Фрактальные свойства лазерного излучения в турбулентных средах

На правах рукописиТаначев Иван АлександровичФрактальные свойства лазерногоизлучения в турбулентных средахСпециальность 01.04.05 – оптикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2008Работа выполнена на кафедре оптикифизическогофакультетаМосковскогоуниверситета им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:Официальные оппоненты:Ведущая организация:и спектроскопиигосударственногоД.ф.-м.н., профессорКороленко Павел ВасильевичД.ф-м.н., профессорКаск Николай Евгеньевич(НИИЯФ МГУ)Д.ф-м.н., профессорНизьев Владимир Григорьевич(ИПЛИТ РАН, Шатура Моск.обл.)ФИАН им.

П.Н. ЛебедеваЗащита состоится «20» марта 2008 г. в 16 часов на заседанииСпециализированного Совета Д.501.001.67 по специальности01.04.05 – оптика в Московском государственном университетеим. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, Ленинские горы,МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогофакультета МГУ.Автореферат разослан «19» февраля 2008 г.Ученый секретарьСпециализированного Совета,к.ф-м.н.А.Ф. КоролевОбщая характеристика работыАктуальность темыПроблема распространения излучения через случайныесреды и экраны давно находится в центре вниманияисследователей.

Это связано с большим разнообразиемфизическихэффектов,вызванныхслучайнымивозмущениями, распространяющейся волны, а также смногочисленными вопросами прикладного характера. Кпоследним следует отнести поиск возможностей повышениякачества световых пучков, улучшения характеристикустройств видения через случайно-неоднородную атмосферу,совершенствования систем связи, использующих открытыеканалы распространения излучения, улучшения методовдиагностики случайно-неоднородных сред.Несмотря на большое число монографических изданий ипубликаций, посвященных указанной проблеме, целый рядважных фундаментальных вопросов оказался неизученным,либо изученным не в полной мере.

Среди них следует особымобразом выделить актуальные на сегодняшний день вопросы,относящиеся к исследованиям прохождения световогоизлучения через объекты и среды с фрактальной имультифрактальной структурой. Эти исследования позволилиустановить ряд физических закономерностей, связывающихстатистические и фрактальные характеристики объектов схарактеристиками световой волны. Однако, как правило, этизакономерности относятся к частным случаям и оказываютсясправедливымилишьприопределенных,весьмаограниченныхусловиях.Поэтомупредставляетсяцелесообразным дополнить фрактальными представлениямиранее выполненные и ставшие уже классическими работы, вкоторых проблема взаимодействия излучения со случайныминеоднородностями рассмотрена в общем виде на основелишь статистических моделей.

Нуждаются также вдополнениифрактальнымимоделямисложившиесяконцепции, описывающие распространение излучениятурбулентной среде, включая приземную атмосферу.вЦель работыЦель данной работы предполагает решение двух группвопросов:1. Построениетеоретическихмоделей,описывающихпрохождение излучения через случайные фрактальныеэкраны, и установление на их основе физическихзакономерностей, связывающих скейлинговые характеристикиэкранов и дифрагировавших на них световых пучков.2. Распространение фрактальных представлений на описаниефлуктуационной структуры излучения в турбулентной среде;экспериментальное определение на приземных трассах имоделях турбулентной атмосферы условий для устойчивогопроявления скейлинга во флуктуациях излучения.Положения, выносимые на защиту1.

При прохождении излучения через случайный фрактальныйэкран, независимо от того, является ли экран амплитудным,фазовым, монофрактальным или мультифрактальным,параметр Херста как для распределения интенсивности, так идля распределения фазы, претерпевает лишь слабыеизменения и с хорошим приближением совпадает спараметром Херста функции пропускания экрана. В отличиеот параметра Херста спектры сингулярностей амплитуднофазовых распределений в процессе распространения волныне сохраняются и не воспроизводят спектр сингулярностейпропускания экрана.2.

