УДК 621.371:551.510
АПЕРТУРНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКАХ НА ТРАССАХ С ПЕРЕМЕЖАЮЩЕЙСЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬЮ
Т.И. Арсеньян, А.М. Зотов, П.В. Короленко, М.С. Маганова, А.В. МеснянкинПриводятся результаты экспериментального исследования влияния апертуры коллимированных лазерных пучков, распространяющихся по атмосферным каналам в условиях перемежающейся турбулентности, на преобразование их пространственно-временной структуры. Установлено, что существует слабо зависящее от метеопараметров критическое значение выходной апертуры пучка, превышение которого приводит к стохастизации излучения. Рассмотрено изменение статистических характеристик излучения вблизи критического значения апертуры.
Исследования особенностей распространения лазерного излучения на приземных трассах занимают важное место в работах, ведущихся в области атмосферной оптики. Значительная часть этих особенностей обусловлена неустойчивостью процессов развития мелкомасштабной турбулентности. Эксперименты показывают
[1-5], что изменение состояния мелкомасштабной турбулентности, происходящее чаще всего в условиях высоких температурных градиентов, приводит к чередованию двух структурных состояний светового пучка. Одно из них - квазирегулярное - соответствует слабовозмущенной трассе и характеризуется большим радиусом корреляции флуктуаций интенсивности, близким к радиусу пучка, и бездислокационной структурой волнового фронта. Второе - стохастическое, - переход в которое осуществляется скачкообразно, имеет в поперечном сечении спеклоподобное распределение интенсивности с многочисленными винтовыми дислокациями на волновом фронте. Переход из одного состояния в другое носит квазипериодический характер, при этом длительность каждого состояния может меняться от секунд до нескольких десятков секунд. Все экспериментальные и теоретические данные, содержащиеся в указанных работах, получены для узких коллимированных пучков, числа Френеля которых близки к единице. В публикациях отсутствуют сведения о поведении в атмосфере пучков с другими значениями чисел Френеля. Данная работа восполняет этот пробел. В ней рассматриваются статистические характеристики лазерных пучков с различной апертурой в условиях структурной перемежаемости.Экспериментальный стенд, на котором проводились исследования, был построен с использованием зданий Московского государственного университета на Воробьевых горах. Подробное описание основных узлов приемо-передающей и контрольно-измерительной аппаратуры, а также используемых для обработки экспериментальных данных компьютерных технологий приведено в работах
[1-3]. Все описанные ниже эксперименты проводились с использованием горизонтальной трассы, длина которой (в одном направлении) составляла 280 м, а высота над поверхностью Земли – 25 м. Эксперименты проводились в 1999 году в осенне-зимний период. Для этого времени года характерно наиболее интенсивное развитие неустойчивостей в приземном слое атмосферы.В качестве источника излучения применялся одномодовый гелий-неоновый лазер на длине волны 0.63 мкм. Формирующая оптика позволяла в широких пределах менять размеры выходного лазерного пучка. В тех случаях, когда возникала необходимость проводить одновременную регистрацию характеристик излучения на близко расположенных горизонтальных трассах, максимально расширенный пучок направлялся на два отверстия, выполненных в непрозрачном экране. Диаметры отверстий и расстояние между ними могли варьироваться. Выходящие из отверстий пучки распространялись по траекториям, близким к параллельным. Регистрация изображений пришедших с трассы пучков проводилась с помощью ПЗС-матрицы или видеокамеры. Видеосигналы в телевизионном стандарте затем направлялись в компьютер для последующей обработки. Специально разработанное программное обеспечение позволяло осуществлять многопараметрический анализ как отдельных снимков изображений пучков, так и длинных “протяжек”, включающих десятки и сотни последовательных видеокадров.
Регистрация поведения пучков разных диаметров осуществлялась последовательно, при этом состояние атмосферной трассы за период измерений оставалось квазистационарным (весь цикл измерений занимал примерно 20 мин). Эксперименты, проведенные в разных метеоусловиях, показали, что при числах Френеля пучков, близких к единице, (узкий коллимированный пучок) распределение интенсивности излучения на входной апертуре спорадически менялось, скачкообразно переходя от квазирегулярного к стохастическому. Представление об этом процессе дает
рис. 1. На нем приведены характерные примеры трех последовательных видеокадров, относящихся к квазирегулярному (а) и стохастическому (б) состояниям пучка. Кадры 1а-3а предшествуют моменту стохастизации, кадры 1б-3б соответствуют стохастизированному состоянию пучка. Временной интервал между кадрами 0.04 сек. При переходе от узких коллимированных к коллимированным пучкам с увеличенным поперечным размером возрастает длительность пребывания пучка в стохастическом состоянии.Рис.
