Том 22, номер 07, статья № 7

pdf Креков Г. М., Крекова М. М., Суханов А. Я. Оценка эффективности использования перспективных лидаров белого света для зондирования микрофизических параметров слоистой облачности: 1. Аналитический обзор. // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т. 22. № 07. С. 661-670.
Скопировать ссылку в буфер обмена
Аннотация:

Представлен аналитический обзор существующих и перспективных источников широкополосного когерентного излучения с позиций их значимости в проблеме дистанционного лазерного зондирования окружающей среды и, в первую очередь, земной атмосферы. Отмечается стремительное развитие технологии производства оптоволоконных лазеров и усилителей. Сделан вывод о том, что оптоволоконная техника займет в ближайшее время лидирующие позиции в конструировании лидарных систем, в первую очередь аэрокосмического базирования. Это делает актуальным разработку методологии и алгоритмического обеспечения для интерпретации данных, получаемых при широкополосном лазерном зондировании.

Ключевые слова:

волоконно-оптические лазеры, широкополосное излучение, лазерное зондирование

Список литературы:

1. Luther G.G., Newel A.C., Moloney J.V. Wright E.M. Short-pulse conical emission and spectral broadening in normaly dispersive media // Opt. Lett. 1994. V. 19. P. 789-791.
2. Braun A., Korn G., Liu X., Du D., Squier J., Mourou G. Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in air // Opt. Lett. 1995. V. 20. P. 73-75.
3. Le Blanc C., Curley P., Salin F. Gain-narrowing and gain-shifting of ultra-short pulses in Ti:Sapphire amplifiers // Opt. Commun. 1996. V. 131. P. 391-398.
4. Nibbering E.T.J., Curley P.F., Grillon G., Prade B.S., Franco M.A., Salin F., Mysyrowicz A. Conical emission from self-quided femtosecond pulses in air // Opt. Lett. 1996. V. 21. P. 62-64.
5. Brodeur A., Chien C.Y., Ilkov F.A., Chin S.L., Kosareva O.G., Kandidov V.P. Moving focus in the propagation of ultrashort laser pulses in air // Opt. Lett. 1997. V. 22. P. 304-306.
6. Backus S., Durfee C.G., Murnan M.M., Kapteyn H.C. High power ultrafast lasers // Rev. Sci. Instrum. 1998. V. 69. P. 1207-1223.
7. Kasparian J., Mondelain R.S.D., Niedermeier S., Yu J., Wolf G.P., Andre Y.B., Franco M., Prade B., Tzortzakis S., Mysyrowicz A., Rodrigues M., Wille H., Woste L., Infrared Extension of the surpercontinuum genuated by femtosecond terawatt laser pulses propagation in the atmosphere // Opt. Lett. 2000. V. 25. P. 1397-1399.
8. Rairoux P., Schillinger H., Niedermeier S. Remote sensing of the atmosphere using ultrashort laser pulses. // Appl. Phys. B. 2000. V. 71. P. 573-580.
9. Wille H., Rodrigues M., Kasparian J. Teramobile: a mobile femtosecond-terawatt laser and detection system // Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2002. V. 20. P. 183-190.
10. Иванов В.И., Малевич И.А., Чайковский А.П. Многофункциональные лазерные системы. Минск: Изд-во "Университетское", 1986. 287 c.
11. Крюков П.Г. Лазеры ультракоротких импульсов // Квант. электрон. 2001. Т. 31. С. 95-108.
12. Ross I.N., Collier J., Matousek P., Danson C., Neely D., Allott R., Pepler D., Hernandez-Gomez C., Osvay K. Generation of terawatt pulses by use of optical parametric chirped pulse amplification // Appl. Opt. 2000. V. 39. N 15. P. 2422-2427.
13. Бабин А.А., Киселев А.М., Сергеев А.М., Степанов А.Н. Терраваттный фемтосекундный Ti:Sa лазерный комплекс // Квант. электрон. 2001. Т. 31. № 7. С. 623-626.
