Лазерный гетеродинный локатор атмосферы Советский патент 1992 года по МПК G01S17/00 

И зобретение относится к устройст- тзам повышения чувствительности оптического гет« родинироп-:1ния и может использоваться в метеорологии для оперативного контроля параметров турбулентности атмосферы, для дистанцион- НО1 о измef ti ия скоростей рассеивающих объектов и т.п.

Цель изобретения - увеличение чувствительности и дальности зондирования путем увеличения отношения сиг- кал/шум.

Если из достаточно интенсивного лазерного пучка парами удалить фотоны, это приводит к понижению уровня ;1)луктуаций фотонов в пучке и при заметном ослаблении падающего на нелинейную среду излучения к субпуассоно- вской статистике фотонов в нем. В качестве нелинейной среды рассмотрим атомарный газ, резонансно-поглощающий прохождение через него излучение в двухфотонном процессе с основного состояния в возбужденное, которое затем быстро релаксирует в основное состояние путем спонтанных каскадных переходов через промежуточные уровни рассеивая излучение в другие полевые моды, отличакмциеся по спектру и направлению в пространстве. Поскольку в рассматриваемом процессе фотоны В паре поглощаются одновременно, разсл ел

1 S t 5

Лолоякиг Г1р.ч 7 п 4 1 4 f (Шьгм Htn cpriajioM Х (гд.- А - длина полны гпота), то и речул1.тате пот лощрмия ичлучеммя достаточно npoTHmeHHin .-.рсдой Г исхолнш моде моля останутся только единичные ., рачдрлгнные прост1)лнстиеммьгм интерпалом существенно больше X , т.е. в преоГфаяопанном излучении остается только смесь фоКОНСКИХ состоя-

НИИ и / . Уровен) флуктуации числа фотонов в таком поле горя пдо ниже пуассоиопских.

/и1полнительн1,м источником флуктуа- Ш1Й может служить хаотическая ппаим- ная ориентация спиноп поляризованного лазерного излучения, Нарлимер, при . 1нии S - -S-переходоп в ,1то м,чх поглощаются только пары фотонов с аитиилраллельными спинами, л ре- зультач е все фоковские состояния с параллельной орие11тл1Ц1ей спинов остаются в поле. Более перспективными являются )-11Рреходы в атомах, так как даже при наличии хаотической ориентации слинон фотонов п лазерном излучении п преобразованном поле остаются только фоковские состояния , и с антипарал- лельиой ориентацией спинов.

При ослаблении интенсивног-о лазерного излучения, проходящего через кю- к.-ету с двухфотоннологлотающей на S- -0-переходах средой, уровень шума в выходящем излучении будет ниже дробового практически но всем интернале частот. При этом наиболее целесообразно использовать кювету, заполненную лараьги Na и оОсспечивлкяцун длину прохода лазерного излучения в ней при потоке F фот/см с не менее 10 м, а лазерный излучателт - с длиной полны 5787,3 Л.

Величина компенсации дробового фона определяется долей энергии пог ло- щенной в кювете.

На чертеже изображена функщюналь нам схема лазерного гетеродиниогч; локатора.

Лазери1,|й гетеродинный иок-чтор атмосферы содержит интенсивны лазер 1, светоделитель 2, например полугцюз рачную стеклянную пластину, расположенную перед пьгходн1,1м окном лазеру 1 под углом 45 к оптической ш-и чтого лазера. Светоделител) 2 образует два оптических канала. В одном из них расположена |})окусирун)1иач тигтома 3 с длинньгм , ;) jipyriM - мипг(1-

0

0

5

х 1Д|.н, 1я ккиил.ч , чаполн нная двух- фо 1Ч)нньгм по1 ЛГ тителем лазерного излучения, и имеющая входное 5 и пы- хо/июе fS окна. Кювета 6 своим входным окном 5 через светоделитель 2 оптически связана с лазеречм 1. Перед выходным окном 5 мио1-оход(ччой кюветы 4 рас1толожена другая полупрозрачная стеклянная пластина, которая своей отражан)1цей стороной оптически связана с выходным окном 6 многоходовой кюветы 4 и расположена к оптической оси мног оходорой кюветы Д под таким углом, при котором канал отражения сопг лдает по направлению с каналом прихода рассеннног о исследуемой средой ллзернси о излучения. При зтом в канале отражения, образуемс м полу- фозрачно пластиной 7, последовательно расположены фокусирующая линза 8 и ф(1топриемиик 9, причем послед- пи(1 отггически связан через фокусирующую ;пчнзу 8 с гголупрозрачной стеклянной пластиной 7. С друг . стороны полупрозрачной пластины 7 в канале рассеянного средой лазерного излучения расположен объектив 10, обеспечи- паю1цлй коллимирование рассеянного средой лазерного излуч ния. В указанном лазерном гетеродинном локаторе ус гановлен также усилитель 11 злек- трических сигналов и анализатор 12 спектра, с которым через усилитель электрических сигналов связан объектив 10„