1. Структуры лазерного пучка в квазирегулярном (последовательность кадров 1a, b, c) и стохастическом (последовательность кадров 2a, b, c) состоянияхОдновременно пространственная структура излучения в стохастическом состоянии становится все более сложной. Этот факт иллюстрируют
рис. 2, а-в. Экспериментальные точки на этих рисунках получены в разные дни и относятся к разным метеоусловиям. Сведения о дате измерений, метеоусловиях (температуре Т и скорости ветра V) и используемых на рисунках обозначениях приведены в таблице. Рис. 2, а отражает связь относительного времени пребывания пучка в стохастическом состоянии tст /tS с размером выходной апертуры (tст - полное время пребывания пучка в стохастическом состоянии, tS - время измерения). Обычно tп составляло несколько минут, что намного превосходит характерный период изменения состояния пучка. Видно, что относительное время пребывания пучка в стохастическом состоянии имеет ярко выраженную зависимость от величины выходной апертуры. Существует некоторый критический радиус выходной апертуры, превышение которого приводит к практически полной стохастизации пучка. Этот параметр слабо зависит от метеоусловий и соответствует числам Френеля, лежащим в области 0.5–1.5.На
рис. 2, б и 2, в приведены соответственно зависимости числа спеклов в поперечном сечении и радиуса корреляции флуктуаций интенсивности от размеров выходной апертуры. Количество спеклов определялось на основе процедуры бинаризации поперечной структуры пучка. Уровень бинаризации задавался в пределах 0.1-0.8 от максимального значения интенсивности. Фиксировалось максимальное количество спеклов, соответствующее указанному пределу. Радиус корреляции флуктуаций интенсивности оценивался по стандартной процедуре [3]. Кривые, характеризующие изменения числа спеклов в поперечном сечении излучения, монотонным образом возрастают. Ход кривых, относящихся к процессу изменения радиуса корреляции флуктуаций интенсивности, является несколько более сложным. Если в закритической области изменения апертуры, соответствующей стохастическому состоянию, радиус корреляции не претерпевает сколь-нибудь существенных изменений, то в докритической области он обнаруживает заметные изменения, не воспроизводящиеся при разных метеоусловиях. По всей вероятности, это связано со статистической неоднородностью процесса деформации амплитудно-фазового профиля пучка, происходящего вследствие нестабильности внутреннего масштаба турбулентности [5].Рис.
2, a. Зависимость отношения времени пребывания пучка в стохастическом состоянии tст к полному времени измерения tΣ от размера выходной апертуры. Rвых – радиус выходной апертуры, l - длина волны, L – длина трассыРис.
2, б. Зависимость среднего количества спеклов <Nсп> от размера выходной диафрагмы RвыхРис. 2, в. Зависимость радиуса корреляции флуктуаций интенсивности r c от величины выходной диафрагмы
Отметим, что слабая зависимость радиуса корреляции от числа Френеля в области его значений, близких к единице, характерна для режима сильных флуктуаций. Использование соотношений, полученных в рамках модели однородной изотропной турбулентности [6] для ограниченных пучков, приводит к следующей зависимости для радиуса корреляции флуктуаций интенсивности r с:
. (1)
Здесь r
0 — радиус корреляции плоской безграничной волны, связанный со структурной характеристикой флуктуаций показателя преломления Cn2 и длиной трассы L соотношением, (2)
W
— число Френеля трассы, q — волновой параметр, равный q=L/kr 02.Анализ формулы
(1) показывает, что при значениях q порядка 102, характерных для режима сильных флуктуаций, в области 0.5<W <5 значение r с остается практически постоянным. Тем самым, можно констатировать, что эффекты, связанные со спорадическими изменениями внутреннего масштаба турбулентности, оказываются в рассматриваемых условиях несущественными для пучков с большой апертурой [5]. Для этих пучков вполне пригодна модель развитой однородной турбулентности [6].Влияние апертуры выходных пучков на перемежаемость структуры излучения было рассмотрено также в ходе экспериментов с коллимированными пучками, которые распространялись на трассе по близким параллельным траекториям. В отличие от вышеописанных исследований, эксперименты с параллельными пучками позволяли сопоставлять характеристики пучков с разными выходными диаметрами для одних и тех же моментов времени. Синхронная регистрация структуры параллельных пучков подтвердила полученные ранее данные о роли апертурных эффектов. В этом можно убедиться, сопоставляя приведенные на
