Оптик бир жинсли бўлмаган муҳитдаги ўлчашларда лазерли гетеродинлаш ва корреляцион қайта ишлаш

ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ, ИОН-ПЛАЗМА ВА ЛАЗЕР

ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ ИНСТИТУТИ, САМАРҚАНД ДАВЛАТ

УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ ИЛМИЙ ДАРАЖАЛАР БЕРУВЧИ

DSc.27.06.2017.FМ/Т.34.01 РАҚАМЛИ ИЛМИЙ КЕНГАШ

ЎЗБЕКИСТОН МИЛЛИЙ УНИВЕРСИТЕТИ

ЭШОНҚУЛОВ ҒОФУР БОБОҚУЛОВИЧ

ОПТИК БИР ЖИНСЛИ БЎЛМАГАН МУҲИТДАГИ ЎЛЧАШЛАРДА

ЛАЗЕРЛИ ГЕТЕРОДИНЛАШ ВА КОРРЕЛЯЦИОН ҚАЙТА ИШЛАШ

01.04.11 – Лазер физикаси

(физика-математика фанлари)

ФИЗИКА-МАТЕМАТИКА ФАНЛАРИ БЎЙИЧА ФАЛСАФА ДОКТОРИ (PHD)

ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ

Тошкент – 2018 йил

2

УДК: 535.41:535.36

Физика-математика фанлари бўйича фалсафа доктори (PhD)

диссертацияси автореферати мундарижаси

Оглавление автореферата диссертации доктора философии (PhD)

по физико-математическим наукам

Contents of dissertation abstract of the doctor of philosophy (PhD)

on physical-mathematical sciences

Эшонқулов Ғофур Бобоқулович

Оптик бир жинсли бўлмаган муҳитдаги ўлчашларда лазерли
гетеродинлаш ва корреляцион қайта ишлаш…………..................................

3

Эшонкулов Гофур Бобокулович

Лазерное гетеродинирование и корреляционная обработка при
измерениях в оптически неоднородной среде............................………….

21

Eshonqulov Gofur

Laser heterodyning and correlation processing in measurements in optical
inhomogeneous media….....................................................................................

39

Эълон қилинган ишлар рўйхати

Список опубликованных работ
List of published works……………………………………………………..

42

3

ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ, ИОН-ПЛАЗМА ВА ЛАЗЕР

ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ ИНСТИТУТИ, САМАРҚАНД ДАВЛАТ

УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ ИЛМИЙ ДАРАЖАЛАР БЕРУВЧИ

DSc.27.06.2017.FМ/Т.34.01 РАҚАМЛИ ИЛМИЙ КЕНГАШ

ЎЗБЕКИСТОН МИЛЛИЙ УНИВЕРСИТЕТИ

ЭШОНҚУЛОВ ҒОФУР БОБОҚУЛОВИЧ

ОПТИК БИР ЖИНСЛИ БЎЛМАГАН МУҲИТДАГИ ЎЛЧАШЛАРДА

ЛАЗЕРЛИ ГЕТЕРОДИНЛАШ ВА КОРРЕЛЯЦИОН ҚАЙТА ИШЛАШ

01.04.11 – Лазер физикаси

(физика-математика фанлари)

ФИЗИКА-МАТЕМАТИКА ФАНЛАРИ БЎЙИЧА ФАЛСАФА ДОКТОРИ (PHD)

ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ

Тошкент – 2018 йил

4

Физика-математика фанлари бўйича фалсафа доктори (PhD) диссертацияси мавзуси

Ўзбекистон Республикаси Вазирлар Маҳкамаси ҳузуридаги Олий аттестация комиссиясида
В2018.1PhD/FM93 рақам билан рўйхатга олинган.

Диссертация Ўзбекистон Миллий университети Физика факультетида бажарилган.
Диссертация автореферати уч тилда (ўзбек, рус, инглиз (резюме)) Илмий кенгашнинг веб-

саҳифасида (fti.uz) ҳамда “ZiyoNet” Ахборот таълим порталида (www.ziyonet.uz) жойлаштирилган.

Илмий маслаҳатчи:

Вильданов Рамиль Рифгатович

физика-математика фанлари номзоди, доцент

Расмий оппонентлар:

Усмонов Тимурбек Бекмурадович

физика-математика фанлари доктори, академик

Семенов Денис Иванович

физика-математика фанлари доктори, доцент

Етакчи ташкилот:

Тошкент давлат техника университети

Диссертация ҳимояси Физика-техника институти, Ион-плазма ва лазер технологиялари

институти, Самарқанд давлат университети ҳузуридаги DSc.27.06.2017.FM/T.34.01 рақамли
Илмий кенгашнинг 2018 йил «____»______________

соат ______даги мажлисида бўлиб ўтади.

(Манзил: 100084, Тошкент шаҳри, Бодомзор йўли кўчаси, 2б-уй. Тел./факс: (99871) 235-42-91,
e-mail:

info.fti@uzsci.net

.

Диссертация билан Физика-техника институти Ахборот-ресурс марказида танишиш мумкин

(______рақам билан рўйхатга олинган). Манзил: 100084, Тошкент ш., Бодомзор йўли кўчаси, 2б-
уй, Физика-техника институти. Тел./факс: (99871) 235-30-41.

Диссертация автореферати 2018 йил «_____» ________________куни тарқатилди.
(2017 йил «_____»__________________даги________рақамли реестр баённомаси)

C.А. Бахрамов

Илмий даражалар берувчи илмий

кенгаш раиси, ф.-м.ф.д., академик

А.В. Каримов

Илмий даражалар берувчи илмий

кенгаш илмий котиби, ф.-м.ф.д., профессор

C.C. Қурбонов

Илмий даражалар берувчи илмий

кенгаш қошидаги илмий семинар

раиси, ф.-м.ф.д., катта илмий ходим

5

КИРИШ

(фалсафа доктори (PhD) диссертацияси аннотацияси)

Диссертация мавзусининг долзарблиги ва зарурати.

Ҳозирги вақтда

жаҳон миқёсида жадал ривожланаётган лазер физикаси соҳасида оптик бир
жинсли бўлмаган муҳит шароитида юқори ажрата олишли оптик диагностика
ва дистанцион зондлаш масалалари муҳим вазифалардан ҳисобланади. Бу йў-
налишда муҳитларнинг физик параметрлари ҳамда зондланаётган объектлар-
нинг характеристикаларини аниқлаш имкониятини берувчи лазерли гетеро-
динлаш ва корреляцион қайта ишлаш методлари муҳим илмий инструмент
ҳисобланади.

Бугунги кунда дунёда ушбу методларга асосланган лазерли системалар

деформографияда, сочилган ёруғлик спектрометриясида, микроструктурали
тадқиқотларда, атмосфера оптикасида, сейсмометрияда, кимёда, биологияда,
тиббиётда ва бошқа соҳаларда қўлланилмоқда. Шу билан биргаликда лазерли
гетеродинлаш асосида фазаметрик ва корреляцион ўлчашлар методологияси-
ни ривожлантириш; частота бўйича синхронлаштирилган лазерли гетеродин-
ли система ва фотон-корреляцион спектрометри ўлчов системасини ишлаб
чиқиш; турбулент атмосферанинг ва дисперс муҳитларнинг оптик параметр-
ларини ҳисобга олган ҳолда детекторлаш эффективлигини ҳисоблаш каби йў-
налишлардаги мақсадли тадқиқотлар муҳим вазифалардан бири ҳисобланади.

Ўзбекистон Республикасини янада ривожлантириш бўйича Ҳаракатлар

стратегиясига кўра илмий тадқиқот ва инновацион фаолиятни рағбатланти-
риш, илмий ва иновация ютуқларини амалиётга жорий қилиш самарали меха-
низмларини яратиш масалаларига алоҳида эътибор қаратилмоқда. Жумладан,
истиқболли технологияларни илмий ва техника соҳасига татбиқ қилиш маса-
лаларига алоҳида эътибор қатарилмоқда. Бу жараён “Фаол тадбиркорлик, ин-
новацион ғоялар ва технологияларни қўллаб қувватлаш йили”да амалга оши-
рилаётганлиги ҳамда замон талабларига жавоб берадиган илмий натижа-
ларни олишга қартилганлиги билан алоҳида эътиборга сазовор. Бу борада,
диагностик системаларни ишлаб чиқишнинг янги принципларини ҳамда
атроф муҳитни мониторинг қилишдан ахборотни оптик узатишгача бўлган
вазифаларни ўз ичига олган диагностика ва локация масалаларини ҳал этиш-
да эффектив қўллаш мумкин бўлган, ўзининг максимал характеристикалари-
га эриша оладиган фазасезгир ва спектрометрик ўлчаш методларини яратиш
долзарб аҳамиятга эга.

Ўзбекистон Республикаси Президентининг 2017 йил 7 февралдаги ПҚ-

4947-сон “Ўзбекистон Республикасини янада ривожлантириш ҳаракатлар
стратегияси тўғрисида”ги, 2008 йил 15 июлдаги ПҚ-916-сон «Инновацион
лойиҳалар ва технологияларни ишлаб чиқаришга қўллашни рағбатлантириш
бўйича қўшимча чора-тадбирлар тўғрисида»ги, 2010 йил 15 декабрдаги ПҚ-
1442-сон «Ўзбекистон Республикаси саноатининг 2011-2015 йилларда ри-
вожланиш истиқболлари тўғрисида»ги, 2017 йил 17 декабрдаги ПҚ-2789 сон
«Фанлар академияси фаолияти, илмий-тадқиқот ишларини ташкил этиш,
бошқариш ва молиялаштиришни янада такомиллаштириш чора-тадбирлари
тўғрисида»ги Қарорлар ҳамда мазкур фаолиятга тегишли бошқа меъёрий-

6

хуқуқий ҳужжатларда белгиланган вазифаларни амалга оширишда ушбу
диссертация тадқиқоти муайян даражада хизмат қилади.

Тадқиқотнинг республика фан ва технологиялари ривожланиши-

нинг устувор йўналишларига мослиги.

Мазкур тадқиқот республика фан

ва технология ривожланишининг қуйидаги Давлат дастурларига мувофиқ
бажарилган:

ГНТП-13-республика иқтисодиёти соҳаларида илмий-интенсив техноло-

гиялар, қурилмалар, асбоблар, ўлчашнинг эталон восита ва методларини яра-
тиш, таҳлил ва назорат, метрология масалалари, стандартлаштириш ва серти-
фикатлаш;

НТП-15-республика иқтисодиёти соҳалари учун юқори самарали илмий-

интенсив, рақобатбардош ва экспортга йўналтирилган технологиялар, маши-
налар ва қурилмалар, асбоблар, ўлчашнинг эталон восита, методлари ва назо-
ратини яратиш;

ППИ-3-энергетика, энергия ресурсларини тежаш, транспорт, машина ва

асбобсозлик: замонавий электроника, микроэлектроника, фотоника, электрон
асбобсозлик ва мехатрониканинг ривожланиши.

Муаммонинг ўрганилганлик даражаси.

Экпериментал тадқиқотлар

амалиёти лазерли гетеродинлаш методларининг функционал имкониятлари
билан физик тадқиқотларда кенг кўламдаги фазаметрик ва спектрометрик
ўлчашларни амалга ошириш мумкинлигини кўрсатмоқда. Ушбу методлар-
нинг назарий асослари A.T.Forrester, H.Z.Cummins, D.P.Dave, В.В.Прото-
попов томонидан яратилган. Лазерли гетеродинли системаларни ишлаб чи-
қиш билан С.H.Багаев, В.А.Орлов, K.Ishii, B.Wang, М.Н.Дубров каби олимлар
иштирокида етакчи илмий тадқиқот институтлари шуғулланишмоқда. Бу ме-
тодни қўллаган ҳолда турбулент атмосферанинг оптик параметрларини наза-
рий ва экспериментал равишда В.Е.Зуев, В.А.Банах, В.В.Покасов, Р.А.Казар-
янлар тадқиқ қилишган. Оптик аралаштириш спектроскопияси принцип-
ларини ривожлантириш W.Demtröder, E.Jakeman, E.R.Pike, B.Chu, А.В.Лома-
кинлар тадқиқотларида келтирилган бўлиб, уни сигналларни корреляцион
қайта ишлаш билан бирлаштириш ўта юқори спектрал ажрата олишга эри-
шишда сифат жиҳатдан янги имкониятларни тақдим этади.

Бу имкониятларни амалга ошириш зондлаш, фотоқабул қилиш ва қайд

қилинган сигналларни қайта ишлаш методларини янада ривожлантиришни
талаб этади. Бу йўналиш бўйича мамлакатимизда А.Т.Мирзаев, А.Н.Якубов,
Р.Р.Вильдановлар илмий гуруҳи томонидан қатор ишлар амалга оширилган.
Бироқ, лазерли интерферометрик системаларнинг махсус хусусиятлари
туфайли уларнинг қайд қилишининг сезгирлиги ва эффективлиги, ўлчашнинг
физикавий вазифаси ва шароитига боғлиқ равишда сигналнинг шовқинга
нисбати каби характеристикалари камдан-кам ҳолларда ҳисобланади. Шу-
нинг учун фазаметрик ва корреляцион ўлчашлар учун лазерли системаларни
тадқиқ қилиш ва яратиш мазкур йўналишни ривожлантириш ҳамда амалий
вазифаларни ҳал этиш учун долзарб масала ҳисобланади.

Тадқиқотнинг диссертация бажарилган олий таълим муассасаси-

нинг илмий-тадқиқот ишлари режалари билан боғлиқлиги.

Диссертация

7

тадқиқоти Ўзбекистон Миллий университетида № 01910000928 рақам билан
тасдиқланган «Ўта кичик силжишларни қайд қилувчи лазерли системаларни
яратиш» мавзусидаги ҳамда ГНТП №01200009766 «Кичик силжишларни
лазерли ўлчагични яратиш ва ишлаб чиқиш» (2000-2002 йй.); П-10.10 «Де-
формацион силжишларни дистанцион лазерли ўлчагични ишлаб чиқиш»
(2003-2005 йй.); А13-023 «Деформацион силжишларни лазерли ўлчагични
стабиллаш тизимини ишлаб чиқиш» (2006-2008йй.); ИТД 15-020 «Сочувчи
муҳитларни диагностикаси учун лазерли фотон-корреляцион спектрометрни
ишлаб чиқиш» (2009-2011 йй.) мавзуларидаги фундаментал ва амалий
лойиҳалар доирасида бажарилган.

