Распространение в атмосфере оптического излучения гигантской импульсной мощности (~ 10* Вт) с длительностью около lO с сопровождается рядом нелинейных эффектов: просветлением атмосферы, изменением прямолинейности распространения излучения, тепловой дефокусировкой луча, вызванной повыщением температуры в канале просветления, и самофокусировкой излучения в результате кинетического охлаждения атмосферы. Для описания затухания мощного лазерного излучения в атмосфере закон Бугера- Беера неприменим.

Известно, что облако или туман состоит из мелких водяных капель диаметром 5 ... 20 мкм. Под действием мощного оптического излучения происходит уменьшение объема капель во времени, вызванное процессом испарения. В результате этого происходит просветление канала луча. Скорость просветления определяется темпом испарения капель. Если плотность тумана велика (О,Б 10-*г/см*), то при плотности оптического излучения 10* Вт/см скорость распространения фронта просветления составляет приблизительно 6,7 10* wc. Этот результат справедлив только для таких оптических трасс, когда поглощение излучения в атмосфере определяется процессами испарения жидких капель, преобладающими над поглощением парами воды и углекислым газом.

Поглощенная атмосферой энергия оптического излучения вызывает перемешивание газа в вертикальном направлении в поле силы веса. Этот эффект конвективного перемешивания приводит к расширению луча. Если длительность импульса сравнима с временем конвективного переноса = d/Vn, где d - диаметр луча, а Vk - скорость конвекции, то влияние конвекции оказывается заметным.

Величину Vk находят из выражения [14]:

где р - плотность атмосферы, г/см; а - коэффициент молекулярного поглощения парами воды, см-i; F - мощность излучения лазера, Вт; g =

- 981 см/с^; Ср - теплоемкость атмосферы при постоянном давлении, Дж/(г - К); Т - температура атмосферы. К-

Так, например, при распространении излучения лазера на уровне моря, имеем: а = ,5 10- см-; р = 1,2 10-=* г/смЗ; ср 1,0 ДжУ(г . К): Т = 320 К. Если F = 5 Вт и d = 100 см, то Ук ~ 1СР см/с; =

- d/VK= 0,1 с, т. е. время конвективного переноса больше длительности импульса (<и= 10- с) и влиянием конвективного перемешивания можно пренебречь. Его надо учитывать при условии

Капли тумана, поглощая энергию оптического излучения, испаряются, что обусловливает нагрев межкапельной среды атмосферы. Повышение температуры газовой среды сопровонедается ее тепловым расширением. Если интенсивность излучения лазера убывает от оси к краю луча, полидисперсная среда приобретает свойства рассеивающей тепловой линзы, что приводит к падению плотности мощности излучения в канале луча.

Исследования показывают, что выражение для угла дефокусировки излучения, в котором распределение энергии по сечению подчиняется закону Гаусса [W= W exp (-pV?2)],

имеет вид [14]:

& = % + г{~,Щ. е„ а, (4.63)

где Во - начальное расхождение; (о^ - начальная плотность тумана; Ер - Диэлектрическая проницаемость невозмущенной среды; а - показатель аэрозольного ослабления; де/дТ - добавка к диэлектрической пропицае-

мости, вызванная повышением температуры газовой среды (де/дТ -Z -4 х X 10- к-1).

При распространении излучения лазера до высот порядка 12 км значительный вклад в расширение пучка вносят турбулентные пульсации, которые возникают при неоднородном нагреве атмосферы мощным оптическим излучением. При этом критическое значение числа Репнольдса Кекрит < 30, что на три порядка меньше величины Кекрит. получаемой в различных газокинетических задачах. Отмеченный эффект изучен еще недостаточно и предварительные оценки показывают, что он может иметь значительный эффект лишь на больших трассах (---lOOO км).

Исследования кинетики резонансного поглощения излучения с длиной волны 10,6 мкм молекулами COj выявили наличие эффекта кинетического охлаждения атмосферы, приводящего к самофокусировке мощных пучков.

Кинетические уравнения, описывающие динамику изменения температуры и населенности верхнего уровня СОг в зависимости от мощности излучения лазера, показали, что кинетическое охланедение для плотности мощности 10* Вт/ём2 создается спустя Б 10 * с после прихода переднего фронта оптического излучения и существует в течение 10 с. Изменение температуры при этом достигает 0,06 К. Таким образом, импульс излучения лазера длительностью в одну миллисекунду при прохонедении в верхних слоях атмосферы будет самофокусироваться. На основании оценочных данных американских специалистов миллисекундный импульс с апертурой 1 м и плотностью мощности 10 Вт/см, выходящий из слоя атмосферы с повышенной влажностью (туман, дымка) на высоте З км, по достижении высоты 30 км уменьшит свои размеры до 0,5 ... 0,8 м, что приведет к повышению плотности мощности до (1 ... 5) 10 Вт/см2 [14].

Явление самофокусировки мощного оптического излучения возникает также вследствие эффектов Керра и магнитострикции. Эффект Керра связан с ориентацией дипольных моментов молекул по направлению электрического поля, что приводит к анизотропии свойств преломляющей среды. Эффект электрострикции заключается в возникновении добавочного объемного давления в области действия излучения.

Пороговая мощность самофокусировки fnop. вызванной эффектами Керра и магнитострикции, тем меньше, чем меньше длина волны излучения и составляет десятки тысяч киловатт.

