lazernaya_tekhnika_uchebnik (863459), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Общую картинупучка за ограничивающей диафрагмой можно представить следующимобразом. Непосредственно за диафрагмой существует область пространства, в которой вид относительного распределения поля меняетсяв зависимости от расстояния (ближняя зона). За ней следует область, вкоторой вид относительного распределения поля остается неизменным(дальняя зона). В ближней зоне нас интересует вопрос о распределенииполя в некоторой плоскости, а в дальней зоне – о распределении поляпо угловым направлениям, т.е. вид диаграммы направленности лазерного излучения.Известно, что в неограниченном гауссовом пучке происходит монотонное затухание интенсивности на оси пучка. При ограничениимонотонный характер затухания нарушается. Непосредственно за ограничивающей диафрагмой возникает область осцилляции осевой интенсивности – так называемая реактивная зона (рис. 2.9).Протяженность области осцилляции и их амплитуда являютсяфункциями диаметра диафрагмы, длины волны и степени ограничения.В непосредственной близости от плоскости ограничения амплитуда49I(0,z)I(0,0)неогр3,0(D/2)/w=0,62,01,00,20,10,3Рис.
2.9. Зона осцилляцииzλπ(d/2)2Iнорм1,0(D/2)/w=1,4(D/2)/w=1,8(D/2)/w=0,2(D/2)/w=2,20,5(D/2)/w=1,0(D/2)/w=0,81,00,5KДРис. 2.10. Вид распределений интенсивности при различных степеняхограничения пучка50осцилляции постоянна, затем она становится переменной и, наконец,характеризуется монотонным затуханием.Что касается диаграммы направленности, то ее вид также зависитот степени ограничения (D/2)/w. При (D/2)/w = 2,5, что соответствуетуменьшению поля на краях апертуры с осью в 100 раз (20 дБ), достигается практически полное совпадение распределения интенсивностис кривой Гаусса.
При уменьшении степени ограничения гауссовскийхарактер распределения искажается, в распределении появляются нулевые минимумы, причем, чем меньше (D/2)/w, тем меньше величинауглового положения этих минимумов (рис. 2. 10).Ширину диаграммы направленности характеризуют угловым направлением на точку, в которой интенсивность уменьшается в некоторое число раз по сравнению с максимальным значением (на оси пучка):Θ= K ÄÈÔλ.DВеличина K ÄÈÔ зависит от выбранного уровня снижения интенсивности. В табл.
2.1 приведены значения K ÄÈÔ по положению нулевых минимумов и по спаду интенсивности в е2 раз. При (D/2)/w ≤ 0,2диаграмма направленности соответствует дифракции однородного пучка и распределение рассчитывается по формуле Эйри.Т а б л и ц а 2.10,20,61,01,41,82,2K ÄÈÔ,01,221,281,431,743,423,73K ÄÈÔ,1/e20,510,530,570,620,710,83(D/2)/w513. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫЛАЗЕРНЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ3.1. Ослабление лазерного излучения в атмосфере и водеПри распространении лазерного излучения в сфере (атмосфере, воде)происходит целый ряд явлений и эффектов, в большей степени присущихи распространению обычного излучения.
Считая, что основные закономерности распространения обычного излучения хорошо известны, остановимся лишь на особенностях распространения лазерного излучения.Известно, что ослабление излучения в атмосфере происходит изза поглощения и рассеяния. Поглощают излучение присутствующие ватмосфере газы и аэрозольные частицы. Аэрозольное поглощение составляет небольшую долю от поглощения молекулами газа (молекулярного поглощения), и его принято учитывать вместе с аэрозольнымрассеянием.
Поэтому можно считать, что ослабление излучения из-запоглощения обусловлено газовой составляющей атмосферы.Характерной особенностью молекулярного поглощения является егорезкая зависимость от состава атмосферы, длины волны и ширины спектра излучения. Объясняется это тем, что различные газы имеют характерные для них спектральные линии или полосы поглощения и, естественно,степеньпоглощениязависит от того,nLχnI ∗ = I 0 e −χспектральныйнасколькосостав излучения соответствует спектру по1. χn определяетсяглощения,как они «накладываютэкспериментальнося» друг на друга.
Ширина спектраизлучениялазеров,как правило,2. χПоглощениев окнеL χ−ne0 I = ∗ Iзначительно меньше ширины спекпрозрачноститральной линии поглощения, а такястеяледерпо nχ .1оньлатнемирепскэкакспектральныелинии поглощения3.Влияние«примесей»енко в еинещолгоП .2газов могут перекрываться друг ситсончарзорп4. Зависимостьn от λвыглядетьдругом,то картина χможет»йесемирп« еиняилВ.3следующим образом (рис. 3.1).аЗ .4λ то nχ ьтсомисиλвЛАЗТакая картина приводит к слеλдующимособенностям поглощенияРис. 3.1.
