Абсорбционный спектрометр

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН,.SU„,, 1239558 А 1 (дц 4 G 01 N 21/39

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬС ТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

Il0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3798612/24-25 (22) 05.10.84 (46) 23.06.86. Бюл. Р 23 (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт физики АН БССР (72) Н.С. Казак, А.С. Лугина, Е.М. Миклавская, А.В. Надененко, В.К. Павленко и Ю.А. Санников (53) 543.42(088.8) (56) Беликова Т.П., Свириденков Э.А., Сучков А.Ф. Исследование слабых ли-. ний поглощения и усиления некоторых газов методом селективных потерь в резонаторе ОКГ. — Квантовая электроника, f974, т. $, Р. 4, с. 830-834.

Авторское свидетельство СССР

У 790969, кл. G 01 N 21/39, 1979. (54) (57) 1 . АБСОРБЦИОННЫЙ СПЕКТРО-.

МЕТР, содержащий источник зондирую, щего излучения, лазер-гетеродин, нелинейный преобразователь частоты излучения, рабочую кювету и средство регистрации спектрального состава излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности анализа, дополнительно введен лазер, резонатор которого имеет с резонатором лазера-гетеродина общий участок, на котором оптические оси резонаторов обоих лазеров совмещены, и по одну сторону общего участка размещены активные элементы этих лазеров, по другую его сторону на пути зондирующего излучения расположена рабочая кювета, за которой уст тановлен отражатель с максимальным коэффициентом отражения на частотах зондирующего излучения, причем общий участок резонаторов обоих лазеров ограничен двумя светоделителями, между которыми расположены последовательно по ходу излучения .со стороны активных элементов источник зондирующего излучения,-"выполненный в виде ,нелинейного преобразователя частоты излучения, и фазовая пластинка, а средство регистрации спектрального состава излучения размещено эа выходным зеркалом дополнительно введенного лазера.

2 ° Спектрометр по п.1, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности в ИК-об . ласти спектра, нелинейный преобразователь частоты выполнен с углом фазового синхронизма, соответствующим генерации зондирующего излучения с частотой, равной разности частот из-. лучений лазера-гетеродина и .дополни-. тельно введенного лазера.

3. Спектрометр по п.f, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью

:повышения чувствительности в УФ-области спектра, нелинейный преобразо- ,ватель частоты выполнен с углом фазового синхронизма, соответствупнцнм генерации .зондирующего излучения с частотой, равной сумме частот излучений лазера-гетеродина и дополнительно введенного лазера. где с помощью светоделителя 6 совмещается с отраженными от отражателя 9 излучениями обоих лазеров.

Фазовая пластинка 5, через которую в прямом и обратном направлении- про- . ходят все три излучения, обеспечивает изменение обобщенной фазы процесса нелинейного преобразования для обратного прохода через преобразователь 4 по сравнению с прямым проходом на н Г, где н — нечетное, так что при обратном проходе происходит преобразование зондирующего излучения в излучение на частотах дополнительно введенного лазера.

Таким образом, -зондирующее излучение генерируется за счет смещения излучений. дополнительно введен20 ного лазера и лазера-гетеродина в нелинейном преобразователе 4 частоты, а затем обратно преобразуется в излучение на частоте дополнитель25 но введенного лазера. Если при этом .в рабочей кювете 7 на какой-то иасто" . те зондирующего излучения имеет место поглощение, то интенсивность asлучения иа соответствующей частоте дополнительно введенного лазера, З0 возвращающегося в его активный элемент, будет уменьшена по,сравнению с интенсивностью излучения на час-. тотах, где зондирующее излучение проходит через кювету 7 без погло35 щения. Таким образом, излучение дополнительно введенного лазера имеет на частотах, соответствующих линиям поглощения, большие потери, что приводит к тому, что в спектре

40 генерации дополнительно введенного лазера, регистрируемом средством регистрации и анализа излучения по спектру, на частотах, соответствующих линиям поглощения, образуются

