Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 59
Текст из файла (страница 59)
выполняется условие фазового синхронизма. Условие равенства фазовых скоростей основной волны и гармоники выполняется лишь в среде, не обладающей дисперсией. В реальной же диспергирующсй среде фазовые скорости иа различных частотах не равны между собой. Условия фазового син. х онизма выполняются лишь иа ограниченных расстояниях, не превышающих длину р когерентности 1„г. Например, для кристалла кварца (1к г 1О см) условие волнового синхронизма не выполняется.
Таким образом, при прохождении излучения лазера через кристалл участки, на которых мощность гармоники увеличивается за счет основной волны, сменяются участками, на которых происходит обратный процесс. Длина каждого такого участка определяется (к г. Нелинейный элемент для генерации гармоник представляет собой кристалл, вырезанный вдоль так называемого капранления синхрокизлга, где выполняются условия фазового синхроиизма и длина когерентности обращается в бесконечность. Направле.
ние синхронизма характеризуется углом О „. В кристалле К()Р при излучении ру бинового активного вещества О = 50' 49', а неодимового — О,н = 41'31'. Существовасн ние направлений синхроиизма в кристалле КОР и обусловило его широкое распрост. э ранение.
Мощность второй гармоники растет как квадрат длины кристалла !кш т. е, тз Вго к. п. д. без применения специальных мер может достигать 10...20 %, в то время как к. п. д. других кристаллов достигает 0,1...0,01 %„При использовании систем формирования пространственной структуры луча к, п. д.
кристалла КРР может достигать 70% и более. Генерация третьей гармоники обусловлена наличием в уравнении (12.11) члена ОЕ'. Нелинейная часть поляризации в зависимости от этого члена в гармоническом поле мощной световой волны имеет вид ОЕ' = ОЕто созе ы( = 0,750 Езо соз ю( + 025ОЕзо соз 3ы(. Впервые излучение третьей гармоники с длиной волны кез —— 0,2313 мкм экспериментально получено в 1962 г. на кристалле кальцита (СаСОз) при воздействии на него излучения рубинового лазера. Рассмотрим теперь эффекты самофокусировки и самоканализации излучения.
Сомофокуспрозка представляет собой сужение пучка излучения до свеювых нитей в результате изменения показателя преломления вещества под воздействием поля световой волны, Это своеобразное подавление дифракции носит принципиальный характер, так как дифракция формирует оптическое изображение. При нелинейной поляризации среды показатель преломления и зависит от напряженности поля Е. В случае та~ионического возбуждения нелинейной среды ц = па + и,Е', где па = 1 ез; пз = — О. Появление нелинейной поляризации и этот оптический эффект принято называть санозоздегцгпаием волны.
Наиболее важными последствиями этого являютсн электрострикция и нагрев. В этих случаях показатель преломления изменяется за счет изменения плотности среды. В результате самовоздействяя волны среда становится оптически неоднородной, Длн большинства сред лз ) О, и области с максимальной интенсивностью поля являются оптически наиболее плотными. Среда, в которой распространяется световой пучок, приобретает свойства искусственно возникшей собирающей линзы, ось которой совпадает с осью светового пучка: интенсивность света максимальна на оси пучка и убывает в радиальном направлении.
Эта линза искривляет плоский фронт падающей волны. В результате возникает самофокусировка светового пучка (область 1 на рис. 12.12, б). Наблюдаемая за фокальной точкой светяшаяся нить состоит из многочисленных сверхтоиких нитей диаметром 2...5 мкм, При самофокусировке перераспределение интенсивности пучка в поперечном направлении приводит к концентрации его поля в области, примыкающей к оси пучка.
При этом фокусирующая способность среды увеличивается, Таким образом, слабое увеличение интенсивности волны в определенной области приводит к дальнейшей концентрации светового пучка. Эффект самофокусировкн — это поразительное яв. ление — можно наблюдать даже прн излучении газовых лазеров непрерывного действия. ужению светового ~у~~~ препзтствует дьфракция угтзл дифраксгноииой (,а хо, димости пучка с диаметром апертуры с(п составляет йлпв —— 1,22 )сс'(лс( ). Получается любопытная ситуация, когда световой конус, являющийся следствием дифракции, практически превращается в цилиндрический световой канал, с!ля световых лучей образуется цилиндрический волиовод с показателем преломления, изменяющимся в поперечном сечении по закову л = л, + л,Е'.
Волновод помещен в оптически менее плотную среду (при л ) О) с показателем преломления л,. Этот уникальный волиовод имеет свойство: любой луч, падающий на его стенки под углом, большим критического л, угла ц„р —— агсз!п ',, испытывает полное внутреннее отражение и не выхолз+ л,Ез ' дит за пределы волновода. Таким образом, при йс — — Рдпз нелинейная рефракция полностью компенсирует дифракциоинусо расходимость, в результате чего пучок сохраяяет свою форму и размеры при распространении в среде.
