Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2022 номер 4

C 12 по 17 сентября 2021 г. в Институте оптики атмосферы СО РАН (г. Томск) прошла XV Международная конференция по импульсным лазерам и применениям лазеров - AMPL-2021. Тематика конференции традиционно отражала результаты исследований последних нескольких лет: фундаментальные вопросы лазерной физики, процессы в активных средах лазеров, газовые активные среды, новые лазеры и лазерные системы, применение лазеров, создание приборов на основе лазерных источников, новые оптические технологии.

Сообщается о результатах исследования особенностей спектральных, временных и пространственных характеристик излучения нейтральных атомов неона при накачке импульсным индукционным цилиндрическим разрядом. Получена лазерная генерация на длинах волн 540,1 и 614,3 нм с длительностью оптических импульсов на уровне 13 ± 1 и 5 ± 1 нс (FWHM) соответственно. Показано, что лазерный пучок в поперечном сечении имеет форму кольца диаметром 33,1 ± 0,1 мм и шириной 5,6 ± 0,1 мм. При этом распределение интенсивности неоднородно по сечению пучка и имеет зернистую структуру, характерную для лазеров, работающих в режиме усиленного спонтанного шума. Зернистая структура пятна излучения имела ярко выраженную радиальную симметрию, которая, по нашему предположению, обусловлена характером электрического поля в цилиндрическом индукционном разряде.

Исследована возможность повышения мощности излучения CuBr-лазера за счет увеличения энергии накачки. Для этого используется трехкаскадная система наносекундных генераторов, при последовательном включении которых происходит возбуждение активной среды лазера. Каждый источник обеспечивает мощность накачки до 2 кВт, а в качестве коммутатора используется тиратрон ТГИ1-1000/25. Источники накачки осуществляют импульсный заряд рабочей емкости, что обеспечивает стабильную работу всей системы. Использование такого источника питания для возбуждения газоразрядной трубки диаметром 5 см и длиной 90 см позволило получить мощность генерации более 40 Вт в модифицированной схеме с импульсным кабельным автотрансформатором и обострительным конденсатором. На основании проведенных испытаний источника делается заключение о том, что он может широко применяться для накачки мощных лазеров на парах металлов.

Теоретически исследуется процесс генерации второй гармоники (ГВГ) лазерного излучения (ЛИ) в кристалле ВВО с целью определения таких оптимальных значений параметров фокусировки и волновой расстройки, при которых эффективность ГВГ становится максимальной. Задача оптимизации решалась с дополнительным условием (ДУ) - максимальная плотность мощности ЛИ в объеме кристалла не должна превышать априорно заданного значения. При этом никаких ограничений на саму мощность ЛИ не накладывалось. Исследование состоит из двух частей. В настоящей работе (вторая часть) влияние ДУ на процесс и результаты решения задачи оптимизации рассмотрено с использованием строгих методов решения системы нелинейных волновых уравнений. Основные результаты проведенных исследований представлены в виде зависимостей максимально достижимых значений эффективности ГВГ от мощности ЛИ. Показано, что во многих случаях, представляющих практический интерес, для определения оптимальных значений параметров фокусировки и волновой расстройки можно использовать приближение заданного поля, что существенно уменьшает объем необходимых вычислений.

Исследовано влияние материала электродов (алюминия и нержавеющей стали) при образовании мини-струй на цвет импульсно-периодического диффузного разряда в воздухе, азоте и аргоне. Разряд формировался в условиях генерации убегающих электронов при неоднородном электрическом поле. Установлено, что на цвет мини-струй, которые появляются при возникновении ярких пятен на электродах, существенное влияние оказывает материал электродов. Подтверждено, что использование электродов из алюминия окрашивает мини-струи в красный цвет, а из железа - в голубой. Показано, что цвет разрядной плазмы в области мини-струи соответствует цвету высотных атмосферных разрядов (красных спрайтов и голубых струй) и отличается от окраски диффузных разрядов в воздухе и азоте при том же давлении.

На основе модели выполнен расчет эмиссионных характеристик малогабаритного XeCl-лазера (объем разрядной плазмы ~ 10 см³), при этом учтены особенности работы системы возбуждения, активной среды и резонатора. Определены оптимальные параметры системы возбуждения и оптимальный состав смеси. Получено хорошее согласие результатов моделирования с экспериментальными результатами.

Описан электроразрядный ХеСl-мини-лазер и результаты его экспериментального моделирования. В лазере использована двухступенчатая система магнитного сжатия импульсов тока, полупроводниковые высоковольтные биполярные транзисторы в качестве коммутатора, предыонизация рабочей среды излучением барьерного разряда из-под сетчатого электрода. Установлена зависимость выходных параметров мини-лазера от условий его возбуждения и состава активной среды. Получена максимальная энергия в импульсе ~ 12 мДж на смеси состава 1,5 торр НСl + 15 торр Xe + 4 атм Ne при напряжении на обострительной емкости 20 кВ. Длительность импульсов генерации на полувысоте составляла ~ 20 нс. КПД XeCl-мини-лазера относительно энергии, запасенной в обострительной емкости, равно ~ 4%.

Приведены результаты исследований последних лет, направленных на повышение энергии и пиковой мощности гибридной фемтосекундной лазерной системы видимого диапазона THL-100 на основе фотодиссоционного XeF(C-A)-усилителя и фемтосекундного Ti:Sa комплекса. Анализируются два варианта работы лазерной системы, основанные на усилении в XeF(C-A)-усилителе положительно либо отрицательно чирпированных импульсов. Показано, что при усилении положительно чирпированного импульса достигается максимальная энергия излучения, а при усилении отрицательно чирпированного импульса - максимальная мощность.

