Способ определения относительного спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса

 

Сущность: осуществляют возбуждение среды в многопроходной кювете, содержащей нелинейный преобразователь частоты лазерного излучения. Роль возбуждающего излучения играет преобразованный на частоте лазерный импульс. Регистрируют отношение амплитуд вторичного пэоцесса (оптоакустического, люминесцентного и т.д.) и возбуждающего излучения, выходящего через один из отражателей кюветы. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

tsIis G 01 И 21/63

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4

C)

I00

)(Л (Jl (21) 4822743/25. (22) 14.05.90 (46) 23.10.92. Бюл. М 39 (71) Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем им. А.Н.

Севченко и Институт физики им. В.И. Степанова (72) Е.С. Воропай, Н.С. Казак, А.С. Лугина, А.В. Надененко, Ю.А, Санников и П.А. Торпачев (56) Santavlcca А. — А high energy, long pulse

Nd:YAG laser muitlpass cell for Raman

scattering diagnostics. — Opt. Communs, l979, ч.30, N 30, р. 423-425.

Авторское свидетельство СССР

1Ф 1679305, кл. 6 01 N 21/63, 1989.

Изобретение относится к лазерной спектроскопии и может быть использовано для измерений эффективности слабых взаимодействий излучения с веществом, в частности интенсивности вторичных процессов распада поглощенной обьектом энергии излучения (например, излучения люминесценции или комбинационного рассеяния и др.), возникающих после первичного процесса светопоглощения.

Известен способ определения сигнала, генерируемого средой после взаимодействия с лазерным излучением, основанный на зондировании среды, помещенной в осевую многоходовую кювету (МК), Зондирующим излучением является преобразованное во вторую гармонику излучение лазера. Датчиком регистрируется сигнал вторичного процесса (1).. Ы2 1770855 Al (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ

ВТОРИЧНОГО ПРОЦЕССА (57) Сущность: осуществляют возбуждение среды в многопроходной кювете, содержащей нелинейный преобразователь частоты лазерного излучения. Роль возбуждающего излучения играет преобразованный на частоте лазерный импульс. Регистрир ют отношение амплитуд вторичного п эоцесса (оптоакустического, люминесцентного и т.д.) и возбуждающего излучения. выходящего через один из отражателей кюветы. 1 ил.

В известном способе отсутствует нормировка сигнала вторичного процесса. Традиционно используемая нормирсвка на энергию импульса лазера устраняе1 только влияние флуктуаций энергии импульса лазера, не снижая флуктуаций и дрейфов иэ-за флуктуаций и дрейфов длины оптического пути в MK (изменения температуры. влажности, вибрации и т.п.). коэффициентов отражения и пропускания входящих в нее элементов, расходимости и длительности излучения лазера от импульса к импульсу, и т.п. Это обусловлено тем, что в отличие от одноходового метода величина генерируемого в MK сигнала вторичного процесса определяется эффективной плотностью мощности излучения в MK за есе время взаимодействия с обьектом, которая зависит не только от интенсивности излучения лазера.

Ho u oT его длительности и расходимости, а

1770В55 также от добротности MK. Отсутствие нормировки, учитывающей изменение этих величин от импульса к импульсу, увеличивает погрешность.измерений, Известен способ определения относительного спектральног0 распределения интенсивности излучения вторичного процесса, в котором регистрируемый сиг1 нал вторичного процесса являющегося следствием возбуждению вбъекта зондирующим излучением, нормируют на энергию преобразованного по частоте излучения, вышедшего из многоходовой кюветы через один из ее отражателей за все время взаимодействия со средой:

Евп Ьц 1-Тх 1 Р1R2ТЭТ|Тх

Еобщ К 4 Т2 Тх где E« — отклик детектора вторичного процесса на общую энергию вторичного процесса, возникающего после взаимодействия зондирующего излучения с объектом за все время нахождения зондирующего излучения e MK;

Е,бщ — общая энергия зондирующего излучения, выходящая из MK через один из ее отражателей за все время взаимодействия зондирующего излучения с объектом в

МК;

Ь вЂ” коэффициент чувствительности измерителя Е ьщ, k — коэффициент чувствительности измерителя Е8п, g — квантовый выход вторичного процесса;

Тх — пропускание исследуемой среды;

R > — коэффициент отражения первого зеркала, через которое излучение входит в

МК;

Rz и Т2 — соответственно коэффициент отражения и пропускания второго зеркала, за которым расположен измеритель выходящего иэ МК зондирующего излучения;

Тз и Т4 — пропускание элементов МК, расположенных между первым зеркалом и исследуемой средой и вторым зеркалом и исследуемой средой соответственно (2).

