ДИСТАНЦИОННОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ ЭМИССИОННЫХ СПЕКТРОВ СВЕЧЕНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ В ОБЛАСТИ ФИЛАМЕНТАЦИИ, СФОРМИРОВАННОЙ ПРИ КОРРЕКЦИИ ФАЗОВОГО И АМПЛИТУДНОГО ФРОНТА ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА
|
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ФИЛАМЕНТАЦИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ . 12
1.1 Принципы генерации лазерных импульсов сверхкороткой длительности 12
1.2 Филаментация лазерных пучков 14
1.3 Фазовая самомодуляция световой волны и генерация
суперконтинуального свечения 18
2 УПРАВЛЕНИЕ ОБЛАСТЬЮ ФИЛАМЕНТАЦИИ В УСЛОВИЯХ
КОРРЕКЦИИ ФАЗОВОГО И АМПЛИТУДНОГО ФРОНТА ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА 21
2.1 Управление положением и протяжённостью области множественной
филаментации 22
2.2 Амплитудно-фазовая модуляция фемтосекундного лазерного излучения 23
2.2.1 Амплитудная модуляция 23
2.2.2 Эксперимент по амплитудному модулированию фемтосекундного
лазерного излучения 25
2.2.3 Фазовая модуляция 28
2.2.4 Эксперимент по управлению положением ОМФ в условиях коррекции фазового фронта лазерного пучка при помощи биморфного деформируемого зеркала 30
3 ДИСТАНЦИОННАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ЭМИССИОННЫХ СПЕКТРОВСВЕЧЕНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ, ВОЗБУЖДЁННЫХ ПЛАЗМЕННЫМИ,БЕСПЛАЗМЕННЫМИ И ПОСТФИЛАМЕНТАЦИОННЫМИ СВЕТОВЫМИКАНАЛАМИ 36
3.1 Плазменные, бесплазменные и постфиламентационные световые каналы 37
3.2 Дистанционная регистрация эмиссионных спектров свечения аэрозолей,
возбуждённых плазменными световыми каналами 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 46
ПРИЛОЖЕНИЕ 49
1 ФИЛАМЕНТАЦИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ . 12
1.1 Принципы генерации лазерных импульсов сверхкороткой длительности 12
1.2 Филаментация лазерных пучков 14
1.3 Фазовая самомодуляция световой волны и генерация
суперконтинуального свечения 18
2 УПРАВЛЕНИЕ ОБЛАСТЬЮ ФИЛАМЕНТАЦИИ В УСЛОВИЯХ
КОРРЕКЦИИ ФАЗОВОГО И АМПЛИТУДНОГО ФРОНТА ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА 21
2.1 Управление положением и протяжённостью области множественной
филаментации 22
2.2 Амплитудно-фазовая модуляция фемтосекундного лазерного излучения 23
2.2.1 Амплитудная модуляция 23
2.2.2 Эксперимент по амплитудному модулированию фемтосекундного
лазерного излучения 25
2.2.3 Фазовая модуляция 28
2.2.4 Эксперимент по управлению положением ОМФ в условиях коррекции фазового фронта лазерного пучка при помощи биморфного деформируемого зеркала 30
3 ДИСТАНЦИОННАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ЭМИССИОННЫХ СПЕКТРОВСВЕЧЕНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ, ВОЗБУЖДЁННЫХ ПЛАЗМЕННЫМИ,БЕСПЛАЗМЕННЫМИ И ПОСТФИЛАМЕНТАЦИОННЫМИ СВЕТОВЫМИКАНАЛАМИ 36
3.1 Плазменные, бесплазменные и постфиламентационные световые каналы 37
3.2 Дистанционная регистрация эмиссионных спектров свечения аэрозолей,
возбуждённых плазменными световыми каналами 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 46
ПРИЛОЖЕНИЕ 49
В последние десятилетия все чаще на первый план мировых проблем выходят проблемы, связанные с контролем состояния окружающей среды. Актуальность мониторинга окружающей среды заключается в том, что удается своевременно выявить основные проблемы, связанные с нарушением экологического баланса. Для чего необходимо проводить различные исследования, связанные с экологией, в частности с экологией атмосферы.
Исследование атмосферы контактными способами является затруднительным, так как отбор проб и дальнейший их анализ требует значительных временных затрат, поэтому бесконтактным (дистанционным) методам диагностики отдаётся предпочтение, вследствие оперативности получения информации.