45 и -й(" ) провели глубиной л †вЂ, гле

3. й, — интенсивность в окрестности провала; Л(9 ) - интенсивность на

50 частоте 1 дополнительно введенного лазера, соответствующей. линии поглощения. Зависимость глубины провала от коэффициента поглощения определяется типом дополнительно введенного лазера (с неоднородно или однородно

5S уширенной полосой усиления, импульсный или непрерывного действия). Например, для лазера с однородно уши. ренным контуром усиления, работающеФ 1239558

Изобретение относится к абсорбционному атомному и молекулярному спектральному анализу и может быть использовано в различных отраслях науки, техники и. производства, где 5 требуется высокая чувствительность снектральных измерений.

Целью изобретения является повышение чувствительности анализа.

На чертеже приведена оптическая схема абсорбпионного спектрометра.

Абсорбционный спектрометр содержит. лазер-гетеродин с активнык элементом 1 и дополнительно введенный ла-! е зер с активным элементом 2 . На общем участке резонаторов обоих лазеров последовательно ho ходу .излучения со стороны активных элементов 1 и 2 размещены светоделитель 3, нелиней ный преобразователь 4 частоты, фазовая пластинка 5 и светоделитель 6.

За светоделителем 6 на пути зондирую-. щего излучения, сформированного нели-. .нейным преобразователем 4, расположена рабочая кювета 7 и отражатель 8 с максимальным коэффициентом отражения на частотах зондирующего излучения. Отражатель 9 установлен sa светоделителем 6 на пути излучения обоих лазеров. Отражатели f0 a ff ограничивают резонаторы лазера-гетеродина и дополнительно введеиного . лазера со стороны активных элементов

1 и 2. Средство регистрации и анализа излучения по спектру (не показано) расположено за выходным зеркалом дополнительно введенного лазера.

Устройство работает следующим образом.

Излучения на,частотах лазера-гетеродина 3, и дополнительно введенного лазера ) генерируются .в активных элементах 1 и 2 соответственно и затем совмещаются с помощью светодели- . теля 3 внутри нелинейного преобразователя 4 частоты. В нелинейном пре образователе 4 осуществляется преобразование,излучения дополнительно введенного лазера в зондирующее излучение с частотами, Пройдя, далее через фазовую пластинку 5, все три излучения попадают на светоделитель .6, который направляет зондирующее излучение в рабочую кювету 7.

Зондирующее,излучение проходит через рабочую кювету 7, отражается от отражателя 8 и возвращается в нели нейный преобразователь 4 частоты, з 1239558, . 4 го в стационарном режиме, глубина спектра усиления активной среды; провала х, — величина накачки, выраженная в числе порогов; Po — коэффициент неселективных потерь в резонаторе;

1+РАЙ ) / P, . 5 P (4 ) - коэффициент селективных, 8 й(з обусловленных поглощением потерь на где A=(3 6 L "/(1-1/х,)), h — показа- частоте дополнительно введенного тель преломления, усредненный по лазера; р (4 ) связан с коэффициентом

g длине r., где " — расстояние между поглощения,k„.(1 ) на соответствующей отражателем 11 и нелинейным преобра- 10 частоте 4 зондирующего излучения з зователем 4 частоты; à — полуширина следующим образом .Е l г е

Я s — „соз — - Я

Е Е Е -К„fJ)e ),()

RA @5 — соз + /

Р+ g- > / + p где „ — длина рабочей кюветы;

Г, — длина нелинейного преобразователя 4 частоты

7

5121 5,,а Р Ч, с * п.г 1,а, з ° где и - нелинейный коэффициент второго порядка; Р— внутрирезонаторная

Ф 25 мощность излучения на частоте лазера-гетеродина; à — скорость света; .р =М /4.;,, - коэффициенты отражения отражателя. 9 на частотах дополнительно введенного лазера и лазерагетеродина соответственно К - коэф- З0

3 фициент отражения отражателя 8 на частоте зондирующего излучения.

