Многопроходная оптическая система для возбуждения спектров комбинационного рассеяния света

Многопроходная оптическая система состоит из двух одинаковых сферических зеркал, центры которых лежат в диаметрально противоположных точках поверхности одной воображаемой сферы, имеющей радиус, равный радиусу кривизны зеркал, а также лазера и фокусирующей линзы, расположенных на одной оптической оси, которая проходит внутри этой сферы на некотором расстоянии от ее центра и пересекается с поверхностью 1-го зеркала. Фокус линзы находится примерно на расстоянии радиуса кривизны зеркала от этой точки пересечения. Оптическая ось 2-го зеркала составляет в плоскости, образованной оптической осью линзы и центром сферы, угол γ=α²/[2(β-2α)] с радиусом сферы, проведенным в центр 2-го зеркала, где α=arcsin(r/2R), β=arcsin(R₀/R), в которых r - радиус лазерного луча, R₀ - размер зеркал, R - радиус кривизны зеркал. Технический результат - увеличение интенсивности сигнала комбинационного рассеяния. 5 ил.

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для увеличения интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света (КРС) путем более эффективного использования возбуждающего лазерного луча и может использоваться в газовых раман-спектрометрах.

Наблюдение спектров КРС является актуальной задачей в области контроля и исследования газовых сред. Для решения данной задачи, основной проблемой которой является слабый сигнал КРС, используются различные оптические решения, направленные либо на эффективное возбуждение спектров, либо на эффективный сбор рассеянного излучения (сигнала КРС). Однако газовые раман-спектрометры, использующие известные в настоящее время технические решения, не удовлетворяют современным требованиям по такой характеристике, как чувствительность. Известно, что интенсивность сигнала КРС в газовой среде зависит линейно от интенсивности возбуждающего излучения I=kI₀ (k - коэффициент пропорциональности, зависящий от таких параметров, как сечение рассеяния молекул газа, их концентрация в рассеивающем объеме, угол сбора рассеянного излучения, и являющийся в данном случае константой), а при условии многократного прохождения лазерного луча через рассеивающий объем эта зависимость примет вид I~nkI₀, где n - количество проходов, т.е. увеличение числа проходов лазерного луча n приведет к увеличению интенсивности сигнала КРС.

Известна оптическая схема системы, содержащей источник оптического излучения (лазер), фокусирующую линзу и зеркало, фокусы которых совпадают (Применение спектров комбинационного рассеяния / Под ред. А.Андерсона. М.: Мир. 1977, с.204, рис.18). Возбуждающее излучение фокусируется линзой в небольшой рассеивающий объем, затем, отражаясь от вогнутого зеркала, установленного на его пути, снова фокусируется в этот же объем. Основным недостатком описанной системы является только двукратное прохождение лазерного луча через рассеивающий объем, а следовательно - только двукратное увеличение интенсивности сигнала КРС по сравнению с однопроходным вариантом оптической системы.

Наиболее близким по принципу действия является система (Спектроскопия комбинационного рассеяния света в газах и жидкостях / Под ред. А.Вебера. М.: Мир, 1982, с.97, рис.3.2.), состоящая из двух одинаковых сферических зеркал с общим центром кривизны, центры которых лежат в диаметрально противоположных точках поверхности одной воображаемой сферы, имеющей радиус, равный радиусу кривизны зеркал, а так же лазера и фокусирующей линзы, расположенных на одной оптической оси, как показано на фиг.4.

Падающий лазерный пучок фокусируется линзой в точку a, смещенную в сторону от общего центра кривизны зеркал, и попадает на зеркало 1 под углом α к его нормали. После отражения от этого зеркала пучок фокусируется в точку b, расположенную по другую сторону от общего центра кривизны зеркал, и затем падает на зеркало 2 под тем же углом α к его нормали. Этот процесс многократно повторяется, и число повторений ограничивается главным образом апертурой зеркал и углом α, под которым лазерный луч падает на зеркала. В результате точки падения лазерного луча на каждое из зеркал данной оптической системы будут равноотстоящими и будут проходить от одного края зеркала к другому.

Максимальное количество отражений будет при угле падения лазерного луча на зеркало α=arcsin(r/2R) (см. фиг.4), где r - радиус лазерного луча и R - радиус кривизны зеркал. В данном случае максимальное количество отражений на одном из зеркал будет N=(β-2α)/2α, где β-arcsin(R₀/R) - угловой размер зеркал и R₀ - размер зеркал (см. фиг.5).

