РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЛИДАРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2018.75.9.002

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЛИДАРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ 

Научная статья

Голик С.С.^1, *, Лисица В.В.², Майор А.Ю.³, Толстоногова Ю.С.⁴, Бабий М.Ю.⁵, Нагорный И.Г.⁶

¹ ORCID: 0000-0003-4199-4163;

² ORCID: 0000-0002-3482-5188;

³ ORCID: 0000-0002-3562-3078;

⁴ ORCID: 0000-0002-3680-6992;

⁵ ORCID: 0000-0001-7162-576X;

⁶ ORCID: 0000-0001-8376-1881,

^{1, 2, 3, 4, 5, 6} Дальневосточный Федеральный Университет, Владивосток, Россия

* Корреспондирующий автор (golik.ss[at]dvfu.ru)

Аннотация

Получены данные лидарного зондирования атмосферы в переходной зоне материк-океан тремя модификациями фемтосекундного лидара, основанными на титан-сапфировом лазере с чирпированным усилением мощности: лидар упругого рассеяния, лидар комбинационного рассеяния и лидар белого света. В режиме лидара белого света зарегистрированы эмиссионные линии первой положительной системы молекул азота. Представлено сравнение полученных данных с результатами лидарного зондирования с использованием лазерных импульсов наносекундной длительности.

Ключевые слова: фемтосекундные импульсы, суперконтинуум, лидар.

DEVELOPMENT OF ATMOSPHERE LIDAR SOUNDING METHODS WITH FEMTOSECOND IMPULSES

Research article

Golik S.S.¹, *, Lisitsa V.V.², Major A.Yu.³, Tolstonogova Yu.S.⁴, Babiy M.Yu.⁵, Nagorny I.G.⁶

¹ ORCID: 0000-0003-4199-4163;

² ORCID: 0000-0002-3482-5188;

³ ORCID: 0000-0002-3562-3078;

⁴ ORCID: 0000-0002-3680-6992;

⁵ ORCID: 0000-0001-7162-576X;

⁶ ORCID: 0000-0001-8376-1881,

PhD in Physics and Mathematics

^{1, 2, 3, 4, 5, 6} Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russia

* Corresponding author (golik.ss[at]dvfu.ru)

Abstract

Data were obtained for lidar sounding of the atmosphere in the continent-ocean transition zone by three modifications of a femtosecond lidar, based on a titanium-sapphire laser with chirped power amplification: elastic scattering lidar, Raman scattering lidar, and white light lidar. In the lidar mode of white light, the emission lines of the first positive system of nitrogen molecules were registered. A comparison of the obtained data with the results of lidar sounding using laser pulses of nanosecond duration is presented.

Keywords: femtosecond pulses, supercontinuum, lidar.

Особенностью дистанционного зондирования атмосферы с использованием фемтосекундных лазеров является использование излучения суперконтинуума (СК), как явления спектрального и пространственно-временного уширения мощного ультракороткого зондирующего импульса. Процесс генерации СК сопровождается процессом филаментации исходного импульса, когда значение мощности импульса превышает определенный порог (≈ 3,2 ГВт в воздухе), нелинейная добавка к показателю преломления становится значимой в зоне взаимодействия и происходит самофокусировка лазерного излучения, а затем наблюдаются эффект филаментации и генерации конической эмиссии [1, С. 592]. Спектральные компоненты СК распределены в конусах, а направление излучения СК - в направлении распространения зондирующего импульса. Излучение СК наблюдается как в стоксовой части спектра по отношению к длине волны лазера, так и в антистоксовой части спектра в диапазоне нескольких спектральных октав. Потери энергии импульса для филаментации и генерации конических выбросов СК составляют не более 20%. Таким образом, широкополосный источник короткого импульса с характеристиками, близкими к лазерным источникам, формируется на траектории зондирования.

