Р О С С И Й С К А Я А К А Д Е М И Я Н А У К
ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Г.И. Долгих, В.Е. Привалов
ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА.
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Владивосток
Дальнаука
2016
UDK
УДК681.7.069.24
В монографии рассмотрено устройство и принцип работы многих лазеров и лазерно-интерференционных систем, созданных на их основе. Проведена классификация твёрдотельных, жидкостных, газовых и твёрдотельных лазеров. Основное внимание при рассмотрении принципа работы и устройства уделено гелий-неоновым лазерам, влиянию геометрии разряда на усиление, различным колебаниям и волнамв лазерах. Часть работы посвящена рассмотрению устройства и работы ионных газоразрядных лазеров, лазеров на ионах инертных газов и парах металлов.
Рассмотрены различные принципы стабилизации частоты оптических квантовых генераторов, промышленных стабилизированных гелий-неоновых лазеров и физические основы стабилизации лазеров по поглощению в йоде. Подробно описано устройство, принцип работы и технические характеристики лазерных гидролокаторов, лазерных измерителей деформации, лазерных нанобарографов, лазерных измерителей вариаций давления гидросферы и лазерных гидрофонов.
Применение лазерных деформографов, лазерных нанобарографов, лазерных измерителей вариаций давления гидросферы и лазерных гидрофонов при решении ряда фундаментальных и прикладных задач позволило получить ряд результатов пионерского характера в физике геосфер. Представляет интерес для физиков, океанологов, геофизиков, акустиков, а также для аспирантов и студентов старших курсов соответствующих специальностей.
Ключевые слова: лазеры, частотно-стабилизированные лазеры, лазерные гидролокаторы, лазерные деформографы, лазерные нанобарографы, лазерные измерители вариаций давления гидросферы, лазерные гидрофоны, гидроакустика, ветровые волны, сейши, физика геосфер.
Ил. 177, табл. 44, библ. 195.
Рецензент академик, профессор, д.ф.-м.н. Ю.Н. Кульчин
Монография опубликована при финансовой поддержке РНФ
(соглашение №14-17-00041) и ДВО РАН.
ISBN 978-5-91849-116-4 © Долгих Г.И., Привалов В.Е., 2016
Решение многих фундаментальных задач зависит, в первую очередь, от полученных экспериментальных результатов. Качество получаемых результатовзависит от применяемой в исследованиях аппаратуры. Данная аппаратура должна удовлетворять следующим основным трём требованиям:
1) иметь предельную чувствительность, при которой возможны фоновые измерения изучаемых параметров;
2) обладать наивысшим частотным и динамическим диапазонами. Важность данных требований возрастает при изучении природных процессов на этапах их возникновения и развития.
В любой области исследования очень сложно определить момент начала возникновения того или иного природного процесса. В океанологии и геофизике сложность проведения данных исследований связана с тем, что возникающие природные процессы и явления имеют большие временные и пространственные масштабы. Большие временные и пространственные масштабы требуют применения при изучении данных природных процессов аппаратуры, в идеале обладающей неограниченным частотным и динамическим диапазонами при предельно достижимой чувствительности. Предельно достижимая чувствительность определяется межатомным взаимодействием.
Можно полагать, что минимальная чувствительность определяется размерами атома, а максимальная – флуктуациями атома. Невозможность создания аппаратуры, удовлетворяющей вышеперечисленным требованиям, привела к бурному применению параметрических методов при проведении исследований природных процессов и явлений, особенно в инфразвуковом диапазоне. Так в геофизике и в океанологии широко применяются высокочувствительные установки, рабочий диапазон частот которых не позволяет выполнять прямые измерения изучаемых параметров в инфразвуковом диапазоне. В этом случае применение параметрических методов возможно только при выполнении одного из следующих условий:
1) нелинейное взаимодействие процессов и явлений различных пространственных и временных масштабов;
2) возбуждение высокочастотных процессов и явлений, низкочастотными в среде, обладающей большойнелинейностью.