рис. 3 изображения параллельных пучков, пришедших с трассы. Правое изображение соответствует узкому коллимированному пучку, левое — пучку с большим диаметром. Последовательные видеокадры 1а, 2а, 3а на рис. 3 относятся к слаборазвитой мелкомасштабной турбулентности (о слабом развитии мелкомасштабной турбулентности свидетельствует квазирегулярное состояние узкого коллимированного пучка). Кадры 1b, 2b, 3b зарегистрированы в условиях развитой мелкомасштабной турбулентности. Видно, что пучки с увеличенным диаметром даже в условиях слабой турбулентности могут в отдельные промежутки времени приобретать стохастическую структуру (левое изображение на кадре 3а). В условиях развитой мелкомасштабной турбулентности их амплитудно-фазовый профиль усложняется по мере роста выходной апертуры (левые изображения на кадрах 1b, 2b, 3b). Трансформация изображений узкого коллимированного пучка свидетельствует о том, что спорадическое усиление или ослабление мелкомасштабной турбулентности вызывает кардинальные изменения его структуры, причем эти изменения происходят в форме перемежаемости двух структурных состояний: квазирегулярного и стохастического. Даже небольшое увеличение числа Френеля пучка часто приводит к ситуации, когда время пребывания его в стохастическом состоянии становится преобладающим.Рис. 3. Влияние атмосферной турбулентности на структуру параллельных лазерных пучков. Расстояние между центрами пучков - 4.5 см. Диаметр правого пучка 1 см (1, 2, 3), левого пучка -1 см (1), 1.6 см (2), 2.0 см (3). a – слабо развитая мелкомасштабная турбулентность, b - сильно развитая мелкомасштабная турбулентность
Таким образом, полученные в ходе натурных экспериментов результаты свидетельствуют, что стохастизация пучка в условиях перемежающейся мелкомасштабной турбулентности на приземных трассах носит пороговый характер. Существует критическое значение выходной апертуры пучка, превышение которого приводит к кардинальному усложнению его поперечной структуры. Это значение близко к размеру первой зоны Френеля трассы и слабо зависит от метеоусловий. В докритической области значений апертур статистические параметры излучения меняются сложным неупорядоченным образом, в закритической области они могут быть описаны соотношениями, справедливыми для модели однородной изотропной турбулентности.
Рассмотренные в данной работе апертурные эффекты необходимо учитывать при оптимизации характеристик разнообразных метрологических устройств, систем дистанционного зондирования и оптических линий связи.
Работа выполнена при финансовой поддержке государственной научно-технической программы “Физика квантовых и волновых процессов” (проект 1.61), физического учебно-научного центра “Фундаментальная оптика и спектроскопия”, а также программы поддержки ведущих научных школ (грант РФФИ № 00-15-96679).
Литература
APERTURE EFFECTS IN THE LASER BEAMS PROPAGATING THROUGH THE ATMOSPHERIC CHANNELS WITH INTERMITTING TURBULENCE
T.I. Arsenyan, A.M. Zotov, P.V. Korolenko, M.S. Maganova, A.V. Mesniankin
Laser beams propagating through the atmospheric channels under the conditions of turbulence intermittence were studied. The influence of their apertures on the transformation of space-temporal beam structure were experimentally investigated and the results are presented. It is settled that there exists a critical value of the beam aperture which loosely depends on the meteorological situation and the exceeding of which gives birth to beam stochastisation. The statistical characteristics of the radiation near this critical aperture are studied.
УДК 621.371:551.510
АПЕРТУРНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКАХ НА ТРАССАХ С ПЕРЕМЕЖАЮЩЕЙСЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬЮ
Т.И. Арсеньян, А.М. Зотов, П.В. Короленко, М.С. Маганова, А.В. МеснянкинПриводятся результаты экспериментального исследования влияния апертуры коллимированных лазерных пучков, распространяющихся по атмосферным каналам в условиях перемежающейся турбулентности, на преобразование их пространственно-временной структуры. Установлено, что существует слабо зависящее от метеопараметров критическое значение выходной апертуры пучка, превышение которого приводит к стохастизации излучения. Рассмотрено изменение статистических характеристик излучения вблизи критического значения апертуры.
Таблица
Дата измерений |
Метеоусловия |
Обозначения на рисунках |
||
T (° С)на высоте 25 м |
T (° С)на высоте 2.5 м |
Скорость ветра V(м/сек)на высоте 25 м |
||
02.11.99 |
8 |
8.5 |
1 |
|
15.11.99 |
–1.5 |
–0.5 |
1 |
|
25.11.99 |
–13 |
–13.5 |
1.2 |
|
09.12.99 |
–2.6 |
–2.7 |
1.6 |