19 (Оптико-электронные системы)

10

1. Технические основы систем лазерного зондирования.

Одну из мощных современных возможностей дистанционного изучения (количественного контроля) атмосферы и её составляющих обеспечивают лидары – лазерные локационные системы.

Задача лидарного зондирования в приближении однократного рассеяния связана с решением уравнения (уравнения лазерного зондирования).

, (55)

где P(z,) – мощность принимаемого сигнала;

P_o() – мощность зондирующего импульса;

_ - объемный коэффициент обратного рассеяния;

z = с_u/2 – пространственное разрешение, зависящее от длительности импульса _u и скорости света с;

(z,) – объемный коэффициент ослабления излучения;

А – константа прибора, определяемая площадью приемной системы и пропусканием её элементов;

G(z) функция геометрического фактора лидара.

Функция G(z) определяется процессом виньетирования приемной системой лидара сигнала обратного рассеяния, она может быть расчитана (см. рис. ), если заданы диаметр приемного телескопа D₀, поперечный размер зондирующего пучка излучения ₀ и его углвая расходимость Q_n, фокусное расстояние приемного телескопа и расстояния B и угла  между оптическими осями передатчика и приемника лидара, форма и положение полевой диафрагмы приемной системы, например, её расстояние от фокальной плоскости z_0. Меняя z₀ можно в значительной степени варьировать динамическим диапазоном лидарного сигнала.

Представленный вариант зондирования может быть расширен за счет много волновой локации или т.н. многочастотного лазерного зондирования. В этом случае удается за счет применения методов решения “обратных задач” трансформировать высотные профили (z,) в спектры размеров аэрозолей N(r,z) на соответствующей высоте z.

Применение двухчастотного зондирования используется для определения концентрации газов в атмосфере, например, её влажности.

• Лазерное зондирование влажности a(z) осуществляется лидарным методом дифференциального поглощения, основанном на сравнении двух сигналов, один из которых соответствует длине волны _n, совпадающей с линией поглощения паров воды, второй – близкорасположенной длине волны _o вне области поглощения.

Причем:

(56)

где k₀(z),k(z) – профили коэффициентов поглощения на длинах волн ₁,₀;

z пространственное разрешение по трассе зондирования;

P₀(z) и P₁(z) – профили регистрируемых отраженных сигналов на соответствующих длинах волн, приведенные к одному уровню энергии зондирующего импульса. Эти сигналы описываются уравнением (55).

Лидар дифференциального поглощения представляет собой сложный оптико-электронный комплекс. О его принципиальной схеме можно судить по рис.98.

К1

К2

ФЭУ 3

Ф

Рис. 98

Источники излучения лазер 1 (694,383 нм) и лазер 2 ( =1 см^-1) генерирует импульсы со сдвигом во времени ~200 относительно друг друга. Часть излучения, для контроля, уровня энергии направляется к ФЭУ_(1,2) . (k_1,2 - коллимторы). В аппаратуре, показанной на рис.98, применены в приемной системе два ФЭУ_(3,4) для уменьшения динамического диапазона сигнала (возможная альтернатива – применение т.н. динодного съема сигналов при одном ФЭУ).

Для защиты фотокатода ФЭУ₄ от мощной засветки, поступающей от близлежащего участка пространства применен блок управления модулятором (БУМ). Метод дифференциального поглощения (МДП), как отмечалось применим для определения концентрации различных газов (NO₂, SO₂, O₃, NH₃, CO₂). Используется УФ, видимая и ИК области спектра. В последнем случае нашли применение в виде промышленных разработок трассовые лазерные измерители концентрации, которые обладают большей точностью и помехоустойчивостью.

Вариант конструктивного исполнения приемопередающего блока лидара показан на рис.99. На рис.100 приведена схма , поясняющая режим работы лидара при контроле состояния атмосферы при рудных разработках.

Наряду с МДП все шире применяются лазерные локаторы – спектрометры, использующие явление комбинационного рассеяния и флуоресценции. Принцип действия этих приборов заключается в следующем. Все элементы окружающей среды при облучении коротковолновым (УФ) излучением способны генерировать возбужденное (флуоресцентное) излучение на характерных для данного вещества частотах. Поэтому в приборе на рис. 99 в кчестве источника первичного излучения использован лазер на красителе, обладающий достаточно широкой областью генерируемого спектра ( в качестве источника накачки применялся эксимерный лазер). Излучение лазера на красителе направляется на исследуемый элемент окружающей среды. Излучение флуоресценции воспринимается приемным оьъективом, разлагается компактным монохроматором для выделения интересующего участка длин волн . Величина сигнала I() и будет искомой количественной характеристикой контролируемого участка.