Тадқиқотнинг мақсади

турбулент атмосфера ва дисперс муҳитларнинг

структуравий характеристикаларини ўлчаш методларини лазерли гетеродин-
лаш ва коррелометрия экспериментал методларини ривожлантириш орқали
ишлаб чиқишдан иборат.

Тадқиқот вазифалари:

лазерли гетеродинлаш асосидаги оптик зондлашда фазаметрик ва кор-

реляцион ўлчаш методологиясини аниқлаш;

частота бўйича синхронлаштирилган лазерли гетеродин системани

тайёрлаш ва ишлаб чиқиш;

газ лазерлари актив муҳити дисперсион хусусиятларини тадқиқ қилиш

ва уларнинг нурланиш частотасини стабиллаштириш;

ўлчаш шароитларига боғлиқ равишда гетеродинли детекторлаш эффек-

тивлиги ва сезгирлигини ҳисоблаш;

оптик майдонларнинг статистик характеристикаларини қайд қилиш учун

фотон-корреляцион спектрометрнинг экспериментал системасини ишлаб
чиқиш;

турбулент атмосферанинг оптик параметрларини экспериментал тадқи-

қотларда аниқлаш;

фотон-корреляцион спектрометрия методи билан дисперс муҳитларни

микроструктуравий тадқиқ қилиш.

Тадқиқот объекти

бир жинсли бўлмаган муҳитларни зондлашда

лазер-

ли гетеродинли системалар ҳисобланади.

Тадқиқот предмети

зондланаётган объектларнинг физик параметрлари,

зондловчи гетеродин нурланишни шакллантириш усуллари ҳамда сочилган
нурланишни детекторлаш ва таҳлил қилиш методлардидан иборат.

Тадқиқот усуллари.

Тадқиқот нурланишни шакллантириш ва қайд

қилиш, дектекторлашдан кейинги қайта ишлаш жараёнларини аналитик таҳ-
лил қилиш билан бирга олиб борилади. Атмосферани тасодифий бир жинсли
бўлмаган турбулент канал сифатидаги классик тасаввур ҳамда дисперс му-
ҳитларда ёруғликнинг динамик сочилишини умумий қабул қилинган меха-
низмларидан фойдаланилди. Корреляцион қайта ишлаш флуктуация фонида
оптик нурланишнинг спектрал ва вақтий характеристикаларини ажратиб
олиш имкониятини беради. Ўлчашлар автоматлаштирилган ўлчов-ҳисоблаш
комплексида замонавий радиофизик методлар ва қурилмалардан фойдала-
нилган ҳолда олиб борилди.

8

Диссертация тадқиқотнинг илмий янгилиги

қуйидагилардан иборат:

лазер нурланишнинг оптик частотасини стабиллаш имкониятини берув-

чи модавий қайта тузиш хусусиятлари ва He-Ne лазер генерация частотасини
дисперсион силжиш характеристикалари аниқланган;

амалий қўллаш шароитларида гетеродинли ўлчаш сезгирлиги ва эффек-

тивлигини баҳолаш учун аналитик ифодалар олинган ва ҳисоблашлар бажа-
рилган;

синхронлаштирилган лазерли гетеродин системани ясашда лазер нурла-

нишини бошқарувчи сигналларни шакллантириш принциплари ишлаб
чиқилган;

фотосаноқларнинг статистик тақсимоти ҳамда авто ва кроскорреляцион

функцияларини қайд қилиш имкониятини берувчи оптик майдонларни фотон
санаш режимидаги детекторлаш методида амалга оширилган;

ишлаб чиқилган лазерли система ёрдамида турбулент атмосферанинг

оптик информацияни узатувчи канал эканлигини характерлайдиган оптик
параметрлари аниқланган;

ишлаб чиқилган фотон корреляторни қўллаган ҳолда фотон-корреляция

методи билан сочилган нурланиш спектри кенглиги ва монодисперс эрит-
мадаги микрозаррача ўлчами аниқланган.

Тадқиқотнинг амалий натижалари

қуйидагилардан иборат:

фазаметрик ва спектрометрик ўлчашлар учун мўлжалланган, лазерлари

синхронлаштирилган лазерли гетеродинли система ишлаб чиқилган;

фотон санаш режимида оптик нурланишнинг авто ва кроскорреляцион

функцияларини қайд қилувчи коррелометр ишлаб чиқилган;

полигонда олиб борилган ўлчашларда турбулент атмосферанинг оптик

параметрлари ва дистанцион зондлашнинг оптимал шароитлари аниқланган;

фотон-корреляцион спектрометрия методи билан субмикронли заррача-

лар суспензиясининг характеристик параметрлари аниқланган.

Тадқиқот натижаларининг ишончлилиги

ишда ўлчашнинг замонавий

метод ва воситалари комплексидан фойдаланилганлиги; олинган қонуният-
ларни умумқабул қилинган классик тасаввурлар асосида аналитик ўрганил-
ганлиги; эксперимент натижаларини ҳисоблаш моделларига мувофиқлиги ва
умумфизикавий тасаввурлар ҳамда бошқа илмий ишларга мослиги билан
изоҳланади.

Тадқиқот натижаларининг илмий ва амалий аҳамияти.

Диссертация

натижаларининг илмий аҳамияти турбулент атмосфера ва дисперс муҳитлар-
да лазерли спектрометрик ўлчашларнинг сезгирлиги ва эффективлигини
ортиши тўғрисидаги тасаввурларни кенгайтиришда намоён бўлади.

Тадқиқот натижаларининг амалий аҳамияти шундаки, ишлаб чиқилган

лазерли гетеродинли система радиофизик полигонда атмосферавий ва сейс-
мометрик кузатувларда ҳамда дисперс муҳитларнинг структуравий характе-
ристикаларини ўлчашда қўлланилган.

Тадқиқот натижаларининг жорий қилиниши.

Бир жинсли бўлмаган муҳитларнинг структуравий характеристикалари-

ни лазерли гетеродинлаш орқали фазаметрик ва спектрал ўлчаш тадқиқотла-

9

ри натижалари асосида:

оптик фаза силжишини аниқлаш учун мўлжалланган лазерли гетеродин-

ли системага Ўзбекистон Республикаси Давлат патент идорасининг фойдали
модели олинган («Силжишларни ўлчаш учун автоматлаштирилган лазерли
гетеродинли система» UZ № FAP 00348, 2008). Ишлаб чиқилган системани
қўллаш ўлчаш стабиллиги ва аниқлигини икки баробар ошириш, ҳамда ва
қайд қилиш жараёнини автоматлаштириш имконини берган;

ишлаб чиқилган усул ва экспериментал қурилма БФ2-027 рақамли

“Металл нанозаррачалар шаклланиши ва ўсиши механизмлари ва уларнинг
ночизиқли оптик хоссаларини тадқиқ қилиш” грант лойиҳасида ўлчаш
сезгирлиги ва эффективлигини ошириш учун қўлланилган (Олий ва ўрта
махсус таълим вазирлигининг 2018 йил 16 мартдаги 89-03-1025-сон
маълумотномаси). Илмий натижаларнинг қўлланиши юқори аниқликда
атроф-муҳитни мониторинг ва назорат қилиш имконини берган.

Тадқиқот натижаларининг апробацияси.

Мазкур тадқиқот иши нати-

жалари 5 та халқаро ва 13 республика илмий конференциялар ишида маъруза
қилинган.

Тадқиқот натижаларининг эълон қилинганлиги.

Диссертация мавзу-

си бўйича жами 31 та илмий иш чоп этилган, шулардан, Ўзбекистон Рес-
публикаси Олий аттестация комиссиясининг диссертацияларнинг асосий ил-
мий натижаларини чоп этиш тавсия этилган илмий нашрларида 11 та мақола,
жумладан 8 таси республика ва 3 таси хорижий журналларда нашр этилган.
Лазерли гетеродинли система фойдали модели учун патент олинган.

Диссертациянинг тузилиши ва ҳажми.

Диссертация таркиби кириш,

тўртта боб, хулоса, фойдаланилган адабиётлар руйхати ва иловалардан
иборат. Диссертациянинг ҳажми 120 бетни ташкил этади.

ДИССЕРТАЦИЯНИНГ АСОСИЙ ҚИСМИ

Кириш

қисмида ўтказилган тадқиқотларнинг долзарблиги ва зарурати

асосланган, тадқиқотнинг мақсади ва вазифалари, объект ва предметлари
тавсифланган, республика фан ва технологиялари ривожланишининг устувор
йўналишларига мослиги кўрсатилган, тадқиқотнинг илмий янгилиги ва
амалий натижалари баён қилинган, олинган натижаларнинг илмий ва амалий
аҳамияти очиб берилган, тадқиқот натижаларини амалиётга жорий қилиш,
нашр этилган ишлар ва диссертация тузилиши бўйича маълумотлар келти-
рилган.

Диссертациянинг

«Оптик зондлашда лазерли гетеродинлаш ва кор-

реляцион қайта ишлаш методлари»

номли биринчи бобида лазерли фаза-

метрик ва спектроскопик системаларнинг физик тадқиқотларда қўлланили-
ши, бир жинсли бўлмаган муҳитларни ўрганишда лазерли гетеродинлаш ва
фотон-корреляцион спектроскопиядан фойдаланиш ҳақида қисқача шарҳ
келтирилган. Ўтказилган таҳлиллар асосида аниқ физикавий масалалар учун
ишланмаларни ва экспериментал методларни оптималлаштириш зарурати
ҳақида хулосалар чиқарилган. Диссертация иши мақсади ва вазифалари

10

шакллантилган.

Диссертациянинг

«Лазерли гетеродинли фазаметрик система»

номли

иккинчи боби тадқиқот мавзуси бўйича оптик тажрибаларни ўтказиш учун
асосий физик қурилма ҳисобланган лазерли гетеродинли системани ишлаб
чиқишга бағишланган. Кириш қисмида ушбу йўналиш бўйича мавжуд
методлар ва эришилган натижалар ҳақида қисқа таҳлилий маълумот берил-
ган. Системани қуриш ва функционал ҳисоблаш принциплари кўрсатилган.
Лазер нурланиши манбаларини ишлаб чиқилаётган системага мослаштириш
мақсадида ўтказилган тадқиқотлар натижалари келтирилган.

Фазаметрик системаларнинг сезгирлиги ва аниқлиги биринчи навбатда

нурланиш манбалари характеристикалари, оптик схемалар параметрлари, ўл-
чаш шароитларини ҳисобга олган ҳолда фотоқабул қилиш ва қайд қилувчи
қисмининг хусусиятларига боғлиқ. Гетеродин системада қўлланилувчи сано-
атда ва биз томонимиздан ишлаб чиқилган тўртта лазер манбаларининг
характеристикалари экспериментал тадқиқотларда ўрганилди. Нурланиш-
нинг модавий таркиби, қувватининг стабиллиги, иссиқликка бардошлилиги,
акустик ҳимояланганлиги, частота флуктуацияси ва шовқинлари ўрганилди.
Олинган натижалар таҳлили саноатда ишлаб чиқилган герметик корпусли
лазерларнинг температуравий стабиллиги бизда ишлаб чиқилган ЛГ-ККР
лазерига нисбатан сезиларли даражада паст эканлигини кўрсатди. Темпера-
тура ўзгаришида нурланиш частотаси дрейфининг қиймати қуйидагига тенг:
температура ўзгаришида ~500 МГц/

0

С, ташқи босим ўзгаришида ~20

МГц/тор. ДТР лазери учун интенсивлик флуктуацияси 200 Нz гача бўлган
соҳани эгалланган кичик қийматга эга. Юқори частоталар соҳасида ГЛ-105
лазери учун кенглиги ~20 МГц ўзгариш тезлиги 10 МГц/сек. бўлган доимий
ток разрядидаги қатламлар динамикаси ва кўндаланг типдаги тебраниш-
ларнинг қайта тузилиш билан боғлиқ бўлган спектрал груҳининг узлуксиз
тебранишлари кузатилди. Частота флуктуацияси сатҳини миқдорий баҳолаш
ДТР лазернинг флуктуация спектри ~80 Гцгача бирлик герц соҳасида ~10
МГц ли максимал оптик оғиш билан сўнишини кўрсатди. Олинган на-
тижалардан, лазерларнинг автосозлаш схемасининг тезкорлиги ташқи таъ-
сирларни ҳисобга олмаган ҳолда камида 100 Гцгача бўлган диапазонни бер-
китиши керак деган хулоса келиб чиқади.

Лазерли ўлчов системаларини ишлаб чиқишда бир неча бўйлама мода

генерациясида ишловчи лазерлардан кенг фойдаланилади, чунки улар бир-
частотали лазерларга нисбатан нурланиш қуввати юқори бўлади. Кучай-
тиришнинг доплер контури чегарасида бир модалидан уч модалигача бўлган
лазернинг частотавий қайта созлашга боғлиқ бўлган эффектларини ўрганиш
учун юқори частотали дамлашли ва нурланиш қуввати ~0,5 мВт бўлган ЛГ-
149 турдаги гелий – неон лазери тадқиқ қилинди. Унинг резонатори узунлиги
32 смга тенг бўлиб, эркин спектрал зонаси



FSR



470МГц га мос келади.

Уч частотали нурланиш доирасида резонаторни созлаш аксиал мода-

ларнинг доплер контури ўрта қисмига тақсимланиши натижасида максимал
қувватга эришишга олиб келади

(1-расм).

