4. О возможностях лазерно-акустической локации

4.1. Моделирование процессов резонансного взаимодействия лазерного излучения со звуком в газах

Разработка методов и технологий лазерно-акустической локации воздушных объектов на основе анализа создаваемых ими акустических полей позволит решать принципиально новые задачи локации, включая обнаружение, классификацию и проводку низколетящих объектов, находящихся в зоне радиолокационной тени, и повысить функциональные возможности радиолокационных средств в условиях воздействия активных электромагнитных помех.

Ведущиеся на стыке акустики и квантовой электроники исследования открывают возможности создания уникальных лазерно-акустических технологий, прежде всего создания новых источников и приемников звука [103-105]. Весьма интенсивно разрабатываются в последние годы лазерные методы дистанционной регистрации акустических волн в конденсированных средах [103,106]. Экспериментально исследовано комбинационное рассеяние света на объемных рассеивателях, движущихся в поле звуковой волны, для воздуха, когда амплитуды смещений рассеивателей были велики по сравнению с длиной волны света [107,177].

Электромагнитное излучение, резонансное переходам атомов или молекул в газе, может также эффективно рассеиваться на акустических колебаниях газа. Взаимодействие излучения со звуком при этом осуществляется через систему энергетических уровней резонансных частиц. Ускорение резонансных частиц в акустическом поле приводит к появлению комбинационных частот в спектре рассеянного излучения. Слабость эффекта, связанная с ничтожностью звуковых смещений атомов и молекул в газе, компенсируется его резонансным характером и он становиться вполне обнаружимым. Далее анализируется резонансное двухфотонное рассеяние на акустических колебаниях атомов или молекул в газе, которое является для газов аналогом рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.

Рассмотрим газовую среду, взаимодействующую с сильным излучением частоты w и зондируемую слабым сигналом частоты wm . Динамическая эволюция ансамбля резонансных двухуровневых частиц в световом и акустическом полях описывается кинетическим уравнением для матрицы плотности в представлении Вигнера [7,110]:

(4.1)

. (4.2)

Диагональные элементы матрицы плотности rj характеризуют заселенности рабочих состояний m и n; недиагональный элемент r описывает свойства спектральной линии; Gj, G - константы релаксации уровней и поляризации. Резонансные частицы совершают тепловое движение и, кроме того, испытывают осциллирующее по величине ускорение a, обусловленное действием звука:

, (4.3)

где wa = qua - частота звука, ua - скорость его распространения. Взаимодействие со световым полем, представленном двумя бегущими в одном направлении волнами, учитывается оператором

; (4.4)

Здесь E, Em - амплитуды сильного и пробного полей (|Em|<<|E|); wmn частота рабочего перехода m -n; dmn - его дипольный момент. Схема энергетических уровней изображена на рис.4.1. Функции возбуждения состояний qj считаем максвелловскими, т.е.

, (4.5)

где V- - средняя тепловая скорость частиц.

Решение кинетического уравнения ищем методом последовательных приближений; слабым возмущением является осциллирующее ускорение. Форма линии резонансного усиления (поглощения) определяется амплитудами и взаимной ориентацией ускорения и волновых векторов светового и акустического полей.

Пусть световые и акустические волны распространяются в одном направлении (q||k). Тогда проекция ускорения на волновой вектор электромагнитного излучения является осциллирующей функцией времени: азз =a(t) . Акустические колебания газа приводят к модуляции населенностей возбужденных состояний резонансных частиц с частотой wa и вызывают поляризацию газа на комбинационных частотах wm = w ± wa  . Поэтому стационарное решение уравнений (4.1), (4.2) ищем в виде:

; (4.6)

(4.7)

,

где e = Wm - W, k » k .

Величины Rj и R в выражениях (4.6), (4.7) удовлетворяют уравнениям (4.1), (4.2) в отсутствие пробного сигнала и акустических колебаний (a = Gm= 0). Слагаемые r j и r ў учитывают действие слабого поля Em  . Члены rj, r, r- появляются из-за взаимодействия резонансных частиц со звуковой волной в газе и соответствуют первому порядку теории возмущений.