14. Bourayou R., Mejean G., Kasparian J., Rodrigues M., Salmon E., Yu J., Lehrmann H. White-light filaments for multiparameter analysis of cloud microphysics // J. Opt. Soc. Amer. B. 2005. V. 22. P. 369-377.
15. Матвиенко Г.Г., Веретенников В.В., Креков Г.М., Крекова М.М. Дистанционное зондирование атмосферных аэрозолей с использованием фемтосекундного лидара белого света // Оптика атмосф. и океана. 2003. Т. 16. № 12. С. 1107-1115.
16. Зуев В.Е., Наац И.Э. Обратные задачи лазерного зондирования. Новосибирск: Наука, 1982. 242 с.
17. Bonvalet A., Joffre M., Martin J.L., Migus A. Generation of ultra broadband femtosecond pulses in the mid-infrared by optical rectification of 15 fs light pulses at 100 MHz repetition rate // Appl. Phys. Lett. 1995. V. 67. P. 2907-2909.
18. Reed M.K., Steiner M.K. Tunable infrared generation using a femtosecond 250 kHz Ti:Sapphire regenerative amplifier // J. Quantum Electron. 1996. V. 32. P. 1273-1277.
19. Amoruso S., Amodeo A., Armtnante M., Boselli A., Mona L., Pandolfi M. Development of tunable IR lidar system // Opt. and Lasers Eng. 2002. V. 37. P. 521-532.
20. Иванов А.А., Алфимов М.В., Желтиков А.М. Фемтосекундные импульсы в нанофотонике // Успехи физ. наук. 2004. Т. 174. С. 743-763.
21. Kobayashi T., Shirakava A. Tunable visible and near-infrared pulse generator in a 5 fs regime // Appl. Phys. B. 2000. V. 70 [Suppl.]. P. S239-S246.
22. Таусенов А.В., Крюков П.Г., Бубнов М.М., Лиха-чев М.Е., Романова Е.Ю., Яшков М.В. Эффективный источник фемтосекундных импульсов и его использование для генерации широкополосного суперконтинуума // Квант. электрон. 2005. Т. 35. С. 581-585.
23. Tacheo S., Sorbello G., Longhi S., Laporta P. Measu-rement of the energy transfer and up-conversion constants in Er3+/Yb3+-doped phosphate glass // Opt. and Quant. Electron. 1999. V. 31. P. 249-262.
24. Fragemann A., Pasiskovicius V., Laurell F. Broadband nondegenerate optical parametric amplification in mid infrared with periodically poled KTiOPO4 // Opt. Lett. 2005. V. 30. P. 2296-2298.
25. Petrov V., Noack F., Tzankov P., Ghotbi M. High-power femtosecond optical parametric amplification at 1 kHz in BiB3O6 pumped at 800 nm // Opt. Express. 2007. V. 15. P. 556-565.
26. Veasey D.L., Funk D.S., Peters P.M., Sandford N.A. Yb/Er-codoped and Yb-doped waveguide lasers in phosphate glass // J. Non-Cryst. Solids. 2000. V. 263. P. 369-381.
27. Yu F.T., Yin S. Fiber Optics Sensors. New York: Marcel Dekker Inc., 2002. 262 p.
28. http://www.rp-photonics.com/rare_earth_doped_ gain_ media.html
29. http:// www.topica.com/ product/itemlayer/97/Photo- nics_West%202007.pdf
30. Nilsson J., Sahu J., Jeong Y., Clarkson A., Selvas R. High power fiber lasers // Proc. SPIE. 2003. V. 4974. P. 50-59.
31. Sharma U., Kim C.S., Kang J.U. Highly stable tunable-wavelength Q-switched fiber laser for DIAL application // IEEE Photonics Technol. Lett. 2004. V. 16. P. 1277-1280.
32. McGrath A.J., Munch J., Smith G., Veitch P. Injec-tion-seeded, single-frequency, Q-switched erbium:glass laser for remote sensing // Appl. Opt. 1998. V. 37. P. 5706-5709.