11

Ушбу резонатор учун

уччастотали режим бутун
созлаш

диа-пазонининг

60% ни эгаллайди. Лазер-
нинг уччастотали режимда
дисперсион ва ночизиқли
эффектлар туфайли фоток
спектрида

комбинацион

биения сигнали мавжуд
бўлади. Комбинацион бие-
ния частотасининг резона-
тор узунлигини созлашга
боғлиқлиги 1-расмда кел-
тирилган.

Комбинацион

биения амплитудаси

f

час-

тота ортиши билан четки

1-расм. Уччастотали лазер чиқиш қувватини (1) ва

комбинацион биения частотаси абсолют қийматини

(2) резонатор узунлигини ўзгаришига боғлиқлиги

модалар амплитудасига боғлиқ равишда камая бошлайди, унинг нурланиш
чизиғи хусусий кенглиги спектр соҳасига боғлиқ ҳолда бир неча килогерц
қийматида кузатилди

Комбинацион биения частотасининг ўзгаришидан лазернинг оптик час-

тотасини стабиллаш учун фойдаланилди

(2-расм).

Стабилланмаган режимда

биения частотаси 20 кГц гача қийматли хаотик флуктуацияли умумий тен-
денцияга эга бўлади. Стабиллаш уланганида пастчастотали биения 100 кГц
частотага боғланади ва уларнинг оғиши амплитудаси 3 кГц гача камаяди.
Натижада 10 соатда узоқ муддатли частотавий ностабиллик 7·10

-9

ташкил эт-

ди. Шуни таъкидлаш керакки, қисқа мудатли (бирлик секундларда) носта-
биллик ҳам деярли шу қийматларни қабул қилади. Бу эса ушбу стабиллаш
лазерни узоқ муддатли иссиқлик таъсирларида сақлашга қаратилган бўлиб,
узоқ муддатли интерферометрик ўлчашлар учун зарур ҳисобланади.

Тадқиқотлар натижасида
қуйидаги вазифалар ҳал
этилди: лазер резонатор-
лари бошқарув сигналла-
ри шакллантириш ва қай-
та ишлаш методлари би-
лан фарқланувчи, часто-
та бўйича боғланган ик-
кита лазер асосидаги ге-
теродинли системани қу-
риш принциплари аниқ-
ланди; фазаметрик ўл-
чашлар учун оптик ва
электрон қурилмаларни
функционал ҳисоблаш ба-

2-расм. Стабилланмаган ва стабиллаш режимларида

частотанинг оғиши

жарилди; лазерлар частотаси фарқини 10

-5

нисбий хатолик билан ушлаб

12

туриш имкониятини берувчи лазер нурланиши частотасини частотавий ва
фазавий синхронловчи блок ишлаб чиқилди; блокка биения частотасини
частотавий автотўғрилаш системасининг қамраш частотаси соҳасига кири-
тувчи лазерларни автосканерлаш схемаси киритилди.

Амалий қўлланиш шароитида лазерли гетеродинлашнинг сигнал шовқин

нисбати ва қабул қилиш эффективлигини аналитик ҳисоблаш келтирилди.
Сигналнинг трассаса узунлиги ва турбулентлик ҳолатига боғлиқ ҳолдаги
хусусиятларини кўрсатувчи атмосферадаги табиий эксперементлар натижа-
лари келтирилган.

Детекторлашнинг эффективлиги тўлиқ баҳолаш учун сигнал ва шовқин-

нинг статистик хоссаларини эътиборга олиш зарур. Пуассон флуктуация-
ларини ҳисобга олсак, сигнал ва таянч нурланишларининг гетеродинли қабул
қилишдаги сигнал/шовқин нисбати қуйидагига тенг:

f

F

F

I

j

j

N

S











)

(1

2

/

g

s

s

2

ш

2

s

гет







,

(1)

бунда,

j

s

ва

j

ш

– сигнал ва шовқин фототоклари;

η

– фотодетекторлашнинг

квант эффективлиги;

i

i

I

T

F

2
i





– сигнал

s

ва гетеродин

g

нурланишлари учун

уларнинг дисперсиясини



i

ҳисобга олган ҳолда фотосаноқлар тақсимотини

пуассон тақсимотидан фарқланишини характерловчи параметр;



f

– қайд

қилинадиган частоталар полосаси.

Сигнал ва таянч нурланишларнинг ностабиллик факторининг ортиши

билан гетеродинли системанинг излаш хусусияти ёмонлашади. Сигнални
детекторлашдан кейинги қайта ишлаш таҳлилига фототокни фильтраш ва
шовқин ҳамда майдонларнинг фазовий конфигурацияси ва когерентлик
характеристикаларини киритиш орқали гетеродинли ток сигнали амплитуда
қиймати учун ушбу ифода олинди:

]}

2

[

]

2

[

{

2

1

g

g

g

g

2

2

1

2

2

2

0

'

ños

ik

)

'

cos(

*

'

r

ños

ik

)

cos(

r

*

'

r

r

i

exp

v

)

v

(

J

'

r

d

r

d

w

exp

A

S

~

S

~

A

































































 





, (2)

бунда

0

S

~

- сигнал амплитуда қийматининг барча ўлчамли катталикларини ўз

ичига олувчи кўпайтирувчи;

r

– майдони

A

тенг бўлган детекторнинг радиус

вектори ва



- унинг қутб бурчаги;



,

w,



, β

,



,



- фотоаралишишнинг

конфигурацион параметрлари,

2

1

2

2

s

2

/

)]

'

cos(

'

rr

'

r

r

[

R

k

v















(3)

)

v

(

J

1

- биринчи тартибли Бессел функцияси. Ушбу (3) ифода гетеродинлаш

эффективлигига у ёки бу кўринишдаги номувофиқликни таъсирини тадқиқ
қилиш имкониятини беради. Ҳисоблашлар, детекторнинг ўлчами

а

d



1 мм

бўлганида

63

0

,





мкм тўлқин узунлигида фронтларнинг эгрилиги икки

карра фарқ қилиши сигналнинг 30% га камайишини кўрсатди. Бундай ҳолат

13

6

10

,





мкм тўлқин узунлиги учун детекторнинг ўлчами

а

d

=3,5 мм бўлганида

кузатилади.

а

d

=1 см ва

63

0

,





мкм, нурланишларнинг номувофиқлик бурча-

ги

"

~

3

g



бўлганида

S/N

икки марта камаяди. Бундай ҳолат

6

10

,





мкм учун

"

~

50

g



қийматда кузатилади.

а

d

=1 мм учун мос ҳолда

'

,

~

)

,

(

5

0

63

0

g



,

'

~

)

,

(

8

6

10

g



қийматларга эга бўламиз

. 3-расмда

атмосферадаги эксперимент

натижалари келтирилган.

Ўлчашлар

200-метрли

трассада кечқурун кучсиз
турбулентлик

шарои-тида

ўтказилди.

Сигнал

фронтларининг номувофиқ-
лик бурчаги интерференцион
полоса кенглиги

п



га теска-

ри пропорционал бўлиб, эгри
чизиқлар ёнида келтирилган.
Юқоридаги

таҳлиллардан

кўринадики, эгри чизиқлар
тебранма характерга эга.
Сигнал

нури

трассасида

турбулентлик

натижасида

пайдо бўлган тўлқин фрон-
тининг фазавий флуктуа-
циялари гетеродинли интер-
ференциянинг кўринувчанли-
гини ёмонлашишига олиб
келди.

3-расм. Атмосферада колимацияланган

дасталарнинг турли оғиш ўқларида

0

S

~

/

S

~

нинг

апертура ўлчамига боғлиқлиги.

2

15

-2/3

~ 4 10

м

n

C





,



=0,63мкм

Турбулент трасса учун когерентлик функцияси ифодаси келтириб чи-

қарилди ва амалий ҳоллар учун аналитик ҳисоблашлар бажарилди:

 

2

~

2

1

~

1

~

erf

~

1

/























 











D

l

s

e

D

l

D

l

D

f

I

N

S





(4)

бунда



- вақтли когерентлик даражаси,

3

1

0

2

2

64

1

/

n

Ll

k

C

.

D

~





,

L

– тарсса

узунлиги,

l

0

– турбулентликнинг ички масштаби,

l

– детектор ўлчами;

erf(

l

D

~

) – хатоликларнинг интеграл функцияси.

Ўлчашлар 50 ва 200 метрли трассаларда мўътадил турбулентликда ўтка-

зилди. Диаметри 10 см бўлган коллимирланган дастанинг интенсивлиги

I

s



5·10

8

м

-2

с

-1

, таянч дастанинг интенсивлиги эса

I

g



I

s

дан

I

g



10

I

s

гача ўзгар-

тирилиб турилди. Миқдорий ҳисоблаш учун қуйидаги параметрлар олинди:



=0.3,



=0.8,



f

=10

4

Гц,

l

0

=5·10

-3

м.

4-расмда

ўлчаш ва ҳисоблаш натижалари

келтирилган. Эгри чизиқлар назарий ҳисоблашларни тасдиқлайди ва улардан
СШН трасса узунлиги ортиши билан тезда тўйиниши ҳамда 200 метрли
трасса учун қабул қилгичнинг оптимал ўлчами



9 см эканлиги кўринади.

14

4-расм.

Турбулент атмосферада

гетеродинли қабул қилишда

СШН қабул қилувчи
апертура диаметрига

боғлиқлиги. Пунктир

чизиқлар – ҳисоблаш

натижаси

Сигнал дастаси қуввати бўлганда таянч даста қувватининг камайиши натижа-
сида СШН камаяди.

Диссертациянинг

«Фотонлар санаш режимида оптик майдонларнинг

корреляцион характеристикаларини ўлчаш»

номли учинчи бобида фо-

тонлар санаш режимида фотосаноқларни корреляцион қайта ишлаш орқали
оптик майдонларни қайд қилиш методи келтирилган. Ёруғликни корреля-
цион спектроскопиясида рақамли корреляторли фотонларни санаш методи
асосий ҳисобланади. Корреляцион ёки Фурье таҳлили ёрдамида сочилган
сигналини қайта ишлаш, сочувчи объектларнинг динамик характеристикала-
рини аниқловчи сигнал параметрларини топиш, спектрал чизиқларнинг кен-
гайиши ва аралашишини герцнинг улушидан ўнлаб гегагерцгача бўлган қий-
матда, сочилган ёруғликка нисбатан юқори чегаравий сезгирликда ўлчаш им-
кониятини беради. Бироқ объектларнинг турличалиги ва фотон-корреляцион
спектрометрияси учун қурилмаларнинг серияли ишлаб чиқилмаслиги амалий
масалалар учун оптик ва радиўлчов воситаларни ишлаб чиқиш ҳамда аниқ
вазифалар учун уларни оптималлаштиришни асослашга олиб келади.

Экспериментал талабдан келиб чиқиб, фотосаноқларнинг белгиланган

бўсағавий сатҳига боғланиш режимида ишловчи ва реал вақтда вақтий
корреляцион функцияни қайд қилувчи икки каналли фотон коррелятор ишга
туширилди. Бирканалли клипплашда фотосаноқларнинг нормал корреляцион
функцияси қуйидагига тенг:

















n

n

/

)

t

(

n

)

t

(

n

)

(

g

k

k

k

, (5)

бунда клипплаш даражаси

n(T)>l

k

бўлганида

n

k

=

1.

Майдоннинг Гаусс стастикаси ҳолида, у майдон корреляцион функцияси

билан қуйидагича аналитик боғланишга эга:

2

1

1

1

)

(

n

l

)

(

g

k

k



















, (6)

яъни квантлашда корреляцион функциянинг вақтга боғлиқлиги бузилмайди.
Корреляторнинг бу схемасини афзаллиги шундаки, унинг киришига фотоса-

15

ноқлар дестохастизатор ўрнатилган ҳамда мос тушишлар схемаси бошқари-
лувчи “дарча”га эга.

Ишлаб чиқилган фотон-коррелятор нобиржинсли фазавий сочувчидан

ўтган лазер нурини ўлчашда қўлланилди

(5-расм).

Фотосаноқларнинг ўртача

оқими 5 кГцга тенг бўлиб, маълумотлар йиғишнинг оптимал шартига мос

келади. Натижалар корреляция
вақтининг



с

сочувчи тезлигига

v

пропорционал равишда кама-

йишини кўрсатди.

Ўлчашлар натижасида қу-

йидаги хулосалар олинди:

детектор

юзасининг

катталашиши санаш тезлиги-
нинг ортишига олиб келади ва
мос ҳолда СШН ҳам ортади.
Бироқ бунда фон сатҳига
нисбатан корреляцион функция
амплитудасининг чўққи қийма-
ти камаяди; нурланишнинг

когерентлик майдонини

A

c

фотодетекторнинг юзаси

A

билан солиштиришда

қабул қилгичда фазовий ўртачалаштириш пайдо бўлади ва у натижавий
функцияга мустақил мультипликатив таъсир кўрсатади:





2

2

2

2

1

1

0

1























A

r

r

(

r

d

r

d

A

)

T

,

,

(

)

T

,

A

,

(

g





. (7)

Интеграл

А

нинг катталашиши билан камаяди ва детекторлашнинг катта

юзасида иккинчи ташкил этувчи ўртачалаштириш ҳисобига йўқ бўлиб
кетади.

Иккита ажратилган фото-

қабулқилгичлардан

келган

сигналларни кроскорреляцион
функцияни қайд қилиш ре-
жимида ўлчаш қабул қилиш
соҳасини мос ҳолаги икки
нуқтаси орасидаги корреляция
вақти ва майдоннинг фазовий
деградациясини баҳолаш им-
кониятини беради

(6-расм).

Детекторлар орасидаги масо-
фа ортиши билан корреляция
чўққиси майдоннинг фазовий
структурасини бир нуқтада
иккинчисига кўчириш вақтига

мос ҳолда силжийди.