В наиболее простом варианте исполнення абсорбционного спектрометра лазер-гетеродин и дополнительно введенный лазер генерируют излуче,ние различных поляризаций и в качестве светоделителя 3 служит поляризационная призма. Для того, чтобы светоделитель 6 отражал зондирующее 40 излучение в направлении рабочей кю-.веты 7 и пропускал излучения обоих лазеров в направлении отражателя 9, он должен быть выполнен в виде зеркала со,специальным покрытием. Если вещества, содержащиеся в рабочей кювете 7, не поглощают ца частотах лазера-гетеродина и дополнительно введенного лазера, светоделитель 6 может быть выполнен в виде поляризационной призмы. В этом случае светоделитель 6 направляет излучение лазера-гетеродина на отражатель 8, а излучение дополнительно введенного лазера проходит .в HairpaBJIeHHH oTpa- 55 жателя 9.

Если зондирующее излучение имеет ту же поляризацию, что и излучение лазера-гетеродина, рабочая кювета 7, должна быть установлена между светоделителем 6 и отражателем 8, который имеет максимальный коэффици-. ент отражения на частотах зондирующего излучения. Если поляризация зондирующего излучения совпадает с поляризацией дополнительно введенного лазера, отражателем с максимальным коэффициентом отражения на .частотах зондирующего излучения должен быть отражатель 9 и рабочая кювета 7 должна быть установлена между светоделителем 6 и отражателем 9.

Спектральный состав зондирующего излучения определяется спектром генерации.обоих лазеров и видом нели- нейного преобразователя частоты, причем частота зондирующего излучения может перестраиваться, если ис- . пользовать в качестве дополнительно введенного лазера перестраиваемый лазер, например лазер на красителе, и осуществлять перестройку сннхронизма в нелинейном преобразователе

l частоты.

Пример . f. Рассмотрим абсорб- ционный сйектрометр, в котором в ка-, честве лазера-гетеродина служит рубиновый лазер (А, 0,694 мкм), работающий в режиме свободной генерации, и дополнительно введен лазер на красителе родамин 6Ж в этаноле с лам- .. повой накачкой (диапазон перестройки I> =0,57-0,62 мкм). Полоса усиления раствора органического красителя однородно уширена и для него справедливы формулы (1. и 2) . Для осуществления высокочувствительных спектральных измерений в ИК-области спектра нелинейный преобразователь 4 частоты выполнен из .кристалла LiZGъ с углом

1239558 атомарного С, — 357,87 и 359,35 нм.

Фазовую пластинку 5 изготавливают из плавленного кварца SiO . Изменение обобщенной фазы в пластинке на произ- вольную величину от 0 до 5 обеспечи-вается в этом случае при изменении угла наклона пластинки толщиной 5мм от О до 3,3

Основным достоинством предлагаемого абсорбционного спектрометра по. сравнению с известным является увели-, чение чувствительности к слабым погло-. щениям. В табл. 1 и 2 приведены значения относительной глубины провала в спектре дополнительно введенного лазера при оптической толщине рабочей кюветы на частоте линии.поглощения К„ (4 )(„ =10 .для примеров

1 и 2 соответственно при длине. нелинейного кристалла (=4 см и различных значениях мощности излучения лазера- . гетеродинаР„ в резонаторе при следующих параметрах лазера на красителе:

i =50 см, w =2000 см, х.»1,.F =1, Г. =О 1 Пример 2. Для осуществле- ния высокочувствительных спектраиь45 ных измерений в УФ-области спектра в дополнительно введенном лазере ис пользуется краситель — оксаэин 1 s дихлорметане (k> =0,74 мкм); а не-. линейный преобразователь. 4,частоты выполнен из кристалла Igg с углом фазового синхронизма 9 .,», 87,3

При использовании в качестве лазерагетеродина рубинового лазера длина нол зо,диру щего иэлу ен в этом,55

car ac h 3 =0,358 мкм.

