Физика

Распространение лазерного пучка в атмосфере

Клиффорд С. Ф., Грачева М. Е., Гурвич А. С., Исимару А., Кашкаров С. С., Покасов В. В., Шапиро Д., Стробен Д., Ульрих П., Уолш Д.

год издания — 1981, кол-во страниц — 416, тираж — 2450, язык — русский, тип обложки — твёрд. 7Б, масса книги — 500 гр., издательство — Мир

серия — Проблемы прикладной физики

цена: 800.00 руб

Сохранность книги — хорошая

Topics in Applied Physics
Laser Beam Propagation
in the Atmosphere
Edited by J. W. Strohbehn
With contributions by
S. F. Clifford, M. E. Gracheva, A. S. Gurvich,
A. Ishimaru, S. S. Kashkarov, V. V. Pokasov,
J. H. Shapiro, J. W. Strohbehn, P. B. Ulrich,
J. L. Walsh

Springer-Verlag, 1978

Пер. англ. к-тов ф.-м. наук М. С. Беленького, Ю. Д. Копытина, Г. Я. Патрушева

Формат 60x90 1/16. Бумага типографская №2. Печать высокая

Прогресс в создании мощных лазеров и перспективы их широкого использования в геофизике, метеорологии и атмосферной оптике потребовали исследований распространения лазерного излучения в турбулентной атмосфере и теплового самовзаимодействия мощных лазерных пучков. Именно этой важной в научном и практическом отношениях проблеме посвящена предлагаемая книга написанная американскими и советскими авторами.

Для специалистов по распространению электромагнитного излучения в атмосфере, атмосферной оптике, геофизиков, метеорологов, а также разработчиков лазерных систем.

Вскоре после создания первого лазера стала очевидной возможность широкого практического применения этих изумительных источников электромагнитного излучения оптического диапазона в системах связи, передачи информации, локации, сверхточного измерения расстояний, навигации, геодезии, для лазерного зондирования параметров атмосферы, во многих специальных системах. Всё это существенно стимулировало изучение распространения лазерного излучения в атмосфере.

Высокая монохроматичность лазерного излучения предъявила жесточайшие требования к точности определения параметров спектров поглощения атмосферных газов. Когерентность, поляризация и высокая пространственная ограниченность лазерных пучков обусловили специфические особенности их распространения в рассеивающих и случайно-неоднородных средах. Гигантские мощности, необычайно большие энергии и малые длительности импульсов лазерного излучения стали причинами целой совокупности ранее неизвестных эффектов нелинейного взаимодействия с атмосферой.

Потребовалось разработать новые теории, создать многочисленные комплексы уникальной измерительной аппаратуры, прежде чем картина прояснилась настолько, что стала возможной количественная оценка эффектов взаимодействия лазерного излучения с такой сложной и динамичной средой, какой является атмосфера.

К настоящему времени многочисленные результаты экспериментальных и теоретических исследований распространения лазерного излучения в атмосфере обобщены в целой серии монографий и обзоров, в том числе опубликованных в нашей научной литературе. О масштабах ведущихся в нашей стране работ в рассматриваемом направлении убедительно свидетельствует проведение Институтом оптики атмосферы СО АН СССР пяти всесоюзных симпозиумов по распространению лазерного излучения в атмосфере, шести всесоюзных симпозиумов по лазерному зондированию атмосферы, двух всесоюзных совещаний по оптике атмосферы, на которых было заслушано более двух тысяч докладов. Поэтому представляется вполне закономерным участие советских авторов в написании выпущенной издательством «Шпрингер» в известной серии «Проблемы прикладной физики» книги, посвящённой проблемам распространения лазерного излучения в турбулентной атмосфере и расплывания лазерных пучков в атмосфере, перевод которой предлагается вниманию читателя.