Ўлчашлар натижасида корреляцион ўлчашларнинг асосий принциплари

0

20

40

60

80

100

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

g

с

(



)



, 1600мкс

но

рм

ал

лаш

га

н

ко

рр

ел

яц

ия

кечикиш-канали

<n>=4x10

-3

r

=1 мм

6-расм. Детекторларни фазода

r

масофага

ажратганда олинган кроскорреляцион функция

0

20

40

60

80

100

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

g(



)



, 800мкс

норм

ал

лашга

н

ко

рр

ел

яц

ия

кечикиш канали

<n>=2x10

-3

v

=47см/с



с

~150мкс

5-расм. Сочилган нурланишнинг

автокорреляцион функцияси

16

тўғрисидаги тавсиялар бир қатор чегараланишлар билан қабул қилинди: ўн
марта тўлиқ кечикишдан кам бўлмаган, турли давомийликли ўлчашлар битта
йиғинди давомийликли ўлчашга нисбатан юқори аниқликни таъминлайди;
боғлашни саноқнинг ўртача қийматида амалга ошириш; кечикишгача кор-
реляцион функцияни ўлчаш оптимал маълумотларни беради; детекторнинг
юзаси ўлчанувчи нурланиш когерентлик майдонидан катта бўлмаслиги
керак; гаусс бўлмаган сигналлар статистикаси учун оптик аралаштириш
спектроскопиясини қўллаш мақсадга мувофиқ.

Диссертациянинг

«Биржинсли бўлмаган муҳитларни фазаметрик ва

корреляцион тадқиқ этиш»

номли тўртинчи бобида ишлаб чиқилган метод-

лар ва экспериментал қурилмани қўллаган ҳолда оптик биржинсли бўлмаган
муҳитлардаги тадқиқот натижалари келтирилган. Турли турбулент атмосфе-
равий каналарнинг оптик характеристикалари аниқланган. Эритмага қўшил-
ган субмикрон заррачаларнинг ўлчамларини аниқлаш мақсадида, дисперс му-
ҳитда ёруғликни динамик сочилишини тадқиқ қилиш ўтказилган. Ишланма-
ларнинг функционал имкониятлари тўғрисида хулосалар қилинган.

Дистанцион лазерли ўлчагичнинг трассасидаги синдириш кўрсаткичи-

нинг флуктуацияси тўлқин фазаси флуктуациясига олиб келиши натижасида
вақтли когерентли даражаси пасаяди ва нурланишнинг тасодифий частотавий
модуляциясига олиб келади. Оптик спектрнинг оғишини ва мос ҳолда гетеро-
динли сигналнинг оптик трассанинг атмосфераси ҳолати ва узунлигига боғ-
лиқ кенгайишини ўрганиш, катта базали ўлчашлар олиб бориш учун амалий
қизиқиш уйғотади. Спектрнинг кенгайиши

L

=100 ва 200 м узунликдаги

трассаларда қайд қилинди

(7-расм)

.

Спектрал тақсимот кенглиги аниқ бир

трасса учун турли қийматларни қабул қил-
ди. Ўлчашларда спектрал кенглик сочи-
лиши 20÷30% ни ташкил қилди ва бу
ностационар атмосфера тўғрисидаги тасав-
вурларга тўла мос келади. Натижалар қис-
қа трассалар учун спектрал кенгайиш ўрта-
ча бир неча Гц/м бўлишини кўрсатди.
Ўлчашлар трасса атмосферасининг турли
ҳолатлари учун ҳам ўтказилди ва бунда
эффектив кенглик 100 м ли трасса учун
30÷80 Гц, 200 м ли трасса учун эса 40÷120
Гц ни ташкил этди. Спектр кенгайишининг
трасса узунлигига боғлиқлиги

2

1

L

га мос

келиб, назарий қарашларни тасдиқлади.
Оптик тўлқиннинг фазаси бошқа параметр-

ларга қараганда атмосферанинг турбулентлигига юқори даражада таъсирчан
бўлиб, унинг ўзгариши тасодифий нобиржинсли муҳитнинг асосий харак-
теристикаларидан бири бўлиб хизмат қилади.

7-расм. 200 м ли трасса учун

лазер нурланиши кенгайиш

спектри

17

Фазавий ғалаёнланишлар учун
катта масштабли нобиржислик
муҳим бўлиб, кичик тўлқин
сони

соҳасидаги

фазовий

спектрнинг бу қисми универ-
сал баён этилиш шаклига эга
эмас.

Майдон фазасининг фазо-

вий ўзгаришлари ва унинг
спектри атмосфера трассаси-
нинг структуравий характе-
ристикаларини аниқлаш имко-
ниятини беради

(8-расм).

8-расм. Турбулент атмосферада фазовий

ажратилган нуқталар оптик фазалари орасидаги

ўзгаришлар спектри

Тезкор флуктуацияларни қайд қилиш орқали фазанинг структуравий

функцияси ҳисобланди:





2

)

r

(

)

r

(

)

(

D

S















(8)

У эса даври турбулентликнинг ички масштаби билан боғлиқ булган

тебранма кўринишли тўйиниш соҳасини кўрсатди. Атмосфера синдириш
кўрсаткичикнинг структуравий доимийси структуравий функциянинг

3

5

2

2

92

.

2



L

k

D

C

S

n





(9)

ҳисобланган қийматларидан аниқланди. Структуравий доимийни аниқлаш
натижалари, унинг қийматини ортиши фазавий флуктуациялар спектри
қийматини бир оз ортиши билан боғлиқлигини, айни шу вақтда спектр
максимуми юқори частоталар диапазонига силжишини кўрсатди.

Узунлиги 2

L

=200 м бўлган

канал учун 10 санаш/сек частота
билан фазавий флуктуацияларни
ёзиш олиб борилди. Сонли
анализ орқали фазанинг диспер-
сия қиймати 250 рад

2

эканлиги

аниқланди ҳамда ундан струк-
тура доимийси

2

14

-2/3

2 10

м

n

C



 

ва



с



3,3 см кореляция радиуси

қийматлари топилди. 200 метрли
канал учун фаза ёзувини Фурье
таҳлили орқали рақамли ишлан-
ган фазавий флуктуция спектри

9- расмда

келтирилган. Бу эгри

чизиқни таҳлил қилиш, эффектив
ташкил этувчилар 1 Гц частота-

0

1

2

3

0

5

10

15

сп

ект

р

ам

пл

ит

уда

си

, н

ис.

б.

частота, Гц

9-расм. Фазавий флуктуацияларнинг 200 м

ли трассадаги спектрал тақсимоти.

Нуқталар- эксперимент натижалари, чизиқ

– назарий боғланишга мослаштириш

0

50

100

150

200

0,0

0,5

1,0

f, Гц

фа

за

ви

й

ўзга

ри

ш

сп

ек

тр

и,

ни

с.

б.

кучли турбулентлик (кундузи)

кучсиз турбулентлик (кечаси)

18

гача бўлган соҳада ётишини кўрсатди. Биздаги ўлчаш геометрияси учун,
фазавий флуктуациялар спектрал зичлигини паст частотали учун ўсувчи ва
юқори частотали учун камаювчи иккита асимптотик боғланиш орқали ёзиш
мумкин:

f<<f

1,

да

3

2

3

1

1

2

2

4

0









f

f

)

L

(

,

)

f

(

S

S

; (10)

f>>f

1

да

3

8

3

5

1

2

2

08

0







f

f

)

L

(

,

)

f

(

S

S

, (11)

бунда

f

1

=

v

/

L

0

– характерли частота бўлиб, ташқи масштаб

L

0

орқали

нобиржинслиликни трассага кўндаланг равишда ўтиш тезлигини аниқлайди.

Эксперементда олинган спектрнинг юқори частотали қисмини кўрсатил-

ган боғлиқликка мослаш

f

1

~0,05 Гц баҳолаш параметрини берди ва бу ат-

мосферанинг

v

~0,1 м/с тезлик билан кўндаланг ҳаракатига мос келади.

Трассани тез ўзгартириш, вақтли флуктуацияларнинг эффектив кенглиги
трасса узунлигига боғлиқ эмаслигини кўрсатди ва 15÷20 Гц оралиғидаги
қийматларни қабул қилди. Атмсофера массасининг ҳаракатланиш тезлигини
ортганида спектрал тақсимот максимуми пасаяди ва юқори частоталар соҳа-
сига силжийди. Спектрнинг паст частотали қисмининг нисбий амплитудаси

f

<

f

1

учун бир ёзишдан бошқасигача сезиларли ўзгариб, спектрнинг ушбу

қисмида атмосферанинг умумий ҳолатини кичик ўзгариши қисқа муддатли
ностабилликни пайдо қилишини тасдиқлади.

Майдоннинг корреляцион функцияси ва нурланишнинг интенсивлигини

аниқлаш, атмосферада лазерли информацион системаларнинг эффективлиги-
ни баҳолаш учун муҳим аҳамиятга эга. Уларни ўлчаш интенсивлик флук-
туацияси спектрини олиш, когерентлик параметрлари ва атмосферанинг
ҳолати характеристикаларини аниқлаш имкониятини беради.

Ўлчашлар трасса узунлги ~1 км бўлган, тоғ чўққисидаги қайтарувчи

кўзгуга юбориладиган диаметри ~15 см бўлган коллимирланган дастада олиб
борилди. Фотоқабулқилгичларнинг кириш апертураси диаметри

d

L





шартни қаноатлантирди ва 1 мм га тенг бўлди.

Асосий натижалар фо-

тоқабулқилгичларнинг

ху-

сусий шовқини ва кучай-
тириш трактининг ҳалақит
берувчи автокорреляцияси-
дан ҳоли бўлган кроскор-
реляциялардан

аниқланди

(10-расм).

Олинган нати-

жалар трассанинг узунлиги
ва атмсоферанинг ҳолатига
боғлиқ равишда,

G

(



) функ-

циянинг тушишидан аниқ-
ланган майдон корреляция
радиуси 2



6 см атрофида

10-расм. Атмосферада интенсивликнинг

фазовий корреляцион функцияси

0

2

4

6

8

10

G(0)/<I>

2

1

G(



)/<I

1

><I

2

>



, cм

норм

ал

ла

ш

га

н

к

ор

ре

ля

ция

детекторлар оралиғи

- L=1000м
- L=120м

19

ўзгаришини кўрсатди. Айни шу шароитларда фотосаноқлар автокорреляцион
функцияси ўлчанди. Олинган боғлиқлик асосида атмосферанинг ушбу ҳолати
учун корреляция вақти



2 мс ни ташкили этди. Дисперс муҳитларни фотон–

корреляцион спектрометрия усулида тадқиқ қилиш, суюқликка киритилган
микрозарралардан сочилган нурланишни таҳлил қилишга асосланади. Ўзида
дистилланган сувга киритилган кичик дисперсияли полистрал латексдан
иборат моноструктурали системани намоён қилувчи диффузиявий сочувчи
эритмада ўлчашлар олиб борилди

(11-расм).

11-расм.

Эритмада сочилган

ёруғлик интенсивлигининг

автокорреляцион

функциялари

Заррачалар сферик шаклга эга эканлигин эътиборга олган ҳолда сочи-

лиш интенсивлигининг йиғиндисидан уларнинг концентрацияси

с

~10

10

см

-3

эканлиги аниқланди. Сочилиш



= 20

0

бурчак остида қайд қилинди. Корре-

ляцион функциялар компьютерда

m

реализация бўйича ўртачалаштирилди.

Ўртачалаштириш сони ортиши билан графиклар тўғриланиши кузатилди.
Бундан ташқари, янада катта қийматгача ўртачалаштиришда боғланиш фон
сатҳигача эффектив тушади. Ўлчанган коррелограммани назарий апрок-
симациялаш натижасида тушиш вақти

t

c

≈ 30 мс эканлиги топилди. Бу сочи-

лиш спектрининг лоренц кенглиги Г



30 Гц қийматига мос келади. Кейинги

ҳисоблашлардан эритмадаги заррачаларнинг ўлчами

d

= 0,41 мкм эканлиги

топилди.

ХУЛОСА

Турбулент атмосфера ва дисперс муҳитларнинг структуравий харак-

теристикаларини ўлчаш методларини лазерли гетеродинлаш ва корреломет-
рия экспериментал методларини ривожлантириш орқали ишлаб чиқиш
натижасида қуйидаги хулосалар қилинди:

1. Газ лазери актив муҳитининг модалараро биения частотаси сил-

жишига боғлиқ дисперсион ҳарактеристикалари ҳамда резонатор узунлиги
вариацияларида нурланиш модасининг қайта тузиш парметрлари аниқланиб,
лазер манбаи оптик частотасини стабиллаш амалга оширилган ва у узоқ
муддатли стабилликни деярли бир тартибга ошинишў имконини берган.

20

2. Амалий қўлланишлар шароитида гетеродинли ўлчашнинг сезгирлиги

ҳамда эффективлигини баҳолаш учун назарий ҳисоблашлар бажрилган ва
аналитик ифодалар олинган. Фотосаноқларни пуассон статистикасига бўй-
сунмаслигига олиб келувчи флуктуацияланувчи лазер нурланиши ҳолатида
фототокнинг характери аниқланган.

3. Сигналнинг шовқинга нисбати тўлиқ чиқиш токи флуктуациясининг

ўртача квадратик қийматини ўз ичига олганида, сигналнинг шовқинга
нисбати учун нурланишнинг когерентлик ҳарактеристикалари ва уринувчи
сигналини детекторлашдан кейинги қайта ишлаш ҳамда ўзаро таъсир-
лашувчи нурлар апертураси ва уларнинг тўлқин фронтининг қияликларини
ҳисобга олган фотодетекторлаш эффективлигини етарлича адекват баҳо-
лашган.

4. Синхронлаштирилган лазерли гетеродинли системани қуришда лазер

манбаларини бошқарувчи сигналларни шакллантиришнинг янги принцип-
лари ва лазерлар нурланишини частотавий ва қўшимча боғлаш учун лазер
резонаторни автосозловчи электрон қурилмаси ишлаб чиқилган.

5. Ишлаб чиқилган лазер системаси ёрдамида, ҳолати оптик информа-

цияни узатувчи канал эканлигини характерловчи турли турбулент атмосфе-
равий трассаларнинг оптик параметрлари аниқланиб трассанинг узунлиги ва
турбулентлик ҳолатига боғлиқ равишда фотодетекторнинг оптимал ўлчами
учун баҳолашлар ўтказилган.