Использование эффекта генерации СК открыло новые возможности для измерения атмосферных параметров методом лидарного зондирования. Первые шаги в использовании терраватного фемтосекундного лидара в 1990х годах показали, что при зондировании атмосферы фемтосекундными лазерными импульсами формируется источник СК, который позволяет исследовать атмосферу на высотах от 12 до 15 км [2, С. 73], [3, С. 51]. В рамках проекта «Teramobile» за последние два десятилетия были разработаны современные терраватные лидарные системы, решены многие проблемы атмосферной оптики и накоплен методологический опыт [4, С. 1633-1713]. Особенности филамента, используемого в качестве источника излучения широкого спектра зондирующего излучения, приводят к пересмотру основных требований к лидарным системам, методам регистрации лидарных сигналов и лидарному уравнению [5, С. 2717], [6, С. 157]. Теоретически можно оценить положение нелинейного фокуса с учетом длины волны, сечения коллимированного импульса и отношения его мощности к критическому значению [7, С. 35]. Экспериментально и теоретически доказана возможность дистанционного позиционирования точек филаментации и генерации СК. Можно сформировать множество филаментов как в направлении распространения, так и в поперечном сечении импульса [8, С. 243].

Целью настоящей работы является определение возможностей зондирования атмосферы в переходной зоне материк-океан фемтосекундным лидаром с использованием лазерных импульсов гигаваттного уровня по мощности.

Для фемтосекундного лидарного зондирования атмосферы была собрана экспериментальная установка (схема изображена на рис. 1). В экспериментальной установке использовалась коаксиальная схема, в которой лазерный источник и система детекторов расположены в одном месте (в нашем случае в качестве детектора был использован телескоп Кассегрена диаметром 300 мм со спектрометром или фотоумножителем). В качестве зондирующего излучения используется титан-сапфировый лазер с центральной длиной волны 800 нм (40 фс, 7 мДж) для зондирования атмосферы в режиме генерации СК (лидар белого света). В качестве приемника используется телескоп в сочетании с стробированной высокочувствительной камерой с оптическим усилителем яркости (ЭОП) (PI-MAX3, Princeton Instruments), длиной волны 350-800 нм, минимальным временем экспозиции 3 нс, временем задержка от 1 нс до десятков секунд и спектрограф Spectra Pro 2300i (Princeton Instruments). В качестве чувствительного излучения используется вторая гармоника титан-сапфирового лазера (длина волны 400 нм) для реализации режимов многофотонного поглощения и флуоресценции (с использованием кристалла бета-бората бария (BBO)). В этом случае в качестве приемника телескоп совмещен со спектрометром (Newport 77480) и 16-канальным фотоумножителем (10515B-04, Hamamatsu), который обеспечивает более высокую чувствительность и спектральное разрешение.

Рис. 1 – Схема экспериментальной установки:

1 - Лазер с двухкаскадным усилителем Spitfire XP (Spectra Physics); 2, 3 - система зеркал UFM10R Throlabs, 4 - телескоп Celestron Advanced C11-SGTXLT, диафрагма 279 мм, фокусное расстояние: 2800 мм, относительная диафрагма: 1/10; 5 - вход детектора с полевой диафрагмой, держателем оптического фильтра и оптическим соединением; 6 - оптоволокно, 7 - фотоумножитель (R7400U-2, Hamamatsu), 8-спектрограф (SpectraPro 2300i) в сочетании с ICCD (PI-MAX3: 1024i, Princeton Instruments) или спектрограф (77480, Newport, дифракционная решетка 300 линий / мм, входная щель 1 мм) в сочетании с 16-канальным фотоумножителем (H10515B-04, Hamamatsu) и высокоскоростными АЦП (ADM216 100M)