Представлены результаты лабораторных экспериментов по управлению областью филаментации сфокусированного фемтосекундного лазерного пучка с пространственно структурированным (с помощью деформируемого зеркала) волновым фронтом. Исследовались аберрационные пучки, состоящие из когерентных вложенных друг в друга кольцевых субапертур, получаемых при специфической определенной из теоретических оценок форме деформируемого зеркала. Это позволяет в процессе распространения лазерного пучка создавать неоднородности распределения амплитуды оптического поля, которые впоследствии могут стать затравками для формирования световых филаментов. Такой режим управления филаментацией мощного излучения не требует компенсации искажений начального профиля пучка, а, наоборот, основан на контролируемом внесении предварительно рассчитанных аберраций волнового фронта.

Экономически мотивированные фальсификации ( economically motivated adulterations - ЕМА) продуктов питания и соков представляют серьезную угрозу для нашего здоровья. Существует несколько точных аналитических методов для обнаружения мошеннических ингредиентов в цепочке поставок, однако быстрых и удобных методов по-прежнему не хватает, особенно для надежной работы в промышленных условиях. После многолетнего опыта применения лазерной фотоакустической спектроскопии (LPAS) для обнаружения фальсификатов пищевых продуктов с помощью CO₂-лазеров Лаборатория диагностики и метрологии ENEA (Фраскати, Рим, Италия) разработала портативный и надежный прибор на основе квантово-каскадного лазера (QCL) для быстрой и простой идентификации EMA в реальных условиях. В качестве примера для оценки его эффективности был использован фруктовый сок. За несколько минут были обнаружены два EMA; их количественная оценка была выполнена с помощью хемометрических средств.

Важная характеристика природного водоема - распределение пигментного состава различных групп фотосинтезирующих организмов по глубине и его изменения в разные сезоны. Оптические методы широко используются для мониторинга концентрации хлорофиллов водорослей или цианобактерий в водных экосистемах, однако для мониторинга бактериохлорофилла фототрофных бактерий применяются очень ограниченно. Подробно описаны три новых метода количественного анализа фотосинтетического пигмента бактериохлорофилла d зеленых серных бактерий, использующие спектральные измерения, проведенные как на исходных пробах природной воды (спектры поглощения), так и для экстрактов пигментов в органических растворителях (спектры поглощения и флуоресценции). Проведен сравнительный анализ результатов применения разных методов на примере природной воды из области хемоклина оз. Трехцветного, одного из меромиктических водоемов Кандалакшского залива Белого моря. Сделаны выводы об условиях применимости разных методов, их преимуществах и ограничениях. Все три предложенных метода доказали возможность своего применения на пробах природной воды с разной концентрацией бактериохлорофилла, различающейся на порядки, от 5 до 5000 мг/м³.

Приведены результаты исследований горизонтальной ориентации кристаллических частиц, выполненных с помощью сканирующего поляризационного лидара ЛОЗА-М3. В 2018 и 2021 гг. проведено несколько серий измерений структуры кристаллической облачности верхних ярусов в режиме зенитного сканирования. В отличие от зондирования только в вертикальном направлении наблюдения зависимости характеристик лидарного сигнала (интенсивности и деполяризационного отношения) от угла наклона оси лидара позволяют идентифицировать фазовый состав облаков (водяные или кристаллические) и измерить распределение отклонения частиц относительно горизонтальной плоскости (флаттер). В слоях с выраженным зеркальным отражением взаимосвязь интенсивности сигнала с наклоном трассы зондирования при небольших углах (до 5°) хорошо описывается экспоненциальной зависимостью. Результаты зондирования при сканировании до углов 45-50° показали высокую вероятность существования уголкового отражения в ледяных облаках.

Приведены результаты численного исследования процесса формирования квазинейтрального пучка протонов и электронов при взаимодействии сверхинтенсивного лазерного импульса с алюминиевой мишенью со слоем протонов на тыльной поверхности. Показано, что время установления состояния квазинейтральности более чем в пять раз превышает длительность лазерного импульса.

Представлены результаты численных и экспериментальных исследований по контролю и управлению оптическими элементами электроразрядного KrF-лазера с помощью метода пространственной кластеризации на основе плотности для приложений с шумами (англ. DBSCAN). Рассмотрены различные методы обработки цифровых сигналов, полученных с позиционно-чувствительного датчика, контролирующего положение оптической оси лазерной системы. Разработана численная модель устойчивости оптической системы на основе метода DBSCAN с дополнительным включением обработки цифровых сигналов с использованием кумулятивного скользящего среднего. Предложена и реализована методика коррекции управляемых зеркал с точностью их возврата в исходное положение 60 ± 10 мкрад, при этом время юстировки не превышало 5 мин.

Представлены результаты модельных экспериментов по регистрации спектральных характеристик эмиссионного свечения остаточного количества вещества постороннего предмета после воздействия этого предмета на лопатку турбореактивного двигателя самолета. Измерения спектров осуществлялось методом лазерно-искровой спектроскопии, что позволило выделить эмиссионные линии этих веществ на фоне спектра материала лопатки. Такой подход может позволить оперативно провести диагностику лопаток на месте осмотра воздушного судна перед полетом и сделать выводы о возможном разрушении фюзеляжа и критичности повреждений.