Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0035

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0035
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е.Зуева Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Разработка системы формирования лазерных пучков с управляемой пространственной структурой для задач беспроводной оптической связи
Докладчик
Дудоров Вадим Витальевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследований является разработка и создание макета системы формирования лазерных пучков с управляемой пространственной структурой, в том числе возможностью формирования вихревых пучков.
Для реализации указанной цели были решены следующие задачи:
— разработка способа оперативного управления начальными характеристиками синтезированного лазерного пучка;
— моделирование формирования и распространения в турбулентной атмосфере синтезированных и вихревых пучков, несущих в себе информацию, кодированную величиной орбитального углового момента;
— разработка технических требований для создания устойчивых к атмосферным искажениям оптических пучков с управляемыми энергетическими, фазовыми и когерентными характеристиками;
— создание эскизно конструкторской документации макета системы формирования лазерных пучков с управляемыми пространственными характеристиками, в том числе возможностью формирования вихревых пучков;
— экспериментальная апробация макета системы формирования лазерных пучков с управляемыми пространственными характеристиками, в том числе возможностью формирования вихревых пучков.
Актуальность и новизна исследования
Эффективность работы современных оптических систем, работающих на атмосферных трассах, существенным образом зависит от условий распространения оптического излучения. Для лазерного пучка, распространяющегося в атмосфере, основным препятствием являются регулярные и случайные неоднородности показателя преломления воздуха (атмосферная турбулентность). В задачах обеспечения беспроводной оптической связи с труднодоступными объектами (как, например, спутники Земли и изолированные наземные объекты) вносимые турбулентной атмосферой искажения могут существенно ухудшить качество лазерного пучка и привести к значительным энергетическим и информационным потерям. В настоящее время ведутся работы по разработке высокопроизводительных сетей беспроводной оптической связи, а также комплексов лазерного энергообеспечения удаленных объектов, созданных на базе дирижабельных платформ либо беспилотных летательных аппаратов.
Применение классических подходов использования адаптивной оптики для компенсации турбулентных искажений лазерного излучения, распространяющегося на большие расстояния, является малоэффективным. В связи с этим необходимо разрабатывать новые технологии, обеспечивающие повышение эффективности работы оптических систем, как например, формирование лазерных пучков, устойчивых к атмосферным искажениям.
Новизна исследований определяется разработкой новых способов формирования лазерных пучков с управляемыми энергетическими, фазовыми и когерентными характеристиками, а также исследованием трансформации оптических пучков с заданной пространственной структурой в неоднородных средах (в том числе турбулентной атмосфере).
Описание исследования

Проект направлен на разработку новых способов формирования лазерных пучков с управляемыми энергетическими, фазовыми и когерентными характеристиками, а также исследование трансформации оптических пучков с заданной пространственной структурой в неоднородных средах (в том числе турбулентной атмосфере). Это потребовало тщательного теоретического анализа на основе аналитических исследований и численного моделирования. Основное внимание при разработке способа формирования устойчивых к искажениям лазерных пучков было уделено подходу на основе управления характеристиками излучения матрицы волоконных лазеров.
Применительно к задачам беспроводной оптической связи в последнее десятилетие бурно развивается направление сингулярной оптики, связанное с исследованием особенностей распространения в атмосфере вихревых пучков, а также способов их формирования. Было установлено, что наличие оптических вихрей в структуре лазерного пучка может снизить влияние атмосферы на распространение лазерного излучения по сравнению с распространением обычных (безвихревых) лазерных пучков. Топологический заряд (орбитальный угловой момент) вихревого пучка является достаточно устойчивой величиной, что позволяет использовать его для кодирования информации в атмосферных оптических системах передачи информации. Поэтому актуальной является задача генерации лазерных пучков с управляемым орбитальным угловым моментом. Однако стоит отметить, что до сих пор не были созданы достаточно быстродействующие способы перестройки орбитального углового момента лазерного пучка, соответствующие современным требованиям высокопроизводительных систем передачи информации. Поэтому важным направлением данного проекта являлась разработка технологии формирования вихревых лазерных пучков, а также исследование их основных свойств, особенностей их распространения в турбулентной атмосфере и регистрации их параметров.
Основной задачей проекта, которую необходимо было решить для разработки технологии создания устойчивых к атмосферным искажениям оптических пучков, являлась разработка нового способа формирования лазерных пучков с управляемыми энергетическими, фазовыми и когерентными характеристиками. Формирование таких пучков было реализовано на основе сложения излучения матрицы волоконных лазеров, подходе, который успешно используется при разработке систем фокусировки излучения на заданную цель. В настоящее время мировым научным сообществом разрабатываются методы сложения излучения матрицы волоконных лазеров на основе когерентного и некогерентного сложения. Поставленная в проекте задача потребовала тщательного теоретического анализа на основе аналитических исследований и численного моделирования, а также экспериментальной апробации предложенных подходов. Разработка способа формирования лазерных пучков с управляемыми пространственными характеристиками позволила перейти к решению ряда прикладных задач.
Применительно к задачам беспроводной оптической связи выполнена разработка способа формирования вихревых пучков, несущих в себе информацию, кодированную величиной орбитального углового момента. При этом при построении данного способа вначале было выполнено построение математической модели системы формирования вихревых пучков, и далее произведена ее экспериментальная апробация. Также важной задачей являлось определения конфигурации вихревого пучка, минимизирующей атмосферные искажения сигнала. Для решения этой задачи выполнены расчёты статистических моментов волнового поля вихревых пучков в целом, так и статистических характеристик орбитального углового момента пучка в зависимости от типа пучка и состояния атмосферы. Кроме этого, определены способы уменьшения частоты появления ошибочных битов в турбулентной атмосфере за счет управления степенью когерентности передающего синтезированного пучка. Кроме этого с целью уменьшения искажающего действия атмосферы разработаны способы адаптивного управления начальными параметрами синтезированного передающего пучка, что также потребовало построения математической модели адаптивной системы синтезированного пучка и ее экспериментальной апробации.

