ДВУХВОЛНОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ЛИДАР

Полезная модель относится к области использования лидарных технологий в метеорологии и атмосферной оптики, может применяться для измерения оптических и микрофизических параметров атмосферы, для контроля уровня загрязнения атмосферы, распознавания кристаллических и градоопасных облаков и т.д.
Известен простейший тип лидара для зондирования атмосферы, основанный на использовании лазера, оптического телескопа с фотоприемником и системой регистрации, позволяющей записывать пространственный профиль амплитуды лидарного сигнала вдоль трассы зондирования [Зуев В.Е., Бурлаков В.Д. Сибирская лидарная станция:20 лет оптического мониторинга стратосферы // Изд-во ИОА СО РАН, Томск.2008. 225 с.Глава 3 стр. 89].
Предназначение этого лидара заключается в получении информации о высотном распределении параметров аэрозольных и облачных полей атмосферы.
Основным недостатком этого и других аналогичных устройств [Балин Ю.С., Байрашин Г.С., Коханенко Г.П., Клемашева М.Г., Пеннер И.Э., Самойлова СВ. «Аэрозольно-рамановский лидар «ЛОЗА-М2» // Квантовая электроника. 2011. №10. С. 945-949] является ограниченные функциональные возможности, обусловленные трудностью выделения пространственных областей аэрозольной и облачной атмосферы содержащих несферические частицы, поскольку в лидарах не осуществляется поляризационный анализ принимаемых лидарных сигналов.
Известны оптические поляризационные устройства для зондирования атмосферы, состоящие из источника линейно-поляризованного излучения, фотоэлектрических приемников, блока регистрации и оптической системы, содержащее поляризационные фильтры, делящие рассеянное в обратном направлении излучение на два взаимно ортогональных компонента, один из которых параллелен плоскости поляризации излучаемого светового потока [Авторское свидетельство СССР №373602, кл. G01W 1/00, 1971; Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума по лазерному зондированию атмосферы. Изд. ИОА СО АН СССР, Томск, 1976, с. 236].
В этих устройствах на среду направляют пучок плоскополяризованного света и измеряют степень деполяризации, как отношение сигналов двух ортогональных компонент, которая является критерием границ области многократного рассеяния света и присутствия несферических частиц. В качестве приемников излучения используются два телескопа с фотодетекторами, перед которыми установлены поляризационные фильтры.
Недостатком подобных устройств является необходимость использования двух приемных телескопов, что усложняет конструкцию локатора и вызывает трудность точной совместной настройки телескопов на один рассеивающий объем.
Ближайшее техническое решение к полезной модели - поляризационный лидар для зондирования атмосферы, включающий источник поляризационного излучения, приемный телескоп с расположенными на оптической оси поляризационным расщепителем-анализатором, делящим рассеянное в обратном направлении излучение на два пучка со взаимно ортогональными компонентами и двумя фотодетекторами с блоком регистрации, поворотную полуволновую фазовую пластинку [Балин Ю.С., Коханенко Г.П., Клемашева М.Г., Пеннер И.Э., Самойлова СВ., Новоселов М.М., Насонов СВ. Патент (Россия), №173330 Поляризационный лидар. Патентообладатель: ИОА СО РАН. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 22 августа 2017 г.].
Основным недостатком этого устройства является отсутствие возможности регистрации обратно рассеянного излучения на нескольких длинах волн. Это не позволяет измерять степень деполяризации излучения и отношения рассеяния на разных длинах волн для дальнейшей оценки размеров аэрозольных частиц атмосферы.
Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, обеспечивая поляризационную регистрацию обратно рассеянных сигналов на двух длинах волн зондирующего лазерного излучения - первой и второй гармоники неодимового лазера, т.е. 1064 и 532 нм.
Поставленная цель достигается тем, что на выходе многоволнового источника излучения установлена полуволновая фазовая пластина с возможностью полного кругового вращения ею осью наибольшего пропускания относительно оптической оси источника излучения. Это позволяет перед началом измерений осуществить совмещение плоскостей поляризации лазерного излучения разных длин волн. Например, в лазере Q-Smart (фирма Quantel) плоскость поляризации второй гармоники (532 нм) повернута на 45 градусов относительно первой (1064 нм). Поворотом полуволновой фазовой пластинки достигают совмещение плоскостей поляризации излучения на двух длинах волн, что позволяет в дальнейшем, используя поляризационную и спектральную селекцию лидарных сигналов определить степень деполяризации и отношения рассеяния одновременно на двух длинах волн.
На фиг. 1 схематично изображена блок-схема двухволнового поляризационного лидара для зондирования атмосферы.