Это — явление самокалааизации светового пучка (область 11 на рис. 12.12, б). Пороговая мощиостгь при превышении которой наблюс даетса явление самофокусировки, Р = (1,22)с )з лез —, а эффективная длина пор э зщ ' самофокусировки ст( = 0,2бс()'лз/(лзЕз). Пороговые значения мощности, например для сероуглерода при )с = 1 мкм, составляют Р 1О кВт. Однако в воздухе при ппр атмосферном давлении Р„р 10МВт. Весьма интересво прохождение мощного лазерного излучения, превышающего критическое значение (Р ) Р„р) и сфокусированаого в прозрачном веществе, например в стекле.
Из фокуса выходит тонкая световая нить диаметром 403 . Внутри этого светящегося канала появляются пузырьки, свили и помутнения. Распространение светового пучка в нелинейной среде сопровождается не только перераспределением интенсивности в пространстве, но и изменением его частотного состава. Возникает фазовая модуляция светового импульса, которая приводит к уши. рению его спектра. Уширеиие пропорциональна длине пути. пройденного в нелинейной среде, и скорости изменения во времени показателя преломления. Ширина спектра на выходе из нелинейной среды может в сотни и тысячи раз превышать ширину спектра входного сигнала. Имеется много гипотез, понсняющих динамику явления самокана.
лизации. Например, линза, появляющаяся при самофокусировке, имеет изменшощееся фокусное расстояние, которое движется в пространстве с большой скоростью (порядка 10." и/с). Изучение нелинейных эффектов — актуальная проблема, поскольку много фактов, а частности связанных с самокацализацией, пока ие выяснено. Неизвестны зависимость размеров светово~о канала от мощности излучения, как передается энергия в канале, и т. д.
и т, п, (3). Раздел 3 ПРИМЕНЕНИЕ УСТРОЙСТВ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНИКИ Глава 13. ЛАЗЕРНЫЕ ДАЛЬНОМЕРЫ 13.1. Принципы проектирования лазерных дальномеров Среди многочисленных областей применения лазеров перспективным является создание лазерных систем измерения дальности и угловых координат движущихся объектов (кораблей, самолетов, искусственных спутников Земли, планет и т, д.). Лазериал лоиицил осуществляется облучением объекта наблюдения (цели) лазерным излучением н приемом частя отраженной от этого объекта энергии, несущей полезную информацию о местоположении его в пространства Техническими средствамн лазерной локации являются высотомеры, даланолсеры и лазерные лоиациотсьсе станции (лидары). С развитием новых, иысокоинтенсивных источников излучения, в частности твердотельных лазеров импульсного действия, лазерные локаторы получили широкое распространение, Они используются и бортовых системах управления летательными агшаратами, в метеорологии и геодезии, применяются для картографирования Луны.
Узкая направленность и высокая монохроматичность лазерного излучения позволяют создавать спектральную и пространственную плотность энергии, превышающую аналогичную характеристику радиолокаторов диапазона СВЧ (6, !6, 21, 23). Системы лазерной локации обладают преимуществом по сравнению с радиолокаторами: большей точностью измерения доплероиского сдвига частот, лучшим разрешением, большей точностью определения координат наблюдаемого объекта. Лазерные дальномеры имеют функциональную схему, аналогичную схеме радиолокатора. Отличиесостоит в основном и электронных схемах приема и обработки оптического сигнала и характеристиках излучателя и антенн (рис. 13.1) *.
Уместно отметить, что задолго до появления радиолокаторов и лазеров и 1936 г, акад. А. А. Лебедевым (1893 — 1969), основоположником оптической локации и сиетодальнометрии, был предложен и практически реализован метод измерения дальности. Существует несколько основных методов измерения дальности до неподвижных и подвижных объектов: импульсный, фазовый, интерференпионный, базовый и т. д. Рассмотрим первые два из них.
Омлульсиыг) метод основан на измерении промежутка времени, необходимого для прохождения импульса излучения до объекта и 'Смл Мзлашин М. С., Каменский Р. П., Борисов Ю. Б. Основы проектирования лазерных локациоиных систем. — М., !988. — 208 с. 281 Рис. 13.1. Функциональная схема лазерной локацнонной станции: 1 — лаэерный передатчик; 2 — объектив; 3, 3 — скаиаторы; 1 — цель; 3, 7 — приемные объентивы; 3 — фильтр; 9 — фотоэлектронный умиожнтель; 13 — свстема обработки данных", 11 — платформа; 12...11 — система автоматического иаведення1 13 блок исходных данныха !ь — система целеукааания; 17 — система ручного наведения обратно, по количеству калиброванных импульсов и„: т,и = пиТ = 20/с; В = 0,5ст„, где Т вЂ” период калиброванного импульса. Погрешность измерения дальности в этом случае приблизительно можно оценить погрешностью измерения времени Ьт,н: Ь0 = (Т)бг!с + 0,5сбтаи) ж 0,5сбт,„, Фазовый метод измерения дальности основан на регистрации за- паздывания фазы модулированного сигнала прн двойном прохожде- нии измеряемого расстояния.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