Рис. 99 . Внешний вид приемо-передающего блока лидара.

Рис. 100. Схема работы лидара в режиме контроля открытого

рудного карьера.

1. Применение технологии флуоресцентного анализа в других практических задачах.

В последне время происходит бурное развитие флуоресцентных методов анализа и создаются новые приборы, работающие на принципе измерения флуоресценции образцов в различных агрегатных состояниях. Второе рождение этого направления связано с появлением новой элементной базы (лазеры, высокочувствительные приемники излучения для ультрафиолетовой и видимой области спектра), что привело к существенному повышению чувствительности флуоресцентного метода и достижению рекордных значений минимально определяемых концентраций не регистрируемых другими методами анализа. Принципиальные изменения в структуру построения флуоресцентных приборов внесло также появление многоэлементных фотоприемников, что позволило исключить сканирующие устройства из приборов, тем самым упростить их конструкцию и значительно уменьшить их габариты.

Расширение области применения флуоресцентных приборов стимулируют исследования спектров флуоресценции многих объектов и веществ. Например показана высокая эффективность их применения в диагностике качества нефтепродуктов, определения состояния живой ткани в процессе операции или при оценке неизвестного медикоментозного вмешательства в организм человека, так как было показано, что УФ флуоресценция клеток реагирует на малейшие нарушения их функционального состояния, причем зачастую динамику интенсивности излучения удается зарегистрировать даже тогда, когда никакие другие методы не улавливают каких-либо функциональных и структурных изменений в тканях.

В частности, в Казани проведены исследования по изучению спектров люминесценции органов желудочно-кишечного тракта в норме и в экспериментальном илеусе и в практике РКБ освоен новый метод диагностики воспалительных заболеваний органов желудочно-кишечного тракта.

Для флуоресцентной диагностики в медицине используется прибор , схема которого приведена на рис.101. Прибор имеет оригинальную оптическую схему с использованием многоэлементного фотоприемника и импульсного азотного лазера. Для удобства работы излучение лазера и излучение флуоресценции направляется по двум кварцевым одножильным световодам, сформированным в кабель-зонд с устройством для ввода его в анализируемую среду. Излучение лазера через согласующую оптику подается на вход световода, по которому производится облучение исследуемого объекта. Излучение флуоресценции со световода подается на входную щель полихроматора, относитеьное отверстие которого согласовано с апертурным углом кварцевой жилы и составляет величину1:4. Необходимая обратная линейная дисперсия 0,030 мкм/мм при данной светосиле и размере фотоприемника достигается применением вогнутой дифракционной решетки (300 штр/мм) с радиусом кривизны 100 мм. При этом спектральное разрешение прибора при ширине щели 0,1 мм составляет ~ 3 нм. В плоскости спекттра полихроматора установлен многоэлементный фотоприемник – фотодиодная линейка, имеющая 500 светочувствительных площадок размерами 26х500 мкм. Выходной сигнал с приемника излучения усиливается в предварительном усилителе и поступает на схему двойной коррелированной выборки (ДВК), которая предназначена для уменьшения шума фотоприемника.

С ДВК аналоговый сигнал поступает в АЦП, где преобразуется в цифровую форму и вводится в микроЭВМ с помощью устройства ввода и управления (УВиУ). По командам с микроЭВМ устройство ввода и управления формирует диаграмму управляющих напряжений для фотоприемника посредством схемы формирования уровней (СФУ). Кроме того, с УвиУ производится управление электромеханическим затвором (ЭМЗ), установленным перед входной щелью полихроматора.

Графическое и цифровое представление сигнала отображается на мониторе. Программа управления и обработки информации записана на магнитном носителе и вводится в микроЭВМ через устройство УВХЛ (магнитофон). При необходимости работы прибора длительное время в жесткой программе, программа записывается в ПЗУ.

Возвращаясь к проблеме контроля нефтепродуктов, можно показать, что они также флуоресцируют при возбуждении их излучением лазера, а значит для их определения можно использовать вышеописанный прибор для медицины. Вместе с тем, эксперименты показывают, что для работы с нефтепродуктами, растворенными в воде (одна из задач экологического контроля!) чувствительность описанного прибора недостаточна, чтобы работать с реальными образцами без их обогащения. Для повышения чувствительности прибора в полихроматор может быть введен дополнительно усилитель яркости – электронно – оптический преобразователь (ЭОП), с которым стыкуется многоэлементный приемник. Предложенная схема позволила повысить чувствительность прибора на три порядка.

