150365 (Исследование допробойных оптико-акустических эффектов в экспериментах с аэрозольными средами)

ИССЛЕДОВАНИЕ ДОПРОБОЙНЫХ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ С АЭРОЗОЛЬНЫМИ СРЕДАМИ

Введение

Экспериментальные исследования зависимости коэффициента ослабления МЛИ от энергетических параметров излучения проводятся с целью определения идентичности физических процессов, протекающих при взаимодействии МЛИ с компонентами атмосферы в лабораторных и натурных условиях. Будут рассмотрены эти физические явления на примере экспериментальных исследований распространения МЛИ импульсных СО₂-лазеров микросекундной длительности с Л = 10,6 мкм на атмосферных приземных трассах в условиях тумана, мороси, дождя и в лабораторных условиях с использованием модельных аэрозолей.

1. Лазерная допробойная оптоакустика атмосферы

Существующие методы исследования распространения МЛИ на протяженных атмосферных трассах зачастую оказываются малоэффективны и имеют низкую точность. Например, при исследовании явлений оптического пробоя применяется фотографирование с целью определения погонной концентрации ОП и размеров ДЛИ. При значительной протяженности ДЛИ точность определения местоположения и размеров отдельных ОП этим методом очень низкая. Другой пример, для целей измерения энергетических характеристик МЛП используется сеточный проходной болометр -контактный прибор, вносящий искажения в исследуемый МЛП. При высоких плотностях лазерной энергии на рабочей поверхности болометра возникает оптический пробой.

Приведенные примеры указывают на необходимость разработки новых методов контроля распространения МЛИ в атмосфере. Такие методы должны обладать относительно высокой точностью, хорошей чувствительностью, бесконтактностью и, что желательно для проведения полевых измерений - неприхотливостью к климатическим условиям эксплуатации и невысокой стоимостью. Всем отмеченным выше требованиям вполне удовлетворяет ОА-метод диагностики канала распространения МЛИ.

Дистанционное определение режимов взаимодействия МЛИ со средой распространения возможно идентифицировать также и пассивным оптическим методом по светорассеянию на основной длине волны или на вторичных длинах волн, возбуждаемых в процессе взаимодействия МЛИ со средой.

Физические процессы взаимодействия МЛИ с частицами аэрозоля различного химического и фазового состава изучены достаточно полно. Дистанционная индикация этих взаимодействий в атмосфере возможна благодаря фазовому переходу жидкокапельного аэрозоля и оптическому пробою, развивающемуся на отдельных частицах. Индикационными характеристиками таких процессов являются генерация АВ и изменение рассеивающих свойств аэрозоля при фазовом взрыве частиц в допороговом режиме.

1.1 Методология натурных экспериментов

Экспериментальные исследования распространения импульсного МЛИ на атмосферных приземных трассах были проведены с использованием двух стендов, первый из которых описан в. Методики измерений на этих установках во многом идентичны, но имеются технические детали особенностей оптического оборудования, входящего в состав каждого из стендов. Обобщенная блок-схема ОА-измерений приведена на рис. 1.

В стендах использовался однотипный источник - моноимпульсный электроионизационный лазер на смеси СО₂:К₂ c предионизацией активной среды электронным пучком, длина волны Л = 10,6 мкм. Форма импульса генерации имела главный пик с полушириной -10^- с и пологий задний фронт длительностью 10^-6с. В переднем фронте сосредоточено 75% от всей энергии лазерного импульса. Плотность энергии составила: 20 Дж/см².

Для формирования структуры пучка в стенде № 1 использовалось зеркало типа Кассегрена с фокусным расстоянием 50 -150 м, диаметром большого зеркала 0,5 м и малого 0,12 м. Лазер устанавливался в передвижную кабину. Трасса распространения лазерного излучения имела протяженность 100-250 м и проходила на высоте 2-2,5 м над ровной подстилающей поверхностью.

X

Рис. 1. Обобщенная блок-схема экспериментальных ОА- исследований

Применялось фотографирование канала лазерного излучения и контроль энергии лазерного излучения в начале и конце трассы.

Стенд № 2 предназначен для работы на трассах длиной 560 м. Высота трассы над подстилающей поверхностью 3,5 4 м. Фокусное расстояние зеркала - 480 м. Энергия излучения контролировалась проходными болометрами. В начале и в конце трассы форма импульса контролировалась фотоприемниками «Дубна» или ФП-3. Применялось фотографирование и съемка на кинокамеру РФК-5. Размеры МЛП контролировались в различных участках трассы по ожогам на бумаге.

В ходе экспериментов измерялись метеопараметры атмосферы и микроструктура аэрозоля фотоэлектрическим счетчиком АЗ-5 и фотометром, регистрирующим прединдикатрису рассеяния в малые углы. Массовая концентрация и химический состав сухой фракции аэрозолей определялись путем забора частиц на фильтры с последующим лабораторным анализом.

Акустические сигналы регистрировались одновременно на два однодюймовых микрофона MK102/MV102, подключаемых к прецизионным шумомерам PSI00017 фирмы Robotron. Микрофоны размещались на удалении 1 30 м от оси МЛП на высоте 2 4 м над подстилающей поверхностью. Сигналы с шумомеров записывались на аналоговый высококачественный магнитофон. Позднее, данные, записанные на магнитном носителе, обрабатывались с использованием двенадцатиразрядного АЦП с частотой дискретизации около 40 кГц и персонального компьютера, на котором для целей обработки данных было установлено специально разработанное автором программное обеспечение.

Общий сквозной частотный диапазон акустического стенда составил 20 Гц 20 кГц при динамическом диапазоне не хуже 54 дБ. Замеряемые уровни звукового давления: 35 140 дБ при основной абсолютной погрешности измерения не более ±12 %.

