Устройство для измерения порога дистанционного оптического пробоя

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при дистанционном лазерном зондировании элементного состава атмосферных газов. Устройство содержит импульсный лазер, установленную на его оптической оси фокусирующую оптическую систему, а также светоделительную пластинку, два фотоприемника, пиковый детектор, акустический приемник, измеритель временных интервалов и вычислительное устройство. Светоделительная пластинка установлена на оптической оси импульсного лазера между его выходным зеркалом и фокусирующей оптической системой и оптически сопрягает выходное зеркало лазера с входом первого фотоприемника, а фокусирующую оптическую систему - с входом второго фотоприемника, при этом выход первого фотоприемника соединен с пиковым детектором, выход которого подключен ко второму входу вычислительного устройства. Акустический приемник жестко связан с оптической системой, выход его соединен с первым входом измерителя временных интервалов, второй вход которого соединен с выходом второго фотоприемника, а выход измерителя временных интервалов соединен с первым входом вычислительного устройства. Техническим результатом является уменьшение погрешности измерения. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при дистанционном лазерном зондировании элементного состава атмосферных газов и аэрозолей спектрохимическим методом, а также в научных исследованиях.

Известно устройство для измерения порога оптического пробоя [1] (прототип), имеющее в своем составе мощный импульсный лазер и установленную на оптической оси лазера фокусирующую систему. Порог оптического пробоя определяют посредством измерения тем или иным путем мощности лазерных импульсов, последовательно генерируемых лазером и направляемых в исследуемую среду, при этом факт пробоя устанавливается визуально по появлению световой вспышки в области фокуса оптической системы.

Основным недостатком известного технического решения является большая величина погрешности измерения порога оптического пробоя, которая обусловлена тремя основными факторами.

Первым из этих факторов является то, что, вследствие низкой частоты повторения лазерных импульсов (а временной интервал между импульсами генерации мощных лазеров, применяемых в дистанционном спектрохимическом анализе состава атмосферы, составляет, как правило, несколько минут и более), время одного цикла измерений порога оптического пробоя (10-15 лазерных пусков) становится значительно больше характерного времени изменения оптико-метеорологических параметров атмосферы, влияющих на условия распространения и фокусировки лазерного пучка. Кроме того, за это время могут измениться и физико-химические параметры среды, в которой инициируется оптический пробой, что также имеет существенное влияние на его пороговые характеристики. Таким образом, корректное измерение порогов оптического пробоя с использованием известного технического решения возможно только в строго контролируемых лабораторных условиях при фиксированных значениях параметров среды, в которой распространяется лазерное излучение. Применение данного технического решения в условиях реальной атмосферы, характеризующейся относительно быстрым изменением своих параметров, приводит к большим погрешностям в определении порога оптического пробоя.

Другим фактором, также приводящим к увеличению погрешности измерений, является то обстоятельство, что даже в условиях фиксированных значений параметров среды распространения оптического излучения вследствие дискретности генерации инициирующих пробой лазерных импульсов порог оптического пробоя определяется с точностью до величины разности амплитудных значений двух следующих один за другим лазерных импульсов - первого, вызвавшего оптический пробой, и предшествующего ему.

Третьим фактором, увеличивающим погрешность измерений, является то, что при дистанционной фокусировке инициирующего оптический пробой лазерного излучения плотность мощности последнего плавно возрастает по мере приближения к точке каустики оптической системы и становится в этой точке максимальной. Оптический пробой возникает, как правило, не в области каустики оптической системы, а в зоне, предшествующей области каустики, где фокусируемое оптической системой лазерное излучение достигает плотности мощности, превышающей порог оптического пробоя (см. фиг.1). Плотность мощности лазерного излучения в зоне возникновения оптического пробоя может быть существенно меньше плотности мощности в области каустики, что не учитывалось в измерительной схеме, реализованной в устройстве-прототипе, и приводило к дополнительной погрешности измерений.