6. Оптик майдонларни фотонлар санаш режимида статистик тақсимотни

ҳамда фотосаноқларнинг авто ва кроскорреляцион функцияларини қайд қи-
лиш имкониятини берувчи детекторлаш методи амалга оширилган.

7. Суюқликлардаги микрозарралар ўлчамини сочилган ёруғликни гете-

родинли қайд қилиш асосида ўлчаш учун мўлжалланган экспериментал қу-
рилмаси ва ўлчаш усули ишлаб чиқилган.

8. Ёруғликнинг динамик сочилишини ўлчаш учун фотон-корреляция

методини аналитик ифодалашни танлаш назарий ва экспериментал асосланиб
ишлаб чиқилган фотон корреляторни қўлланилган ҳолда сочилган нур
спектри кенглиги ва эритмадаги субмикрон заррачалар ўлчами аниқланган.

21

НАУЧНЫЙ СОВЕТ DSc.27.06.2017.FM/T.34.01 ПО ПРИСУЖДЕНИЮ

УЧЕНЫХ СТЕПЕНЕЙ ПРИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОМ ИНСТИТУТЕ,

ИНСТИТУТЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ И ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ,

САМАРКАНДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УЗБЕКИСТАНА

ЭШОНКУЛОВ ГОФУР БОБОКУЛОВИЧ

ЛАЗЕРНОЕ ГЕТЕРОДИНИРОВАНИЕ

И КОРРЕЛЯЦИОННАЯ ОБРАБОТКА ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ

В ОПТИЧЕСКИ НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЕ

01.04.11 – Лазерная физика

(физико-математические науки)

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ ДОКТОРА ФИЛОСОФИИ (PhD)

ПО ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИМ НАУКАМ

ТАШКЕНТ

– 2018

22

Тема диссертации доктора философии (PhD) по физико-математическим наукам

зарегистрирована в Высшей аттестационной комиссии при Кабинете Министров
Республики Узбекистан за № В2018.1PhD/FM93

Диссертация выполнена в Национальном университете Узбекистана.
Автореферат диссертации на трех языках (узбекский, русский, английский (резюме))

размещен на веб-странице Научного совета (fti.uz) и Информационно-образовательном портале
«ZiyoNet» (

www.ziyonet.uz

).

Научный консультант:

Вильданов Рамиль Рифгатович,

кандидат физико-математических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Усманов Тимурбек Бекмурадович

доктор физико-математических наук, академик

Семенов Денис Иванович

доктор физико-математических наук, доцент

Ведущая организация:

Ташкентский государственный технический

университет

Защита состоится «_____»_______________2018 г. в ____часов на заседании Научного

совета DSc.27.06.2017.FM/T.34.01

при Физико-техническом институте по адресу: 100084,

г.Ташкент, ул. Бодомзор йули, 2б. Тел./Факс: (+99871) 235-42-91, e-mail:

info.fti@uzsci.net

.

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-ресурсном центре Физико-

технического института (зарегистрирована за №______), по адресу: 100084, г.Ташкент, ул.
Бодомзор йули, 2б. Тел./Факс: (+99871) 235-30-41.

Автореферат диссертации разослан «_____»__________________2017 г.
(протокол рассылки №______от__________________2017 г.)

С.А.Бахрамов,

Председатель Научного совета по присуждению

учёных степеней, д.ф.-м.н., академик

А.В. Каримов,

Учёный секретарь Научного совета по присуждению

учёных степеней, д.ф.-м.н., профессор

С.С. Курбанов,

Председатель научного семинара при Научном совете

по присуждению учёных степеней, д.ф.-м.н., c.н.с.

23

ВВЕДЕНИЕ (аннотация диссертации доктора философии (PhD))

Актуальность и востребованность темы диссертации.

В настоящее

время в мире в активно развивающейся области лазерной физики особой за-
дачей выступает высокоразрешающая оптическая диагностика и дистанцион-
ное зондирование в условиях оптически неоднородных сред. В этом аспекте
методы лазерного гетеродинирования и корреляционной обработки являются
эффективным научным инструментом, позволяющим определять как физи-
ческие параметры этих сред, так и характеристики зондируемых объектов.

На сегодняшний день в мире основанные на этих методах лазерные сис-

темы применяются в деформографии, спектрометрии светового рассеяния,
микроструктурных исследованиях, в оптике атмосферы, сейсмометрии, хи-
мии, биологии, медицине и др. В связи с этим целевые исследования в таких
направлениях, как развитие методологии фазометрических и корре-
ляционных измерений на основе лазерного гетеродинирования; разработка
измерительных систем с синхронизированными по частоте лазерами и
фотон-корреляционной спектрометрии; расчёт эффективности детекти-
рования в зависимости от условий измерений оптических параметров турбу-
лентной атмосферы и дисперсных сред являются одними из важных задач.

В соответствии со Стратегией действий по дальнейшему развитию Рес-

публики Узбекистан особое внимание уделяется вопросам стимулирования
научно-исследовательской и инновационной деятельности, создания эффек-
тивных механизмов прикладного применения достижений научно-иннова-
ционной деятельности. В частности, большое внимание уделяется вопросам
внедрения перспективных технологий в отрасли науки и техники. Особо
следует отметить, что данная деятельность осуществляется в рамках объяв-
ленного «Года поддержки активного предпринимательства, инновационных
идей и технологий», нацеленного на получение научных результатов, отвеча-
ющих современным требованиям. В этом плане разработка новых принципов
построения диагностических систем, а также методов фазочувствительных и
спектрометрических измерений с достижением потенциально возможных
максимальных характеристик, которые могут эффективно применяться для
широкого класса диагностических и локационных задач – от мониторинга ок-
ружающей среды до оптической передачи информации, имеет актуальное
значение.

Данная научно-исследовательская работа в определённой степени соот-

ветствует задачам, предусмотренным в Указе Президента РУз № УП-4947 «О
Стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан» от
07 февраля 2017, в Постановлениях Президента РУз за № ПП-916 «О допол-
нительных мерах по стимулированию внедрения инновационных проектов и
технологий в производство» от 15 июля 2008 года, за № ПП-1442 «О при-
оритетах развития промышленности Республики Узбекистан в 2011-2015
годах» от 15 декабря 2010 года, за № ПП-2789 «О мерах по дальнейшему
совершенствованию деятельности Академии наук, организации, управления
и финансирования научно-исследовательской деятельности» от 17 февраля

24

2017 года, а также других нормативно-правовых документах принятых в
данной сфере.

Соответствие исследования приоритетным направлениям развития

науки и технологий республики.

Данные исследования выполнены в соот-

ветствии с Государственными научно-техническими программами исследо-
ваний в Республики Узбекистан:

ГНТП-13–создание наукоёмких технологий, приборов, оборудования,

эталонных средств и методов измерений, анализа и контроля, вопросы
метрологии, стандартизации и сертификации в отраслях экономики
республики;

НТП-15–создание наукоёмких высокопроизводительных, конкуренто-

способных и экспортоориентированных технологий, машин и оборудования,
приборов, эталонных средств, методов измерений и контроля для отраслей
экономики республики;

ППИ-3–энергетика, энерго-ресурсосбережение, транспорт, машино- и

приборостроение: развитие современной электроники, микроэлектроники,
фотоники, электронного приборостроения и мехатроники.

Степень изученности проблемы.

Практика экспериментальных иссле-

дований показывает, что функциональные возможности методов лазерного
гетеродинирования позволяют реализовать большое разнообразие фазо-
метрических и спектрометрических измерений в физических исследованиях.
Теоретическое обоснование этих методов выполнялись следующими учё-
ными – A.T.Forrester, H.Z.Cummins, D.P.Dave, В.В.Протопопов. Разработкой
лазерных гетеродинных систем занимаются ведущие научные институты с
участием ученых – С.H.Багаев, В.А.Орлов, K.Ishii, B.Wang, М.Н.Дубров. Ис-
пользуя эту методологию, оптические параметры турбулентной атмосферы
теоретически и экспериментально исследовали В.Е.Зуев, В.А.Банах, В.В.По-
касов, Р.А.Казарян. Развитие принципов спектроскопии оптического сме-
шения представлено в работах W.Demtröder, E.Jakeman, E.R.Pike, B.Chu,
А.В.Ломакин, где в сочетании с корреляционной обработкой сигналов пре-
доставлены качественно новые возможности по достижению сверхвысоких
спектральных разрешений.

Реализация этих потенциальных возможностей ставит задачу дальней-

шего совершенствования методов зондирования, фотоприема и обработки ре-
гистрируемых сигналов. Большой задел в этом направлении в нашей стране
был сделан научной группой – А.Т.Мирзаев, А.Н.Якубов, Р.Р.Вильданов. Од-
нако вследствие особенностей назначения лазерных интерферометрических
систем редко приводится расчёт их действующих характеристик – чувстви-
тельности и эффективности регистрации, отношения сигнала к шуму в зави-
симости от физической задачи и условий измерений. Поэтому разработка и
исследование лазерных систем для фазометрических и корреляционных из-
мерений является актуальной задачей как для развития данного направления,
так и для практических приложений

.

Связь диссертационного исследования с планами научно-исследо-

вательских работ высшего образовательного или научно-исследо-

25

вательского учреждения, где выполнена диссертация.

Диссертационное

исследование выполнено в рамках плана научно-исследовательских работ
Национального университета Узбекистана по утверждённой тематике №
01910000928 «Разработка лазерной системы для регистрации сверхмалых
смещений», а также по программам фундаментальных и прикладных иссле-
дований: «Разработка и создание лазерного измерителя малых перемещений:
ГНТП № 01200009766 – 2000÷2002»; «Разработка дистанционного лазерного
измерителя деформационных смещений: П-10.10 – 2003÷2005»; «Разработка
систем стабилизации лазерного измерителя деформационных смещений:
А13-023–2006÷2008»; «Разработка лазерного фотон-корреляционного спек-
трометра для диагностики рассеивающих сред: ИТД 15-020 – 2009÷2011».

Целью исследования

является разработка методов измерения структур-

ных характеристик турбулентной атмосферы и дисперсных сред с совершен-
ствованием экспериментальных методов лазерного гетеродинирования и
коррелометрии.

Задачи исследования:

определение методологии фазометрических и корреляционных измере-

ний при оптическом зондировании на основе лазерного гетеродинирования;

разработка и изготовление гетеродинной системы с синхронизирован-

ными по частоте лазерами;

исследование дисперсионных свойств активной среды газовых лазеров и

стабилизация частоты их излучения;

проведение расчётов чувствительности и эффективности гетеродинного

детектирования в зависимости от условий измерений;

разработка экспериментальной системы фотон-корреляционной спектро-

метрии для регистрации статистических характеристик оптических полей;

экспериментальные исследования с определением оптических парамет-

ров турбулентной атмосферы;

микроструктурные исследования дисперсной среды методом фотон-

корреляционной спектрометрии.

Объектом исследования

являются лазерные гетеродинные системы при

зондировании неоднородных сред.

Предметом исследования

являются физические процессы в зондируе-

мых объектах, способы формирования зондирующего гетеродинного излуче-
ния и методы детектирования и анализа рассеянного излучения.

Методы исследований.

Исследования сопровождаются аналитическим

описанием процессов формирования и регистрации излучения и постдетек-
торной обработки. Использовались классические представления атмосферы
как случайно неоднородного турбулентного канала, а также общепринятые
положения по механизмам динамического рассеяния света в дисперсных сре-
дах. Корреляционная обработка позволяет выделять спектральные и времен-
ные характеристики оптического излучения на фоне флуктуаций. Измерения
проводились с использованием современных радиофизических методов и
приборов на автоматизированном измерительно-вычислительном комплексе.

Научная новизна исследования

заключается в следующем:

26

определены особенности модовой перестройки и характеристики дис-

персионного сдвига частот генерации He-Ne лазера, позволяющие стабили-
зировать оптическую частоту лазерного излучателя;

получены аналитические выражения для расчетов чувствительности и

эффективности гетеродинных измерений в условиях практического приме-
нения;

разработан принцип формирования сигналов управления лазерными из-

лучателями при построении гетеродинной системы с синхронизированными
лазерами;

реализован метод детектирования оптических полей в режиме счета фо-

тонов, позволяющий регистрировать статистическое распределение, а также
авто- и кросскорреляционные функции фотоотсчетов;

с использованием разработанной лазерной системы определены опти-

ческие параметры турбулентной атмосферы, характеризующие ее состояние
как канала передачи оптической информации;

методом фотон-корреляционной спектрометрии с использованием разра-

ботанного коррелятора фотонов определены ширина спектра рассеянного
излучения и размеры микрочастиц монодисперсного раствора.

Практические результаты исследования

заключаются в следующем:

разработана лазерная гетеродинная система с синхронизированными ла-

зерами, предназначенная для фазометрических и спектрометрических изме-
рений;

разработан коррелометр, регистрирующий авто- и кросскорреляционные

функции оптического излучения в режиме счета фотонов;

в полигонных измерениях определены оптические параметры турбу-

лентной атмосферы и оптимальные условия дистанционного зондирования;

методом фотон-корреляционной спектрометрии определены динами-

ческие параметры и размеры субмикронных частиц в суспензии.

Достоверность результатов исследования

обусловлена использова-

нием комплекса современных методов и средств измерений; аналитической
проработкой полученных закономерностей на основе общепринятых класси-
ческих представлений; согласованностью экспериментальных результатов с
расчётными моделями и соответствием с общефизическими представлениями
и результатами других работ.

Научная и практическая значимость результатов исследования.

На-

учное значение результатов диссертации заключается в расширении пред-
ставления о повышении эффективности и чувствительности лазерных спек-
трометрических измерений турбулентной атмосферы и дисперсных сред.

Практическое значение работы заключается в том, что разработанная

лазерная система используется на радиофизическом полигоне в атмосферных
и сейсмометрических наблюдениях, а также при измерениях структурных
характеристик дисперсных сред.