Лидар содержит общую платформу 1, на которой расположены источник 2 линейно поляризованного излучения на двух длинах волн 532 нм и 1064 нм (лазер), на выходе которого установлена полуволновая фазовая пластинка 3 с возможностью полного кругового вращения относительно оси. Рядом с лазером расположен приемный оптический телескоп 4 с углом поля зрения, охватывающим весь световой пучок, направляемый источником в атмосферу.
На выходе телескопа 4 на его оптической оси установлен расщепитель-анализатор 5 (призма Волластона), который разделяет световой пучок на два компонента с ортогональной поляризацией (параллельный и перпендикулярный). На выходе анализатора 5 на пути расщепленных лучей установлены два спектроделителя 6 и 7, пропускающие излучение 1064 нм и отражающие 532 нм, тем самым разделяя каждый световой пучок еще на два пучка с длинами волн 532 и 1064 нм. На пути этих четырех пучков установлены четыре фотодетектора 8,9,10 и 11 электрически подключенных к блоку регистрации 12, где сигналы оцифровываются и обрабатываются.
Двухволновой поляризационный лидар работает следующим образом.
Вначале осуществляют процедуру совмещения плоскостей поляризации зондирующего излучения на двух длинах волн. В первый момент времени быстрая ось фазовой пластинки 3 устанавливается под углом 0 градусов к плоскости референции, а источник излучения 2 посылает в атмосферу линейно-поляризованное излучение на двух длинах волн 532 и 1064 нм, у которых разсогласованы плоскости поляризации. Плоскость поляризации на длине волны 1064 нм повернута на 45 градусов относительно излучения 532 нм, которое имеет вертикальную плоскость поляризации. Рассеянное в обратном направлении излучение поступает на приемный оптический телескоп 4, собирается в узкий световой пучок, коллимируется и направляется на поляризационный расщепитель-анализатор 5, который разделяет его на два взаимно-ортогональных компонента. Ортогональные компоненты светового потока направляются на спектроделители 6 и 7. Например, для определенности на спектроделитель 6 поступает световой пучек с параллельной плоскостью поляризации, а на спектроделитель 7 с перпендикулярной плоскостью поляризации. Спектроделители 6 и 7 разделяют каждый световой пучок еще на два пучка с длинами волн 532 и 1064 нм. Эти пучки направляются на фотодетекторы 8,9,10 и 11. Например, на фотодетекторы 8 и 10 направляются пучки излучения на длине волны 1064 нм соответственно с параллельной и перпендикулярной плоскостью поляризации, а на фотодетекторы 9 и 11 - пучки излучения на длине волны 532 нм. Фотодетекторы преобразуют световые сигналы в электрические, которые затем поступают в блок регистрации 12 для оцифровки, записи и обработки. При таком положении полуволновой фазовой пластинки на длине волны 532 нм сигнал с параллельной плоскостью поляризации имеет максимальное значение, а второй - с ортогональным компонентом достигает минимальной величины. В то же время, значения ортогональных компонент сигнала на длине волны 1064 нм будут иметь значения отличные от максимального и минимального, поскольку плоскость поляризации на этой длине волны повернута на 45 градусов.
Во второй момент времени фазовая пластинка 3 поворачивается на некоторый угол, например 22,5 градуса. Затем вновь производится посылка линейно поляризованного излучения в атмосферу от источника 2, при этом плоскость поляризации на длине волны 1064 нм поворачивается на 45 градусов, плоскость поляризации на длине волны 532 нм остается в прежнем положении. Рассеянное атмосферой в обратном направлении излучение вновь поступает на приемный оптический телескоп 4, расщепитель-анализатор 5, на фотодетекторы 8, 9, 10, 11 электрические сигналы с которых поступают на блок регистрации 12. В этом положении фазовой пластинки 3 сигнал на длине волны 1064 нм с параллельной первоначально плоскостью поляризации будет увеличиваться, а сигнал с ортогональным компонентом уменьшаться. Сигналы на длине волны 532 нм останутся неизменными.
Существует определенная погрешность установки положения фазовой пластинки. Поэтому в дальнейшем эти операции, путем вращения пластинки 3 относительно достигнутого положения, повторяют до достижения одновременного максимального значения сигналов на обоих длинах волн с параллельной плоскостью поляризации и соответственно минимального значения с перпендикулярной плоскостью поляризации.
По этим сигналам в блоке 12 через измеренное отношение интенсивности сигналов ортогональных компонент определяется степень деполяризации обратно рассеянного излучения на соответствующих длинах волн (10 и 8 для 1064 нм, 11 и 9 для 532 нм) и значение спектрального отношения рассеяния через отношение сигналов параллельных компонент этих длин волн.