33. Pearson G.N., Roberts P.J., Eacock J.R., Harris M. Analysis of the performance of a coherent pulsed fiber lidar for aerosol backscatter application // Appl. Opt. 2002. V. 41. P. 6442-6450.
34. Желтиков А.М. Сверхкороткие импульсы и методы нелинейной оптики. М.: Наука, 2006. 261 с.
35. Agrawai G.P. Nonlinear Fiber Optics. San Diego: Academic Press, 2001. 261 p.
36. Кашкаров П.К., Головань Л.А., Заботнов С.В., Мельников В.А., Круткова Е.Ю., Желтиков А.М. Увеличение эффективности нелинейно-оптических взаимодействий в наноструктурированных полупроводниках // Физ. тверд. тела. 2005. Т. 47. С. 153-159.
37. Smirnov S.V., Ania-Castanon J., Ellingham T.J., Kobtsev S.M., Kukarin S. Opical spectral broadening and supercontinuum generation in telecom application // Optical Fiber Technol. 2006. V. 12. P. 122-127.
38. Steinmeyer G. A review of ultrafast optics and optoelectronics // J. Opt. A. 2003. V. 5. P. R1-R15.
39. Ranka J.K., Windler R.S., Stentz A.J. Visible continuum generation in air-silica microstructure optical fiber with anomalous dispersion at 800 nm // Opt. Lett. 2000. V. 25. P. 25-27.
40. Желтиков А.М. Оптика микроструктурированных волокон. М.: Наука, 2004. 274 c.
41. Bjarklev A., Broeng J., Bjarklev A.S. Photonic Crystal Fibre. Boston: Kluwer Academic Publ., 2003. 343 p.
42. Steel M.J., Osgood R.M. Elliptical-hole photonics crystal fibers // Opt. Lett. 2001. V. 26. P. 229-231.
43. Nikogosyan D.N. Nonlinear Optical Crystal: Complete Survey. N.Y.: Springer Publ., 2005. 414 p.
44. Nicholson J.W., Yablon A.D., Westbrook P.S., Feder K.S., Yan M.F. High power single mode, all-fiber source of femtosecond pulses at 1550 nm and its use in supercontinuum generation // Opt. Express. 2004. V. 12. P. 3025-3034.
45. Konorov S.O., Zheltikov A.M., Scalora M. Photonic-crystal fiber as multifunctional optical sensor and sample collector // Opt. Express. 2005. V. 13. P. 3454-3459.
46. High Peak Power Fiber Lasers for Lidar/Ladar Applications // http://www.ewh.ieee.org/r2/baltimore/ leos/ BaltimoreLEOSMeeting20
47. Liu Z., Voelger P., Sugimoto N. Simulation of the observation of clouds and aerosols with the Experimental Lidar in Space Equipment system // Appl. Opt. 2000. V. 39. P. 3120-3137.
48. Winker D.M., Couch R.H., McCormick M.P. An overview of LITE: NASA's Lidar In-space Technology Experiment // Proc. IEEE. 1996. V. 84. P. 164-179.
49. Зуев В.В., Ельников А.В., Бурлаков В.Д. Лазерное зондирование средней атмосферы. Томск: РАСКО, 2002. 352 с.
50. Godin S., Carswell A.I., Donovan D.P., Claude H., Steibrecht W. Ozone differential absorption lidar algorithm intercomparison // Appl. Opt. 1999. V. 38. N 30. P. 6225-6236.
51. Fiorani L., Durieux E. Comparison among error calculations in differential absorption lidar measurements // Opt. and Laser Technol. 2001. V. 33. P. 371-377.
52. Kolsch H. J., Rairoux P., Wolf J.-P., Woste L. Comparative study of nitric-oxyde immission in the cities of Lyon, Geneva and Stuttgart using a mobile differential absorption Lidar system // Appl. Phys. B. 1992. V. 54. P. 89-94
53. Kolsch H. J., Rairoux P., Wolf J.-P., Woste L. Simultaneous NO and NO2 measurement using BBO crystals // Appl. Opt. 1989. V. 28. P. 2052-2056.