Внедрение результатов исследования.

На основе результатов исследо-

ваний лазерного гетеродинирования при фазометрических и спектральных
измерениях структурных характеристик неоднородных сред:

27

по определению сдвигов оптической фазы излучения в неоднородных

системах получен патент патентного ведомства Республики Узбекистан на
полезную модель («Автоматизированная лазерная гетеродинная система для
измерения смещений» UZ № FAP 00348 от 31.01.2008 г.). Использование
разработанной системы позволило повысить в два раза стабильность и
точность измерений и автоматизировать процесс регистрации;

разработанные методики и экспериментальные установки были исполь-

зованы в гранте БФ2-027 “Механизм формирования и роста металлических
наночастиц и исследование их нелинейных оптических свойств” для повы-
шения чувствительности и эффективности измерений (справка Министерства
высшего и среднего специального образования 89-03-1025 от 16 марта 2018
года). Использование научных результатов позволяет с высокой точностью
провести мониторинг и анализ состояния исследуемой среды.

Апробация результатов исследования.

Основные результаты диссер-

тации представлялись, докладывались и обсуждались на 5 международных и
12 республиканских конференциях.

Публикации результатов исследования.

По теме диссертации

опубликовано 31 научных работ. Из них 11 научных статей, в том числе 8 в
республиканских и 3 в зарубежных журналах, рекомендованных Высшей
аттестационной комиссией Республики Узбекистан для публикации основ-
ных научных результатов докторских диссертаций. Имеется патент РУз на
описанную в работе гетеродинную лазерную систему.

Структура и объем диссертации.

Диссертация изложена на 120 стра-

ницах машинописного текста и состоит из введения, четырёх глав, зак-
лючения, списка цитированной литературы, а также 2х приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении

обоснованы актуальность и востребованность темы дис-

сертации, сформулированы цель и задачи, выявлены объект, предмет и ме-
тоды исследования, определено соответствие исследования приоритетным
направлениям развития науки и технологий в Республике Узбекистан, из-
ложена научная новизна исследования, обоснована достоверность получен-
ных результатов, раскрыта их теоретическая и практическая значимость,
приведены краткие сведения о внедрении результатов и апробации работы,
сведения по опубликованным работам и структуре диссертации.

В первой главе диссертации

«Методы лазерного гетеродинирования и

корреляционной обработки при оптическом зондировании»

приводится

краткий обзор по применению лазерных фазометрических и спектрометри-
ческих систем в физических исследованиях, использованию лазерного гете-
родинирования и фотон-корреляционной спектроскопии при изучении неод-
нородных сред. На основе проведённого анализа сделан вывод об необхо-
димости дальнейших разработок и оптимизации экспериментальных методик
для конкретных физических задач. Сформулированы цель и задачи диссер-
тационной работы.

28

Вторая глава «

Лазерная гетеродинная фазометрическая система»

по-

священа разработке лазерной гетеродинной системы, как основного физичес-
кого устройства для осуществления оптических исследований по теме
диссертации. В вводной части дан краткий обзор существующих методов и
достижений по данному направлению. Изложены принцип построения
системы и ее функциональные расчёты. Приведены результаты исследований
лазерных излучателей с целью их адаптации к разрабатываемой системе.

Чувствительность и точность фазометрических установок зависят, в

первую очередь, от характеристик источников излучения, параметров опти-
ческой схемы, свойств фотоприемной и регистрирующей части в сочетании с
условиями измерений. Были проведены экспериментальные исследования
характеристик четырех типов промышленных и разработанных нами ла-
зерных излучателей, используемых в гетеродинной системе. Были иссле-
дованы модовая структура, стабильность мощности, термоустойчивость,
акустозащищенность, флуктуации частоты и шумы излучения. Сравнение
результатов показало, что промышленные лазеры, даже имеющие герме-
тизированный корпус, значительно уступают разработанному нами лазеру
ЛГ-ККР по температурной стабильности. Характерные величины дрейфа
частоты излучения составляют: при изменении температуры ~500 МГц/

0

С,

при изменении внешнего давления ~20 МГц/тор. Флуктуации интенсивности
имели наибольшие значения для лазера с РПТ, практически сплошная
область до 200 Нz. В высокочастотной области для лазера ГЛ-105 наблю-
дается непрерывное движение спектральной группы с шириной, огибающей
~20 МГц с темпом 10 МГц/сек, связанное с динамикой страт в разряде пос-
тоянного тока и перестройкой поперечных типов колебаний. Количественная
оценка уровней флуктуаций частоты показала затухающий до ~80 Гц спектр
флуктуаций лазера с РПТ с максимальной оптической девиацией ~10 МГц в
области единиц герц. Из полученных результатов следует вывод, что быс-
тродействие схемы автоподстройки лазеров должно как минимум перекрыть
диапазон 100 Гц без учёта внешних возмущений.

При разработке лазерных измерительных систем широко применяются

лазеры, работающие в режиме генерации нескольких продольных мод, так
как они имеют более высокую выходную мощность излучения по сравнению
с одночастотными лазерами, даже при сравнимых габаритах. Для изучения
эффектов, связанных с частотной перестройкой излучения лазера от
одномодового до трехмодового в пределах доплеровского контура усиления,
была исследована короткая гелий-неоновая лазерная трубка типа ЛГ-149 с
высокочастотной накачкой и мощностью излучения ~0,5 мВт. Длина его ре-
зонатора устанавливалась равной 32 см, что соответствовало свободной спек-
тральной зоне



FSR



470 МГц.

Перестройка резонатора в пределах существования трехчастотного излу-

чения, приводит к достижению максимальной мощности при распределении
аксиальных мод в средней части доплеровского контура

(рис.1).

Для данного

резонатора трехчастотный режим занимает порядка 60% от всего диапазона
перестройки.

29

В трехчастотном режиме работы лазера из-за дисперсионных и

нелинейных эффектов в спектре фототока имеется сигнал комбинационных
биений. Зависимость частоты комбинационных биений от подстройки
резонатора лазера показана

на рис.1.

Амплитуда линии комбинационных

биений

уменьшалась

с

увеличением частоты

f

в

соответствии с деграда-
цией амплитуд крайних
мод излучения, а наблю-
даемая собственная ширина
ее линии находилась в пре-
делах нескольких килогерц
в зависимости от участка
спектра. Изменение часто-
ты комбинационных бие-
ний было использовано в
стабилизации оптических
частот

лазера (рис. 2).

В не-

стабилизированном режиме
частота биений испытывает
общий тренд и хаотические

флуктуации с амплитудными значениями до 20 кГц. При включении цепи
стабилизации низкочастотные биения привязываются к частоте 100 кГц и их
девиация уменьшается до амплитудных значений порядка 3 кГц. В
результате долговременная частотная нестабильность составила 7·10

-9

за 10

часов. Интересно отметить, что кратковременная (единицы секунд)

нестабильность

имеет

практически такую же
величину. Это как раз и
характеризуется тем, что
такая стабилизация нап-
равлена на удержание
лазера от долговремен-
ных тепловых расстроек,
что необходимо для дли-
тельных интерферомет-
рических измерений.

В результате иссле-

дований были решены
следующие задачи: опре-
делён

принцип

пос-

троения

гетеродинной

излучающей системы на основе двух связанных по частоте лазерных
источника, отличающийся методом формирования и обработки сигнала
управления лазерными резонаторами; выполнены функциональные расчёты

Рис. 1. Зависимость выходной мощности излучения

трёхчастотного лазера – 1, и абсолютной величины
частоты комбинационных биений – 2 от изменения

длины резонатора

Рис. 2. Частотная девиация в отсутствии стабилизации

и после ее включения

30

оптических и электронных устройств для фазометрических измерений;
разработан блок частотной и фазовой синхронизации частоты излучения
лазеров, которая позволила удерживать разностную частоту лазеров с отно-
сительной погрешностью 10

-5

. В блок внедрена схема автосканирования лазе-

ров для введения частоты биений в полосу захвата системы частотно-фазо-
вой автоподстройки.

Далее проводится аналитический расчёт эффективности приёма и отно-

шения сигнал/шум при лазерном гетеродинировании в условиях практи-
ческого применения. Приведены результаты натурных экспериментов в
атмосфере, показавшие особенности поведения сигнала в зависимости от
длины трассы и состояния турбулентности.

Для более полной оценки эффективности детектирования необходимо

учитывать статистические свойства сигнала и шума. С учётом избыточных
по отношению к пуассоновским флуктуациям сигнального

I

s

и опорного

излучения отношение сигнал/шум при гетеродинном приёме получается в
виде:

f

F

F

I

j

j

N

S











)

(1

2

/

g

s

s

2

ш

2

s

гет







, (1)

где

j

s

и

j

ш

– сигнальный и шумовой фототоки;

η

– квантовая эффективность

фотодетектора;

i

i

I

T

F

2
i





– параметр, характеризующий степень отличия

распределения вероятности фотоотсчетов от пуассоновской для сигнального

s

и гетеродинного

g

излучений с учётом их дисперсий



i

,



f

– полоса

регистрируемых частот.

Как и представлялось, увеличение фактора нестабильности как сиг-

нального, так и опорного излучений ухудшают обнаружительную способ-
ность гетеродинной системы, при этом для достаточно большой мощности
падающего на фотодетектор излучения влияние шумов детектирования
ослабляется.

Далее, вводя в анализ последетекторную обработку сигнала с учётом

фильтрации и шумов фототока, а также пространственной конфигурации и
когерентных характеристик полей, было получено выражение для сигналь-
ной амплитуды гетеродинного тока:

]}

2

[

]

2

[

{

2

1

g

g

g

g

2

2

1

2

2

2

0

'

ños

ik

)

'

cos(

*

'

r

ños

ik

)

cos(

r

*

'

r

r

i

exp

v

)

v

(

J

'

r

d

r

d

w

exp

A

S

~

S

~

A

































































 





, (2)

где

0

S

~

– множитель, включающий все размерные величины сигнальной ам-

плитуды;

r

– радиус вектор в плоскости детектора площадью

A

и



– его пол-

ярный угол;



,

w,



, β

,



,



– конфигурационные параметры фотосмешения,

2

1

2

2

s

2

/

)]

'

cos(

'

rr

'

r

r

[

R

k

v















, (3)

31

)

v

(

J

1

– функция Бесселя первого порядка. Выражение (3) позволяет иссле-

довать влияние рассогласований того или иного характера на эффективность
гетеродинирования. Вычисления показали, что двукратная разница в кривиз-
не фронтов на

63

0

,





мкм приведет к 30% снижению сигнала уже при раз-

мере детектора

а

d



1 мм, в то время как на

6

10

,





мкм такое же уменьшение

наступит лишь при

а

d

=3,5 мм. На рисунке 3 показаны результаты

атмосферных экспериментов.

Измерения по одноконце-

вой системе (с разнесёнными
приёмником и передатчиком)
проводились на 200–метровой
трассе для слабой (в ночное
время) атмосферной турбулент-
ности. Углы рассогласования
фронтов обратно пропорцио-
нальны ширинам интерферен-
ционных полос

п



отмеченным

рядом с кривыми.

Как и следует из приведён-

ного выше анализа, поведение
кривых имеет осциллирующий
характер. Наличие турбулент-
ности на трассе сигнального
луча ведёт к ухудшению види-
мости гетеродинной интерфе-

ренции из-за фазовых флуктуаций фронта волны.

Для турбулентной трассы было введено выражение для функции

когерентности поля и проведены аналитические вычисления для практически
важных случаев:

 

2

~

2

1

~

1

~

erf

~

1

/























 











D

l

s

e

D

l

D

l

D

f

I

N

S





(4)

где



–степень временной когерентности,

3

1

0

2

2

64

1

/

n

Ll

k

C

.

D

~





,

L

– длина трас-

сы,

l

0

– внутренний масштаб турбулентности,

l

– размер детектора; erf(

l

D

~

) –

интегральная функция ошибок.

Измерения проводились на 50 и 200-метровой трассах с умеренной тур-

булентностью. Интенсивность коллимированного пучка диаметром 10 см
была установлена на уровне

I

s



5·10

8

м

-2

с

-1

, интенсивность опорного излуче-

ния варьировалась от

I

g



I

s

до

I

g



10

I

s

. Для количественных вычислений бра-

лись вполне адекватные параметры:



=0.3,



=0.8,



f

=10

4

Гц,

l

0

=5·10

-3

м.

На

рис. 4

. представлены результаты измерений сигнала и оценочные расчётные

кривые, и асимптоты.

Рис. 3. Зависимость

0

S

~

/

S

~

от размера

апертуры при различных наклонах осей

коллимированных пучков в атмосфере.

2

15

-2/3

~ 4 10

м

n

C





,



=0,63мкм

32

Рис. 4.

Поведение ОСШ в зависимости

от диаметра приёмной

апертуры для гетеродинного

приёма в турбулентной

атмосфере

Пунктирные линии –

расчётные кривые

В подтверждение теоретических выкладок из кривых следует, что ОСШ

быстро насыщается с ростом длины трассы, оптимальный размер приёмника
составляет



9 см для 200 метровой трассы. С уменьшением мощности опор-

ного излучения при постоянстве сигнального ОСШ уменьшается.

В третьей главе диссертации «

Измерение корреляционных характе-

ристик оптических полей в режиме счета фотонов

» описывается метод

детектирования оптических полей в режиме счета фотонов с корреляционной
обработкой фотоотсчетов. Метод счета фотонов в сочетании с цифровым
коррелятором становится основным направлением в корреляционной спек--
троскопии света. Обработка сигнала рассеяния с помощью корреляционного
или Фурье анализа позволяет найти характеристические параметры сигнала,
определяющие динамические характеристики рассеивающих объектов, из-
мерить уширение и смещение спектральных линий на величину от долей гер-
ца до десятков гигагерц с предельно высокой чувствительностью к рассеян-
ному свету. Однако разнообразие объектов и отсутствие доступных серий-
ных приборов для фотон-корреляционной спектрометрии приводит к тому,
что для практических приложений оправдана разработка оптических и радио-
измерительных средств, оптимизированных для конкретных задач.

