ЛАЗЕРЫ И ОПТИКА АТМОСФЕРЫ
После создания первого лазера зародилась и стала стремительно развиваться «лазерная эпоха» в атмосферной оптике. Уникальные свойства лазерного излучения быстро нашли широкое применение в фундаментальных и прикладных исследованиях различных по масштабам и природе процессов и явлений,протекающих в атмосфере Земли.
Г.Г. Матвиенко, д.ф.-м.н.,
директор Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН
В нашей стране первые лазерные эксперименты по изучению атмосферы начала в 1965 году Центральная аэрологическая обсерватория Госкомгидромета. В 1969 году в Томске на базе лаборатории инфракрасных излучений Сибирского физико-технического института при Томском государственном университете был создан Институт оптики атмосферы, основными научными задачами которого стали исследования распространения лазерного излучения в атмосфере с учетом поглощения атмосферными газами, ослабления аэрозолями, флуктуаций за счет атмосферной турбулентности; лазерное зондирование атмосферы, генерирование и детектирование лазерных импульсов с заданными свойствами, изучение нелинейных эффектов при распространении мощного оптического излучения в атмосфере.
Основателем института стал Герой Социалистического Труда, лауреат Государственной премии СССР и премии Совета Министров СССР академик Владимир Евсеевич Зуев (1925–2003 гг.). Под его началом Институт оптики атмосферы сформировался в крупнейшее в мире учреждение в этом направлении. В 1985 г. результаты исследований сотрудников института по распространению лазерного излучения в атмосфере Земли и разработке новых методов решения задач самовоздействия лазерных пучков были отмечены Государственной премией СССР. В институте разработан широкий спектр научных приборов для лабораторных и натурных измерений аэрозольных, газовых, турбулентных и других характеристик атмосферы, в том числе лидары наземного, самолетного и космического базирования, лазерные навигационные системы для посадки самолетов и проводки судов. После успешных наземных испытаний 20 мая 1995 г. на станцию «Мир» в составе модуля «Спектр» был выведен на околоземную орбиту первый российский космический лидар «БАЛКАН», созданный совместно Институтом оптики атмосферы, СКБ НП «Оптика» и НИИ космического приборостроения. Лидар осуществлял зондирование облаков всех ярусов в глобальном масштабе.
В череде событий, отметивших продвижение лазеров в оптическую науку, для атмосферной оптики важно отметить возникновение самостоятельного научного направления, связанного с исследованием фундаментальных и прикладных проблем применения мощных лазеров, — нелинейной оптики атмосферы. Это направление охватывает широкий круг оптических задач, связанных с изучением свойств газов и аэрозолей атмосферы в мощных оптических полях, поведение мощных лазерных пучков на протяженных атмосферных трассах. В институте были впервые поставлены и решены задачи получения информации о свойствах атмосферной среды по оптическому отклику — результату взаимодействия мощного лазерного импульса с аэрозольной средой.
 |
| Сотрудники института монтируют стенд для лабораторных исследований закономерностей взаимодействия ультракоротких лазерных импульсов с атмосферой. |
Институт оптики атмосферы СО РАН совместно с Институтом прикладной физики РАН осуществил первые в России натурные эксперименты по управлению параметрами тераваттного ультракороткого лазерного излучения для обеспечения эффекта самофокусировки на удаленной дистанции. Установлена принципиальная возможность организации на атмосферной трассе генерации широкополосного когерентного излучения — так называемого квазибелого света. Кроме того, показано, что передача высокой интенсивности излучения на длинные дистанции пучком световых жгутов, так называемых филаментов, возбуждаемых в прогнозируемом месте оптического канала, является вполне реальной.
При исследовании нелинейно-оптических задач в атмосферной оптике коллективом института был использован методологический подход, основанный на комплексном исследовании явлений, когда совместно проводятся лабораторные, теоретические и натурные исследования. Такой подход позволяет осуществлять построение прогностических полуэмпирических моделей взаимодействия излучения мощных лазеров и атмосферной среды, что необходимо для практической атмосферной оптики.
В институте детально разрабатываются методы лазерной спектроскопии и на их основе создаются образцы нового поколения спектральной аппаратуры — сверхчувствительные лазерные спектрометры. Проводятся исследования колебательно-вращательных спектров высокого разрешения слабопоглощающих атмосферных газов и малых примесей антропогенного и природного происхождения. Анализируется влияние внутри- и межмолекулярных взаимодействий на структуру спектра и контура отдельных спектральных линий.
Возможность дистанционного определения характеристик воздушной среды и получения разнообразных сведений о свойствах атмосферы на различных высотах, хорошее пространственно-временное разрешение, связанное с малой длительностью лазерного импульса и высокой частотой повторения импульсов, стимулировали интенсивное развитие методов лазерного зондирования окружающей среды с помощью лидаров. В институте создана и эксплуатируется многоуровневая система глобального дистанционного экологического и метеорологического мониторинга оптических и физических параметров атмосферы на основе уникального комплекса стационарных и мобильных установок, созданы и применяются на практике лидары различного целевого назначения, разработаны системы оптического дистанционного определения скорости и направления ветра, параметров турбулентности, температуры и влажности воздуха, характеристик аэрозольных и газовых составляющих атмосферы. Полученные экспериментальные данные позволяют исследовать связи между различными параметрами атмосферы и определять закономерности их изменения. Накопленный потенциал и опыт в решении комплексных проблем применяются для изучения окружающей среды и процесса глобального изменения климата.
стр. 5
|