Одним из дистанционных методов диагностики и мониторинга состояния атмосферы является метод лазерного дистанционного зондирования. Возможность определения характеристик воздушной среды на любом направлении лазерного луча и получения сведений о составе и свойствах атмосферы на различных высотах с высоким пространственным разрешением стимулировали их дальнейшее развитие. Одной из задач зондирования атмосферы является контроль поэлементного состава атмосферы. На данный момент для поэлементного анализа атмосферы используются лидарные системы, работающие как в узком спектральном диапазоне, так и в широком спектральном диапазоне. Основным недостатком систем, имеющих узкий спектральный диапазон является необходимость наличия определённых условий для распространения излучения и возможность определения наличия только тех веществ, возбуждение которых происходит только на выбранной длине волны. При использовании нескольких длин волн возникают трудности в отстройке системы, на что требуется дополнительное время. Так как аэрозоли имеют непостоянное пространственное распределение и изменчивые свойства, что затрудняет получение статистических данных об оптических характеристиках аэрозоля, потеря времени приводит к снижению получаемой информации. Следовательно, использование широкополосного источника излучения для исследований ведёт к повышению оперативности получения информации в широком спектральном диапазоне.
Здесь источником широкополосного излучения может выступать явление филаментации, которое реализуется при распространении ультракоротких лазерных импульсов в атмосфере. Наряду с этим, реализация комплекса нелинейно-оптических эффектов способствует формированию плазменных, бесплазменных и постфиламентационных световых каналов (ПФК), которые можно использовать для решения задачи доставки излучения с необходимыми характеристиками в заданную точку пространства, где осуществляется дистанционное зондирование.
Для задач поэлементного анализа атмосферы используются методы оптической спектроскопии. Одним из эффективных методов поэлементного анализа является эмиссионная лазерно-искровая спектроскопия [1]. Метод лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии базируется на детектировании характерных эмиссионных линий химических элементов, свечение которых происходит благодаря излучательному высвобождению энергии в результате рекомбинации свободных электронов с ионами и атомами после взаимодействия лазерного излучения с веществом. Этот метод позволяет осуществить количественное определение следовых компонентов пробы.
В настоящее время метод фемтосекундной лазерно-эмиссионной спектроскопии только развивается. Главными причинами этого являются - ограниченное число контролируемых протяженных натурных трасс и их недоступность большинству исследователей для проведения экспериментов с мощным фемтосекундным лазерным излучением.
Актуальность данной работы заключается в повышении чувствительности методов обнаружения следов загрязнения путём использования методики лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии на протяжённых атмосферных трасах. Суть работы заключается в разработке методики по возбуждению и регистрации эмиссионных спектров свечения аэрозолей в области множественной филаментации (ОМФ), управление которой осуществляется путем коррекции фазового и амплитудного фронта лазерного пучка. Для коррекции фазового и амплитудного фронта лазерного пучка будут использоваться биморфное деформируемое зеркало и амплитудные маски.
Целью данной работы является дистанционное обнаружение веществ по эмиссионным спектрам свечения, возбужденных плазменными, бесплазменными и постфиламентационными световыми каналами.
Для достижения поставленной цели будут решаться следующие задачи:
1) Обзор современного состояния исследований по теме диссертации.
2) Управление областью филаментации в условиях коррекции фазового и амплитудного фронта лазерного пучка при помощи биморфного деформируемого зеркала и амплитудных масок.
3) Дистанционная регистрация эмиссионных спектров свечения аэрозолей, возбуждённых плазменными, бесплазменными и постфиламентационными световыми каналами.
4) Анализ полученных результатов.
Первый раздел описывает физические основы явления филаментации фемтосекундных лазерных импульсов, а также основные нелинейнооптические эффекты, сопровождающие данный процесс.
Во втором разделе представлены существующие подходы к решению задачи управления положением и протяжённостью области множественной филаментации. Приведены результаты экспериментов по управлению областью филаментации в условиях коррекции фазового и амплитудного фронта лазерного пучка.
В третьем разделе приведены основные пространственные характеристики интенсивных световых каналов (бесплазменные, плазменные - филаменты, бесплазменные - постфиламентационные). Представлены результаты эксперимента по дистанционной регистрация эмиссионных спектров свечения аэрозолей, возбуждённых плазменными, бесплазменными и постфиламентационными световыми каналами.