Кроме того, к недостаткам известного технического решения можно отнести необходимость осуществления большого числа пусков излучения мощного лазера для проведения единичного измерения порога оптического пробоя, что существенно уменьшает ресурс работы дорогостоящего мощного лазера.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является устранение перечисленных факторов, приводящих к основным погрешностям измерения порога оптического пробоя. Технический результат - уменьшение погрешности измерения порога дистанционного оптического пробоя.

Второй задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является устранение необходимости произведения многократных лазерных пусков для осуществления единичного измерения порога оптического пробоя. Технический результат - экономия ресурса работы мощного лазера.

Указанные технические результаты достигаются тем, что, так же как и известное, предлагаемое устройство имеет в своем составе мощный импульсный лазер и установленную на его оптической оси фокусирующую оптическую систему. Но, в отличие от известного, в составе предлагаемого устройства дополнительно присутствуют светоделительная пластинка, два фотоприемника, пиковый детектор, акустический приемник, измеритель временных интервалов и вычислительное устройство, причем светоделительная пластинка установлена на оптической оси лазера между его выходным зеркалом и фокусирующей оптической системой и оптически сопрягает выход лазера с первым фотоприемником, а фокусирующую оптическую систему - со вторым фотоприемником, при этом выход первого фотоприемника соединен с входом пикового детектора, выход которого соединен со вторым входом вычислительного устройства, акустический приемник жестко связан с оптической системой, и выход его соединен с первым входом измерителя временных интервалов, второй вход которого соединен с выходом второго фотоприемника, а выход измерителя временных интервалов соединен с первым входом вычислительного устройства.

Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг.1.

Устройство имеет в своем составе импульсный лазер 1, на оптической оси которого последовательно установлены светоделительная пластинка 2 и фокусирующая оптическая система 3, с которой жестко связан акустический приемник 4. Посредством светоделительной пластинки 2 фотоприемник 5 оптически сопряжен с оптической системой 3, а фотоприемник 6 - с выходом импульсного лазера 1. Измеритель временных интервалов 7 первым своим входом подключен к выходу акустического приемника 4, а вторым - к выходу фотоприемника 5. Выход фотоприемника 6 через пиковый детектор 8 подключен к второму входу вычислительного устройства 9, к первому входу которого подключен выход измерителя временных интервалов 7.

Устройство работает следующим образом. Инициирующий оптический пробой лазерный импульс генерируется лазером 1 и, пройдя через светоделительную пластинку 2, поступает на оптическую систему 3, которая фокусирует лазерное излучение в атмосферу, где, при достижении излучением пороговой величины плотности мощности, происходит оптический пробой. Канал распространения лазерного излучения после прохождения оптической системы имеет вид конуса, основанием которого является фокусирующая система, а вершина находится в фокусе последней. На фиг.2 приведен вид продольного сечения этого конуса, где R - радиус зеркала фокусирующей системы, F - ее фокусное расстояние, L - расстояние от фокусирующей системы до зоны локализации первых очагов оптического пробоя, r - радиус сечения конуса S_r, в котором плотность мощности лазерного излучения достигает пороговой величины. Таким образом, плотность лазерного излучения после прохождения оптической системы плавно возрастает по мере удаления от оптической системы и приближения ее к фокальной плоскости. Оптический пробой возникает на некотором расстоянии L от оптической системы, соответствующим такому геометрическому размеру сечения канала распространения оптического излучения, при котором плотность мощности лазерного излучения достигает пороговой величины. Исходя из подобия полученных треугольников, можно получить соотношение:

или

Отсюда плотность мощности лазерного излучения P_r в сечении конуса фокусировки, соответствующем радиусу r (зона возникновения первых очагов оптического пробоя), определяется соотношением

где Р - мощность излучения на входе оптической системы 3.