Однако в известном способе не устраняется полностью влияние флуктуаций добротности МК, поскольку в выражение (1) входит общее пропускание МК Т =

R> Кг ТзТдТх. характеризующее собой все потери излучения на один проход МК (пропускание первого Т1 и второго Тр отражателей определяют собой часть энергии, покидающей MK при одном проходе). Эффективные значения R> и Rg определяются не только величиной отражаемой соответствующими зеркалами энергии излучения, но также и параметрами лазерного пучка, в частности его расходимостью в различных точках сечения пучка, Появление такого параметра осложняет количественные измерения в МК. В частности, при измерениях эффективности вторичного процесса (квантового выхода) сложно определить число фотонов, израсходованных на взаимодействие с обьектом. При измерениях же относительного спектрального распределения интенсивности вторичного процесса сложно учесть изменение числа фотонов зондирующего излучения от импульса к импульсу для различных длин волн вторичного про15 цесса. Такой проблемы не возникает в обычных одноходовых измерениях, когда оптической системой легко охватить и измерить приемником энергию всех фотонов до и после взаимодействия с объектом, что при

20 известной длине волны лазерного излучения позволяет найти число фотонов, израсходованных на взаимодействие с объектом, Если процесс взаимодействия с обьектом линеен, в одноходовых измерениях учиты25 вать пространственное распределение излучения лазера и его расходимость нет необходимости.

Кроме того, в известном cnocohe измеряется энергия вторичного процесса и

30 энергия выходящих из MK фотонов зондирующего излучения, т;е. в обоих случаях измеряется заряд импульсов тока. Между тем, интеграторы редкоповтаряющихся импульсов наносекундной длительности отличают35 ся высокой стоимостью и труднодоступны, поскол ьку отечественной п ромы шлен ностью не выпускаются.

Устройства измерений мгновенного значения импульса напряжения (устройства

40 выборки и хранения) типа стробвольтметров (например, 89 — 5) имеют меньшую случайную и систематическую погрешность, более дешевы и доступны по сравнению со стробинтеграторами с временем интегриро45 вания в наносекундном диапазоне, Целью настоящего изобретения является повышение точности измерении при одновременном сокращении времени измерений, 50 Поставленная цель достигается тем, что в способе определения относительного спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса, включающем ввод лазерного излучения в многоходовую кювету вдоль ее оптической оси, преобразование лазерного излучения по частоте в помещенном между отражателями кюветы нелинейном кристалле, регистрацию сигнала вторичного процесса, возникающего в обьекте, помещенном так1770855 же внутрь многоходовой кюветы, поддействием преобразованного по частоте излучения, при этом многоходовая кювета имеет низкую добротность на длине волны преобразованного по частоте излучения, являющегося зондирующим, а сигнал вторичного процесса нормируют на параметр преобразованного по частоте излучения, вышедшего из многоходовой кюветы через один из ее отражателей за все время взаимодействия со средой, — в качестве сигнала вторичного процесса используют его амплитуду. в качестве нормировочного параметра используют амплитуду преобразованного по частоте излучения, вышедшего иэ многоходовой кюветы через один из ее отражателей, причем длину многоходовой кюветы выбирают не более С Л t А/2,3, где С вЂ” скорость света в многоходовой кювете; А — относительная величина потерь света на один проход многоходовой кюветы, не содержащей исследуемой среды, Л t — длительность импульса лазера.

Авторам не известна операция выбора такой длины МК, при которой обеспечивается воэможность амплитудного детектирования вторичного процесса и нормировочного сигнала, а также посредством нормировки обеспечивается полное устранение влияния флуктуаций параметров лазера и MK на погрешность измерений относительного спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критериям "новизна" и

"существенные отличия".

Способ осуществляется следующим образом.

С помощью двух зеркал формируют осевую многоходовую кювету, причем расстояние между зеркалами выбирают не более

С A t А/2,3, где С вЂ” скорость света в МК, А — относительная величина потерь света на один проход МК, не содержащей исследуемой среды, At — длительность импульса лазера. B MK вдоль оптической оси вводят лазерное излучение, которое преобразует. ся по частоте в нелинейном кристалле, помещенном внутрь MK. Преобразованное по частоте излучение служит зондирующим для находящегося внутри ЫК исследуемого объекта, Отражатели МК образуют оптический резонатор, высокодобротный на частоте зондирующего излучения и низкодобротный на частоте излучения лазера.

При этом регистрируемая амплитуда сигнала вторичного процесса, являющегося следствием возбуждения объекта зондирующим излучением, нормируют на амплитуду преобразованного по частоте излучения, вышедшего иэ MK через один иэ ее отражателей эа все время взаимодействия со средой.

