Ослабление лазерного излучения в атмосфере и воде

При распространении лазерного излучения в сфере (атмосфере, воде) происходит целый ряд явлений и эффектов, в большей степени присущих

и распространению обычного излучения. Считая, что основные законо-мерности распространения обычного излучения хорошо известны, оста-новимся лишь на особенностях распространения лазерного излучения.

Известно, что ослабление излучения в атмосфере происходит из-за поглощения и рассеяния. Поглощают излучение присутствующие в атмосфере газы и аэрозольные частицы. Аэрозольное поглощение со-ставляет небольшую долю от поглощения молекулами газа (молеку-лярного поглощения), и его принято учитывать вместе с аэрозольным рассеянием. Поэтому можно считать, что ослабление излучения из-за поглощения обусловлено газовой составляющей атмосферы.

Характерной особенностью молекулярного поглощения является его резкая зависимость от состава атмосферы, длины волны и ширины спек-тра излучения. Объясняется это тем, что различные газы имеют характер-ные для них спектральные линии или полосы поглощения и, естественно,

1. Для расчета величины поглощения лазерного излучения в атмос-фере непригодны функции поглощения обычного излучения, рассчи-танные на широкие полосы излучения, перекрывающие спектральные линии поглощения. Как из видно из рис. 3.1, для расчета показателя поглощения χ _n необходимо просуммировать значения χ _n для всех ли-ний, совпадающих с длиной волны излучения лазера λ_ËÀÇ.Однако для такого расчета надо знать с большой точностью следующие параметры линии поглощения: положение ее центральной длины волны, ширину

и интенсивность линии (разумеется, с такой же точностью надо знать

и длину волны излучения лазера). В настоящее время сведений о пара-метрах линий поглощения всех газов, входящих в состав атмосферы, недостаточно, чтобы можно было провести теоретический расчет χ _n. Это объясняется сложностью (громоздкостью) теоретического опреде-ления параметров линий и их огромным числом. Можно сказать, напри-мер, что только в видимой и ближней инфракрасной областях спектра имеется около 100000 линий поглощения. Определение же параметров экспериментальным путем требует уникальной аппаратуры с высоким разрешением.

Поэтому достоверные данные о коэффициенте поглощения излу-чения лазера в настоящее время можно получить экспериментальным путем. Зная величину χ _n, можно рассчитать ослабление излучения за счет поглощения по закону Бугера

I _L = I ₀exp(−χ _n L),

где I_L и I ₀ – интенсивности ослабленного и первоначального излуче-ния; L – длина пути распространения излучения в атмосфере.

Пользуясь данными о χ _n, следует помнить, что они пригодны лишь для той метеорологической ситуации, которая была во время экспери-мента. Если же метеорологическая ситуация отличается лишь концен-трацией газа, то можно сделать перерасчет показателя поглощения.

2. Излучение лазеров может сильно поглощаться и в окне прозрач-ности атмосферы, так как здесь имеется большое число узких, но интен-сивных линий поглощения. Наличие таких линий почти не сказывается (в окнах прозрачности поглощение относительно мало) на поглощении обычного излучения, но если линия излучения лазера совпадает с лини-ей поглощения, то может произойти сильное поглощение. Известным примером такого положения является эффект очень сильного поглоще-ния излучения гелий-неонового лазера на длине волны 3,39 мкм.

При оценке поглощения излучения лазеров необходимо принимать во внимание наличие так называемых «примесей», т.е. газов, содержа-щихся в атмосфере в незначительном количестве (сотые и тысячные доли процента). К ним относятся метан (СН₄), окись азота (N₂0), окись углерода (СО) и др. Они обладают узкими, но интенсивными линиями поглощения и могут стать причиной сильного ослабления монохрома-тического излучения. Кстати, поглощение излучения на длине волны 3,39 мкм как раз вызывается метаном.

Величина поглощения может сильно меняться даже при незначи-тельном изменении длины волны излучения. Так, например, при измене-нии длины волны излучения рубинового лазера от 0,6943 до 0,69439 мкм (причиной изменения длины волны является изменение температуры ак-тивного элемента) показатель поглощения меняется более чем в два раза.

Очевидно, что если в районе излучения лазера спектральные линии поглощения отсутствуют, то будет отсутствовать как само поглощение, так и зависимость его от длины волны. В табл. 3.1 приведены ориентиро-вочные данные о показателях поглощения излучения некоторых лазеров.

Перейдем к рассмотрению закономерности аэрозольного рассея-ния. Установлено, что различие в рассеянии когерентного (лазерного) и некогерентного (обычного) излучения отсутствует для одного и того же спектрального состава излучения. Основными факторами, определяю-щими рассеяние, является спектр размеров частиц аэрозоли, их концен-трация и химический состав. Для расчета ослабления излучения за счет аэрозольного рассеяния можно пользоваться известным законом Бугера I _L = I ₀exp(−χ L),гдеχ _p –показатель рассеяния.

Величину χ _p удобно представлять через измеряемую на практике метеорологическую дальность видимости S_m и коэффициент γ (λ), за-висящий от длины волны излучения, вида и размера рассеивающихся

частиц χ p =3,91^{γ ( λ)}. Для видимого диапазона спектра γ ⁽ λ ⁾ =1, для ин- S_m

фракрасного – больше единицы. Теоретический расчет χ _p представля-ет значительные трудности.

Следует отметить, что закон Бугера учитывает только прямо про-шедшее ослабленное излучение, т.е. имеется в виду, что часть излуче-ния, претерпевшая рассеяние, не попадает на приемную площадку. Од-нако в ряде случаев, особенно когда излучение испытывает многократ-ное рассеяние, рассеянное излучение меняет свое направление так, что попадает на приемную площадку вместе с излучением, направление которого не изменилось. Очевидно, что когда интенсивность этого из-лучения начинает составлять заметную долю от интенсивности прямо прошедшего излучения, закон Бугера перестает выполняться. Рассеи-вающие свойства среды характеризуются величиной = _p L, которая называется оптической толщей среды. Экспериментально установлено, что для наиболее часто встречающихся случаев применения лазеров за-кон Бугера выполняется до =28.

Кроме поглощения и аэрозольного рассеяния, в ряде случаев следу-ет учитывать так называемое молекулярное рассеяние Релея. Как пра-вило, величина молекулярного рассеяния гораздо меньше, чем величи-ны поглощения и аэрозольного рассеяния. При очень хорошей видимо-сти и отсутствии заметного поглощения молекулярное рассеяние может стать основной причиной ослабления излучения на длинных трассах, особенно при работе в видимом (не говоря уже об ультрафиолетовом) диапазоне спектра. Величина χ_ÐÅË обратно пропорциональна четвер-той степени длины волны.

Кратко остановимся на ослаблении лазерного излучения в воде (рис 3.2). Показатель ослабления (за счет поглощения и рассеяния) в воде сильно зависит от состава воды и наличия в ней взвешенных ча-стиц. Сильно выражена также зависимость ослабления от длины вол-ны. Кривые χ₁, χ₂ ограничивают область возможных значений, полу-ченных при использовании в различной по свойствам воде. Как видно из рисунка, предельные значения χ отличаются почти на порядок, но минимум приходится на область около 0,5 мкм. Сильное различие объ-ясняется только различным содержанием в воде примесей, так как в чистой воде ослабление почти полностью определяется поглощением. Поглощение одинаково для различных составов воды. Для излучения

с длиной волны 0,48 мкм показатель поглощения составляет 0,02 м‒1, а рассеяния – 0,03 м‒1.