38948

Физические процессы взаимодействия лазерного излучения с веществом

Контрольная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Физические процессы взаимодействия лазерного излучения с веществом. Действия лидаров для исследования атмосферы основано: лазерное излучение распространяясь в реальной атмосфере оставляет в ней след вызванный взаимодействием фотонов лазерного излучения с атомами и молекулами газов частицами аэрозолей и неоднородностями атмосферы обусловленными турбулентными вихревыми движениями воздуха. Это взаимодействие прежде всего проявляется в упругом и неупругом рассеянии лазерного излучения в атмосфере при которых в частности образуется...

Русский

2013-09-30

558 KB

7 чел.

МЛДЗ

5. Физические процессы взаимодействия лазерного излучения с веществом.

 

Действия лидаров для исследования атмосферы основано: лазерное излучение, распространяясь в реальной атмосфере, оставляет в ней «след», вызванный взаимодействием фотонов лазерного излучения с атомами и молекулами газов, частицами аэрозолей и неоднородностями атмосферы, обусловленными турбулентными (вихревыми) движениями воздуха.

Это взаимодействие, прежде всего, проявляется в упругом и неупругом рассеянии лазерного излучения в атмосфере, при которых в частности образуется лазерные эхо-сигналы обратного рассеяния от исследуемых участков атмосферы, что следует из формулы для пиковой мощности принимаемого эхо сигнала обратного рассеяния:

-  - пиковая мощность зондируемого импульса лазерного излучения, где на выходе лазера - передающее устройство лидара

- - коэффициент пропускания лазерного излучения передающей оптической системы

-  - коэффициент пропускания лазерного излучения приемным объективом

-  - коэффициент пропускания лазерного излучения оптическим фильтром в приемной оптической системе

-  - диаметр входного зрачка приемного объектива

-  - толщина исследуемого слоя атмосферы (ΔR=и) при длительности зондируемого импульса τи, что соответствует разрешающей способности лидара по дистанции

-  – расстояние от лидара до слоя атмосферы

-  - коэффициент объемного рассеяния лазерного излучения в исследуемом слое атмосферы

-  - модуль вектора индикатрисы рассеяния лазерного излучения в исследуемом слое атмосферы в обратном направлении при φ=π (рад)

- коэффициент пропускания лазерного излучения атмосферой на удвоенной дистанции R от лидара до исследуемого слоя атмосферы

-  - коэффициент ослабления лазерного излучения в атмосфере на трассе до исследуемого слоя за счет рассеяния и поглощения атмосферными газами

-  - коэффициент ослабления за счет поглощения атмосферными газами

-  - коэффициент ослабления за счет рассеяния атмосферными газами

Выражение для  является энергетическим уравнением лидаров для исследования атмосферы, где информация о параметрах и свойствах атмосферы содержится в ,  и

Произведение:

-  - площадь эффективного поперечного сечения центров упругого молекулярного рассеяния зондирующего лазерного излучения молекулами газовых компонент атмосферы

-  - площадь эффективного поперечного сечения центров упругого аэрозольного рассеяния зондирующего лазерного излучения аэрозолями в атмосфере земли

-  - площадь эффективного поперечного сечения центров неупругого резонансного или комбинационного рассеяния зондирующего лазерного излучения газовыми компонентами атмосферы

-  - концентрации молекул, аэрозолей и компонент атмосферы, вызывающих неупругое рассеяние в исследуемом слое атмосферы

Регистрируя эхо-сигнал обратного упругого молекулярного или аэрозольного рассеяния можно определить прозрачность атмосферы. Установлено, что при уменьшении оптической плотности атмосферы, длительность переднего фронта сигнала возрастает. Деформация импульса лазерного излучения в рассеивающей атмосфере предназначена для использования в лидарах для определения метеорологической дальности видимости на аэродромах или в морских акваториях. В таких лидарах предусмотрены измерения моментов максимума интенсивности импульса обратного упругого рассеяния Pор по сравнению с моментом максимума зондирующего импульса Pи, длительности импульса обратного рассеяния по уровню 0,5 от τmax 0,5 Pор) и крутизны фронтов импульса обратного рассеяния (τφ1, τφ2).

Исследования прозрачности атмосферы позволяют так же изучать загрязненность атмосферы и определять пространственное распределение загрязняющих веществ. Объемный коэффициент рассеяния  измеренный при это м с помощью лидаров в большинстве случаев является суммой коэффициентов аэрозольного и молекулярного рассеяния.

Расширение информации о свойствах атмосферы и ее составе может быть получено при использовании эффектов резонансного или комбинационного неупругого молекулярного рассеяния лазерного излучения газами атмосферы.

Сущность резонансного рассеяния лазерного излучения: эти компоненты селективно поглощают лазерное излучение, когда длинна волны λи или частота νи=с/ λи совпадает с линией или полосой поглощения молекул газовых компонент атмосферы, а поглощенная энергия, спустя некоторое время, спонтанно переизлучается в пространство (τпи=10-14 сек).