Результаты исследования

Кратко можно выделить два основных результата исследований. Во-первых, разработана технология формирования лазерных пучков с управляемыми энергетическими, фазовыми и когерентными характеристиками. Во-вторых, определены особенности распространения таких пучков в неоднородных средах (в том числе турбулентной атмосфере) и пути достижения требуемых энергетических и пространственных характеристик лазерного излучения в заданной точке пространства, а также выявлены способы снижения искажающего влияния атмосферной турбулентности на передачу информации по атмосферно-оптическим каналам связи.
В частности совместно с иностранным партнером получены следующие научно-технические результаты:
1.Результаты анализа перспективных практических приложений системы формирования лазерных пучков с управляемой пространственной структурой.
2. Результаты патентных исследований в области формирования лазерных пучков, устойчивых к атмосферным искажениям, а также в области когерентного и некогерентного сложения излучения матрицы волоконных лазеров в задачах беспроводной оптической связи.
3. Результаты анализа эффективности управления вихревыми характеристиками передающего пучка в системах беспроводной оптической связи.
4.Асимптотическая теория распространения вихревых лазерных пучков в случайно-неоднородных средах.
5. Методы математического и численного моделирования формирования излучения матрицы волоконных лазеров с управляемыми амплитудными, фазовыми и когерентными
характеристиками синтезированного пучка.
6. Методы математического и численного моделирования распространения синтезированных частично когерентных пучков в турбулентной атмосфере.
7. Методы математического и численного моделирования синтезированных вихревых пучков с управлением орбитального углового момента.
8. Модельные расчеты флуктуаций интенсивности оптического излучения при транспортировке синтезированного лазерного пучка через турбулентную атмосферу.
9. Расчеты статистических характеристик флуктуаций интенсивности, случайных блужданий и флуктуаций орбитального углового момента вихревых пучков в зависимости от топологического заряда вихря и дифракционных параметров пучка.
10.Характерные особенности дисперсии флуктуаций интенсивности вихревых пучков в сравнении с дисперсией флуктуаций интенсивности фундаментальных безвихревых пучка в турбулентной атмосфере.
11.Оптимальные характеристики системы формирования излучения матрицы волоконных лазеров с целью оперативного управления амплитудными, фазовыми и когерентными характеристиками синтезированного пучка.
12. Разработан и создан макет системы формирования лазерных пучков с управляемыми пространственными характеристиками, в том числе возможностью формирования вихревых пучков.
13. Результаты экспериментальной апробации системы формирования лазерных пучков с управляемыми пространственными характеристиками.
14. Результаты анализа эффективности управления фазовыми, амплитудными и когерентными характеристиками передающего синтезированного пучка в системах беспроводной оптической связи.
15. Рекомендации по снижения искажающего влияния атмосферной турбулентности на передачу информации по атмосферно-оптическим каналам связи.

Практическая значимость исследования
Разработка заявленной в проекте системы формирования лазерных пучков с управляемыми энергетическими, фазовыми и когерентными характеристиками позволит использовать ее в таких практически важных и бурно развивающихся в настоящее время высокотехнологичных областях, как создание систем оптической связи с высокой пропускной способностью, работающих по атмосферным каналам, систем направленного энергетического воздействия и энергообеспечения удаленных объектов, устройств наблюдения за удаленными объектами, используемых в системах безопасности и других.
В задачах беспроводной оптической связи (БОС) использование устойчивых к атмосферным искажениям оптических пучков позволит увеличить дальность действия современных систем БОС. Использование вихревых пучков с управляемым орбитальным угловым моментом для кодирования информации позволит повысить пропускную способность канала распространения и соответственно скорость передачи информации.
Основными потребителями системы формирования оптических пучков с управляемыми пространственными характеристиками являются разработчики систем беспроводной оптической связи, разработчики систем слежения за удаленными объектами через атмосферу, а также разработчики систем фокусировки лазерного излучения. Быстрая генерация лазерных пучков с различными значениями орбитального углового момента позволит улучшить секретность систем квантовой криптографии. Отдельные элементы такой системы могут быть применены для создания оптических ловушек, средств захвата и манипуляции микрочастицами в атмосфере.