Применение параметрического генератора света для дистанционного мониторинга атмосферы в диапазоне спектра 3-4 мкм

Abstract

Актуальность работы обусловлена необходимостью развития методов и систем дистанционного зондирования атмосферы для обеспечения оперативного мониторинга состояния окружающей среды. Цель работы: разработка методики планирования и проведения лазерного дистанционного зондирования малых газовых составляющих атмосферы посредством подхода, объединяющего преимущества метода дифференциального поглощения (МДП) и дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии (ДОАС), поиск информативных длин волн в среднем ИК-диапазоне, численное моделирование лидарного зондирования малых газовых составляющих атмосферы на выбранных длинах волн. Методы исследования: метод дифференциального поглощения, метод численного моделирования лидарных сигналов. Результаты. Исследованы возможности применения лазерной системы с параметрической генерацией света на основе нелинейного кристалла KTiOAsO4 для лидарного зондирования атмосферы в диапазоне спектра 3-4 мкм. Разработана методика лидарных измерений газовых компонент атмосферы с помощью методов дифференциального поглощения и дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии. Проведена апробация разработанной методики для оценки возможностей лидарного зондирования малых газовых составляющих атмосферы. Представлены результаты моделирования лидарных измерений малых газовых составляющих атмосферы в диапазоне 3-4 мкм, показывающие возможность восстановления лидарного сигнала на вертикальных трассах до 5 км, на горизонтальных трассах до 10 км при зондировании метана, формальдегида, бромоводорода и хлороводорода, используя лазерное излучение с шириной аппаратной функции 2 см-1. Вывод. Лазер с параметрической генерацией света на основе нелинейного кристалла KTiOAsO4 с рабочим диапазоном 3-4 мкм является перспективным источником излучения для дистанционного зондирования рассматриваемых в работе малых газовых составляющих атмосферы на приземных тропосферных трассах с применением разработанной методики.

Relevance of the research is caused by the need of developing the atmosphere remote sensing methods and systems for real-time monitoring of the environment. The main aim of the study is to develop the methodology of planning and carrying out laser remote sensing of atmospheric trace gases through the approach combining the advantages of differential absorption lidar (DIAL) and the differential optical absorption spectroscopy (DOAS), search for informative wavelengths in the middle infrared range, numerical simulation of lidar sensing of atmospheric trace gases at the selected wavelengths. The methods used in the study: differential absorption lidar, differential optical absorption spectroscopy. The results. The authors have studied the opportunities of applying laser system with parametric light generation based on a nonlinear crystal KTiOAsO4 for atmosphere lidar sensing in the spectral range of 3-4 m. The technique of lidar measurements of atmospheric gaseous components by the differential absorption lidar and differential optical absorption spectroscopy was developed. The authors tested the developed method to assess the feasibility of lidar sensing of atmospheric trace gases. The paper introduces the results of atmospheric lidar measurements modeling in the range of 3-4 mkm, which demonstrate the possibility of lidar signal restoring on vertical paths up to 5 km and on horizontal paths up to 10 km when probing methane, formaldehyde, hydrogen bromide and hydrogen chloride using laser beam with a width of the instrumental function of 2 cm-1. Conclusion. Laser with parametric light generation based on nonlinear KTiOAsO4 crystal with the operating range of 3-4 mkm is the advanced light source for remote sensing the atmospheric trace gases, considered in the work, by the DIAL-DOAS technique at the ground level tropospheric paths.