В дайной книге описаны не нашедшие пока отражения в отечественной литературе эвристические методы теории распространения оптических волн в случайно-неоднородных средах, которые позволяют дать наглядную физическую интерпретацию флуктуациям поля лазерных пучков, включая режим сильных флуктуаций интенсивности. Дано описание некоторых разработанных за рубежом методов зондирования скорости ветра и структурной характеристики флуктуации показателя преломления. Глава, написанная советскими авторами и посвящённая экспериментальным исследованиям флуктуаций лазерного излучения, была переработана ими для настоящего издания с учётом последних достижений в этой области.

Большую ценность представляет обзор исследований по проблемам формирования оптических изображений и оптической связи через турбулентную атмосферу, включая применение различных методов компенсации искажающего влияния среды. Интересной не только с точки зрения обобщения результатов, но и как пособие для последовательного и всестороннего ознакомления с проблемой является глава, посвящённая распространению лазерных пучков, нагревающих газовую среду.

В целом настоящая монография даёт достаточно полное представление о современных достижениях и возможных перспективах развития исследований по проблеме распространения лазерного излучения в атмосфере. Инженеры найдут в ней новые сведения, полезные для оценки технических характеристик лазерных систем, предназначенных для работы в атмосфере. В то же время, учитывая быстрое развитие исследований в этой бурно растущей области, мы сочли целесообразным, воспользовавшись любезным разрешением издательств «Мир» и «Шпрингер», дополнить книгу послесловием, в котором даётся краткий обзор достижений советских исследователей по проблемам, рассмотренным в настоящей монографии.

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА
В. Е. Зуев
В. Л. Миронов

Глава 1. ВВЕДЕНИЕ. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА В АТМОСФЕРЕ.
Д. СТРОБЕН	9

1.1. Краткая история	11
1.2. Структура книги	14
Литература	16

Глава 2. КЛАССИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН В
ТУРБУЛЕНТНОЙ СРЕДЕ. С. Ф. КЛИФФОРД	18

2.1. Характеристика атмосферы	20
2.1.1. Показатель преломления атмосферы	20
2.1.2. Роль атмосферной турбулентности	20
2.1.3. Модель турбулентных флуктуации показателя преломления	22
2.1.4. Стационарные случайные функции	24
2.1.5. Спектральная плотность мощности флуктуации показателя
преломления	27
2.1.6. Поведение C²_n в свободной атмосфере	31
2.2. «Классическая» теория распространения оптических волн	39
2.2.1. Волновое уравнение распространения оптических волн	39
2.2.2. Результаты метода малых возмущений	41
2.2.3. Корреляционные и структурные функции для модели
турбулентности Колмогорова-Обухова	49
2.2.4. Качественная интерпретация результатов теории
однократного рассеяния	53
2.3. Первые экспериментальные исследования	55
Литература	58

Глава 3. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕОРИИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛН
В ТУРБУЛЕНТНОЙ СРЕДЕ. Д. СТРОБЕН	61

3.1. Обозр	61
3.2. Диаграммный метод	69
3.3. Марковское приближение	77
3.3.1. Вывод уравнения для среднего поля	73
3.3.2. Вывод уравнения для функции взаимной когерентности	80
3.3.3. Вывод уравнений для высших моментов	82
3.4. Локальный метод малых возмущений (ЛММВ)	85
3.5. Эвристические теории для области насыщения	88
3.6. Результаты	104
3.6.1. Среднее поле u(r)	104
3.6.2. Функция взаимной когерентности	106
3.6.3. Функция когерентности четвёртого порядка	107
3.6.4. Плотность распределения вероятностей флуктуации
интенсивности	119
Литература	126

Глава 4. СООТНОШЕНИЯ ПОДОБИЯ И ИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА
ПРИ СИЛЬНЫХ ФЛУКТУАЦИЯХ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.
М. Е. ГРАЧЕВА, А. С. ГУРВИЧ, С. С. КАШКАРОВ, В. В. ПОКАСОВ	130