На защиту магистерской диссертации выносится следующее положение:
Плазменные, бесплазменные и постфиламентационные световые каналы, образованные в результате фазовой модуляции пространственного профиля фемтосекундного лазерного импульса, позволяют реализовать дистанционно - ориентированное обнаружение веществ по эмиссионным спектрам свечения. Для гарантированного детектирования аэрозолей на дистанциях до одного километра необходимо использовать плазменные, а на более протяженных дистанциях бесплазменные или постфиламентационные световые каналы.
По результатам магистерской диссертации были сделаны доклады на XXV Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Новосибирск, 2019 г.), XXVII Рабочей группе «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2020 г.).
Результаты, полученные в рамках подготовки магистерской диссертации, опубликованы в следующих работах:
1. Apeksimov D.V., Babushkin P.A., Zemlyanov A.A., Kabanov A.M., Matvienko G.G., Oshlakov V.K., Petrov A.V., Ryabtsev V.M. Peculiarities of the optical scheme “telescope - deformable mirror” in the problems of nonlinear optics // Proceedings of SPIE. 2019. V. 11208. P. 11208-1 - 11208-5.
2. Апексимов Д.В., Бабушкин П.А., Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Кабанов А.М., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В. К., Петров А. В., Рябцев В.М. Исследования эмиссионного свечения твердого вещества и антропогенных аэрозолей в поле мощного фемтосекундного лазерного излучения при его самофокусировке в воздухе для целей дистанционного зондирования атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 09. С. 698-704.
3. Апексимов Д.В., Бабушкин П.А., Землянов А.А., Кабанов А.М., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Петров А.В., Рябцев В.М. Особенности использования оптической схемы «телескоп - деформируемое зеркало» в задачах нелинейной оптики // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXV Международного симпозиума. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2019. - С. В376 - В379.
4. Апексимов Д.В., Бабушкин П.А., Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Кабанов А.М, Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Петров А.В., Рябцев В.М. Эмиссионные спектры свечения твёрдого аэрозоля и топографических мишеней на различном удалении от источника фемтосекундного лазерного излучения // Аэрозоли Сибири. XXVII Рабочая группа: Тезисы докладов. - Томск: Изд-е ИОА СО РАН. 2020. - С.94.
Исследование атмосферы контактными способами является затруднительным, так как отбор проб и дальнейший их анализ требует значительных временных затрат, поэтому бесконтактным (дистанционным) методам диагностики отдаётся предпочтение, вследствие оперативности получения информации.
Одним из дистанционных методов диагностики и мониторинга состояния атмосферы является метод лазерного дистанционного зондирования. Возможность определения характеристик воздушной среды на любом направлении лазерного луча и получения сведений о составе и свойствах атмосферы на различных высотах с высоким пространственным разрешением стимулировали их дальнейшее развитие. Одной из задач зондирования атмосферы является контроль поэлементного состава атмосферы. На данный момент для поэлементного анализа атмосферы используются лидарные системы, работающие как в узком спектральном диапазоне, так и в широком спектральном диапазоне. Основным недостатком систем, имеющих узкий спектральный диапазон является необходимость наличия определённых условий для распространения излучения и возможность определения наличия только тех веществ, возбуждение которых происходит только на выбранной длине волны. При использовании нескольких длин волн возникают трудности в отстройке системы, на что требуется дополнительное время. Так как аэрозоли имеют непостоянное пространственное распределение и изменчивые свойства, что затрудняет получение статистических данных об оптических характеристиках аэрозоля, потеря времени приводит к снижению получаемой информации. Следовательно, использование широкополосного источника излучения для исследований ведёт к повышению оперативности получения информации в широком спектральном диапазоне.
Здесь источником широкополосного излучения может выступать явление филаментации, которое реализуется при распространении ультракоротких лазерных импульсов в атмосфере. Наряду с этим, реализация комплекса нелинейно-оптических эффектов способствует формированию плазменных, бесплазменных и постфиламентационных световых каналов (ПФК), которые можно использовать для решения задачи доставки излучения с необходимыми характеристиками в заданную точку пространства, где осуществляется дистанционное зондирование.