Предлагаемый лазерньй ггтс один- ный локатор атмосферы ряГхчтае сле- ДУЮ1Щ1М образом.

Лазерное излучение из пазера 1 попадает на светоделитель 2 и частично проходит через него, а частично отражается. Прои едшее через светоделитель 2 излучение попадает на фокусирующую систему 3 и фокусируется в заданном объеме исследуемой рассеивающей среды.

Отраженное от светодели еля 2 лазерное излучение попадает о многоходовую кювету 4, заполнениук) атомным или молекулярным Г азсм, речонансно поглощающим в двухфотонном процессе на электронных ;1ереходах )-типа (в качестве поглощающего нещества в кювете ч могу г использоваться и конденсированные среды, т.е. жидкость

I 3

или кристаллы). Вышедшее из многохо- кюветы 4 излучение имеет гсфаз до более низкий уровень флуктуяций фотонов, чем излучение, вышедшее непосредственно из лазера 1. Это излучение попадает на тголупрозрачную пластину 7, отражается от нее, проходит через фокусирующую линзу 8 и фиксируется на фотоприемнике 9. Одновременно рассеянное исследуемой средой лазерное излучение собирается объективом 10 и через полупрозрачную пластину 7 и фокусирующую линзу 8 направляется также на фотоприеммик 9. В.результате оба излучения смешиваются с coi- ласованным волновыми фронтами и на фотоприемнике возникают биения фототока на разностях частот лазерного излучения, вышедшего из многоходопой кюветы 4 и рассеяннот о исследуемой средой лазерного излучения. Биения фототока с фотодетектора усиливаются усилителем 11, и частота этс)го биения определяется с помощью спектроанали- затора 12.

5

10

39

5

0

5

11

Формула изобретения

Ла;1ерн:,п1 гетрродинныГ) локатор ят-- мосфорь), содержащий посл1-доп тг1г нп расположенные и оптически сопряженные источник лазерного излучения, светоделитель и фокусируюп1ую систему, последовательно располож{41ные оптически сопряженные приемный объектив, полупрозрачную пластину, фокусирующую линзу и фотоприемник, а также последовательно соединенные усилитель и анализатор, при птом выход фотоприемника соединен с входом усилителя , -о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью увеличения чувствительности и дальности зондирования путем увеличения отношения сигнал/шум, установлена многоходовая оптическая кювета, входнь м окном оптически сопряженная со светоделителем, выходным окном оптически сопряженная с полупрозрачной пластиной, заполненная поглощающим веществом с двухфотонным поглощением лазерного излучения на электронных переходах 5- 0-типа;

Изобретение используется в метеорологии при измерении параметров движущейся атмосферы. Цепь изобретении - увеличение чувствительности и дальности зондирования путем увеличения отношения сигналт/шум. Для этого в лазерный гетеродинный локатор атмосферы введена кювета t-, расположенная между светоделителем 2 излучения лазера 1 и полупрозрачной пласти- Hcrt 8, после которой излучение фокусируется линзой 8 на фотоприемник 9, на который также поступает рассеянное атмосферой лазерное излучение, где после усиления в усилителе 11 сигнал поступает на анализатор 12 спектра. Кювета заполнена веществом, в котором происходит двухфотонное поглощение излучения лазера 1 на электронных переходах типа. При ослаблении интенсивного лазерного излучения, проходящего через кювету со средой с двухфотонным поглощением на S- О-пе- реходах, уровень шума в выходящем из кюветы излучения ниже дробового практически во всем интервале частот. 1 ил. г (Л

tz/rh

/ /

/Лазерное vj/7i/ ff ue

- 1

Ptrcceu/fa/ffif/of cpfda