РАЗРАБОТКА БЛОКА СПЕКТРАЛЬНОЙ СЕЛЕКЦИИ НА ОСНОВЕ ОБЪЕМНО-
ФАЗОВЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
АТМОСФЕРЫ ПО ЧИСТО ВРАЩАТЕЛЬНЫМ СПЕКТРАМ СКР
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНИКА ВЫСОТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ АТМОСФЕРЫ ПО ЧИСТО ВРАЩАТЕЛЬНОМУ СПЕКТРУ СПОНТАННОГО КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ (СКР) 6
2 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ СПЕКТРАЛЬНОЙ СЕЛЕКЦИИ ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНО¬ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ЧИСТО ВРАЩАТЕЛЬНОГО СПЕКТРА СКР 14
2.1 Виды спектральных приборов 15
2.2С равнение известных методов выделения температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра СКР 18
2.3 Дифракция света на объемно-фазовой дифракционной решетке 21
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФРАКЦИОННОЙ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБЪЕМНО-ФАЗОВОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ЕЕ ОСНОВЕ БЛОКА СПЕКТРАЛЬНОЙ СЕЛЕКЦИИ 28
3.1 Экспериментальное определение дифракционной эффективности объемно-фазовой дифракционной решетки 28
3.2 Моделирование блока спектральной селекции, используя объемно-фазовые дифракционные решетки 33
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 36
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 37
Атмосфера, представляет собой сложную динамическую многопараметрическую систему с большим числом прямых и обратных связей. Она постоянно испытывает мощные воздействия природных факторов как космогенной, так и террагенной природы.
Температура, наряду с плотностью, давлением, влажностью и скоростью ветра, является одной из главных физических величин, характеризующих состояние атмосферы. Знание температурных полей необходимо для изучения динамических процессов, происходящих в атмосфере, отслеживания её термического режима, включая радиационный баланс, выявления климатических изменений.
На сегодняшний день, измерение температуры атмосферы ведется с помощью контактных методов, а именно шар - зондов. Недостатками подобных измерений являются малое временное разрешение и дороговизна. На запуск одного шар - зонда тратится сумма порядка 400 долларов. Эта сумма обусловлена тем, что дорогостоящий датчик, замеряющий характеристики атмосферы, после запуска теряется, а если его и удается найти, то он наверняка находится в нерабочем состоянии из-за падения с большой высоты. Альтернативой контактным методам являются бесконтактные методы измерения температуры атмосферы. К ним относятся методы лазерного зондирования (лидарные методы).
Лазерное зондирование имеет широкую область применения и интенсивное развитие в силу ряда положительных качеств, таких как: высокое пространственное разрешение, достаточно быстрое время измерения, возможность дистанционно определить исследуемую характеристику той или иной среды.
Одним из лидарных методов является метод, основанный на анализе температурно-чувствительных линий чисто-вращательного спектра спонтанного комбинационного рассеяния молекулами атмосферного азота и
кислорода. Экспериментальные исследования, проводившиеся различными научными группами, показали высокую эффективность данного метода.
На сегодняшний день, в данном методе, в качестве блока спектральной селекции, используется двойной дифракционный монохроматор, диспергирующим элементом в котором является тонкая отражающая дифракционная решетка.
В работе рассмотрена возможность использования объемно-фазовых дифракционных решеток в качестве диспергирующего элемента в блоке спектральной селекции. Представлено сравнение дифракционной эффективности объемно-фазовой и тонкой отражающей дифракционных решеток. Произведена оценка дисперсии, полученной при моделировании тройного монохроматора на основе исследуемой дифракционной решетки.
В ходе работы был проделан сравнительный анализ методов спектральной селекции чисто вращательного спектра СКР. Показаны преимущества использования двойного дифракционного монохроматора в блоке спектральной селекции СКР лидара.
Была собрана экспериментальная установка и выполнен эксперимент по определению дифракционной эффективности объемно-фазовой дифракционной решетки. Результаты эксперимента свидетельствуют о возможности увеличении эффективности в пропускании системы спектральной селекции лидара при замене диспергирующего элемента с отражающих дифракционных решеток на объемно-фазовые дифракционные решетки. Улучшение пропускания в системе спектральной селекции лидара позволит сократить время накопления сигнала для измерения профилей температуры атмосферы.
В программной среде Zemax был смоделирован блок спектральной селекции, а именно, тройной монохроматор на основе объемно-фазовых дифракционных решеток. Анализ геометрического изображения показывает, что при выводе изображения через световоды размером 0,6 мм, что характерно для рамановских лидаров, величина линейной дисперсии достаточна, чтобы надежно разделить несмещенное рассеяние и температурно-чувствительные линии чисто вращательного спектра СКР атмосферных молекул азота.