Для задач поэлементного анализа атмосферы используются методы оптической спектроскопии. Одним из эффективных методов поэлементного анализа является эмиссионная лазерно-искровая спектроскопия [1]. Метод лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии базируется на детектировании характерных эмиссионных линий химических элементов, свечение которых происходит благодаря излучательному высвобождению энергии в результате рекомбинации свободных электронов с ионами и атомами после взаимодействия лазерного излучения с веществом. Этот метод позволяет осуществить количественное определение следовых компонентов пробы.
В настоящее время метод фемтосекундной лазерно-эмиссионной спектроскопии только развивается. Главными причинами этого являются - ограниченное число контролируемых протяженных натурных трасс и их недоступность большинству исследователей для проведения экспериментов с мощным фемтосекундным лазерным излучением.
Актуальность данной работы заключается в повышении чувствительности методов обнаружения следов загрязнения путём использования методики лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии на протяжённых атмосферных трасах. Суть работы заключается в разработке методики по возбуждению и регистрации эмиссионных спектров свечения аэрозолей в области множественной филаментации (ОМФ), управление которой осуществляется путем коррекции фазового и амплитудного фронта лазерного пучка. Для коррекции фазового и амплитудного фронта лазерного пучка будут использоваться биморфное деформируемое зеркало и амплитудные маски.
Целью данной работы является дистанционное обнаружение веществ по эмиссионным спектрам свечения, возбужденных плазменными, бесплазменными и постфиламентационными световыми каналами.
Для достижения поставленной цели будут решаться следующие задачи:
1) Обзор современного состояния исследований по теме диссертации.
2) Управление областью филаментации в условиях коррекции фазового и амплитудного фронта лазерного пучка при помощи биморфного деформируемого зеркала и амплитудных масок.
3) Дистанционная регистрация эмиссионных спектров свечения аэрозолей, возбуждённых плазменными, бесплазменными и постфиламентационными световыми каналами.
4) Анализ полученных результатов.
Первый раздел описывает физические основы явления филаментации фемтосекундных лазерных импульсов, а также основные нелинейнооптические эффекты, сопровождающие данный процесс.
Во втором разделе представлены существующие подходы к решению задачи управления положением и протяжённостью области множественной филаментации. Приведены результаты экспериментов по управлению областью филаментации в условиях коррекции фазового и амплитудного фронта лазерного пучка.
В третьем разделе приведены основные пространственные характеристики интенсивных световых каналов (бесплазменные, плазменные - филаменты, бесплазменные - постфиламентационные). Представлены результаты эксперимента по дистанционной регистрация эмиссионных спектров свечения аэрозолей, возбуждённых плазменными, бесплазменными и постфиламентационными световыми каналами.
На защиту магистерской диссертации выносится следующее положение:
Плазменные, бесплазменные и постфиламентационные световые каналы, образованные в результате фазовой модуляции пространственного профиля фемтосекундного лазерного импульса, позволяют реализовать дистанционно - ориентированное обнаружение веществ по эмиссионным спектрам свечения. Для гарантированного детектирования аэрозолей на дистанциях до одного километра необходимо использовать плазменные, а на более протяженных дистанциях бесплазменные или постфиламентационные световые каналы.
По результатам магистерской диссертации были сделаны доклады на XXV Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Новосибирск, 2019 г.), XXVII Рабочей группе «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2020 г.).
Результаты, полученные в рамках подготовки магистерской диссертации, опубликованы в следующих работах:
1. Apeksimov D.V., Babushkin P.A., Zemlyanov A.A., Kabanov A.M., Matvienko G.G., Oshlakov V.K., Petrov A.V., Ryabtsev V.M. Peculiarities of the optical scheme “telescope - deformable mirror” in the problems of nonlinear optics // Proceedings of SPIE. 2019. V. 11208. P. 11208-1 - 11208-5.
2. Апексимов Д.В., Бабушкин П.А., Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Кабанов А.М., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В. К., Петров А. В., Рябцев В.М. Исследования эмиссионного свечения твердого вещества и антропогенных аэрозолей в поле мощного фемтосекундного лазерного излучения при его самофокусировке в воздухе для целей дистанционного зондирования атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 09. С. 698-704.