Частота νii=c/ νi) переизлученного эхо-сигнала может отличаться от νии) поглощенного зондирующего лазерного излучения.

Комбинационное рассеяние лазерного излучения упрощенно можно рассматривать как результат взаимодействия фотонов зондирующего лазерного излучения с Ekhνи с молекулами газовых компонент атмосферы, способными принимать или отдавать ΔEihνi.

Если лазерное излучение взаимодействует с молекулой, находящейся в невозбужденном энергетическом состоянии, то оно отдает молекуле часть энергии и превращается в излучение с меньшей энергией фотонов:

hν’i= hνи-hνi и соответственно с меньшей частотой ν’i= νиi – стоксово излучение.

Если лазерное излучение взаимодействует с молекулой, находящейся в возбужденном колебательно-вращательном состоянии, т.е. обладающей hνи, то оно забирает из молекулы эту энергию и превращается в излучение с большей энергией фотонов: hν’i= hνи+hνi; ν’i= νиi – антистоксово излучение.

В результате рассмотренных эффектов в спектре эхо-сигнала обратного рассеяния кроме частоты зондирующего лазерного излучения νи за счет упругого рассеяния присутствует ряд линий резонансного или колебательного рассеяния.

Эти линии смещены относительно νи зондирующего лазерного излучения по шкале частот на определенные величины, обусловленные вынужденными энергетическими переходами молекул.

Поскольку собственные резонансные частоты молекул однозначно определяются их свойствами, то по смещению спектральных линий можно судить о наличии в атмосфере различных газовых компонент (и загрязняющих), а по интенсивности – о количестве вещества.

В лидарах для исследования атмосферы применяются импульсные лазеры с λи=0,3-14 мкм, т.к. молекулы практически всех веществ и загрязняющих газовых компонент атмосферы имеют в этом диапазоне длин волн вынужденные энергетические переходы.

Однако не используются участки спектра оптического излучения: νи=2,5÷2,9; 4,2÷4,4; 5,5÷7,5; 14-16 мкм в связи с очень сильным поглощением оптического излучения на этих длинах волн углекислым газом и парами воды в атмосфере.

С помощью лидаров можно определить концентрацию различных газовых компонент в атмосфере Земли от 10-6÷10-3 отн. ед.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

6921. Внеполосное радиоизлучение 136 KB
  Внеполосное радиоизлучение Внеполосное радиоизлучение - нежелательное излучение в полосе частот примыкающей к необходимой полосе частот, является результатом модуляции сигнала. Причины появления: применение для передачи сигналов с большой...
6922. Антенные устройства и среда распространения 67 KB
  Антенные устройства и среда распространения Энергетические характеристики Степень воздействия ИП на РП зависит: от коэффициентов ослабления помех в фидерах...
6923. Характеристики среды распространения влияющих на ЭМС 70 KB
  Характеристики среды распространения влияющих на ЭМС Ослабление определяется: особенностями распространения радиоволн различных частотных диапазонов отражение и рассеяние в тропосфере образование тропосферных волноводов отраж...
6924. Излучающие свойства и связь экранов 44 KB
  Излучающие свойства и связь экранов. Из-за неполного экранирования на внешних поверхностях экранов и элементов фидеров протекают электрические токи. Связь элементов ИП с РП определяется: действие полей на антенны РП появление наведенных...
6925. Блокирование, перекрестные искажения и интермодуляция 64.5 KB
  Блокирование, перекрестные искажения и интермодуляция. Воздействие помехи, значительно превышающей по уровню полезный сигнал, возможно помимо основного и побочного каналов приема. Влияние проявляется в виде: блокирование - изменение уровн...
6926. Индустриальные помехи 44.5 KB
  Индустриальные помехи. - электромагнитные помехи создаваемые различными электронными и электротехническими устройствами используемые в технике и быту. Причины появления: в цепях устройств протекают переменные электрические токи и создание поме...
6927. Методы анализа ЭМС 38 KB
  Методы анализа ЭМС. Анализ ЭМС проводят с целью определения возможности совместной работы радиотехнических, электронных и электротехнических средств. Группы задач: Исследование показателей ЭМС устройств и их элементов. Исследование элект...
6928. Расчет источников вторичного питания 132.5 KB
  Расчет источников вторичного питания Расчет трансформатора. Типовой источник электропитания содержит трансформатор, выпрямитель и сглаживающий фильтр, поэтому расчет состоит из определения параметров трансформатора, выборе диодов выпрямителя и...
6929. Шум и его влияние на организм. Предупреждение вредного действия шума на производстве 71.5 KB
  Шум - беспорядочное сочетание различных по силе и частоте звуков способен оказывать неблагоприятное воздействие на организм. Источником шума является любой процесс, вызывающий местное изменение давления или механические колебания в твердых, жи...