В третьем варианте в качестве детектора используется фотоумножитель (Hamamatsu R7400U-2, 300-850 нм) со сменными оптическими фильтрами (Thorlabs FKB-VIS-10), обеспечивающий максимальную чувствительность обнаружения сигнала в диапазонах длин волн 445-455, 495-505, 545-555, 595 -605, 645-655, 695-705, 745-755, 795-805 нм (в зависимости от фильтра). Лидарное зондирование проводилось при ~85 P_cr (критическая мощность самофокусировки) на центральной длине волны 800 нм в атмосфере с частотой повторения импульсов 1 кГц и использованием технологии «чирпирования» лазерного излучения, угол атмосферных треков варьировался в диапазоне 10-45 градусов. В оптической схеме белого лидара использовался телескоп, дважды уменьшающий диаметр исходного лазерного луча, поэтому в этом случае интенсивность генерации СК была увеличена [9, С. 1044-1046], [10, С. 135-140].

На рис. 2 показаны возможности лидара комбинационного рассеяния с использованием фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 400 нм. Между зеркалами 2 и 3 (см. рис.1) был установлен кристалл BBO толщиной 300 мкм. В результате было получено излучение на центральной длине волны 400 нм с полушириной спектра ~ 5 нм, энергия в импульсе 1,2 мДж; частота повторения 1 кГц, начальный диаметр луча - 10 мм. Регистрация проводилась системой ICCD при зондировании на второй гармонике и показала возможность обнаружения линии комбинационного рассеяния азота (441 нм).

На рис. 3 показаны ослабленные вертикальные профили вертикального рассеяния R (z) (коэффициент ослабленного рассеяния) [11, С. 565] для случаев лазерных импульсов наносекундной длительности (при λ = 355 нм) и фемтосекундной длительности (при λ = 400 нм) где

β_a (z), β_m (z) - коэффициенты аэрозольного и молекулярного рассеяния соответственно; α_a (z) коэффициент экстинкции атмосферного аэрозоля; P (z) и P_m (z) - лидарные сигналы, вызванные действительной и молекулярной атмосферой, соответственно, z - расстояние до области зондирования. Можно заметить, что R (z) для этих двух случаев практически одинаковы. Небольшие различия связаны с различными конфигурациями систем приема и передачи сигнала, а также спектральной зависимостью коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции для молекулярных и аэрозольных атмосферных компонентов, на которые также влияет соотношение R (z). Равновесные отношения лидарных сигналов, вызванные реальной и молекулярной атмосферой (R (z)) для зондирования наносекундными и фемтосекундными импульсами, подтверждают предположение о линейном распространении «постфиламентации» фемтосекундного излучения в атмосфере [11, С. 566].

Рис. 2 – Обнаружение линии комбинационного рассеяния азота с помощью фемтосекундного лидара:

(а) изображение ICCD камеры, (б) линии N₂

Рис. 3 – R(z) для наносекундных импульсов (λ = 355 нм) и фемтосекундных импульсов (λ = 400 нм)

На рис. 4 (а) показан широкополосный сигнал рассеяния в атмосфере (начальное расстояние 75 м, шаг 28,5 м). На рис. 4 (б) выделяются линии в спектрах, полученных на фоне излучения СК на длинах волн 815 нм и 847 нм. Также линии были зарегистрированы на длинах волн 752, 760, 775 нм, имеющие значительно меньшие интенсивности, чем основной лазерный импульс. По нашим оценкам, эти линии соответствуют первой положительной системе молекулы азота.

Рис. 4 – Лидарный широкополосный сигнал рассеяния в атмосфере:

(а) диапазон длин волн 740-880 нм, (б) диапазон длин волн 810-850 нм

На рис. 5 (а) показана возможность регистрация конической эмиссии в диапазоне высоты 75-225 м (на спектрографе в сочетании с ICCD камерой) и (б), (в) – S-функции лидарного сигнала для переходной зоне материк-океан, полученной при энергии лазерного излучения 7 мДж на центральной длине волны 800 нм и длительность импульса 50 фс. Угол наклона трассы зондирования составлял 25 градусов. Для получения лидарных сигналов (б) и (в) использовалась схема лидара упругого рассеяния с оптическими фильтрами с пропусканием в диапазоне 795-805 нм (для (б)) и 745-755 нм (для (в)). На рис. 5 показано, что конфигурация лидара упругого рассеяния позволяет получать сигнал с расстояния до 12 км при длине волны излучения (800 ± 5) нм и до 2,5 км при длине волны излучения (750 ± 5) нм.