Излучение плазмы оптического пробоя принимается той же оптической системой 3 и посредством светоделительной пластинки 2 подается на вход фотоприемника 5, преобразуется в электрический сигнал и поступает на второй вход измерителя временных интервалов 7. При поступлении этого сигнала измеритель 7 начинает отсчет времени. Возникший в атмосфере очаг оптического пробоя является источником интенсивного акустического сигнала [2], который улавливается акустическим приемником 4, преобразуется в электрический сигнал и подается на первый вход измерителя временных интервалов 7, который по поступлению этого сигнала прекращает отсчет времени. Временной интервал τ, который отсчитает в этом случае измеритель 7, будет связан с расстоянием L соотношением:

где С - скорость звука в воздухе.

Отсюда следует соотношение для определения расстояния от фокусирующей системы до зоны, в которой плотность мощности лазерного излучения достигает пороговой величины:

Известная часть излучения импульсного лазера 1 отводится делительной пластинкой 2 на фотоприемник 6, который совместно с пиковым детектором 8 служит для контроля мощности излучения лазера 1. Сигнал с выхода пикового детектора 8, пропорциональный мощности Р излучения лазера 1, поступает на второй вход вычислительного устройства 9, на первый вход которого поступает сигнал с выхода измерителя временных интервалов 7, характеризующий длительность временного интервала τ, соответствующего расстоянию L. На основании этого вычислительное устройство 9 осуществляет вычисление пороговой плотности мощности оптического пробоя P_r исходя из соотношений (3) и (5):

где F и R - известные оптические и геометрические характеристики фокусирующей оптической системы 3, С - известная величина скорости звука в воздухе, Р и τ - величины, измеренные входящими в состав устройства измерительными блоками.

Поскольку для измерения порога оптического пробоя с использованием предлагаемого устройства достаточно проведение единичного лазерного пуска, все время измерения не превышает длительности инициирующего пробой лазерного импульса (10-1000 нсек), в течение которого все параметры среды, в которой распространяется лазерное излучение, остаются неизменными. Это обстоятельство устраняет первый из вышеперечисленных факторов погрешности измерений, свойственных прототипу.

Вследствие плавности возрастания плотности мощности излучения в сечении лазерного пучка, фокусируемого оптической системой 3, и определением фактического расстояния до зоны возникновения первых очагов оптического пробоя (или, что то же самое, определения фактической площади геометрического сечения конуса схождения лазерного пучка, в котором возникает оптический пробой), при определении порога оптического пробоя исключаются погрешности, вызванные дискретностью амплитуд инициирующих пробой лазерных импульсов и неопределенностью площади сечения конуса схождения лазерного пучка в пороговой зоне оптического пробоя, свойственные устройству-прототипу.

Кроме того, возможность осуществления измерения порога оптического пробоя в течение одного лазерного пуска приводит к многократной экономии ресурса работы мощного лазера.

Литература

1. Ю.П.Райзер. “Лазерная искра и распространение разрядов”. Наука, 1974, с.12-14.

2. В.Е.Зуев, А.А. Землянов, Ю.Д.Копытин. Современные проблемы атмосферной оптики. т.6. Нелинейная оптика атмосферы, стр.200-203. Л.: Гидрометеоиздат, 1989.

Устройство для измерения порога дистанционного оптического пробоя, содержащее импульсный лазер и установленную на его оптической оси фокусирующую оптическую систему, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит светоделительную пластинку, два фотоприемника, пиковый детектор, акустический приемник, измеритель временных интервалов и вычислительное устройство, причем светоделительная пластинка установлена на оптической оси импульсного лазера между его выходным зеркалом и фокусирующей оптической системой и оптически сопрягает выходное зеркало лазера с входом первого фотоприемника, а фокусирующую оптическую систему - с входом второго фотоприемника, при этом выход первого фотоприемника соединен с пиковым детектором, выход которого подключен к второму входу вычислительного устройства, а акустический приемник жестко связан с оптической системой, выход его соединен с первым входом измерителя временных интервалов, второй вход которого соединен с выходом второго фотоприемника, выход измерителя временных интервалов соединен с первым входом вычислительного устройства.