При прохождении излучения через турбулентную средуфрактальность наиболее отчетливо наблюдается вофлуктуациях положения «центра тяжести» светового пучка.Однако если на натурных атмосферных трассах скейлинг вофлуктуациях центра тяжести имеет нестабильный характер,то в лабораторных условиях при распространении излучениячерезтурбулентнуюсредусостационарнымистатистическими параметрами фрактальность флуктуацийхарактеризуется высокой степенью устойчивости.3. Наилучшееприближениекидеальномускейлингуфлуктуаций излучения в турбулентной среде наблюдается,если размеры пучка меньше характерных размеровтурбулентных образований. Наблюдаемые отступления отидеальности связаны с сильным влиянием мелкомасштабныхнеоднородностей на отклонения пучка.Достоверность результатовДостоверность результатов обеспечивается тщательнымизучением и тестированием методик расчетов и измерений, атакже многократностью проведения экспериментов.Практическая значимость1.

Установленнаясвязьмеждуфрактальнымихарактеристиками случайных экранов и прошедших ихсветовыхпучковможетбытьиспользованаприсовершенствовании численных моделей распространенияизлучения в турбулентной среде и при экспериментальнойфиксацииизмененийхарактеристикфазовыхнеоднородностей случайных сред.2. Данные о фрактальной структуре флуктуаций лазерногоизлучения в атмосфере позволяют более полно учитыватьособенности флуктуационной структуры излучения в системахоптической локации и связи.Новизна работыВпервые для общего случая прохождения плоскойоднородной волны через случайный фрактальный экранустановлена связь между фрактальными характеристикамиэкрана и фрактальными свойствами дифрагировавшегоизлучения.

Определены особенности прохождения черезфрактальный экран пространственно ограниченных световыхпучков.Экспериментально обнаружены фрактальные признаки вофлуктуационнойструктуресветовойволны,распространяющейся в случайно-неоднородной турбулентнойсреде.Рассмотреновлияниекрупномасштабныхимелкомасштабных турбулентных образований на характерскейлинга во флуктуациях центра тяжести лазерных пучков.Апробация работы и публикацииРезультаты работы неоднократно докладывались иобсуждались на научных семинарах кафедры оптики испектроскопии физического факультета МГУ; а также наконференциях: IX Всероссийская школа – семинар «Волновыеявления в неоднородных средах», Моск.

обл. (2004); Десятаявсероссийская научная конференция студентов-физиков имолодых ученых «ВНКСФ-10», Москва (2004); Международнаяконференция студентов, аспирантов и молодых ученых пофундаментальным наукам – «Ломоносов-2004», Москва(2004); 21-я всероссийская конференция по распространениюрадиоволн, Йошкар-Ола (2005); «Ломоносовские чтения»,Москва (2006); Российский научный форум с международнымучастием«Демидовскиечтения»,Москва(2006);Международная конференция студентов, аспирантов имолодых ученых по фундаментальным наукам – «Ломоносов2006», Москва (2006); XIII симпозиум «Оптика атмосферы иокеана. Физика атмосферы», Томск (2006); EuCAP2007,Эдинбург (2007).Основной материал диссертации, кроме тезисов докладовна научных конференциях, отражен в 7 научных статьях иодном препринте.

Список публикаций приведен в концеавтореферата.Структура и объем диссертацииДиссертация изложена на 125 страницах. Она состоит извведения, пяти глав, выводов, списка литературы из116 наименований, содержит 60 рисунков, 5 таблиц.Краткое содержание диссертацииВведениеВо введении содержится обоснование актуальности выбранной темы, излагаются цели диссертационной работы,сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приводятся сведения об апробации результатов работыи о публикациях автора.Первая главаВ первой главе, представляющей литературный обзор потеме работы, рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований прохождения излучения черезфрактальные экраны, объекты и среды.

Учтены результатыисследования свойств излучения как в ближней, так и в дальней зонах дифракции. Описаны различные методы оценкифрактальности. Отмечается недостаточная освещенность влитературе скейлинговых свойств излучения, взаимодействовавшего с фрактальными объектами и средами. Проанализированы литературные сведения, относящиеся к фрактальнымсвойствам турбулентных сред. Рассмотрены общие подходы ктеоретическому описанию взаимодействия излучения с фрактальными объектами и средами. Обсуждается согласованностьтеоретическихпредставленийсрезультатамиэкспериментов.Вторая главаВо второй главе диссертации рассматриваются использованные в работе методы анализа излучения с фрактальнойструктурой. Основным методом, с помощью которого в даннойработе проводился фрактальный анализ, является метод, основанный на анализе поведения структурной функции.