Исходя из экспериментальных потребностей, был налажен двухканаль-

ный фотонный коррелятор, работающий в режиме привязки к заданному по-
роговому уровню отсчётов, и регистрирующий временные корреляционные
функции в реальном времени. Нормированная корреляционная функция
фотоотсчетов для одноканального клиппирования в этом случае представ-
ляется в виде:

















n

n

/

)

t

(

n

)

t

(

n

)

(

g

k

k

k

, (5)

где

n

k

=

1 при

n(T)>l

k

– уровня клиппирования.

В случае гауссовой статистики поля она имеет аналитическую связь с

корреляционной функцией поля

2

1

1

1

)

(

n

l

)

(

g

k

k



















, (6)

т.е. в случае квантования зависимость корреляционной функции от времени
не искажается. Особенностью данной схемы коррелятора является то, что на

33

его входе установлен дестохастизатор фотоотсчетов, а также имеется регу-
лируемое «окно» схемы совпадений.

Разработанный фотонный

коррелятор использовался при
измерениях лазерного излуче-
ния после неоднородного фазо-
вого

рассеивателя (рис. 5).

Средний поток фотоотсче-

тов был определён порядка 5
кГц, что соответствовало опти-
мальным условиям набора дан-
ных (сглаживанию статистичес-
кого разброса и предотвраще-
нию перебора промежуточной
памяти коррелятора). Резуль-
таты показали пропорциональ-
ное уменьшение времени кор-

реляции



с

со скоростью рассеивателя

v

.

При измерениях были сделаны сопутствующие выводы. Увеличение

площади детектора приводит к увеличению скорости счета и соответственно
увеличивается ОСШ. Однако при этом уменьшается амплитуда пика (конт-
раст) корреляционной функции по отношению к уровню фона. Прос-
транственное усреднение на приёмнике проявляется при сопоставлении
площади когерентности излучения

A

c

с площадью фотодетектора

A

, оно

влияет как независимое мультипликативное воздействие на результирующую
функцию:





2

2

2

2

1

1

0

1























A

r

r

(

r

d

r

d

A

)

T

,

,

(

)

T

,

A

,

(

g





. (7)

Интеграл уменьшается при увеличении

A

, и при больших площадях

детектирования второе слагаемое исчезнет вследствии усреднения.

Измерение в режиме регистрации кросскорреляционной функции сигна-

лов от двух разнесённых фотоприемников позволяет оценить, как время кор-
реляции между соответствующими точками в области приёма, так и прос-
транственную деградацию поля

(рис. 6).

С увеличением расстояния

r

между

детекторами, пик корреляции смещается пропорционально времени переноса
пространственной структуры поля от одной точки до другой, а уменьшение
пространственной корреляции приводит к уменьшению амплитуды этого
пика.

В результате проведённых исследований были приняты с некоторыми

ограничениями высказанные в рекомендации об основных принципах и
режимах корреляционных измерений: несколько измерений с разной продол-
жительностью, но не менее десятикратной полной задержки, обеспечивает

0

20

40

60

80

100

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

g(



)



, 800мкс

но

рм

ир

ован

ная

ко

рр

ел

яц

ия

задержка-канал

<n>=2x10

-3

v

=47см/с



с

~150мкс

Рис. 5. Автокорреляционные функции

рассеянного излучения

34

более высокую точность, чем
одно измерение суммарной
продолжительности; привязку
следует осуществлять к вели-
чине среднего уровня счета;
оптимальные данные даёт
измерение

корреляционной

функции до задержек, приб-
лизительно

в

два

раза

превышающих время ее спа-
да; площадь детектора не
должна превышать площади
когерентности

измеряемого

поля; для сигналов с не-
гауссовой статистикой все же

лучше использовать спектроскопию оптического смешении.

Четвертая глава диссертации «

Фазометрические и корреляционные

исследования неоднородных сред»

содержит результаты исследований

оптически неоднородных сред с использованием разработанных методик и
экспериментальных систем. Определены оптические характеристики различ-
ных турбулентных атмосферных каналов. Проведены исследования динами-
ческого рассеяния света в дисперсной среде с определением размеров, взве-
шенных в растворе субмикронных микрочастиц.

Сделаны выводы о функциональных возможностях представленных

разработок. Флуктуации показателя пре-
ломления на трассе дистанционного лазер-
ного измерителя приводят к флуктуациям
фазы волны, что снижает степень времен-
ной когерентности и приводит к случай-
ной частотной модуляции излучения. Изу-
чение девиаций оптического спектра и
соответственно

уширения

сигналов

гетеродинирования в зависимости от
состояния атмосферы и длины оптической
трассы имеет большой практический инте-
рес, особенно когда проводятся измерения
на больших базах. Уширения спектра
регистрировались на трассах с длинами

L

=100 и 200 м (рис. 7).

Ширина спектрального распределения даже для определённой трассы

имела значительный разброс, несмотря на то, что интервал между прописями
составлял несколько минут. Это вполне соответствует представлениям о не-
стационарности атмосферы, когда разброс в измеряемых ширинах спектра
составляет 20÷30%. Результаты также показали, что спектральное уширение
при распространении излучения для коротких трасс в среднем составляет не-

-200 -100 0 100 200

Гц

ампли

туда

с

пе

ктра

, отн

.е

д.

1

Рис. 7. Спектр уширенного

лазерного излучения в

атмосфере для трассы 200 м

0

20

40

60

80

100

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

g

с

(



)



, 1600мкс

но

рм

ир

ован

ная

ко

рр

ел

яц

ия

задержка-канал

<n>=4x10

-3

r

=1 мм

Рис. 6. Поведение кросскорреляционных

функций при пространственном разнесении

детекторов на расстояние

r

35

сколько Гц/м. Измерения проводились и для различных состояний атмосфе-
ры, при этом диапазон эффективных ширин спектра для трассы 100 м состав-
лял 30÷80 Гц, а для трассы 200 м порядка 40÷120 Гц. Зависимость величины

уширения спектра от длины трассы соответствует закону

2

1

L

, что согласует-

ся с теоретическими выкладками.

Фаза оптической волны в большей степени, чем остальные параметры,

подвержена влиянию турбулентной атмосферы, и ее изменения могут
служить одной из основных характеристик случайно неоднородной среды.
Для фазовых возмущений более важны крупномасштабные неоднородности,

Рис.8. Спектры вариации оптической фазы между

пространственно-разнесенными точками в

турбулентной атмосфере

а этот участок пространст-
венного спектра в области
малых волновых чисел не
имеет универсальной формы
описания. Пространственные
вариации фазы поля и их
спектр

(рис.8)

позволяют оп-

ределить структурные ха-
рактеристики

атмосферной

трассы. По записи быстрых
флуктуаций рассчитывались
структурные функции фазы
определить структурные ха-
рактеристики

атмосферной

трассы:





2

)

r

(

)

r

(

)

(

D

S















(8)

которые показали участок насыщения с колебательными поведением, период
которого связан с внутренним масштабом турбулентности.

Структурная постоянная показателя преломления атмосферы опреде-

лялась по вычисленным значениям структурной функции

3

5

2

2

92

.

2



L

k

D

C

S

n





. (9)

Результаты определения структурной постоянной показывают, что ее увели-
чение связано с незначительным увеличением ширины спектра фазовых
флуктуаций, в то время как максимум спектра смещается в диапазон более
высоких частот.

Для канала длиной 2

L

=200 м проведена пропись фазовых флуктуаций с

частотой 10 отсчетов/сек. Численный анализ определил величину дисперсии
фазы 250 рад

2

, откуда было получено значение структурной постоянной

2

14

-2/3

2 10

м

n

C



 

и радиуса корреляции



с



3,3 см.

Спектр фазовых флуктуаций, полученный путём Фурье-анализа оциф-

рованной фазовой прописи для 200 метрового канала, представлен

на рис. 9.

36

Рис. 9.

Спектральное распределение фазовых флуктуаций

200 метровой трассы. Точки – экспериментальные

данные, линия – фитирование по теоретической

зависимости

Из

анализа

этой

кривой видно, что эффек-
тивные

составляющие

находятся в области час-
тот до 1 Гц.

Для нашей геометрии

измерения спектральную
плотность фазовых флук-
туаций можно описать
двумя асимптотическими
зависи-мостями

для

нарастающей

низко-

частотной и спадающей
высокочастотной ветвей:

3

2

3

1

1

2

2

4

0









f

f

)

L

(

,

)

f

(

S

S

, для

f<<f

1,

(10)

и

3

8

3

5

1

2

2

08

0







f

f

)

L

(

,

)

f

(

S

S

, для

f>>f

1

,

, (11)

где

f

1

=

v

/

L

0

- характерная частота, определяемая поперечной к трассе

скоростью переноса неоднородностей

v

через внешний масштаб

L

0

.

Фитирование высокочастотной ветви экспериментального спектра в

соответствии с указанной зависимостью дало оценочный параметр для

f

1

~0,05 Гц, что соответствует поперечному движению атмосферы со ско-

ростью

v

~0,1 м/с. При быстром переключении трасс отмечено, что эффектив-

ная ширина спектра временных флуктуаций фазы практически не зависит от
длины трассы и находится в пределах 15÷20 Гц. При увеличении скорости
движения атмосферных масс максимум спектрального распределения пони-
жается и смещается в область более высоких частот. Относительная амплиту-
да низкочастотной части спектра для

f

<

f

1

заметно варьировалась от одной

реализации записи фазы до другой, подтверждая кратковременную неста-
бильность этой области спектра даже при неизменном общем состоянии ат-
мосферы.

Определение корреляционных функций поля и интенсивности излуче-

ния имеет существенное значение для оценки эффективности работы лазер-
ных информационных систем в атмосфере. Их измерение позволяет получить
спектр флуктуаций интенсивности, определить параметры когерентности и
характеристики состояния атмосферы.

Измерения проводились в коллимированном пучке диаметром ~15 см,

передаваемом на отражательное зеркало на вершине горы, длина трассы сос-
тавляла ~1 км. Диаметр входной апертуры фотоприемников удовлетворял
условию

d

L





и составлял 1 мм. Основные результаты определялись по

кросскорреляциям, в которых устранялись мешающие автокорреляции собст-

0

1

2

3

0

5

10

15

ам

пл

ит

уда с

пе

кт

ра,

о

тн

.е

д.

частота, Гц

37

венных шумов фотоприемников и тракта усиления, благодаря их статис-
тической независимости

(рис. 10).

Полученные результаты

показывают, что в зависимос-
ти от длины трассы и ха-
рактера конкретного атмос-
ферного состояния, радиус
корреляции поля, измеренный
по уровню спада функции

G

(



), изменяется в несколько

раз 2



6 см. В тех же условиях

измерялась

автокорреляци-

онная функция фотоотсчетов.
Из характерного поведения
полученной зависимости вре-

мя корреляции излучения для данного состояния атмосферной турбулент-
ности составило



2мс.

Использование метода фотон-корреляционной спектроскопии для ис-

следования дисперсных систем основывается на анализе рассеянного света от
взвешенных в жидкости микрочастиц. Были проведены измерения диффузно
рассеивающего раствора, представляющего собой моноструктурную систему
со взвешенными в дистиллированной воде мелкодисперсными частицами
полистирольного латекса

(рис. 11).

Рис. 11.

Автокорреляционные

функции интенсивности

рассеянного в растворе света

С учётом того, что частицы имеют близкую к сферической форму, по

интегральной интенсивности рассеяния была оценена их концентрация

с

~10

10

см

-3

. Рассеяние регистрировалось при углах



= 20

0

. Корреляционные функ-

ции в компьютере усреднялись по

m

реализациям. С увеличением количества

усреднений наблюдается выравнивание графиков. Кроме того, при большем
усреднении зависимости более эффективно спадают к фоновому уровню.

По аппроксимации измеренной коррелограммы теоретической зави-

симостью было получено значение времени спада

t

c

≈ 30 мс. Это соот-

ветствует ширине лоренцевого спектра рассеяния Г



30 Гц. В результате

Рис. 10. Пространственные корреляционные

функции интенсивности в атмосфере.

0

2

4

6

8

10

G(0)/<I>

2

1

G(



)/<I

1

><I

2

>



, cм

но

рм

ир

ов

анн

ая

к

ор

ре

ля

ци

я

разнос детекторов

- L=1000м
- L=120м

38

дальнейших расчетов получено значение размеров раство-ренных частиц

d

=

0,41 мкм

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе результатов исследований лазерного гетеродинирования при

фазометрических и спектральных измерениях структурных характеристик
неоднородных сред сделаны следующие выводы:

1. Исследованы дисперсионные характеристики активной среды

газового лазера, связанные со сдвигом частот межмодовых биений, а также
параметры модовой перестройки излучения при вариациях длины резонатора
и улучшена долговременная стабильность почти на порядок.

2. Выполнены теоретические расчеты и получены аналитические

выражения для оценки чувствительности и эффективности гетеродинных
измерений в условиях практического применения. Определен характер
фототока в случае флуктуирующего лазерного излучения, что приводит к
непуассоновской статистике фотоотсчетов;

3. Обоснован выбор более адекватной оценки эффективности фо-

тодетектирования, когда в отношение сигнала к шуму входит сред-
неквадратичное значение флуктуаций полного выходного тока и получено
выражение для ОСШ с учетом когерентных характеристик излучения и

последетекторной обработки сигнала биений, а также с учетом апертур
взаимодействующих пучков и наклонов их волновых фронтов;

4. Разработано электронное устройство автоподстройки лазерных

резонаторов и новый принцип формирования сигналов управления лазер-
ными излучателями при построении гетеродинной системы с синхро-
низированными лазерами для частотной и дополнительной фазовой привязок
лазерных излучений.

