Experimental verification of the turbulent effects on laser beam propagation in space

ResumenEn este trabajo se modificó un diseño experimental preexistente para clasificar íntegramente los efectos térmicos de un rayo láser que se propaga en el aire. Las mejoras incorporadas al diseño previo incluyeron un láser más potente, un sistema de formación de turbulencias de alta precisión, un sensor de presión integrado, y una plataforma para ajustar la altura entre el rayo láser y el modelo de turbulencia. Este diseño no sólo puede reproducir resultados previos con exactitud, sino que además permitió la medición exitosa de nuevos datos sobre la intensidad de la turbulencia Cn2, la varianza de Rytov (cintilación) y el diámetro de coherencia (parámetro de Fried). Los interferogramas resultantes se analizaron utilizando transformadas rápidas de Fourier. Los resultados confirman, dentro del régimen de Kolmogorov, que las fluctuaciones en fase e intensidad se incrementan en relación con la temperatura. La región turbulenta mostró perturbaciones muy intensas, en el rango de 1.1 × 10-12 m-2/3 a 2.7 × 10-12 m-2/3. A pesar de la intensidad de la turbulencia, con relación a la cintilación se demostró algo diferente, ya que la condición para un entorno de turbulencia débil se determinó en el laboratorio y se esperaba un bajo índice de cintilación. Esto es resultado de las distancias de propagación relativamente cortas obtenidas en el laboratorio. En la atmósfera abierta las trayectorias cubren grandes distancias y, para determinar los efectos de la turbulencia, el modelo debe generar turbulencias de mayor intensidad. De esta manera, el modelo demostró su capacidad para cuantificar y determinar plenamente los efectos térmicos de la turbulencia en un rayo láser en propagación.

In this work, we have modified an existing experimental setup to fully classify the thermal effects on a laser beam propagating in air. Improvements made to the setup include a new, more powerful laser, a precision designed turbulence delivery system, an imbedded pressure sensor, and a platform for height adjustability between the laser beam and the turbulence model. The setup was not only able to reproduce previous results exactly but also allowed new data for the turbulence strength Cn2, the Rytov variance (scintillation) and the coherence diameter (Fried’s parameter) to be successfully measured. Analysis of the produced interferograms has been discussed using fast Fourier transforms. The results confirm, within the Kolmogorov regime, that phase and intensity fluctuations increase relative to temperature. The turbulent region exhibited very strong disturbances, in the range of 1.1  ×  10-12 m-2/3 to 2.7 × 10-12 m-2/3. In spite of the strong turbulence strength, scintillation proved otherwise, since the condition for a weak turbulence environment was determined in the laboratory and a low scintillation index was to be expected. This is as a result of the relatively short propagation distances achieved in the laboratory. In the open atmosphere, path lengths extend over vast distances and in order for turbulent effects to be realized, the turbulence model must generate stronger turbulence. The model was, therefore, able to demonstrate its ability to fully quantify and determine the thermal turbulence effects on a propagating laser beam.