Устройство для измерения концентрации атомов и молекул в плазме

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ В ПЛАЗ МЕ, содержащее лазер .с двуплечим резонатором Майкельсона с оптическими длинами плеч L, и L и установленную в одном из плеч ячейку с исследуемой плазмой, отличающееся тем , что, с целью повышения чувствительности измерений, в другое плечо резонатора введен оптический элемент с селективными потерями. 2.Устройство по п.1, отличающееся тем, что, .элемент с селективными потерями выполнен в виде установленных последовательно поляризатора и двулучепреломляющей пластинки, оптические оси которых ориентированы под углом друг к другу, при этом оптические длины плеч резонатора Майкельсона L, L связаны соотношением L, - L « und, где &п - разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, ad- толщина пластины. 3.Устройство по п. 1, о т л я ч аю щ е е с я тем, что элемент с селектнвными потерями выполнен в вцде ни- : терферометра Фабри-Перо, при этом оптические дпшш плеч резонатора Майкельсона L и L связаны соотношением L, - L nt, где п - коэффициент преломления среды в интерферометре Фабри-Перо, at- его толвоша.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ . СОЦИАЛИСТИ ЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„SU„„1132668

4 с 01 ы 21/21

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3600787/24-25

-(22) 06.06.83, (46) 30.07.87. Бюл. 11 28 (71) Институт прикладной физики

АН СССР (72) P.À.Àõìåäæàíîâ, М.С.Гитлин, М.А.Новиков, И.Н.Полушкин и А.И.П1ербаков (53) 535.411(088.8) (56) Дрейден Г.В. и др. Применение методов резонансной интерферометрии и голографии для диагностики плазмы.

Физика плазмы, 1975, т.1, Кукушкин В.Г., Пулькин С.А.Затягивание квазимод и захват частоты в лазере на красителе с резонатором

Майкельсона. "Лазеры на основе слож" .ных органических соединений и их применение", Минск, 1980, с. 131-132. (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

КОНЦЕНТРАЦИИ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ В ПЛАЗМЕ, содержащее лазер с двуплечим резонатором Майкельсона с оптическими длинами плеч L u L и установленную. в одном из плеч ячейку с исследуемой плазмой, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности измерений, в другое плечо резонатора введен оптический элемент с селективными потерями.

2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, элемент с селективными потерями выполнен в виде установленных последовательно поляризатора и двулучепреломляющей пластинки, оптические оси которых ориентированы под углом друг к.другу, при этом оптические длины плеч резонатора Майкельсона Ь,, L связаны соотношением

1., - Lz апай где дп — разность показателей пре- Я ломления обыкновенного и необыкновенного лучей, а d — толщина пластины.

3. Устройство по.п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что элемент с селективными потерями выполнен в виде ин-, р терферометра Фабри-Перо, при этом оптические длины плеч резонатора Май-кельсона L u L .связаны соотношением L, — Ь = пЕ, где n — коэффициент преломления среды в интерферометре

Фабри-Перо, а t — его толщина.

1 11326

Изобретение относится к оптико-интерференционным средствам измерения ,и диагностики плазмы и может быть использовано при исследовании импульс5 ной плазмы низкой концентрации в установках УТС, МГД-преобразователях энергии, плазмотронах и т.п.

Известны устройства для измерения концентрации атомов в плазме, содер- 10 жащие перестраиваемый квазимонохро- матический лазер и двухплечевой интерферометр Маха-Цандера, состоящий из двух глухих и двух полупрозрачных зеркал. В одном из плеч интерферометра 15 помещена ячейка с исследуемой плазмой.

На выходе интерферометра установлен фотоаппарат для регистрации интерференционной картины. Концентрация атомов определяется из соотношения: 20

N = 6 25 IO 1Г ) (1) где К вЂ” сдвиг интерференционных полос в присутствии плазмы в интерферометре относительно положения интерференцион-25 ных полос в отсутствие плазмы;

 — ширина исследуемой спектральной линии;

1 — расстояние, проходимое лазерным излучением в плазме; 30

f — сила осциллятора.

