая оптическая диагностика и дистанционное зондирование в условиях оптически неоднородных сред. В этом аспекте методы лазерного гетеродинирования и корреляционной обработки являются эффективным научным инструментом, позволяющим определять как физические параметры этих сред, так и характеристики зондируемых объектов. На сегодняшний день в мире основанные на этих методах лазерные системы применяются в деформографии, спектрометрии светового рассеяния, микроструктурных исследованиях, в оптике атмосферы, сейсмометрии, химии, биологии, медицине и др. В связи с этим целевые исследования в таких направлениях, как развитие методологии фазометрических и корреляционных измерений на основе лазерного гетеродинирования; разработка измерительных систем с синхронизированными по частоте лазерами и фотон-корреляционной спектрометрии; расчёт эффективности детектирования в зависимости от условий измерений оптических параметров турбулентной атмосферы и дисперсных сред являются одними из важных задач. В соответствии со Стратегией действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан особое внимание уделяется вопросам стимулирования научно-исследовательской и инновационной деятельности, создания эффективных механизмов прикладного применения достижений научно-инновационной деятельности. В частности, большое внимание уделяется вопросам внедрения перспективных технологий в отрасли науки и техники. Особо следует отметить, что данная деятельность осуществляется в рамках объявленного «Года поддержки активного предпринимательства, инновационных идей и технологий», нацеленного на получение научных результатов, отвечающих современным требованиям. В этом плане разработка новых принципов построения диагностических систем, а также методов фазочувствительных и спектрометрических измерений с достижением потенциально возможных максимальных характеристик, которые могут эффективно применяться для широкого класса диагностических и локационных задач - от мониторинга окружающей среды до оптической передачи информации, имеет актуальное значение. Данная научно-исследовательская работа в определённой степени соответствует задачам, предусмотренным в Указе Президента РУз № УП-4947 «О Стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан» от 07 февраля 2017, в Постановлениях Президента РУз за № ПП-916 «О дополнительных мерах по стимулированию внедрения инновационных проектов и технологий в производство» от 15 июля 2008 года, за № ПП-1442 «О приоритетах развития промышленности Республики Узбекистан в 2011-2015 годах» от 15 декабря 2010 года, за № ПП-2789 «О мерах по дальнейшему совершенствованию деятельности Академии наук, организации, управления и финансирования научно-исследовательской деятельности» от 17 февраля 2017 года, а также других нормативно-правовых документах принятых в данной сфере. Целью исследования является разработка методов измерения структурных характеристик турбулентной атмосферы и дисперсных сред с совершенствованием экспериментальных методов лазерного гетеродинирования и коррелометрии. Научная новизна исследования заключается в следующем: определены особенности модовой перестройки и характеристики дисперсионного сдвига частот генерации He-Ne лазера, позволяющие стабилизировать оптическую частоту лазерного излучателя; получены аналитические выражения для расчетов чувствительности и эффективности гетеродинных измерений в условиях практического применения; разработан принцип формирования сигналов управления лазерными излучателями при построении гетеродинной системы с синхронизированными лазерами; реализован метод детектирования оптических полей в режиме счета фотонов, позволяющий регистрировать статистическое распределение, а также авто- и кросскорреляционные функции фотоотсчетов; с использованием разработанной лазерной системы определены оптические параметры турбулентной атмосферы, характеризующие ее состояние как канала передачи оптической информации; методом фотон-корреляционной спектрометрии с использованием разработанного коррелятора фотонов определены ширина спектра рассеянного излучения и размеры микрочастиц монодисперсного раствора. Заключение На основе результатов исследований лазерного гетеродинирования при фазометрических и спектральных измерениях структурных характеристик неоднородных сред сделаны следующие выводы: 1. Исследованы дисперсионные характеристики активной среды газового лазера, связанные со сдвигом частот межмодовых биений, а также параметры модовой перестройки излучения при вариациях длины резонатора и улучшена долговременная стабильность почти на порядок. 2. Выполнены теоретические расчеты и получены аналитические выражения для оценки чувствительности и эффективности гетеродинных измерений в условиях практического применения. Определен характер фототока в случае флуктуирующего лазерного излучения, что приводит к непуассоновской статистике фотоотсчетов; 3. Обоснован выбор более адекватной оценки эффективности фотодетектирования, когда в отношение сигнала к шуму входит среднеквадратичное значение флуктуаций полного выходного тока и получено выражение для ОСШ с учетом когерентных характеристик излучения и последетекторной обработки сигнала биений, а также с учетом апертур взаимодействующих пучков и наклонов их волновых фронтов; 4. Разработано электронное устройство автоподстройки лазерных резонаторов и новый принцип формирования сигналов управления лазерными излучателями при построении гетеродинной системы с синхронизированными лазерами для частотной и дополнительной фазовой привязок лазерных излучений. 5. С использованием разработанной лазерной системы определены оптические параметры различных турбулентных атмосферных трасс, характеризующие их состояние как канала передачи оптической информации и проведены оценки для оптимального размера фотодетектора в зависимости от длины трассы и состояния турбулентности; 6. Реализован метод детектирования оптических полей в режиме счета фотонов, позволяющий регистрировать статистическое распределение, а также авто- и кросскорреляционные функции фотоотсчетов. 7. Разработана методика и экспериментальная установка, предназначенная для измерения размеров микрочастиц в жидкой среде на основе гетеродинной регистрации рассеянного излучения. 8. Обоснован выбор аналитического описания метода фотон-корреляционной спектроскопии для измерения динамического рассеяния света с использованием разработанного коррелятора определены размеры взвешенных в растворе субмикронных микрочастиц.