4.1. Введение	130
4.2. Вывод соотношений подобия	131
4.2.1. Соотношения подобия для функций когерентности второго
порядка	131
4.2.2. Соотношения подобия для функции когерентности четвёртого
порядка	134
4.2.3. Физический смысл масштабов L_T и l_T	138
4.2.4. Сравнение с экспериментальными результатами	139
4.2.5. Соотношения подобия для функций когерентности более
высоких порядков	140
4.2.6. Соотношения подобия при большом внутреннем масштабе
турбулентности	141
4.3. Схема эксперимента и методика измерений	145
4.4. Результаты измерений и их обсуждение	147
4.4.1. Распределение вероятности флуктуации интенсивности	147
4.4.2. Зависимость распределения вероятностей от параметра β₀²	149
4.4.3. Относительная дисперсия β²	150
4.4.4. Коэффициенты корреляции флуктуации интенсивности	155
4.4.5. Спектры флуктуации интенсивности	158
4.4.6. Сильные флуктуации интенсивности в турбулентной среде
с большим внутренним масштабом	163
4.6. Заключение	166
Литература	167

Глава 5. ВОЛНОВОЙ ПУЧОК И ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ. А. ИСИМАРУ	169

5.1. Теория слабых флуктуаций	173
5.1.1. Дисперсия флуктуации логарифма амплитуды	175
5.1.2. Средняя интенсивность и уширение пучка	177
5.1.3. Угол прихода	181
5.1.4. Временные частотные спектры	181
5.2. Теория сильных флуктуации	183
5.2.1. Функция когерентности в условиях сильных флуктуаций
интенсивности	183
5.2.2. Временной частотный спектр	193
5.2.3. Двухчастотная функция когерентности	194
5.2.4. Моменты поля четвёртого порядка	194
5.2.5. Уширение пучка при большом и малом времени усреднения	196
5.3. Оптическое дистанционное зондирование	198
5.3.1. Дистанционное зондирование усреднённой вдоль трассы
структурной характеристики C²_n	199
5.3.2. Дистанционное зондирование усреднённой по трассе
поперечной скорости ветра	200
Метод, основанный на измерении временного спектра	200
Метод временного запаздывания	203
Метод наклона корреляционной функции	205
5.3.3. Дистанционное зондирование профиля структурной
характеристики и скорости ветра вдоль трассы распространения	205
Оценивание методом наименьших квадратов	206
Метод статистического обращения	207
Метод обращения Бэкуса-Гилберта	210
5.3.4. Другие методы дистанционного зондирования	211
Метод пересекающихся пучков	211
Апертурный метод пространственной фильтрации	211
Литература	211

Глава 6. ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ И ОПТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
В ТУРБУЛЕНТНОЙ АТМОСФЕРЕ. Д. Г. ШАПИРО	214

6.1. Модель распространения	216
6.1.1. Обобщённый принцип Гюйгенса-Френеля	217
6.1.2. Статистические свойства функции Грина	221
6.1.3. Разложение по нормальным модам	225
6.2. Прикладные задачи в проблеме формирования изображений	228
6.2.1. Распространение некогерентного излучения	229
6.2.2. Формирование изображения тонкой линзой	231
6.2.3. Интерференционные методы формирования изображения	235
6.2.4. Формирование изображения с применением фазовой
компенсации	241
6.2.5. Теория оптимального формирования изображения,
использующая разложение по собственным волнам	245
6.3. Прикладные вопросы распространения волн в проблеме связи	247
6.3.1. Распространение волн в канале связи земля-космос	249
6.3.2. Статистические свойства продетектированных оптических
сигналов	252
6.3.3. Приёмник с дифракционным разрешением	256
6.3.4. Пространственно-разнесённый приём	265
6.3.5. Взаимность точечных источников	271
Литература	273

Глава 7. ТЕПЛОВОЕ РАСПЛЫВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА В АТМОСФЕРЕ.
Дж. Л. УОЛШ, П. Б. УЛЬРИХ	278