Рис. 5 – Регистрация конической эмиссии в диапазоне высоты 75-225 м (а) и S-функция лидарного сигнала в диапазоне 795-805 нм (б) и 745-755 нм (в)

Согласно полученным результатам использование фемтосекундных импульсов гигаваттной мощности позволяет проводить зондирование атмосферы в конфигурации лидара упругого рассеяния на расстояниях до 12 км и в конфигурации лидара белого света до 2,5 км на длине волны (750 ± 5) нм. Ослабленные вертикальные профили вертикального рассеяния R (z) для случаев лазерных импульсов наносекундной длительности (при λ = 355 нм) и фемтосекундной длительности (при λ = 400 нм) практически одинаковы, что подтверждает предположение о линейном распространении «постфиламентации» фемтосекундного излучения в атмосфере.

Финансирование Работа поддержана Российским Научным Фондом в ДВФУ (соглашение №14-50-00034) с использованием установок ЦКП ЛАМИ ИАПУ ДВО РАН.	Funding The work was supported by the Russian Science Foundation in the FEFU (agreement No. 14-50-00034) using the LAMI IACP FED RAS facilities.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Alfano R. R. Observation of self-phase modulation and small-scale filaments in crystals and glasses / R. R. Alfano, S. L. Shapiro // Phys. Rev. Lett. – 1970. – 24. – P 592
2. Braun A. Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in air / Braun A., Korn G., Liu X. and others // Opt. Lett. – 1995. – 20(1). – P. 73.
3. Woste L. Femtosecond atmospheric lamp / Woste L., Wedekind C., Wille H. and others // Laser und Optoelektronik. – 1997. – 29. – P. 51.
4. Berge L. Ultrashort filaments of light in weakly ionized, optically transparent media / Berge L., Skupin S., Nuter R. and others // Rep. Prog. Phys. – 2007. – 70. – P. 1633–1713.
5. Geints Y. E. Broadband emission spectrum dynamics of large water droplets exposed to intense ultrashort laser radiation / Geints Y. E., Kabanov A. M., Matvienko G. G. and others // Optics Letters. – 2010. – 35(16). – P. 2717-2719.
6. Faye G. Modifications to the lidar equation due to nonlinear propagation / Faye G., Kasparian J., Sauerbrey R. // Appl. Phys. B, Lasers and Optics. – 2001. – 73. –P. 157.
7. Marburger J.H. Progress in Quantum Electronics, Pergamon, Oxford. – 1975. – 4 – P. 35.
8. Geints Y.E. Model description of intense ultra-short laser pulse filamentation: multiple foci and diffraction rays / Geints Y.E., Bulygin A.D., Zemlyanov A.A. // Applied Physics. – 2012. – B107(1). – P. 243.
9. Golik S. S. The influence of laser pulse repetition rate on the intensity of spectral lines in femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy of a liquid / Golik S. S., Ilyin A. A., Babiy M. Yu. And othrs // Technical Physics Letters. – 2015. – 41(11). – P. 1044-1046.
10. Apeksimov D. V. Multiple filamentation of collimated laser radiation in water and glass / Apeksimov D. V., Golik S. S., Zemlyanov A. A. and others // Atmospheric and Oceanic Optics. – 2016. – 29(2). – P. 135-140.
11. Bukin O. A. Lidar sensing of the atmosphere with gigawatt laser pulses of femtosecond duration, / Bukin O. A., Babiy M. Yu., Golik S. S. and others // Quantum Electronics. – 2014. – 44(6). – P. 563–569.