Сущность изобретения можно проил5 люстрировать следующими расчетными соотношениями.

Считаем, что длительность импульса лазера At значительно больше времени е, прохода излучением МК, равного to - L/Ñ, 10 где L — длина MK С вЂ” скорость излучения в ней. Считаем также, что импульс лазера прямоугольный и разбит íà пчастей,,протяженность каждой иэ которых t>, а вошедшая в

MK интенсивность каждой иэ и частей равна

15 I>. Тогда после входа в МК первой из и частей интенсивность излучения в МК составит

l = In. К моменту входа второй части интенсивность находящейся в МК первой части уменьшится вследствие потерь величиной А

20 на один проход МК до величины I

-А части находящаяся в МК первая часть уменьшится уже до значения Ine2А, т.к, к

25 этому времени она совершила два прохода

МК, а интенсивность находящейся в MK второй части уменьшится до величины Ine, и

-А общая интенсивность в MK составит Iç = I>

+ 4е "++ 4е ". Следовательно. после входа

ЗО в MK последней и-ной части лазерного импульса интенсивность излучения в ней достигнет величины

1., = 4Р+ е " + е " "+ " " +

35 + ".е }=1л А

-А 1 — е "" (2)

1 — е

Тогда датчик вторичного процесса выдаст сигнал с амплитудой

Van = ЬА Imax g Ax, (3)

4О где ЬА — коэффициент чувствительности измерителя амплитуды датчика вторичного процесса, а из МК через зеркало 2 выйдет часть зондирующего излучения, которое обеспечит генерацию датчиком нормировочного сигнала импульса напряжения с амплитудой

Чн = kAImax T1T4T» . (4) где kA — коэффициент чувствительности измерителя амплитуды нормировочного сиг50 нала;

Т» — пропускание исследуемой среды;

Т4 — пропускание элементов МК, на»одящихся между исследуемой средой и зеркалом 2;

Т2 — пропускание зеркала 2. Следовательно, из (3) и (4) следует:

Чвп ЬА, 1 — Tx — — Ц (5)

Чн kA 14 12 Т»

Сравнение (5) с (3) показывает, что при измерениях по предлагаемому способу достi.

1770855

1 — е "А

Ven = V{, -А

1 — е где Ч1- bAI> ц А, — отклик датчика вторичного процесса на вошедшую в МК первую из и частей разбиения часть лазерного импульса. Для прототипа общая энергия импульсов на выходе датчика вторичного процесса записывается.в виде (6) 1 2 {т! и2 ТЗТ41х(Е В{Т Е1, 1 — \Я,И Т2Т4Т„ где n — число проходов объекта введенным в MK импульсом излучения;

Е > — энергия, измеренная датчиком вторичного процесса после первого прохода исследуемой среды введенным в MK импульсом излучения. Поскольку величину общих потерь в МК обеспечивают на уровне Ат < 10 ° п еелило, и {Ф 12 T2T4Tлтт «1 . .Учтем также, что 1 — Rt Rz ТзТ4Тх - А по определению, Следовательно, (7) примет следующую форму:

Ben — Š(8)

А

По причине малости А в (6) 1 — е" =- А, т.е. гается полное исключение флуктуаций общих потерь в MK в промежутках между импульсами лазе а, характеризуемых величиной R> Й2 Тз Т Т>, и с точки зрения неисключаемых нормировкой коэффициентов достигается идентичность с обычными одноходовыми измерениями без использования MK. Действительно, в одноходовой схеме сигнал датчика вторичнОго процесса

Чвя также описывается выражением (3), где

imax — интенсивность лазерного импульса в максимуме. Тогда, если в одноходовом методе Ч11 — сигнал измерителя лазерного излучения, расположенного после исследуемой среди и используемого для нормировки, Т вЂ” пропускание ослабителей, расположенных перед фотоприемником этого измерителя, Т4 — пропускание элементов, расположенных между исследуемой средой и ослабителями фотоприемника измерителя VH, Т, — пропускание исследуемой среды, kA — чувствительность измерителя

V!11 тО дпя Чн ПОЛУЧИМ ВиражЕНИЕ, СОВПадающее с (4). Следовательно, поскольку в обоих методах совпадают выражения для Ven u

Ч21, совпадут и их отношения.