Поверхностный анализ выполнения данных условий позволяет понять, что при проведении исследований различных процессов на основе применения параметрических методов не может быть и речи об изучении физики процесса их возникновения. Так как взаимодействие процессов и явлений различных временных и пространственных масштабов, или возбуждение высокочастотных процессов и явлений низкочастотными, наблюдается лишь на последних стадиях их развития. Применение проволочных, кварцевых и штанговых деформографов, наклономеров и т.п. в геофизике, применение различных уровнемеров, мареографов и т.п. в океанологии, не позволяет исследовать процессы и явления на стадии их возникновения, так как они не обладают достаточной чувствительностью.
В связи с изобретением лазеров, особенно мощных импульсных и частотно-стабилизированных лазеров непрерывного излучения, появилась возможность создания прецизионных установок для проведения измерений различных геофизических и океанологических параметров с наноуровневой точностью. В конце прошлого столетия были созданы первые лазерные деформографы, лазерные гравиметры и вариометры, обладающие высокой чувствительностью в широком частотном и динамическом диапазонах. Появилась возможность создания аппаратуры на основе применения современных лазерно-интерференционных методов при проведении прямых высокоточных измерений различных параметров в атмосфере, гидросфере и литосфере на различных временных и пространственных масштабах. В конце прошлого и начале нынешнего столетия были созданы высокоточные лазерные нанобарографы, лазерные гидрофоны и лазерные измерители вариаций давления гидросферы, обладающие широкими частотным и динамическим диапазонами.
В книге описаны принципы работы и технические характеристики различных лазеров, частотно стабилизированных и не частотно стабилизированных, лазерно-интерференционных установок, созданных на основе применения частотно-стабилизированных и не частотно стабилизированных лазеров и современных интерференционных методов, предназначенных для измерения различных геофизических и океанологических параметров. Часть работы посвящена применению разработанных установок при проведении исследований фундаментального и прикладного характеров, что позволило получить ряд выдающихся результатов, некоторые из которых противоречат существующим представлениям о физике протекания различных геосферных процессов. Работа состоит из введения, пятнадцати глав и списка литературы.
В первой главе приведена классификация и принцип действия лазеров на твёрдом теле, жидкостных и газовых лазеров. Во второй главе подробно описаны оптические квантовые генераторы (ОКГ) на атомах нейтральных газов. Рассмотрен общий принцип действия гелий-неоновых ОКГ на различных длинах волн. Описаны колебания и волны в гелий-неоновых лазерах и влияние геометрии разряда на усиление. В третьей главе рассмотрены физические основы геометрии активного элемента. В четвёртой главе описаны лазеры на ионах инертных газов и парах металлов. В пятой рассмотрены молекулярные лазеры. В шестой главе описаны принципы стабилизации частоты газоразрядных лазеров.
В седьмой главе рассмотрены принципы стабилизации мощности излучения ОКГ. В восьмой главе приведено описание гидролокаторов, созданных на основе оптических квантовых генераторов с учётом физических характеристик морской воды. В девятой главерассмотрено устройство лидаров. В десятой главе описаны интерферометр Майкельсона, лазерные деформографы классического и маятникового типов. В одиннадцатой главе рассмотрены принципы работы созданных лазерных нанобарографов, лазерных измерителей вариаций давления гидросферы, лазерных гидрофонов и лазерно-интерференционных приёмников градиента давления.
В двенадцатой главе описан комплексный пространственно разнесённый полигон, состоящий из пространственно разнесённых лазерных деформографов, лазерных нанобарографов, лазерных измерителей вариаций давления гидросферы и лазерных гидрофонов. В тринадцатой главе исследованы некоторые закономерности трансформациигидроакустических сигналов на шельфе убывающей глубины, полученные с помощью различных лазерно-интерференционных систем. В четырнадцатой главе описаны некоторые особенности трансформации основных параметров морских ветровых волн при их движении в условиях глубокого и мелкого моря.
В пятнадцатой главе приведены некоторые результаты инфразвукового диапазона, указывающие на сложность объяснения их происхождения при выполнении исследований только в одной из геосфер.