54. Wolf J.-P. UV-DIAL-Lidar Techniques for Air Pollution Monitoring // Encyclopedia of Analytical Chemi-stry / Ed. R.A. Meyers. N.Y.: J. Wiley & Sons, 2000. V. 3. P. 2226-2247.
55. Duclaux O., Frejafon E., Schmidt H., Thomasson A., Mondelain D. 3D-air quality model evaluation using the Lidar technique // Atmos. Environ. 2002. V. 36. P. 5081-5095.
56. Ельников А.В., Креков Г.М., Маричев В.Н. Лидарные наблюдения стратосферного слоя аэрозоля над Западной Сибирью // Изв. АН СССР. Физ. атмосф. и океана. 1988. Т. 24. С. 818-823.
57. Stebel K., Neuber R., Beyerle G. Lidar observations of polar stratospheric clouds above Spitsbergen // Advances in Atmos. Remote Sensing. Berlin: Springer, 1997. P. 509-512.
58. Guasta M., Morandi M., Stefanutti B., Stein L., Wolf J.-P. Derivation of mount Pinatubo stratospheric aerosol mean size distribution by means of a multiwavelength Lidar // Appl. Opt. 1994. V. 33. P. 5690-5697.
59. Beniston M., Wolf J.-P., Beniston-Rebetez M., Kolsch J., Rairoux P., Woste L. Use of Lidar Measurements and numerical models in air-pollution research // J. Geophys. Res. D. 1990. V. 95. N 7. P. 9879-9894.
60. Walmsley H.L., O'Connor S.J. The accuracy and sensitivity of infrared differential absorption lidar measu-rements of hydrocarbon emissions from process units // Pure and Appl. Opt. 1998. V. 7. P. 907-925.
61. Kasparian J., Frejafon E., Rambaldi P., Yu J., Ritter P., Viscardi P., Wolf J.-P. Characterization of urban aerosols using SEM-microscopy, X-Ray analysis, and Lidar measurements // Atmos. Environ. 1998. V. 32. P. 2957-2967.
62. Woste L., Wedekind C., Wille H., Rairoux P., Stein B., Werner C., Niedermeier S., Ronneberger F., Schillinger H., Sauerbrey R., Femtosecond atmospheric lamp // Laser und Optoelektronik. 1997. E. 2688. P. 445-461.
63. Kasparian J., Rodrigues M., Mejean G., Salmon J.Yu., Wille H., Wolf J.-P., Franco M., Mysyrowicz A., Woste L. White-light filaments for atmospheric analysis // Science. 2003. V. 301. P. 61-64.
64. Bejot P., Bonasina L., Extermann J., Moret M., Wolf J.-P., Ackermann R. 32 TW atmospheric white-light laser // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 151106.
65. Mejean G., Kasparian J., Salmon E., Yu J., Wolf J.-P., Bourayou R. Towards a supercontinuum-based infrared lidar // Appl. Phys. B. 2003. N 77. P. 357-359.
66. Thomalla E., Quenzel H. Information content of aerosol optical properties with respect to their size distribution // Appl. Opt. 1982. V. 21. P. 3170-3177.
67. Veselovskii I., Kolgotin A., Muller D., Whiteman D.N. Information content of multiwavelength lidar data with respect to microphysical particle properties derived from eigenvalue analysis // Appl. Opt. 2005. V. 44. P. 5292-5303.
68. Chin S.L., Hosseini S.A., Liu W., Luo Q., Theberge F., Akozbek N., Becker A., Kandidov V.P., Kosareva O.G., Schroeder H. The propagation of powerful femtosecond laser pulses in optical media: physics, applications, and new challenges // Can. J. Phys. 2005. V. 83. P. 863-905.