Недостатком известных устройств является их низкая чувствительность, обусловленная минимально регистрируемой величиной сдвига интерференционных полос К, а также сложностью и йнзкой точностью необходимых измере0 ний ширины исследуемой спектральной линии Sy

Наиболее близким по технической 40 сущности и достигаемому результату является устройство для измерения концентрации атомов и молекул в плазме, содержащее лазер с двуплечим резонатором Майкельсона с оптическими дли- 45 нами плеч L<.и L< и установленную в одном из плеч ячейку с исследуемой плазмой;

В известном устройстве резонатор

Майкельсона состоит иэ четырех зер- 50 кал, три из которых выполнены оптически глухими, а четвертое — полупрозрачным с коэффициентом отражения

50 . На выходе резонатора установлен анализатор спектра — спектрограф,. осу-55 ществляющий регистрацию на фотоматериале спектре излучения лазера. Регистрируемый спектр представляет собой эквидистантно расположенные, груп68 2 пы спектральных составляющих, так называемые квазимоды, расстояние между которыми определяется разностью оптических путей в двух плечах резонатора Майкельсона. Помещение исследуемого вещества в резонатор приводит к спектральному сдвигу (сближению) квазимод в силу того, что вблизи линии поглощения исследуемого вещества вследствие аномальной дисперсии оптическая разность хода сильно зависит от длины волны излучения. По регистрируемым сдвигам К определяется концентрация N атомов и молекул плазмы из соотношения:

6 25 10 (A - h < ) К

1f где h „ — длина волны, соответствующая центру линии поглощения; — длина волны просвечивающего плазму излучения (9 600 нм).

Недостатком устройства является его малая чувствительность, поскольку с его помощью могут быть измерены лишь сдвиги, сравниваемые с расстоя- . ниями между квазимодами. Это не обе- спечивает возможности измерения малых концентраций плазмы. Кроме того, в устройстве необходимо использовать анализаторы спектра с большим разрешением. (Аппаратная ширина должна быть много меньше ширины квазимоды).

Наконец, определение концентрации атомов и молекул в плазме с помощью этого устройства требует значительных затрат времени из-за необходимости обработки фотоматериалов.

Целью изобретения является повьппение чувствительности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения кон-. центрации атомов и молекул в плазме, 1 содержащем лазер с двуплечим резонатором Майкельсона с оптическими длинами плеч L и Lä и установленную в одном из плеч ячейку с исследуемой плазмой, в другое плечо резонатора введен оптический элемент с селективными потерями, и тем, что элемент с селективнымн потерями выполнен в виде установленных последовательно поляризатора и двулучепреломляющей пластинки, оптические оси которых ориентированы под углом друг к другу, при этом оптические длины плеч резонатора Майкельсона L u L связаны соотношением L<,— L = йпй, где ап—

1132668 разность показателя преломления обык. новенного и необыкновенного лучей, а

d - -толщина пластины, а также тем, что элемент с селективными потерями выполнен в виде интерферометра Фабри-.

Перо, при этом оптические длины плеч резонатора Иайкельсона L< и L связаны соотношением L< — Lz = п, где

n — - коэффициент преломления среды в интерферометре Фабри-Перо, а t — его толщина.

В вариантах выполнения устройства повышение его чувствительности достигается введением в резонатор Майкель- 1Б сона селективных потерь, величина которых связана с длиной волны излучения лазера..Выбор оптических длин

L и Ь плеч резонатора обеспечивает совпадение спектрального расположения 2g минимумов потерь, обусловленных интерференцией в обоих плечах резонатора в отсутствие плазмы со спектральным расположением минимумов селективных потерь. Это позволяет соз- 25 дать условия, при которых малые спектральные сдвиги квазимод, обусловленные.внесением плазмы, можно регистрировать в виде измеримого изменения интенсивности этих квазимод по срав- 30 нению с их интенсивностью в отсутствие плазмы или с интенсивностью квазимод вдали от линии поглощения плазмы. .В первом варианте устройства, основанном на использовании эффекта дву-З .лучепреломления, поляризатор и двулучепреломляющая пластина в совокупности образуют элемент с селективными потерями V<, зависящими.от длины волны излучения лазера — 40

Ч =sin 28sin г 4 йand

I я (3) где & — угол между оптическими осями поляризатора и пластины. Величина потеРь V, пеРиодически зависит от длины 4б волны % с периодом A2 а= — —

2дпй

Во втором варианте устройства, основанном на явлении многолучевой интерференции, элемент с селективными потерями представляет собой интерферометр Фабри-Перо. Величина потерь

Ч в нем определяется соотношением

Ч =<1+ . 2 1, (4)

4Rs in (2

Величина потерь V периодически зависит от длины волны с периодом

Ъ = Ъ /2tn

Подбор величины коэффициента отражения R позволяет добиться более сильной (нежели V, (Ъ)) зависимости величины V от вблизи минимумов

2 потерь. Это обеспечивает уменьшение по сравнению с первым вариантом спектральной ширины квазимод, что расширяет диапазон экспериментальных условий в области низких концентраций.

