ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АНАЛИЗАТОР МНОГОВОЛНОВОГО ЛИДАРА

Настоящая полезная модель относится к оптическим системам (лидарам), предназначенным для приема и анализа состояния поляризации принимаемого сигнала в лазерной локации, и может использоваться в прикладной метеорологии для оценки микроструктуры аэрозоля и облаков, при контроле уровня аэрозольных загрязнений.
Лидары, использующие лазеры, одновременно излучающие несколько длин волн (от инфракрасного до ультрафиолетового диапазона), позволяют получать информацию не только о концентрации аэрозоля, но и определять параметры микроструктуры-распределение частиц по размерам, показатель преломления вещества аэрозоля. Использование поляризационного зондирующего излучения и выделение в принимаемом потоке излучения компонент с различными состояниями поляризации позволяет получить дополнительную информацию о свойствах рассеивающей среды. Анализ интенсивности этих компонент позволяет оценивать несферичность рассеивающих частиц при однократном рассеянии или показатель вклада многократного рассеяния при зондировании оптически плотных аэрозольных образований Поляризационные элементы, применяемые в приемном устройстве лидара для анализа состояния поляризации падающего на них излучения, называются анализаторами.
Действие анализатора состоит в том, что он разделяет падающий на него пучок на две компоненты, ортогональные по форме поляризации. В анализаторах, применяемых в лидарах, используют как правило двулучепреломляющие призмы, поскольку они выделяют сразу две ортогональные компоненты линейно поляризационного излучения. Преломляющий анализатор создает различные фазовые сдвиги для ортогональных форм поляризации проходящего излучения и разделяет падающий луч на две линейнополяризованные компоненты, расходящиеся под разными углами. Из конструктивных соображений применяют призмы, обеспечивающие наибольший угол разведения одновременно выделенных ортогональных компонент излучения. При этом призма Волластона является более предпочтительной, поскольку обеспечивает практически симметричное разведение лучей на выходе относительно оси падающего потока излучения. Известны различные схемы компоновки оптической системы приемного устройства лидаров и их поляризационных анализаторов [1]. Наиболее простейшие из них позволяют регистрировать сигнал только для одной длины волны.
В работе [2] принимаемое антенной излучение разводится на три канала (каждый для определенной длины волны) с помощью последовательно расположенных дихроичных зеркал. В этом случае каждое дихроичное зеркало отражает излучение с определенной длиной волны и пропускает остальное излучение. При такой схеме имеется возможность регистрировать рассеянный сигнал на каждой длине волны, но дихроичные зеркала изменяют состояние поляризации пропущенного излучения, в результате чего информация об интенсивности поляризационных компонент рассеянного сигнала теряется. Поэтому проектирование поляризационного лидара требует оптимизации приемного устройства по числу и порядку расположения используемых поляризационных элементов и их ориентации в приемных каналах.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство, описанное в статье [3]. В данной схем перед анализатором нет светоделителей, изменяющих состояние поляризации. Эта схема обеспечивает возможность одновременной регистрации разведенных ортогональных компонент излучения, однако не реализована возможность функционирования лидара в многоволновом режиме работы.
Целью полезной модели является улучшение метрологических характеристик поляризационного лидара, функционирующего в мноволновом режиме, благодаря осуществлению оптимальной компоновки оптической схемы поляризационного анализатора.
Поставленная цель достигается тем, что предложенное устройство - поляризационный анализатор многоволнового лидара содержит соосно расположенные: коллимирующий объектив, в передней фокальной плоскости которого расположена диафрагма поля зрения, четвертьволновую пластинку, призму Волластона, разделяющую принимаемое излучение на два канала с ортогональными формами поляризации, две спектральные призмы разводящие три длины волны и два объектива, фокусирующие излучение на шесть входных торцов световодов, оптически связанных с фотоэлектронными умножителями. При этом, для исключения виньетирования на входных торцах световодов, отношение фокусного расстояния коллимирующего объектива к фокусному расстоянию фокусирующего объектива не должно превышать отношения диаметра диафрагмы поля зрения к диаметру входного торца световода.
В отличие от известного, в заявляемом поляризационном анализаторе за призмой Волластона последовательно размещены две дополнительные спектральные призмы и два объектива, фокусирующие принимаемое излучение на входные торцы световодов, оптически связанные с фотоприемными устройствами (ФЭУ).
На фигуре 1 представлена принципиальная оптическая схема поляризационного анализатора, состоящего из: диафрагмы поля зрения (1), установленной в переднее фокусе объектива (2), четвертьволновой пластинки (3), призмы Волластона (4), двух спектральных призм (5), двух объективов (6), фокусирующих излучение на торцы световодов (7), оптически связанных с ФЭУ.
Устройство работает следующим образом: излучение лазера, рассеянное в атмосфере в обратном направлении, поступает в апертуру приемной антенны и через диафрагму поля зрения (1) проходя через коллимирующий объектив (2), четвертьволновую пластинку (3) и призму Волластона (4) разводится на два канала с ортогональными формами поляризации. Благодаря использованию последовательно расположенных за призмой Волластона двух спектральных призм (5), и двух объективов (6), фокусирующих излучение на торцы световодов, оптически связанных с ФЭУ, осуществляется многоволновой режим измерений, задействующий шесть каналов измерений, в которых регистрируются сигналы обратного аэрозольного и молекулярного рассеяния на длинах волн излучения лазера 1064, 532 и 355 нм.
Предложенная компоновка оптической схемы анализатора позволяет осуществить моноволновой режим работы поляризационного лидара. Преимущество предложенной схемы устройства заключается в том, что все спектральные элементы, разделяющие излучение по длинам волн, расположены после поляризационной призмы, поэтому не вносят искажения в интенсивность поляризационных компонент рассеянного сигнала. Присущая призме Волластона дисперсия (различные углы отклонения для разных длин волн) усиливается установленными спектральными призмами, что позволяет сфокусировать излучение каждой длины волны на отдельный световод и в дальнейшем подвести к нужному фотоприемнику.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Андреев Ю.М., Воеводин В.Г., Гейко П.П., Горобец В.А., Ланская О.Г., Петухов В.О., Солдаткин Н.П., Тихомиров А.А. Лидарные системы и их оптико-электронные элементы/ Под общей редакцией чл.-корр. Ран М.В.Кабанова. Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2004. 526 с.
2. J. E. M. Goldsmith, Forest H. Blair, Scott E. Bisson, and David D. Turner. Turnkey Raman lidar for profiling atmospheric water vapor, clouds, and aerosols. Appl. Opt. Vol.37, №21. 1998. P 4979-4990.
3. Bruno V. Kaul, Ignatii V. Samokhvalov, and Sergei N. Volkov. Investigating particle orientation in cirrus clouds by measuring backscattering phase matrices with lidar. Appl. Opt. Vol. 43, №36. 2004. P 6620-6628.