Рис. 101. Функциональная схема прибора:1 –лапароскоп; 2 – кварцевые одножильные световоды; 3 – многоэлементный приемник; 4 – узел сопряжения со световодом; 5 – импульсный лазер; 6 – электромеханический затвор; 7 – полихроматор; 8 – предварительный усилитель; 9 – схема двойной коррелированной выборки; 10 – аналого-цифровой преобразователь: 11 – устройство ввода и управления; 12 – схема формирования уровней; 13 – магнитофон; 14 – микроЭВМ; 15 – монитор; 16 – анализируемая среда.

1. Источник фемтосекундного импульсного излучения в аимосфере.

Солнце, звезды, луна, находящиеся вне атмосферы – важные источникм излучения, используемые при определении характеристик атмосферы Земли. Однако эти источники освещения не позволяют вести наблюдения на любой нужной высоте, там где это необходимо. Поэтому долгое время мечтой ученых геофизиков–метеорологов было создание источника излучения на определенной высоте. В Германии и США проведены эксперименты с фемтосекундными лазерными импульсами (< 10^-14с) большой мощности, которые посылались в атмосферу в вертикальном направлении. При этом на месте прохождения импульса наблюдалось явление генерации белого света. . Реализованный опыт позволяет вплотную приблизиться к мечте о беспроводном источнике белого света в небе, открывающим новые многообещающие перспективы в области исследования атмосферы.

Генерация белого света в газах при фокусировании излучения ультракоротких импульсов лазеров с энергией в импульсе Твт (>10¹² вт) –известное явление. В ходе последних экспериментов показано, что при использовании современных лазеров, работающих в фемтосекундном режиме, сфокусированные импульсы лазерного излучателяобеспечивают интенсивный белый свет в газе или воздухе и генерируют устойчивые световые полосы с размерами 10 м.

Экспериментальная установка показана на рис.102.

Излучающая часть установки включает: лазерную систему, работающую в фемтосекундном импульсном режиме, устройство сжатия импульсов, оптику фокусировки луча и управления им. Лазерные импульсы максимальной мощностью ~ 2,2 Твт наводились из лаборатории и направлялись в вертикальном направлении. Эти импульсы либо в незначительной степени фокусировались с помощью собирающей линзы, либо направлялись без использования оптики. В последнем случае луч быстро исчезал вследствии самофокусировки. Однако в любом случае профиль распределения интенсивности луча был неустойчив и разделялся вследствие самофокусировкина многочисленные нити, в которых происходит генерация (квази) непрерывного излучения.

Как показывает фотоснимок на рис.102 белый свет виден на небе на большом расстоянии даже невооруженным глазом. В отличие от почти невидимого темно-красного цвета лазерного источника фемтосекундных импульсов, луч кажется желто-белым, причем интенсивность рассеянного света достигает своего максимума на высоте ~ 2 км. Это повышение интенсивности связано с наличием температурного инверсионного слоя, где происходит скопление атмосферных аэрозолей, рассеивающих белый свет.

Рис. 102.

1 – излучатель (длительность импульса 110 фемтосек), 2- приемник, 3 – система сжатия импульсов,4 – фокусирующая линза, 5 – система лазера на титане/сапфире, работающего в фемтосекундном импульсном режиме, 6 – оптическое волокно, 7 – телескоп, 8 – оптический многоканальный анализатор

Рис. 103 Фотоснимок атмосферного канала белого света, сделанный с внутреннего двора здания физического факультета университета имени Ф.Шиллера в Йене.

Описанное явление было использовано при создании установки-лидара, в которой излучающая и приемная системы были разнесены на расстояние 10 м. Лазер изготовлен на титане/сапфире в качестве усиливающей среды и работает на длине волны =790 нм (спектральная ширина – 11 нм, длительность импульса -~ 110 фсек). Максимальная энергия импульса на выходе – 240 миллиджоулей (после сжатия –Твт) при частоте повторения 10 Гц. Диаметр пучка, проходящего через конечную апертуру системы – 60 мм.

Рассеянный обратный свет собирался с помощью телескопа Кассегрена и фокусировался непосредственно на волоконный кабель диаметром 1 мм. Спектральная характеристика принимаемого света анализировалась с помощью оптического многоканального анализатора (ОМА). Основная длина волны лазерного излучения во время этих измерений подавлялась цветными стеклянными фильтрами.