На фиг.1 и 2 представлены различные варианты выполнения устройства.

На фиг.1 — вариант с использованием поляризатора и двулучепреломляющей пластины; на фиг.2 — вариант с ис- пользованием интерферометра Фабри-Перо. На фиг.3,4 представлен спектр регистрируемого лазерного излучения: на фиг.З вЂ” спектр в отсутствие плазмы, на фиг.4 — спектр при внесенной плазме.

Устройство (см.фиг.1,2) содержит широкополосньй лазер с резонатором

Иайкельсона,образованным глухими зеркаламй 1, 2, 3 (коэффициенты отражения 983) и полупрозрачным зеркалом

4. Внутри резонатора расположены ячейка 5 с активным веществом, ячейка 6 с исследуемой плазмой и элемент, 7 с селективнымн потерями. За зеркалом 2 расположена поворотная призма

8, оптически связывающая его с анализатором спектра — спектрометром 9.

На фиг.1 элемент 7 выполнен в виде оптически связанных поляризатора 10 и двулучепреломляющей пластины 11, оптические оси которой ориентированы под углом 0 друг к другу. Поляризатор

10 установлен в оправе 12, обеспечивающей возможность поворота вокруг оси резонатора для плавного и контролируемого изменения угла О . Оптическая длина L< плеча, в котором установлены .поляризатор 10 и пластина

11, связана с оптической длиной Lz плеча, в котором установлена ячейка

6, соотношением: 1 < — Ь =арпб, где

hn — двулучепреломление материала пластины 11, d — ее толщина.

На фиг.2 элемент 7 выполнен в виде интерферометра Фабри-Перо с коэффициентом R отражения,,величина которого определяется условием эксперимента. Оптическая длина плеча L<, в котором установлен интерферометр .

Фабри-Перо, связана с оптической дли1132668 ной плеча Ь, в котором установлена ячейка 6, соотношением L„ — 1. =nt, где n — - показатель преломления интерферометра Фабри-Перо, t — его толщина. 5

Поскольку работа указанных вариантов основана на одном принципе — введение во второе плечо резонатора Майкельсона элемента с селективными потерями приводит к изменению интенсив- 10 ности квазимод вблизи линии поглощения в плазме вследствие их спектральных сдвигов, обусловленных аномальной дисперсией в плазме. Работа устройства пояснена на примере первого вариан 15 та (см.фиг.l).

Устройство работает следующим образом.

В резонаторе, образованном зеркалами 1-4, генерируется широкополосное 20 лазерное излучение, Спектр этого излучения в отсутствие плазмы обусловлен суммой потерь, определяемой с одной стороны потерями из-за интерференции в резонаторе Майкельсона, эависящими от оптических длин L< Lz плеч резонатора, с другой стороны, селективными потерями V . Эффективные потери Ч системы зеркал 1-4 с элементом Эф

7.определяются соотношением: 30

2 «(L -L g 2 2« h d

V =sin 29sin э (5) где член sin 2 (L,-Lz)/g опРеделЯется потерями, обусловленными интерференцией волн в резонаторе Майкельсона, а остальные сомножители — поте-. рями, обусловленными элементом. 7 (см.. соотношение (3)1 .

Поскольку размеры плеч резонатора выбраны так, что выполняется условие

Ь, — L = Ьпй, то спектральное расположение минимумов потерь, обусловлен- 45 . ных интерференцией в обоих плечах

L, L резонатора в отсутствие плазмы, совпадает с положением минимумов селективных потерь, .вводимых элемента ми 1О, 11. Поэтому спектр лазерного излучения в отсутствие плазмы представляет собой набор эквидистантных .квазимод одинаковой интенсивности Т (фиг ° 3). Спектральное расстояние 9

=4, между этими квазимодами определя- 55 ется геометрическими размерами плеч резонатора и параметрами двулучепреломляющей пластины 11. Центры этих областей генерации - квазимод — содМ,cc, /(, I 1-3 г.

? дЧ с /? (6) где с — скорость света, — длительность импульса генерации;

L — длина резонатора лазера.

