Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРА 8
1.1 Атмосфера земли 8
1.2 Лидарные методы исследования атмосферы 12
1.3 Лидарное уравнение 16
1.4 Методы измерения температуры атмосферы 21
2 ДИСТАНЦИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕЗОСФЕРЫ
ПО ОТНОШЕНИЮ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ СИГНАЛОВ РЕЗОНАНСНОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ 25
2.1 Щелочные металлы в мезосфере и оценка времени измерения концентрации 25
2.2 Эффект Доплера применительно к измерению температуры
мезосферы 31
2.3 Разработка методики измерения температуры мезосферы по
отношению сигналов резонансной флуоресценции в парах 40
натрия
2.4 Оценка влияния эффекта насыщения поглощения и определение
требований к источнику лазерного излучения 48
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕЗОСФЕРЫ ПО ОТНОШЕНИЮ СИГНАЛОВ РЕЗОНАНСНОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ В ПАРАХ НАТРИЯ 55
3.1 Методы генерации лазерного излучения с длиной волны 589 нм.... 55
3.2 Описание и технические характеристики макета
экспериментальной установки для измерения температуры мезосферы 56
3.3 Устройство и принцип работы макета экспериментальной
установки для измерения температуры мезосферы 57
3.4 Экспериментальные результаты 61
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 69
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 71
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Возможность дистанционно определять выбранную характеристику воздушной среды на любом направлении лазерного луча и получать самые разнообразные сведения о свойствах атмосферы на различных высотах всегда стимулировали интенсивное развитие методов высотного зондирования. Благодаря активному развитию технологий и совершенствованию методов лазерного зондирования применимость методов находит себя в самых различных задачах, помогающих улучшить экологическую ситуацию в мире, качество жизни, а также способствует накоплению знаний об окружающем мире.
Определение температуры мезосферы представляет собой задачу посвященную контролю параметров нижнего слоя ионосферы, который оказывает влияние на климат Земли. Применение методов лазерного зондирования позволяет в режиме реального времени отслеживать эти изменения.
В силу отсутствия средств контроля параметров атмосферы на высотах 80 - 100 км дистанционный метод зондирования атмосферы, основанный на
явлении резонансной флуоресценции является решением для точного и быстрого определения параметров атмосферы, т.к. лидарные методы, основанные на явлении флуоресценции имеют высокую чувствительность.
Целью работы является исследование и модификация лидарного метода измерения температуры мезосферы на основе эффекта резонансной флуоресценции в парах натрия.
Поставленные задачи для достижения данной цели:
1) сбор и анализ научно-технической информации по теме исследования;
2) исследование температурной зависимости контура линий дублета натрия D2;
3) определение оптимальных частотных сдвигов в спектре возбуждения дублета натрия D2 для участков спектра с противоположными
температурными зависимостями интенсивности резонансной
флуоресценции;
4) оценка влияния спектральной ширины лазерной линии на эффективность метода измерения температуры мезосферы;
5) формулировка требований к источнику зондирующего излучения;
6) запуск и исследование параметров уникального лазерного источника излучения в области 589 нм, для возбуждения резонансного рассеяния в парах натрия.
На защиту выносятся следующие положения:
1) Выбор оптимальных частотных сдвигов в спектре возбуждения дублета натрия D2 для участков спектра с противоположными температурными зависимостями интенсивности резонансной флуоресценции позволяет повысить крутизну температурной чувствительности на 10% по сравнению с положением участков спектра в максимуме и минимуме дублета. Оптимальная расстройка относительно минимума составляет 70 МГц.
2) Для заданных параметров приемной оптической системы, и для случая дифракционной расходимости лазерного источника излучения с начальным диаметром пучка 6 мм и энергией в импульсе 0,5 мДж при увеличении коллиматора передатчика х5 эффектом насыщения поглощения в рассеивающем объёме можно пренебречь.
На сегодняшний день оптическое зондирование стало одним из самых надежных и точных методов исследования атмосферы. Создание экспериментальных установок гелиогеографического комплекса для развития систем мониторинга геофизической обстановки является весьма актуальной задачей. Несмотря на многолетнюю историю изучения ионосферы сегодня трудно предсказать возникновение тех или иных явлений в ионосфере, так же как и не вполне ясно может ли состояние ионосферы заметно повлиять на физические параметры окружающей среды у поверхности Земли. Определение температуры на высотах 80-100 км - мощный инструмент контроля за состоянием ионосферы, который поможет при составлении прогнозов изменения геофизической обстановки.
Изучены методы генерации излучения с длиной волны 589 нм, собраны сведения о теоретических основах взаимодействия излучения с парами натрия. Изучены методы суммирования частот генерации твердотельных Nd:YAG лазеров.
Создана математическая модель контура линий дублета натрия D2 для случая доплеровского уширения. С использованием модели проведён расчёт чувствительности метода измерения температуры по отношению интенсивностей резонансной флуоресценции в парах натрия.
Установлено, что для определения температуры мезосферы по отношению интенсивностей сигналов резонансной флуоресценции в парах натрия достаточно использовать частотные сдвиги линий возбуждения f+ = - 621 МГц, f- = 250 МГц, соответствующие участкам спектра с максимальной крутизной положительной и отрицательной температурной зависимости, соответственно. Измерения температуры по отношению сигналов резонансной флуоресценции в двух точках спектра возбуждения снижает время измерения и повышает эффективность метода.
Проведена оценка чувствительности метода в зависимости от спектральной ширины возбуждающего излучения. Установлено, что использование возбуждающего излучения с шириной спектра 150 МГц позволяет повысить чувствительность метода на 10% по сравнению с излучением с шириной спектра в 500 МГц.
Определено, что минимальное время накопления необходимого числа фотоотсчетов достигается при спектральной ширине лазерного излучения 630 МГц.
Сформулированы требования к параметрам источника лазерного излучения и коллиматору (представленные в таблице 7), которые позволят работать в оптимальном режиме с учетом эффекта насыщения. Ключевой задачей была оценка таких параметров как энергия в импульсе, частота повторения импульса и кратность увеличения коллиматора.
Проведена оценка спектральной ширины лазерного излучения с использованием сканирующего конфокального интерферометра фирмы ThorLABS SA200. Измеренная спектральная ширина лазерной линии составляет 34 МГц.