69. Galvez M.C., Fujita M., Inoue N., Moriki R., Izawa Y., Yamanaka C. Three-wavelength backscatter measurement of clouds and aerosols using a white light Lidar system // Jap. J. Appl. Phys. 2002. V. 41. P. 284-291.
70. Somekawa T., Yamanaka C., Fujita M., Galvez M.C. Observation of Asian Dust Aerosols with Depolarization Lidar Using a Coherent White Light Continuum // Jap. J. Appl. Phys. 2008. V. 47 P. 2155-2157.
71. Somekawa T., Yamanaka C., Fujita M., Galvez M.C. Depolarization Lidar detection and ranging using white light lidar system // Jap. J. Appl. Phys. 2006. V. 45 P. L165-L168.
72. Brown D.M., Shi K., Liu Z., Philbrick C.R. Long-path supercontinuum absorption spectroscopy for measurement of atmospheric constituents // Opt. Express. 2008. V. 16. P. 8457-8471.
73. Nishioka H., Ueda K.I. Super-broadband continuum generation with transient self-focusing of a terawatt laser pulse in rare gases // Appl. Phys. B. 2003. V. 77. P. 171-175.
74. Kasparian J., Wolf J.-P. A new transient SRS analysis method of aerosols and application to a nonlinear femtosecond Lidar // Opt. Commun. 1998. V. 152. P. 355-360.
75. Faye G., Kasparian J., Sauerbrey R. Modifications to the Lidar equation due to nonlinear propagation in air // Appl. Phys. B. 2001. V. 73. P. 157-163.
76. Boutou V., Favre C., Hill S.C., Pan Y.L., Chang R.K., Wolf J.-P. Backward enhanced emission from multiphoton processes in aerosols // Appl. Phys. B. 2002. V. 75. P. 145-152.
77. Hill S.C., Boutou V., Ramstein S., Wolf J.-P., Pan Y.-L., Holler S., Chang R.K. Enhanced backwarddirected multiphoton-excited fluorescence from dielectric microspheres // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 85. P. 54-57.
78. Pan Y., Hill S.C., Wolf J.-P., Holler S., Chang R.K., Bottige J.R. Backward-enhanced fluorescence from clusters of microspheres and particles of tryptophan // Appl. Opt. 2002. V. 41. P. 2994-2999.
79. Pan Y., Holler S., Pinnick R.G., Hill S.C., Wolf J.-P., Chang R.K., Bottiger J.R. Dynamics of photon-induced degradation and fluorescence in riboflavin microparticles // Appl. Phys. B. 2001. V. 72. P. 449-454.
80. Wolf J.P. Detection and identification of bacteria in air using femtosecond spectroscopy // Analysis and Control of Ultrafast Photoinduced Reactions. Berlin; Heidelberg: Springer, 2007. P. 807-828.
81. Favre C., Boutou V., Hill S.C., Zimmer W., Krenz M., Lambrecht H., Yu J., Chang R.K., Woste L., Wolf J.-P. White-light nanosource with directional emission // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89. P. 035002.
82. Blanchard G.D. Ultrafast Stimulated Emission Spectroscopy // Topics in Fluorescence Spectroscopy. N.Y.: Plenum Press, 1997. V. 5. P. 253-293.
83. Lindiger А., Koutecky V.B., Mitric R. Analysis and control of small isolated molecular systems // Analysis and Control of Ultrafast Photoinduced Rection. Berlin; Heidelberg: Springer, 2007. P. 25-134.
84. Courvoisier F., Boutou V., Wood V., Wolf J.-P., Bartelt A., Roth M., Rabitz H. Light filaments transmitted through clouds // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 87. P. 063901.
85. Courvoisier F., Boutou V., Guyon L., Wood V., Wolf J.-P., Bartelt A., Roth M., Rabitz H. Discriminating bacteria from other atmospheric particles using femtosecond molecular dynamics // J. Photochem. and Photobiol. 2006. V. 180. P. 300-306.
