Корреляция лазерных пучков в турбулентном слое и диагностика параметров турбулентности

На правах рукописиКуликов Виктор АлексеевичКОРРЕЛЯЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВВ ТУРБУЛЕНТНОМ СЛОЕИ ДИАГНОСТИКА ПАРАМЕТРОВ ТУРБУЛЕНТНОСТИ01.04.21 –Лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукМОСКВА 2011Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессовфизического факультета Московского государственного университета имениМ.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Шмальгаузен Виктор ИвановичОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наук,профессор Короленко Павел Васильевич,кафедра оптики и спектроскопии физическогофакультета МГУ имени М.В.

Ломоносова;доктор физико-математических наук,старший научный сотрудник Канев Федор Юрьевичкафедра теоретической и общей электротехникиЭнергетического института Национальногоисследовательского Томского политехническогоуниверситета.Ведущая организация:Институт физики атмосферы имениА.М. Обухова РАН, г. МоскваЗащита состоится «13» октября 2011 года в 16 час. 30 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, дом 1, стр.

62, корпус нелинейной оптики, аудитория имениС.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «»2011 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31в МГУ имени М.В. Ломоносовакандидат физико-математических наук, доцентИльинова Т.М.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫОбъект исследования и актуальность темыНеобходимость развития лазерных методов диагностики турбулентностипродиктована, с одной стороны, удобством и широким распространениемлазерных технологий, с другой стороны, интересом к проблемамраспространения света через турбулентные среды. Увеличение диаметраастрономических телескопов приводит к необходимости учета внешнегомасштаба турбулентности.

Использование лазерных пучков малого диаметра(порядка нескольких мм) делает важным учет внутреннего масштабатурбулентности. В связи с этим в последние годы сделан ряд работ,посвященных прохождению лазерных пучков через атмосфернуютурбулентность и моделированию этих процессов. Так как условия образованияреальной турбулентности невозможно контролировать, а измерения параметровсреды вдоль оптического пути обычно затруднены, интерпретациянаблюдаемых эффектов неоднозначна. Поэтому широко используются методылабораторного моделирования турбулентности с использованием управляемыхфазовых экранов: адаптивных зеркал и электронно-оптических модуляторов наоснове жидких кристаллов.

Физические модели в лабораторных условиях,такие как жидкостная ячейка, позволяют контролировать температурные иветровые параметры, а использование таких сред как вода позволяет прираспространении излучения накопить значительные фазовые флуктуации нарасстояниях, на несколько порядков меньших, чем в атмосфере.Экспериментальное моделирование в кювете с жидкостью хорошо известно ииспользовалось для изучения турбулентности исходя из измерения флуктуацийинтенсивности или фазы прошедшего ячейку света. В диссертации разработаноптический метод диагностики характерных масштабов турбулентности,основанный на фазовых измерениях и опробованный в водной ячейке.

Методможет использоваться для анализа турбулентности в атмосфере. Выполненныеоценки актуальны для исследований турбулентности в водной среде.Цели диссертационной работы1. Разработать метод лазерной диагностики характерных масштабовтурбулентности основанный на анализе корреляционных функцийкоэффициентов разложения фазы по полиномам Цернике.2. Определить характерные масштабы турбулентности, возникающей приконвективном теплообмене в ячейке с водой. Оценить необходимость учетавнешнего и внутреннего масштабов турбулентности при описании результатовэксперимента.3. Разработать методику численной оценки величины анизопланатизмаадаптивных оптических систем для произвольных слаботурбулентных трасс.3Защищаемые положения1.

Метод оценки характерных масштабов турбулентности, основанный напоследовательном анализе нормированных корреляционных функциикоэффициентов Цернике, позволяет исключить из трехпараметрической задачис параметрами L0, lm, Cn2 величину Cn2 благодаря нормировке корреляционныхфункций. Решение полученной двухпараметрической задачи оказываетсявозможным свести к последовательному решению двух однопараметрическихзадач, первой из которых является определение внутреннего масштабатурбулентности по корреляционным функциям мод Цернике третьего порядка ивыше, зависящим только от lm, а второй – определение внешнего масштаба покорреляционным функциям первого порядка, зависящим от L0, lm.2. Учет внутреннего масштаба турбулентности, сравнимого с диаметромприемной апертуры, необходим для корректной интерпретации полученных вэксперименте корреляционных функций коэффициентов Цернике.3.

