Т.И. Арсеньян, А.М. Зотов, П.В. Короленко, М.С. Маганова, А.В. Меснянкин

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.

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.

Одновременно 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 t_ст /tS с размером выходной апертуры (t_ст - полное время пребывания пучка в стохастическом состоянии, tS - время измерения). Обычно t_п 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].

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:

Здесь r ₀ — радиус корреляции плоской безграничной волны, связанный со структурной характеристикой флуктуаций показателя преломления C_n² и длиной трассы L соотношением

W — число Френеля трассы, q — волновой параметр, равный q=L/kr ₀².

Анализ формулы (1) показывает, что при значениях q порядка 10², относящихся к режиму сильных флуктуаций, в области 0.5<W <5 значение r _с остается практически постоянным. Тем самым, можно констатировать, что оценка для условий проводимого эксперимента поведения радиуса корреляции флуктуаций интенсивности пучков с большой апертурой может быть осуществлена на основе модели 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.

1. Арсеньян Т.И., Короленко П.В., Кулягина Е.А., Петрова Г.В., Федотов Н.Н. Перемежаемость структурных состояний лазерных пучков на приземных трассах. // Вестник Московского университета, серия 3 "Физика, Астрономия", т. 38, №1, с. 26-29, 1997.
2. Арсеньян Т.И., Короленко П.В., Кулягина Е.А., Ляш А.Н., Першин С.М., Одинцов А.И. Федотов Н.Н. Перемежаемость флуктуационных процессов в тропосферных каналах распространения лазерного излучения. // Оптика атмосферы и океана, т. 10, №1, с. 1-7, 1997.
3. Арсеньян Т.И., Короленко П.В., Петрова Г.В., Эмбаухов С.В. Флуктуации лазерного излучения в атмосфере в свете новых данных о структуре турбулентности. // Препринт физического факультета МГУ. №20/1997, 1997 г.
4. Арсеньян Т.И., Зотов А.М., Короленко П.В. Маганова М.С., Макаров В.Г. Влияние перемежаемости внутреннего масштаба турбулентности на работу лазерных информационных систем. // Известия РАН, сер. Физическая, т. 63, №10, с.2019-2023, 1999.
5. Арсеньян Т.И., Зотов А.М., Короленко П.В., Маганова М.С., Макаров В.Г. Влияние перемежаемости мелкомасштабной атмосферной турбулентности на характеристики узких коллимированных лазерных пучков. Вестник МГУ. Серия 3. Физика, астрономия, N2, 32-34, 2000 г.
6. Миронов В.Л. Распространение лазерного пучка в турбулентной атмосфере. Новосибирск, Наука, 1981.