86. Daigle J.F., Mejean G., Liu W., Theberge F., Xu H.L., Kamali Y. Long range trace detection in aqueous aerosol using remote filament-induced breakdown spectroscopy // Appl. Phys. B. 2007. V. 87. P. 749-754.
87. Xu H.L., Mejean G., Liu W., Theberge F., Kamali Y., Daigle J.F. Remote detection of similar biological materials using femtosecond filament-induced breakdown spectroscopy // Appl. Phys. B. 2007. V. 87. P. 151-156.
88. Karlson C.J., Olsson F.A., Letalick D., Harris M. All-fiber multifunction continuous-wave coherent laser radar at 1.55 m for range, speed,? vibration, and wind measurements // Appl. Opt. 2000. V. 39. P. 3716-3726.
89. Little L.M., Papen G.C. Fiber-based lidar for atmospheric water-vapor measurements // Appl. Opt. 2001. V. 40. P. 3417-3427.
90. Желтиков А.М. Микроструктурированные световоды для нового поколения волоконно-оптических источников и преобразователей световых импульсов // Успехи физ. наук. 2007. Т. 177. С. 737-762.
91. Watt R.S., Kaminski C.F., Hult J. Generation of supercontinuum radiation in conventional single-mode fibre and its application to broadband absorption spectroscopy // Appl. Phys. B. 2008. V. 90. P. 47-53.
92. Kaasalainen S., Lindroos T., Hyyppa J. Toward hyperspectral lidar: measurement of spectral backscatter intensity with a supercontinuum laser source // IEEE Geosci. and remote sens. lett. 2007. V. 4. P. 211-215.
93. Hult J., Watt R.S., Kaminski C.F. High bandwidth absorption spectroscopy with dispersed supercontinuum source // Opt. Express. 2007. V. 15. P. 11385-11395.
94. Brown D.M., Shi K., Liu Z., Philbrick R. Long-path supercontinuum absorbtion spectroscopy for measurement of atmospheric constituents // Opt. Express. 2008. V. 16. P. 8457-8469.
95. Walewski J.W., Sanders S.T. High-resolution wavelength-agile laser source based on pulsed super-continua // Appl. Phys. B. 2004. V. 79. P. 415-418.
96. Konorov S.O., Zheltikov A.M. Photonic-crystal fiber as multifunctional optical sensor and sample collector // Opt. Express. 2005. V. 13. P. 3454-3460.
97. http://optics.org/cws/product/P000000270
98. Holton C.E. Optical fiber ceilometer for meteorological cloud altitude sensing. Wipo Patent WO/ 2002/025248. http://www.freepatentsonline.com/ WO2002025248.html
99. Sanders S.T. Wavelength-agile fiber laser using group-velocity dispersion of pulsed super-continua and application to broadband absorption spectroscopy // Appl. Phys. B. 2002. V. 75. P. 799-802.
100. Swann W.C., Newbury N.R. Frequency-resolved coherent lidar using a femtosecond fiber laser // Opt. Lett. 2006. V. 31. P. 826-828.
101. Fiber lasers and amplifiers for Earth/planetary science and exploration at NASA Goddard Space Flight Center.
http://esto.nasa.gov/conferences/estc2006/papers/ b7p1.pdf
102. Fiber Laser Components Technology Readiness Over-view NASA Electronic Parts and Packaging Program. http://misspiggy.gsfc.nasa.gov/tva/meldoc/TROfiberlasercomp.pdf
103. Gapontsev V., Gapontsev D., Platonov N., Shkurikhin O., Fomin V., Mashkin A., Abramov M., Ferin S. 2 kW CW ytterbium fiber laser with record diffraction-limited brightness // Lasers and Electro-Optics Europe. 2005. CLEO/Europe. 2005. Conf. 12-17 June 2005. P. 508-510.
104. Minelly J., Teodoro F., Savage-Leuchs M., Alterman D. High peak power and high energy fiber amplifiers // Lasers and Electro-Optics Society. 2006. LEOS 2006. 19th Annual Meeting of the IEEE. Oct. 2006. P. 203-204.