7.1. Обзорная часть	279
7.1.1. Оценки по порядку величины	279
7.1.2. Общие замечания об изложении проблемы теплового
расплывания	283
7.1.3. Составные части задачи исследования теплового расплывания
пучка	284
7.2. Электромагнитная теория	287
7.2.1 Волновое уравнение	287
7.2.2. Скалярное волновое уравнение для параксиальных пучков	288
7.2.3. Пучки гауссовой формы в однородной среде	289
7.2.4. Геометрическая оптика	292
7.2.5. Скалярная теория дифракции в однородной среде	294
7.2.6. Фазовое приближение	296
7.3. Гидромеханика	302
7.3.1. Дифференциальное уравнение в частных производных для
изменений плотности идеального газа	302
7.3.2. Методы решения задачи для изменения плотности среды	305
7.3.3. Решение в квадратурах для одномерного профиля нагрева	310
7.3.4. Решение в квадратурах для источника нагрева
с цилиндрической геометрией	314
7.3.5. Решение эталонных задач с плоской геометрией	318
7.3.6. Типичные решения задач с цилиндрической геометрией	324
7.3.7. Повторяющиеся импульсы	330
7.3.8. Поглощение с временной задержкой процесса нагрева	331
7.3.9. Эффекты электрострикции	333
7.4. Приближённые аналитические решения	336
7.4.1. Общий вид решений в приближении геометрической оптики	337
7.4.2. Случай одномерного пучка с гауссовым профилем	341
7.4.3. Изменение интенсивности в коллимированных пучках	344
7.4.4. Приближение геометрической оптики для сфокусированных
гауссовых пучков	345
7.4.5. Теория возмущений в волновой оптике	349
7.4.6. Фазовое приближение	352
7.5. Методы численного решения задач теплового расплывания лазерного
пучка	355
7.5.1. Техника вычислений	357
7.5.2. Оптимизация эффективности вычислений	366
7.5.3. Результаты расчётов	372
Приложение: Свойства интегральных преобразований	382
А.1. Преобразование Фурье	383
А.2. Преобразование Ханкеля	384
Литература	385

Послесловие редактора перевода	387
Предметный указатель	407

Книги на ту же тему

Методы и средства лазерной прецизионной дальнометрии, Андрусенко А. М., Данильченко В. П., Прокопов А. В., Пономарев В. И., Лукин И. В., 1987
Метод характеристик в задачах атмосферной оптики, Сушкевич Т. А., Стрелков С. А., Иолтуховский А. А., 1990
Сигналы и помехи в лазерной локации, Орлов В. М., Самохвалов И. В., Креков Г. М., Миронов В. Л., Балин Ю. С., Банах В. А., Белов М. Л., Копытин Ю. Д., Лукин В. П., 1985
Основы проектирования лазерных локационных систем: Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов, Малашин М. С, Каминский Р. П., Борисов Ю. Б., 1983
Статистическая теория лазерной связи, Шереметьев А. Г., 1971
Лидарный контроль стратосферы, Зуев В. В., 2004
Распространение волн в среде со случайными неоднородностями, Чернов Л. А., 1958
Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений, Шовенгердт Р. А., 2010
Квантовая статистика линейных и нелинейных оптических явлений, Перина Я., 1987
Физика атмосферы, Хргиан А. Х., 1953
Исследование атмосферного озона, Гущин Г. П., 1963
Проблемы физики атмосферы. Сборник 5, Кондратьев К. Я., ред., 1967
Структура атмосферных осадков, Литвинов И. В., 1974
Космическое оружие: дилемма безопасности, Арбатов А. Г., Васильев А. А., Велихов Е. П., Верещетин В. С., Герасев М. И., Кокошин А. А., Коновалов А. А., Кулик С. А., Назиров Р. Р., Ознобищев С. К., Прилуцкий О. Ф., Родионов С. Н., Сагдеев Р. З., Сергеев В. М., 1986

http://knigoprovod.com

/Наука и Техника/Физика

ОГЛАВЛЕНИЕ

Книги на ту же тему