К поглощениюлазерногоλЗАЛλизлучениялазерного излучения.n521. Для расчета величины поглощения лазерного излучения в атмосфере непригодны функции поглощения обычного излучения, рассчитанные на широкие полосы излучения, перекрывающие спектральныелинии поглощения. Как из видно из рис. 3.1, для расчета показателяпоглощения χn необходимо просуммировать значения χn для всех линий, совпадающих с длиной волны излучения лазера λ ËÀÇ .Однако длятакого расчета надо знать с большой точностью следующие параметрылинии поглощения: положение ее центральной длины волны, ширинуи интенсивность линии (разумеется, с такой же точностью надо знатьи длину волны излучения лазера). В настоящее время сведений о параметрах линий поглощения всех газов, входящих в состав атмосферы,недостаточно, чтобы можно было провести теоретический расчет χn.Это объясняется сложностью (громоздкостью) теоретического определения параметров линий и их огромным числом.
Можно сказать, например, что только в видимой и ближней инфракрасной областях спектраимеется около 100000 линий поглощения. Определение же параметровэкспериментальным путем требует уникальной аппаратуры с высокимразрешением.Поэтому достоверные данные о коэффициенте поглощения излучения лазера в настоящее время можно получить экспериментальнымпутем.
Зная величину χn , можно рассчитать ослабление излучения засчет поглощения по закону Бугера=I L I 0 exp( −χ n L),где I L и I 0 – интенсивности ослабленного и первоначального излучения; L – длина пути распространения излучения в атмосфере.Пользуясь данными о χn, следует помнить, что они пригодны лишьдля той метеорологической ситуации, которая была во время эксперимента. Если же метеорологическая ситуация отличается лишь концентрацией газа, то можно сделать перерасчет показателя поглощения.2. Излучение лазеров может сильно поглощаться и в окне прозрачности атмосферы, так как здесь имеется большое число узких, но интенсивных линий поглощения.
Наличие таких линий почти не сказывается(в окнах прозрачности поглощение относительно мало) на поглощенииобычного излучения, но если линия излучения лазера совпадает с линией поглощения, то может произойти сильное поглощение. Известнымпримером такого положения является эффект очень сильного поглощения излучения гелий-неонового лазера на длине волны 3,39 мкм.53При оценке поглощения излучения лазеров необходимо приниматьво внимание наличие так называемых «примесей», т.е.
газов, содержащихся в атмосфере в незначительном количестве (сотые и тысячныедоли процента). К ним относятся метан (СН4), окись азота (N20), окисьуглерода (СО) и др. Они обладают узкими, но интенсивными линиямипоглощения и могут стать причиной сильного ослабления монохроматического излучения. Кстати, поглощение излучения на длине волны3,39 мкм как раз вызывается метаном.Величина поглощения может сильно меняться даже при незначительном изменении длины волны излучения. Так, например, при изменении длины волны излучения рубинового лазера от 0,6943 до 0,69439 мкм(причиной изменения длины волны является изменение температуры активного элемента) показатель поглощения меняется более чем в два раза.Очевидно, что если в районе излучения лазера спектральные линиипоглощения отсутствуют, то будет отсутствовать как само поглощение,так и зависимость его от длины волны.
В табл. 3.1 приведены ориентировочные данные о показателях поглощения излучения некоторых лазеров.Т а б л и ц а 3.1Тип лазераДлина волныПоказательизлучения,поглощения, χ n , км-1мкмГелий-кадмиевый0,44160Гелий-неоновый0,63280,03То же1,153То же3,39РубиновыйПолупроводниковый на арсенидегаллияНеодимовыйНа углекисломгазе0,69430,6904390,841,0610,6ПримечаниеВ диапазоне работы лазераотсутствуют сколько-нибудьзначительные линии поглощенияАбсолютная влажность 10 г/м3,расстояние – 2,4 км. Поглощениевызывается водяным паромТо же0,09 на 1 ммосажденного слояводы1, 4, 5Сильно зависит от концентрацииметана, слабо – от влажности0,08Поглощение вызывается водяным0,18паром0,0067 на 1 мм Поглощение вызывается водянымосажденного слоя паромводы0,0034 на 1 мм Поглощение вызывается водянымосажденного слоя паромводы0,02¸0,12Поглощение в основномвызывается углекислым газом ипарами воды54Перейдем к рассмотрению закономерности аэрозольного рассеяния.
Установлено, что различие в рассеянии когерентного (лазерного) инекогерентного (обычного) излучения отсутствует для одного и того жеспектрального состава излучения. Основными факторами, определяющими рассеяние, является спектр размеров частиц аэрозоли, их концентрация и химический состав. Для расчета ослабления излучения за счетаэрозольного рассеяния можно пользоваться известным законом Бугера=I L I 0 exp( −χL), где χ p – показатель рассеяния.Величину χ p удобно представлять через измеряемую на практикеметеорологическую дальность видимости S m и коэффициент γ (λ ) , зависящий от длины волны излучения, вида и размера рассеивающихсяγ (λ )частиц χ p =3,91. Для видимого диапазона спектра γ (λ) =1 , для инSmфракрасного – больше единицы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