3. Апексимов Д.В., Бабушкин П.А., Землянов А.А., Кабанов А.М., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Петров А.В., Рябцев В.М. Особенности использования оптической схемы «телескоп - деформируемое зеркало» в задачах нелинейной оптики // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXV Международного симпозиума. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2019. - С. В376 - В379.
4. Апексимов Д.В., Бабушкин П.А., Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Кабанов А.М, Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Петров А.В., Рябцев В.М. Эмиссионные спектры свечения твёрдого аэрозоля и топографических мишеней на различном удалении от источника фемтосекундного лазерного излучения // Аэрозоли Сибири. XXVII Рабочая группа: Тезисы докладов. - Томск: Изд-е ИОА СО РАН. 2020. - С.94.
В решении задач дистанционной оптической диагностики атмосферы, спектроскопии природных и техногенных веществ, на первый план выступают не энергетические параметры излучения, а его спектральный состав. Явление филаментации, которое реализуется при распространении лазерных импульсов сверхкороткой длительности, можно использовать для осуществления многочастотного многокомпонентного лидарного зондирования при измерении оптических и микрофизических параметров атмосферного аэрозоля. В данной работе экспериментальным путём было показано, что метод фемтосекундной лазерно-эмиссионной спектроскопии является перспективным для качественного дистанционного многоэлементного анализа антропогенных аэрозолей в атмосфере. Дистанционно-ориентированное обнаружение веществ, по эмиссионным спектрам свечения на заданном участке атмосферной трассы, осуществлялось путём возбуждения последних плазменными, бесплазменными и постфиламентационными световыми каналами, которые формируются при распространении фемтосекундных лазерных импульсов, в условиях коррекции фазового фронта лазерного пучка.
Исходя из результатов проведённых экспериментов были сделаны следующие заключения:
- Использование деформируемого зеркала для управления положением и протяжённостью плазменных каналов, образованных при филаментации фемтосекундных лазерных импульсов, путём внесения фазовых изменений в лазерный пучок, является эффективным методом управления положением и протяжённостью ОМФ.
- Использование амплитудных масок также является эффективным методом управления положением и протяжённостью ОМФ, но только на дистанциях до нескольких десятков метров, что может найти свое применение в прикладных задачах.
- Модельный эксперимент, проведённый на контролируемой трассе длиной 8 метров, показал возможность использования метода фемтосекундной лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии для дистанционной регистрации спектров веществ в виде твёрдого аэрозоля (имитация загрязняющего вещества).
- Установлено, что увеличение протяжённости ОМФ вдоль трассы распространения излучения приводит к росту детектируемого сигнала, что частично компенсирует потери, связанные с удалением образца от приёмника.
- Возможность управления пространственными характеристиками световых каналов вдоль дистанции распространения излучения позволила осуществить дистанционно-ориентированное возбуждение эмиссионных спектров свечения контрольных образцов.
Также было определено, что для гарантированного детектирования аэрозолей на дистанциях до одного километра необходимо использовать плазменные, а на более протяженных дистанциях бесплазменные или постфиламентационные световые каналы.
Исходя из результатов проведённых экспериментов были сделаны следующие заключения:
- Использование деформируемого зеркала для управления положением и протяжённостью плазменных каналов, образованных при филаментации фемтосекундных лазерных импульсов, путём внесения фазовых изменений в лазерный пучок, является эффективным методом управления положением и протяжённостью ОМФ.
- Использование амплитудных масок также является эффективным методом управления положением и протяжённостью ОМФ, но только на дистанциях до нескольких десятков метров, что может найти свое применение в прикладных задачах.
- Модельный эксперимент, проведённый на контролируемой трассе длиной 8 метров, показал возможность использования метода фемтосекундной лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии для дистанционной регистрации спектров веществ в виде твёрдого аэрозоля (имитация загрязняющего вещества).
- Установлено, что увеличение протяжённости ОМФ вдоль трассы распространения излучения приводит к росту детектируемого сигнала, что частично компенсирует потери, связанные с удалением образца от приёмника.
- Возможность управления пространственными характеристиками световых каналов вдоль дистанции распространения излучения позволила осуществить дистанционно-ориентированное возбуждение эмиссионных спектров свечения контрольных образцов.
Также было определено, что для гарантированного детектирования аэрозолей на дистанциях до одного километра необходимо использовать плазменные, а на более протяженных дистанциях бесплазменные или постфиламентационные световые каналы.