Подобная оптическая схема позволяет создать на порядок большее количество проходов лазерного луча между этими зеркалами, тем самым пропорционально увеличив интенсивность сигнала КРС.

Основным недостатком описанной схемы является низкая для решения многих практических задач интенсивность сигнала КРС из-за недостаточного числа проходов лазерного луча.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является более эффективное использование возбуждающего лазерного луча за счет увеличения числа проходов луча между зеркалами (при прочих равных условиях).

Технический результат - увеличение интенсивности сигнала КРС.

Указанный результат достигается тем, что в системе, состоящей из двух одинаковых сферических зеркал, центры которых лежат в диаметрально противоположных точках поверхности одной воображаемой сферы, имеющей радиус, равный радиусу кривизны зеркал, а так же лазера и фокусирующей линзы, расположенных на одной оптической оси, которая проходит внутри этой сферы на некотором расстоянии от ее центра и пересекается с поверхностью 1-го зеркала, причем фокус линзы находится примерно на расстоянии радиуса кривизны зеркала от этой точки пересечения, изменено расположение второго зеркала таким образом, что его оптическая ось составляет в плоскости, образованной оптической осью линзы и центром сферы, некоторый угол γ≠0 с радиусом сферы, проведенным в центр 2-го зеркала.

На фиг.1 показана предлагаемая система. Она состоит из идентичных зеркал 1, 2, фокусирующей линзы 3 и лазера 4. Также обозначена оптическая ось лазера 5, центр кривизны зеркала 1 С1 и центр кривизны зеркала 2 С2; на фиг.2. Поворот нижнего зеркала на угол γ; фиг.3. иллюстрирует ход лучей в патентуемой схеме; на фиг.4. - прототип. Падение лазерного луча радиуса r на зеркало под углом α.; фиг.5, показывает угловой размер зеркала β.

Устройство работает следующим образом. Падающий лазерный пучок фокусируется линзой в точку α, слегка смещенную в сторону от центра кривизны первого зеркала, и попадает под углом α=arcsin(r/2R) на зеркало 1. Далее луч отражается от первого зеркала под углом α и падает под углом α-γ на зеркало 2, которое повернуто на угол γ в плоскости чертежа, т.е. его центр кривизны находится на расстоянии l=Rsinγ от центра кривизны первого зеркала (см. фиг.2). Затем лазерный луч, отразившись от зеркала 2 под углом α-γ, опять попадает на первое зеркало (под углом α-2γ), отразившись от которого (под углом α-2γ), снова попадает на зеркало 2 (под углом α-3γ) и т.д. (см. фиг.3). В силу того, что каждое последующее отражение на каждом из зеркал сопровождается уменьшением угла отражения и, соответственно, расстояния между отражениями, то после некоторого числа отражений угол падения лазерного луча на зеркала станет отрицательным, и отражения начнут перемещаться по зеркалам в обратном направлении пока не выйдут за пределы одного из зеркал.

Количество отражений n₀ (например, на зеркале 1) до их поворота определяется из условия

Угол γ, обеспечивающий прохождение отражений по всему зеркалу до его края (и обратно), рассчитывается из уравнения

или

где β=arcsin(R₀/R). Данное уравнение имеет следующее решение:

что позволяет получить значение n₀

поскольку β/α много больше единицы. В результате максимальное количество отражений при прохождении отражений от одного края зеркала до другого края зеркала и обратно будет

Таким образом, коэффициент увеличения числа проходов лазерного луча в предлагаемой системе по сравнению с прототипом будет n/N=4.

Преимущество заявленной системы по сравнению с прототипом заключается в увеличении числа проходов лазерного луча между зеркалами в четыре раза, давая тем самым пропорциональное увеличение сигнала КРС.

Многопроходная оптическая система, состоящая из двух одинаковых сферических зеркал, центры которых лежат в диаметрально противоположных точках поверхности одной воображаемой сферы, имеющей радиус, равный радиусу кривизны зеркал, а также лазера и фокусирующей линзы, расположенных на одной оптической оси, которая проходит внутри этой сферы на некотором расстоянии от ее центра и пересекается с поверхностью 1-го зеркала, причем фокус линзы находится примерно на расстоянии радиуса кривизны зеркала от этой точки пересечения, отличающаяся тем, что оптическая ось 2-го зеркала составляет в плоскости, образованной оптической осью линзы и центром сферы, угол γ=α²/[2(β-2α)] с радиусом сферы, проведенным в центр 2-го зеркала, где α=arcsin(r/2R), β=arcsin(R₀/R), в которых r - радиус лазерного луча, R₀ - размер зеркал, R - радиус кривизны зеркал.