Сравним чувствительности предлагаемого и известного способов. Для предлагаемого способа амплитуду сигнала вторичного процесса с помощью (2) и (3) представим как

1 — е"

Ven = Ч1 (9)

Из (8) следует, что по сравнению с одноходовыми измерениями помещение объекта в

МК увеличивает величину сигнала датчика вторичного процесса в 1/А раз. Из сравнения (8) и (9) можно заключить, что при пА=2,3 измерение энергии вторичного процесса обеспечивает лишь на 107 больший сиг10 нал, чем при измерении амплитуды, а при

nA = 416 это различие снижается до 1 .

Таким образом, при амплитудном детектировании чем короче длина MK L, тем ближе коэффициент повышения чувствительности по сравнению с одноходовыми измерениями к предельному значению, равному 1/A. Применение короткой MK позволяет не только сократить до минимума габариты МК, но также сокращает время

20 A t взаимодействия излучения с исследуемой средой. Действительно, At = AtT{+ т{т2, где tm = 1 /СА — время жизни фотона в MK (после входа в МК всего лазерного импульса за время тв происходит распад введенной в MK энергии). Например, при L = 3 см, А =

= 0,025 увеличение At по сравнению с одним проходом. составит г{ = 4 нс. Для прототипа At= ЛtT{(— } =40 AtT{.

А

На чертеже представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа, использующая для зондирования генерацию второй гармоники излучения лазера, включающего лазер 1, осевую многоходовую кювету, выполненную из двух высокоотражающих зеркал 2,3, причем зеркало 2 имеет максимальный коэффициент пропускания на частоте в и максимальный

40 коэффициент отражения на частоте 2 со.

Между зеркалами 2 и 3 размещена исследуемая среда 4 и нелинейный преобразователь частоты излучения 5, выполненный для коллинеарной генерации второй гармоники, 45 С исследуемой средой оптически связан детектор сигнала вторичного процесса 6. На выходе MK размещен фотоприемник 7 и система регистрации 8 отношения сигналов детектора 6 и фотоприемника 7.

Способ реализуется следующим образом, Излучение лазера 1. пройдя оптическую линию задержки (на чертеже не показана), поступает на селективный отражатель 2. Интенсивность лазера. прошедшая с малыми потерями селективный отражатель 2, удваивается по частоте в нелинейном преобразователе частоты 5. В исследуемой с1зеде 4, вследствие взаимодействия с ней изг учения

i2, генерируется сигнал, который пропор1770855 т 2 азор отракатол

Составитель П.Торпачев

Редактор Т.Куркова Техред М.Моргентал Корректор И,Шмакова

Заказ 3738 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ Г,ССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". f. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ционален интенсивности !2и) и детектируется детектором 6. Система регистрации 8 измеряет отношение энергии генерируемого средой 4 и детектируемого датчиком 6 импульса к энергии вышедшего из MK импульса излучения преобразованной частоты, частично вышедшего через зеркало 3, детектируемого фотоприемником 7, Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет устранить погрешность измерений генерируемого исследуемой средой сигнала, обусловленную флуктуациями расходимости излучения лазера и добротности МК в промежутках между импульсами, При этом длина MK не ограничена снизу и определяется размерами исследуемой среды либо апертурой сбора сигнала вторичного процесса. т.е. может составлять несколько сантиметров, что сокращает габариты МК и время измерений. Кроме того, в канале измерения вторичного процесса и в канале нормировки обеспечивается возможность замены зарядочувствительных измерителей на пиковые детекторы или устройства выборки и хранения, что повышает точность измерений и позволяет применить более дешевые и доступные приборы.

Формула изобретения

Способ определения относительного спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса, включающий ввод лазерного излучения в многоходовую кювету вдоль ее оптической оси, преобразование лазерного излучения по частоте в помещенном между отражателями кюветы нелинейном кристалле, реги5 страцию сигнала вторичного процесса, возникающего в объекте, помещенном также внутрь многоходовой кюветы, под действием преобразованного по частоте излучения, при этом многоходовая кювета

1G имеет низкую добротность на длине волны преобразованного по частоте излучения, являющегося зондирующим, а сигнал вторичного процесса нормируют на параметр преобразованного по частоте излучения, t5 вышедшего из многоходовой кюветы через один иэ ее отражателей за все время взаимодействия со средой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при одновременном сокращении времени иэме20 рений, в качестве сигнала вторичного процесса используют его амплитуду. в качестве нормировочного параметра используют амплитуду преобразованного по частоте излучения, вышедшего из многоходовой кюветы

25 через один из ее отражателей, причем длину многоходовой кюветы выбирают не более

С Л. t А/2 3, где С вЂ” скорость света в многоходовой кювете, А -относительная величина потерь света на один проход много30 ходовой кюветы, не содержащеи иеслЕДУемой сРеды, Ь1 — длительность импульса лазера,