Внешний масштаб турбулентности, превосходящий размер приемнойапертуры, практически не влияет на корреляционные функции мод Церникевыше второго радиального порядка. Учет внешнего масштаба, непревосходящего диаметр апертуры более чем на порядок, необходим длякорректной интерпретации полученных в эксперименте корреляционныхфункций мод Цернике первого порядка.4. Возникающая в эксперименте с водной ячейкой турбулентность(характеризуемая числом Рэлея Ra=(1.7-5.1)109) не всегда описываетсяудовлетворительно изотропной моделью.

Наблюдаемая анизотропияхарактерна для крупномасштабных возмущений, сравнимых с поперечнымразмером турбулентного слоя. Анизотропия турбулентности появляется приувеличении разности температур между холодильником и нагревателем илипоявлением течения, перпендикулярного направлению градиента температур ихарактеризуемого числом Рейнольдса Re=(1-1.5)103. Мелкомасштабныенеоднородности, значительно меньшие размеров ячейки, можно считатьизотропными.5.Разработанная на основе метода фазовых экранов и использующаяприближенное представление корреляционных функций методика позволяетоценить величину анизопланатизма для произвольной трассы.Научная новизнаВ первых работах посвященных теории турбулентности была предложенабезмасштабная Колмогоровская модель, справедливая в рамках инерционногоинтервала.

Дальнейшие исследования и развитие теории привели к учету такиххарактеристик, как внешний и внутренний масштабы турбулентности,отличающие теорию от Колмогоровской. При этом в ряде практических задачоказывается возможным ограничиться упрощенным рассмотрением с учетомтолько одного из масштабов.

В диссертации показана необходимость учетахарактерных масштабов турбулентности для приемных апертур, сравнимых повеличине с внутренним масштабом. Впервые предложен метод, позволяющий4перейти от трехпараметрической задачи отыскания масштабов кдвухпараметрической, не зависящей от интенсивности турбулентности Cn2.Метод позволяет разделить решение полученной двухпараметрической задачина последовательное решение двух однопараметрических задач.

Такоеразделение основано на использовании физических особенностейтурбулентности и проведении процедуры пространственной фильтрации приразложении фазы лазерного излучения по полиномам Цернике. Разработанныйметод применен для оценки турбулентных масштабов в водной ячейке.Предложен метод оценки величины анизопланатизма на произвольнойтурбулентнойтрассе,основанныйнаупрощенномпредставлениикорреляционных функций разложения фазы по модам Цернике.Научная и практическая значимостьРазработанные в диссертации методы могут использоваться как в адаптивнойоптике и астрономии, так и в различных медицинских и техническихприложениях.

Выполненные оценки масштабов турбулентности для воды могутиспользоваться при дальнейшем развитии теории переноса изображения в водеи при оценках процессов, происходящих в океане.Апробация работыРезультаты диссертации опубликованы в отечественных журналах идокладывались на международных конференциях: Международная научнаяконференция студентов, аспирантов и молодых ученых “Ломоносов-2008”(Москва, Россия, 2008); Шестая международная конференция «Оптика-2009»(Санкт-Петербург, Россия, 2009); Международная научная конференциястудентов, аспирантов и молодых ученых “Ломоносов-2010” (Москва, Россия,2010); 13th International Conference “Laser Optics 2010” (Санкт-Петербург,Россия, 2010); International Conference on Lasers, Applications, and Technologies(LAT 2010) (Казань, Россия, 2010); Международная научная конференциястудентов, аспирантов и молодых ученых “Ломоносов-2011” (Москва, Россия,2011).ПубликацииПо теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 научныхстатьи в рецензируемых журналах (одна из них в журнале из списка ВАКРоссии), и 6 тезисов докладов на конференциях, список которых приведен вконце автореферата.Личный вкладВсе изложенные в диссертации результаты получены автором лично или приего непосредственном участии.5Структура и состав диссертацииДиссертация состоит из введения, 4 глав и заключения.