Экспериментальные исследования подтвердили наличие самофокусировки луча лазера и показали, что наряду с этим явлением имеет место образование тонких нитей внутри луча.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Борисевич Н. А., Верещагин В. Г., Валидов М. А. Инфракрасные фильтры. Минск, Наука и техника , 1971.

2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Пер. с англ. М., Мир , 1970.

3. Гарбуни М. Физика оптических явлений. Пер. с франц. М., Энергия , 1967.

4. Гертнер Г. Прозрачность замутненной атмосферы для инфракрасных лучей. Пер. с англ. М., Госэнергоиздат, 1949.

5. Дерибере М. Практические применения инфракрасных лучей. Пер. с франц. М., Госэнергоиздат, 1959.

6. Дитчберн Р. Физическая оптика. Пер с англ. М., Наука , 1965.

7. Зуев В. Е. Распространение видимых и инфракрасных лучей в атмосфере. М., Сов. радио , 1970.

8. Зборовский А. А., Смирнов В. А. Влияние состояния атмосферы на затухание оптического излучения в наземных каналах связи. - Радиотехника , 1975, № 11.

9. Иванов А. П. Оптика рассеивающих сред. Минск, Наука и техника , 1969.

10. Каган В. К., Кондратьев К- Я. Основы информационной теории видимости в атмосфере. Л., Гидрометеоиздат, 1968.

11. Криксунов л. 3., Усольцев И. Ф. Инфракрасные системы. Л1.( Сов. радио , 1968. .. ,

12. Крылова Т. Н. Интерференционные покрытия. Л., Машинострое-

iS. Куштии И. Ф. Рефракция световых лучей в атмосфере. М., Недра , 1971.

14. Магдич А. Б. Распространение мощного лазерного излучения в атмосфере. - Зарубежная электронная техника , 1973, № 2.

15. Оптические материалы для инфракрасной техники. М., Наука , 1965. Авт.: Воронкова Е. М., Гречушников Б. Н., Дистлер Г. И., Пет-

16 Пришивалко А. П. Отражение света от поглощающих сред. Минск, Изд. АН БССР. 1963.

17. Росс М. Лазерные приемники. Пер. о англ. М., Мир , 1969.

18! Татарский В. И. Теория флюктуационных явлений при распространении волн в турбулентной атмосфере. М., АН СССР, 1967.

19. Теоретические и прикладные проблемы рассеяния света. Сборник под ред. Б. И. Степанова и А. П. Иванова. Минск, Наука и техника , 1971.

20. Фабелинский И. Л. Молекулярное рассеяние света. М., Наука , 1965.

21. Физика и техника инфракрасного излучения. Пер. о англ. М., Сов. радио , 1965. Авт.: Джемиссои Дж. Э., Мак-Фи Р. X., Пласс Дж. П., Грубе Р. Г., Ричарде Р. Дж.

22. Хадсон Р. Инфракрасные системы. Пер. с англ. М., Мир , 1972.

23. Хргиан А. X. Физика атмосферы. М., Физматгиз, 1958.

24. Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. Пер. о англ. М., ИЛ, 1961.

25. Шаронов В. В. Измерение и расчет видимости далеких предметов. М.-Л., Гостехиздат, 1947.

26. Шерклифф У. Поляризованный свет. Пер. с англ. М., Мир , 1965.

27. Шишловский А. А. Прикладная физическая оптика.М., Физматгиз, 1961.

28. Шифрин К. С. Рассеяние света в мутной среде. М., Гостехиздат, 1951.

29. Якушенков Ю, Г. Оптические системы фотоэлектрических устройств. М., Машиностроение , 1966.

30. Adel А. The Atmospheric Windows of 6,3p, and 16 to 24ц. - Infra-red Phys. , 1962, № 2.

31. Burch d. E., Gryvnak d. a., Patty r. B. Absorption of Infrared Radiation by CO2 and H2O. - JOSA , 1967, Mb 57.

32. Burch D. £., Williams D. Tests of Theoretical Absorption Band Model Approximations. - Арр!. Opt. , 1964, № 3.

33. Elder Т., Strong j. The Infrared Transmission of Atmospheric Windows. - J. Franklin Inst. , 1953, v. 255.

34. Gebbie H. a., et al. Atmospheric Transmission in the 1 to 14(x Region.- Ргос. Roy. Soc. , 1950, V. 206 A.

35. Godson a. The Computation of Infrared Transmission by atmospheric Water Vapor. - J. Meteoro]. , 1955, № 3.

36. Green a. E. &, Griggs m. Infrared Transmission Trough The Atmosphere. - Appl. Opt. , 1963, № 2.

37. Howard j. n., Burch d. E., Williams d. Infrared Transmission of Synthetic Atmospheres. - JOSA , 1956, v. 46.

38. Howard j. n., Garing j. s. The Transmission of the Atmosphere in the Infrared. - Infrared Phys. , 1962, № 2.

39. Kamieson j. a. el al. Infrared physics and engineering. New-York - Toronto-London, 1963.

40. Kurnick s. W., Zitter r. n.. Williams d. B. Attenuation of Infrared Radiation by Fogs. - JOSA , 1960, v. 50.

41. Rank D. H. at al. Abundance of N2O to the Atmosphere. - JOSA , 1962, V. 52.