5. С использованием разработанной лазерной системы определены

оптические параметры различных турбулентных атмосферных трасс, харак-
теризующие их состояние как канала передачи оптической информации и
проведены оценки для оптимального размера фотодетектора в зависимости
от длины трассы и состояния турбулентности;

6. Реализован метод детектирования оптических полей в режиме счета

фотонов, позволяющий регистрировать статистическое распределение, а
также авто- и кросскорреляционные функции фотоотсчетов.

7. Разработана методика и экспериментальная установка, предназна-

ченная для измерения размеров микрочастиц в жидкой среде на основе
гетеродинной регистрации рассеянного излучения.

8. Обоснован выбор аналитического описания метода фотон-

корреляционной спектроскопии для измерения динамического рассеяния
света с использованием разработанного коррелятора определены размеры
взвешенных в растворе субмикронных микрочастиц.

39

SCIENTIFIC COUNCIL No.DSc.27.06.2017.FM/T.34.01 ON AWARD

OF SCIENTIFIC DEGREES AT THE PHYSICAL AND TECHNICAL
INSTITUTE,

INSTITUTE

OF

ION-PLASMA

AND

LASER

TECHNOLOGIES, SAMARKAND STATE UNIVERSITY

NATIONAL UNIVERSITY OF UZBEKISTAN

ESHONKULOV GOFUR BOBOKULOVICH

LASER HETERODYNING AND CORRELATION PROCESSING

IN MEASUREMENTS IN OPTICAL INHOMOGENEOUS MEDIA

01.04.11 – Laser physics

(physical and mathematical sciences)

ABSTRACT OF DISSERTATION OF THE DOCTOR OF PHILOSOPHY

(PhD) ON PHYSICAL AND MATHEMATICAL SCIENCES

TASHKENT– 2018

40

The theme of the doctoral (PhD) dissertation on physical and mathematical sciences was

registered by the Supreme Attestation Commission of the Cabinet of Ministers of the Republic of
Uzbekistan under No. В2018.1PhD/FM93

The doctoral (PhD) dissertation was carried out at the National University of Uzbekistan.
The abstract of the dissertation was posted in three (Uzbek, Russian, English (resume)) languages

on the website of the Scientific Council at fti.uz and on the website of “Ziyonet” Information and
educational portal at www.ziyonet.uz.

Scientific consultant:

Vildanov Ramil Rifgatovich

Candidate of Physical and Mathematical Sciences,

Assistant Professor

Official opponents:

Usmanov Temur Bekmuratovich

Doctor

of

Physical

and

Mathematical

Sciences,

Academician

Semenov Denis Ivanovich

Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Dosent

Leading organization:

Tashkent State Technical University

The defense of the dissertation will be held on “___” __________ 2018, at ___ at the meeting of

the Scientific Council No.

DSc.27.06.2017.FM/T.34.01

at the Physical and Technical Institute, Institute of

Ion-Plasma and Laser Technologies, Samarkand State University (Address: 2B Bodomzor yuli str.,
100084 Tashkent. Tel./Fax: (+99871) 235-42-91, e-mail: info.fti@uzsci.net).

The dissertation can be looked through in the Information Resource Centre of the Physical and

Technical Institute (registered under No ____). Address: 2B Bodomzor yuli str., 100084 Tashkent. Tel.:
(+99871) 235-30-41.

The abstract of dissertation was distributed on “_____”________________2018.
(Registry record No. ____ dated “__” ___________ 2018.)

Y

S.A.Bakhramov

Chairman of the Scientific Council

on Award of Scientific Degrees,

Doctor of Physical and Mathematical

Sciences, Academician

A.V.Karimov

Scientific Secretary of the Scientific Council

on Award of Scientific Degrees,

Doctor of Physical and Mathematical

Sciences, Professor

C.C.Kurbanov

Chairman of the Scientific Seminar of the Scientific

Council on Award of Scientific Degrees,

Doctor of Physical and Mathematical

Sciences,

41

INTRODUCTION (abstract of the PhD dissertation)

The aim of the research

is to develop methods for measuring the structural

characteristics of the turbulent atmosphere and disperse media with the develop-
ment of experimental methods of laser heterodyning and correlometry.

The object of the research

are the parameters of laser radiation during the

passage of randomly inhomogeneous and disperse media.

Scientific novelty

of the research

consists of the following:

the features of the mode tuning and the characteristics of the dispersion shift

of generation frequencies of the He-Ne laser were determined, which make it
possible to stabilize the optical frequency of the laser emitter;

calculations were performed and an analytical expression was obtained for

estimating the sensitivity and efficiency of heterodyne measurements under
conditions of practical application;

the principle of forming control signals for laser emitters in the construction

of a heterodyne system with synchronized lasers was developed;

a method for detecting optical fields in photon counting mode was realized,

which makes it possible to register a statistical distribution, as well as auto- and
cross-correlation functions of photocounts;

using the developed laser system, the optical parameters of the turbulent

atmosphere were determined, characterizing its state as a transmission channel of
optical information;

the width of the scattered radiation spectrum and the sizes of the

microparticles of the monodisperse solution were determined by the method of
photon-correlation spectrometry with use of the developed photon correlator.

Implementation of the research results.

Based on the results of laser

heterodyning studies for phase and spectral measurements of the structural
characteristics of inhomogeneous media:

the patent of the Republic of Uzbekistan for utility model (“Automated laser

heterodyne system for measuring displacements” UZ No.FAP 00348 dated January
31, 2008) was obtained for determining the shifts of the optical phase of radiation.
Using the developed system allowed to increase the stability and accuracy of
measurements and automate the registration process;

the developed methods and experimental sets were used in the grant БФ2-027

“Mechanism of formation and growth of metal nanoparticles and study of their
nonlinear optical properties” to improve the sensitivity and efficiency of
measurements (certificate of the Ministry of higher and secondary special
education 89-03-1025 dated March 16, 2018). Use of scientific results allows to
carry out with high accuracy monitoring and analysis of a condition of the
investigated environment.

The structure and volume of the dissertation

. The dissertation was

presented on 120 pages consisting of an introduction, four chapters, a conclusion, a
list of references and 2 appendixes.

42

ЭЪЛОН ҚИЛИНГАН ИШЛАР РЎЙХАТИ

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

LIST OF PUBLISHED WORKS

I бўлим (I часть; Part I)

1. Азаматов З.Т., Вильданов Р.Р., Эшонкулов Г.Б. Лазерли гетеродинлаш

ва унинг амалиётда қўлланилиши. Монография. Тошкент. Университет
нашриёти. 2017 йил. 96 б.

2. Патент РУз № FAP 00348. Автоматизированная лазерная гетеродин-

ная система для измерения смещений / Вильданов Р.Р., Эшонкулов Г.Б. //
Расмий ахборотнома. –Ташкент, 2008. - №2.

3. Вильданов Р.Р., Эшонкулов Г.Б. Гетеродинная система с частотной

привязкой излучения // Узбекский Физический журнал. - Ташкент. 2005. -
№3. - С.204-207. [01.00.00; № 5].

4. Вильданов Р.Р., Эшонкулов Г.Б. Оптическое спектральное уширение

при лазерном гетеродинировании в атмосфере // Узбекский физический
журнал. – Ташкент, 2007. - Т.9. №.5-6. - С.342-344. [01.00.00; № 5].

5. Vildanov R.R., Eshonqulov G.В. Measuring optical characteristics of the

atmosphere with a laser heterodyne system// Journal of Applied Spectroscopy. –
Minsk, 2008 - Vol. 75, #6 – Pp.902-904. [№ 11. Springer; IF=0,510].

6. Вильданов Р.Р., Эшонкулов Г.Б. Фотон-корреляционная спектро-

метрия для анализа микрочастиц // Вестник НУУз. - Ташкент,

2009. №2. -

С.115-117. [01.00.00; № 8].

7. Вильданов Р.Р., Эшонкулов Г.Б. Применение фотон-корреляционной

спектрометрии для анализа дисперсных частиц// Uzbek J.Phys. - Ташкент,
2010. - v.12, №.3. - PP.165-168. [01.00.00; № 5].

8. Vildanov R. R., Eshonqulov G.В. Application of a heterodyne laser system

to determine parameters of turbulent atmosphere // Ukrainian Journal of Physics.-
Kiev, 2011.-V.56.#1.-p.18-20. [№ 51. Academperiodika; IF=0,329].

9. Vildanov R.R., Eshonqulov G.В.

Research of characteristics of multi-

frequency laser radiation in case of mode retuning // Radioelectronics and
Communications Systems. –

Kiev,

2011, Vol. 54, No. 7, pp. 398–400

. [№ 23.

Springer; IF=0,462].

10. Вильданов Р.Р., Эшонкулов Г.Б. Эффекты согласования фронтов при

лазерном гетеродинировании // Uzbek J.Phys. - Ташкент, 2014, v.16, №3.
с.243-246. [01.00.00; № 5].

11. Азаматов З.Т., Вильданов Р.Р., Эшонкулов Г.Б. Стабилизация

частоты излучения газового лазера с использованием дисперсионных свойств
активной среды // Uzbek J.Phys. - Ташкент,

2014, v.16, №5. с.392-395.

[01.00.00; № 5].

12.Азаматов З.Т., Вильданов Р.Р., Эшонкулов Г.Б. Гетеродинная система

для изучения динамического рассеяния света в дисперсных средах // Доклады
Академии наук Республики Узбекистан. - Ташкент, 2016. №6, с.18-21.
[01.00.00; № 7].

43

13. Азаматов З.Т., Вильданов Р.Р., Эшонкулов Г.Б. Использование

лазерного гетеродинного деформографа для сейсмометрических и
атмосферных измерений // Вестник НУУз. №2/1, - Ташкент, 2016., с.286-291.
[01.00.00; № 8].

II бўлим (II часть; Part II)

14. Эшонкулов Г.Б. Исследование инерционности частотной привязки

лазеров // Лазерная физика и лазерная спектроскопия. Труды науч.-практ.
сем. – Ташкент, 2004г. - С.90-93

15. Эшонкулов Г.Б. Фазовый детектор для лазерного интерферометра//

Экспериментальная и теоретическая физика: Сб. научных трудов. -Т.:НУУз. -
2006. - С.90-93.

16. Вильданов Р.Р., Эшонкулов Г.Б. Лазерные системы измерения

движущихся объектов // 1000 летие академии Маъмун-Хорезма: Материалы
межд. конф. -Хива, 2006. с.53-55.

17. Эшонкулов Г.Б. Анализ шумов лазеров в измерительных системах //

Илм заковатимиз –сенга она-Ватан. Матер. респ.. конф.- ФарГУ, 2006. - С.
22-23

18. Вильданов Р.Р., Эшонкулов Г.Б. Лазерная гетеродинная система для

атмосферных измерений // Лазерные технологии в промышленности,
медицине и сельском хозяйстве: Труды научно-прак.конф. -Ташкент, 2007. -
С.10-13.

19. Эшонкулов Г.Б. Измерение оптических параметров турбулентной

атмосферы// Фундаментальные и прикладные проблемы современной
физики: Матер. Респ. конф. -Ташкент, 2007. с.61-62.

20. Вильданов Р.Р., Эшонкулов Г.Б. Коррелометр лазерного рассеяния.

Оптические методы в современной физике // Материалы Республиканской
конференции. - Ташкент, 2008 г. - С.131-133.

21. Эшонкулов Г.Б. Стабилизация дистанционных лазерных измерений в

атмосфере // Оптические методы в современной физике: Материалы
республиканской конференции - Ташкент, 2008. - С.119-121

.

22. Эшонкулов Г.Б. Лазерная гетеродинная фазометрическая система //

Физика конденсированных сред: от фундаментальных исследований к
практическому применению: Матер. Респ. конф. –Ташкент, 2008 г.–С.21-26

23. Вильданов Р.Р., Эшонкулов Г.Б. Влияние турбулентной атмосферы

на излучение при лазерном гетеродинировании// Молодежь и наука:
Материалы II-Межд. науч.-прак. конф. - Невинномысск (Россия), 2009г.-
С.31-32.

24. Вильданов Р.Р., Эшонкулов Г.Б. Корреляционные измерения

монодисперсного раствора // Современная физика и ее перспективы:
Материалы Респ. конф. - Ташкент, 2009. - С.95-96.

25.

Эшонкулов Г.Б., Вильданов Р.Р. Оценка эффективности

гетеродинного приема с учетом постдетекторной обработки. // Замонавий
физиканинг долзарб муаммолари” Республика илмий-амалий анжумани
материаллари ТерДУ, 2013 йил, 41-44 б.

44

26. Эшонкулов Г.Б., Вильданов Р.Р. Эффективность гетеродинирования

с учетом статистики сигнала. // Международная конференция “Актуальное
проблемы молекулярной спектроскопии конденсированных сред”, СамГУ 29-
31 май, 2013 г. с.173

27. Эшонкулов Г.Б., Вильданов Р.Р. Лазерный гетеродинный

деформограф в натурных измерениях // Оптика и фотоника: труды
международного семинара - Самарканд, 2013 г. с. 50-52

28. Эшонкулов Г.Б., Вильданов Р.Р. Лазерный деформограф с системой

стабилизации для атмосферных измерений. // Замонавий физика ва
астрофизиканинг долзарб муаммолари. Республика илмий – амалий
анжумани материаллари. ҚарДУ. 2015 й, 192-193 бетлар

29.

Эшонкулов Г.Б., Вильданов Р.Р. Применение лазерного

гетеродинирования для регистрации динамического рассеяния света //
Материалы Республиканской конференции «Оптические методы в
современной физике» г.Ташкент, 27-28 май 2016 г., с. 98-100

30. Eshonqulov G.B., Vildanov R.R. // Laser heterodyne deformograph for

seismic and atmospheric measurements // International symposium: New Trends of
Development Fundamental and Applied Physics: Problems, Achievements and
Prospects. 10-11 November 2016, Tashkent, Р.229-230

31. Eshonqulov G.B., Vildanov R.R. // Laser heterodyne deformograph for

atmospheric measurements // “Физиканинг долзарб муаммолари” Республика
илмий-амалий конференцияси тўплами. Тошкент, 2017 йил 61-63 бетлар