Из равенства (3) видно, что г . 4«Ы, 249, аЧ = «sin 29sin — — ——

1 Л Л. (7) где ЬЪ вЂ” спектральный сдвиг квазимоды. При малых сдвигах

41ьа, ьа

sin --=- = 4i — — = 4«K где К вЂ” относительный сдвиг квазимоды„ аналогичный сдвигу интерференционной полосы в уравнении (1).

Величина потерь определяется соотношением ьЧ, =8«san 28 К (8)

По скольку сдвиг К к в аз имоды опр еделяет концентрацию атомов (см. (2)), то измерение К, и К;„ двух квазимод, лежащих по обе стороны от центра линии поглощения, позволяет определить значение N из соотношения

2! к, . к

N = 6,25 10 — - — г-" — — Л (9)

1t (к;+к;„)

Аналогичным образом работает второй вариант устройства, использующий в качестве селективного поглотителя

7 интерферометр Фабри-Перо. ответствуют селективным потерям, равным нулю, согласно уравнению (5).

Внесение плазмы приводит к возникновению аномальной дисперсии лазерного излучения вблизи линий поглощения.

Это обуславливает изменение оптической длины L плеча, содержащего ячейку 6. В этих условиях минимальные потери, определяемые интерференций и селективным поглотителем 7, становятся не равными нулю. Интенсивность I генерации квазимод, возникающих в спектральных областях, соответствующих этим минимальным (но отличным от нуля) потерям, меньше интенсивности

Х квазимод, отстоящих далеко от линии поглощения (см.фиг.4, где % „— центр к-ой линии поглощения). Таким образом, спектрометр 9 регистрирует распределение интенсивности I(e) квазимод, показанное на фиг.4.

Измерение относительного уменьшения интенсивности Х /Io i-ой моды позволяет определить величину hV потерь, приводящих к этому уменьшению. по формуле:

1132668

В,конкретном варианте устройство содержит импульсный лазер на растворе родамина в этаноле с накачкой от двух импульсных газоразрядных ламп с широким, около 10 нм, спектром генерации вблизи % =600 нм. Длительность импульса генерации составляет 50 мкс, длина резонатора L равна 1 м.

Для исключения паразитной селекции диэлектрические зеркала 1-4 нанесены на клиновидные стеклянные. подложки с углом около 10 . В качестве поляризатора 10 используется призма из кальо цита с преломляющим углом 8, пластина 11 также выполнена из кальцита с двулучепреломлением оп=0,172,.толщиной Й= 10,5 см. Это соответствует периоду Л, =0,01 нм зависимости V, (%)

Достижение положительного эффекта поясняется на примере, когда в результате внесения плазмы интенсивности

i-ой и i+1-ой квазимод (ближайших кваэимод, лежащих по обе стороны центра линии поглощения A,„„) уменьшились до величины I;;„/Х 0,9. По формуле (6) определяют потери, вносимые селективным элементом 7 на фиг.1, на длинах волн h; h;+, bV = hV, = 1,2 10-4, . а затем из равенства (7) рассчитывают значение величины относительного сдвига. Для рассматриваемого случая при 9 =45 из (7) имеем

К; = K;„ = 1,23.10

;и по формуле (9) 8

3 75 ° 10

u-- — ——

lf

Эти оценки показывают, что при стандартной широко распространенной спектральной аппаратуре и длительности импульса лазера 50 мкс (эта величина определяет временную разрешающую способность устройства) чувстви10 тельность предлагаемого устройства

2 более, чем в, 10 pas превышает чувствительность аналога и прототипа.

Повышение разрешающей способности анализатора спектра и уменьшение тре15 бований к временной разрешающей ciioсобности устройства приводит к пропорциональному увеличению чувствитель. ности.

Достоинством устройства является

20 простота его реализации: в отличие от известного устройства изобретение позволяет использовать стандартную, серийно выпускаемую спектральную аппаратуру.

Другим важным достоинством устройства по сравнению с известным является оперативность получения результатов, возможность автоматизации процесса измерений и непосредственного соеЗ0 динения системы регистрации с ЭВМ для обработки экспериментальных результатов.

Работоспособность предлагаемого устройства подтверждена эксперимен Зб тально при использовании лазера с длительностью импульса 2 мкс.! 132668

Мп фиаФ

Корректор В,Гирняк

Редактор П.Горькова Техред А.Кравчук

Заказ 3608/1 Тираж 776 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие,г.ужгород,ул.Проектная,4