В окрестности этой длины волны расположены, в частности, ливии е фазового синхроннзма8 21 . Изме-

> няя путем поворота кристалла угол

8, в пределах 22,б-20,15, имеем зондирующее излучение, перестраиваемое в диапазоне 1 =3,2-5,8 мкм. В этот диапазон попадает, в частности, ряд линий газов, загрязняющих атмосферу: СО (4,7 мкм), 00 (5,3 мкм), Н СО (3,6 мкм), СН„ (3,4 мкм). Фазо-,10 вая пластинка 5 изготовлена из ВаР", прозрачного в области 0,15-15 мкм.

При использовании фазовой пластинки 5 толщиной 5 мм изменение угла наклона пластинки от 0 до 8,7 обес- 15 о печивает изменение обобщенной фазы в пластинке на произвольную величину в пределах от 0 до% . Положение пластинки 5, при котором глубина провала в спектре максимальна, соответст- 20 вует изменению обобщенной фазы перед обратным проходом по сравнению с прямым. проходом на 1Г, где - нечетное. В качестве светоделителя 3 служит поляриэационная призма Глана, изготовленная из СаСО (прозрачен в области 0,2-2 мкм), в качестве светоделителя 6 - зеркало из германия с интерференцнонным покрытием, пропускающее излучение лазера на ЗО красителе и рубинового лазера и отражающее в направлении рабочей кюветы зондирующее излучение. Отража..тель 9 имеет максимальный коэффициент отражения на частотах лазера на 35 кристалле и рубинового лазера, отражатель 8 — максимальный коэффициент отражения на частотах зондирующего излучения ® "г з 0 997) Отрца тель 10 отражает 99,7Х излучения ру- 4О бинового лазера., отражатель. 1f. служит выходнымзеркалом лазераиа краси-. теле иимеет коэффициентотражаиия 45Х, С другой стороны, в известном устройстве согласно формуле {1) при оптической толщине рабочей кюветы

К„(1)(„ = 10 з относительная глубина

3 -Л(4) провала — — — - =10 . Таким обра 0 зом, as табл. 1 и 2 видно, что ис-пользование предлагаемого изобретения позволяет повысить чувствительность. на 1-3 порядка. Иеньшнй выигрыш в чувствительности в примере 2 обусловлен тем, что нелинейный коэффициент

4 в кристалле КДР на порядок ниже,. чем в ЬхЛО,,и, следовательно, в КДР ниже КПД нелинейного преобразования.

Наряду с повышением .чувствительности в предлагаемом абсорбционном спектрометре нелинейный преобразователь частоты оказывается размещенным и резонаторе лазера-гетеродина и эа счет этого увеличивается КПД преобразования зондирующего излуче- ния в .излучение дополнительно вве денного лазера, непосредственно анализируемое с помощью средств регистрации и анализа по спектру. В результате в предлагаемом спектрометре плотность мощности излучения, попадающего на средство регистрации и анализа излучения по спектру, в

10-100 раз выше, чем в известном спектрометре, если в качестве источ1239558

Таблица 1

1,5 1

МВт см>

0,5

0,76 0,79

0,31 0,53 0,68

Таблица 2

Сэставитель О. Матвеев

Техред И.Попович Корректор Г. Решетник

Редактор В. Иванова

Тираж. 778 - Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений.и открытий

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

Заказ 3387/41

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ника зондируннцего излучения в известном устройстве испольэовать источник типа лазерного, например генератор разностной частоты. Если в известном устройстве в качестве источника зондирующего излучения используется тепловой источник, то предлагаемое изоб.ретение дает выиграш по мощности еще в 100 раз. Повышение мощности анализируемого излучения позволяет получать спектр с более высоким разрешением и лучшим отношением сигнала к шуму, чем у известного уст- ройства.