Перед началом измерений было установлено, что стрелочными индикаторами шумомеров для регистрации пиковых значений звуковых давлений пользоваться нельзя. В начальный момент импульса МЛИ сильная электромагнитная наводка ложным импульсом

выводит из штатного режима работы «схему удержания импульса», собранную в шумомере фактически на открытом входе полевого транзистора. Поэтому для абсолютной калибровки всего измерительного тракта использовались тестовые акустические сигналы от пистонфонов 05000 фирмы Robotron, которые записывались и обрабатывались по той же схеме, как и данные экспериментов. Слабо регистрируемый импульс электромагнитной наводки использовался впоследствии при обработке данных для синхронизации работы акустического стенда с началом импульса МЛИ, а также при геометрических изменениях схемы регистрации АВ для определения расстояния от пучка МЛИ до приемных микрофонов при известных метеоданных, согласно формуле.

1.2 Результаты натурных экспериментов

В представлены результаты экспериментальных исследований акустического излучения, генерируемого МЛП в режиме допробойного распространения в АПС. Отмечается, что длительность акустического импульса обусловлена поперечными размерами МЛП, а оцененные значения акустической энергии допробойного излучения обычно меньше на два порядка, чем акустическая энергия отдельного ОП. Тем самым в была продемонстрирована возможность проведения экспериментальных ОА-исследований допороговых процессов взаимодействия МЛИ с веществом атмосферы без использования закрытых объемов, а непосредственно в свободном пространстве, что позволяет решать целый класс актуальных для атмосферной оптики физических задач, в том числе используя достижения камеральной ОА-спектроскопии.

На рис. 2.2 показаны примеры осциллограмм акустических импульсов, генерируемых МЛП при распространении в допробойном режиме, полученные на стенде №2 при плотности лазерной энергии в фокусе Е_л = 15 17 Дж/см² и состоянии АПС близком к летней дымке устойчивой. В приведенных примерах приемные микрофоны размещались примерно на расстоянии 400 м от фокусирующей системы и на удалении 1 м от канала распространения МЛИ.

X

Рис. 2. Примеры осциллограмм акустических импульсов, генерируемых МЛП в допробойном режиме. Временная развертка - 0,5 мс/дел.

Осциллограммы показывают на значительную неоднородность МЛП, изменяющуюся от импульса к импульсу. Объясняется это не только изменчивостью оптико-метеорологического состояния АПС, но и энергетическими свойствами самого источника МЛИ. Контроль такой изменчивости в экспериментах проведен с использованием болометров в начале и в конце трассы распространения МЛИ, а также по ожогам на листе картона. Для показанного на рис. 2.2 примера ожог на картоне в месте размещения микрофонов имел вид кольца.

Как показывают осциллограммы, длительность положительной фазы генерируемых акустических импульсов составляет ~1,8 мс, что соответствует поперечным размерам МЛП в месте измерения 2 a_л = Т+ • С0 ~ 60 см.

В ОА-исследованиях при работе источника МЛИ на наклонной трассе в атмосфере возможен лишь однонаправленный акустический прием, когда ось размещенного у поверхности земли микрофона перпендикулярна каналу распространения МЛИ, а протяженность акустически контролируемой

области МЛП составляет первую зону Френеля для основной гармоники генерируемой АВ.

X

Рис. 3. Результат восстановления акустических импульсов, генерируемых МЛП (а), и их частотных спектров (б) для различных значений плотности лазерной энергии: d = 30 м, T = 291 0С, g = 71%

Учитывая, что большинство пучков МЛИ близки к аксиально симметричным можно лишь приближенно оценить распределение плотности энергии МЛИ по пучку, не решая строгую обратную задачу вычислительной реконструктивной томографии.

На рис. 3 показан результат восстановления термооптических сигналов с использованием ПЭС «Атмосферная оптоакустика», генерируемых МЛП и регистрируемых удаленным на расстояние 30 м акустическим приемником, с учетом цилиндрической расходимости АВ и линейного поглощения звука. Условия проведения эксперимента аналогичны примеру, представленному на рис. 2.2, за исключением удаленности приемного микрофона от МЛП. Е _л - плотность лазерной энергии в области МЛП, эффективной для приемного микрофона. Также как и на рис. 2.2 тонкая кольцеобразная структура МЛП заметна на временных развертках. При увеличении плотности энергии МЛИ в частотном спектре основной максимум, соответствующий поперечному размеру пучка не изменяется, а зависимость акустического давления от плотности энергии P оказывается практически линейной. Второй максимум соответствует размерам более тонкой внутренней кольцеобразной структуры пучка, а зависимость его амплитуды от плотности энергии имеет явно нелинейный характер. При минимальной плотности энергии этот максимум практически не заметен, т. е. тонкая внутренняя структура пучка практически отсутствует.

По результатам экспериментов, выполненных путем регистрации термооптических ОА-сигналов, генерируемых при распространении МЛИ в допороговом режиме в свободной атмосфере, получена линейная зависимость P - рис. 2.4. Разброс точек на графике обусловлен, во-первых, широким диапазоном вариаций метеосостояний АПС, во-вторых, с неоднородностью распределения энергии лазерного излучения по МЛП и, в-третьих, флуктуациями аэрозольной составляющей атмосферы.

Исследования были выполнены в условиях летней дымки устойчивой, когда аэрозольный коэффициент ослабления лазерного излучения СС₀р _а практически был сравним или несколько меньше газового коэффициента поглощения а_ор _г, который в свою очередь имел значения в пределах:

ОС_{ор г} = 0,21 0,23 км^-1.

^Ел,еы_Х^{, 3 - Е}л,в_Х ^{- Е}л,вых^{. T} = ²⁸³ + ^{292 g} = ⁸⁰ + ⁹⁶%