Лазер для спектрометра высокой чувствительности в инфракрасном диапазоне

 

ЛАЗЕР ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРА ВЫСОКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ с ламповой накачкой, содержапщй бесселективный резонатор, в котором размещены активный элемент и ячейка с исследуемым веществом, систему питания, о тличающийся тем, что, с целью увеличения концентрационной чувствительности спектрометра путем выбора спектрального диапазона и длительности генерации лазера , резонатор образован дихроичными диэлгктрическими зеркалами с переменным по диаметру зеркала коэффициентом отражения, выполненными с. возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси резонатора, активС « ный элемент выполнен из стекла с при (Л месями одного или нескольких редкоземельных элементов или щелочногалоидных кристаллов с центрами .окраски , а система питания лазера состоит из трехфазного тиристорного выпрямителя, с регулируемой длитель ностью импульса питания. оо 4нд w tfaft

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

COLlHAËÈÑTÈ×ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„Л0„„730083 (50 4 G 01 N 21/25

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2) ) 2679877/18-25 (22) 30.10.78 (46) 07 . 09 . 86. Бюл. № 33 (71) Тюменский государственный университет и Ордена Ленина физический институт им. П.Н. Лебедева (72) В.М.Баев, В.П.Дубов, Э.А.Свириденков и А.Ф.Сучков

"(53) 621. 378. 33 (088. 8) (56) Беликов- Т.П.; Свириденков Э.В., Сучков А.Ф. Исследование слабых линий

I поглощения и усиления некоторых газов методом селективных потерь в резона— торе ОКГ."Квантовая электроникаи, 1974, ¹ 4,830.

Баев В.M. Беликов Т.П., Свириденков Э.А., Сучков А.Ф. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия с использованием лазеров непрерывного и квазинепрерывного действия. Ж ЭТФ.

74, с. 43-56, 1978. (54)(57) ЛАЗЕР ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРА BHCO—

КОИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ В ИНФРАКРАСНОМ

ДИАПАЗОНЕ с ламповой накачкой, содержащий бесселективный резонатор, в котором размещены активный элемент и ячейка с исследуемым веществом, систему питания, отличающийся тем, что, с целью увеличения концентрационной чувствительности спектрометра путем выбора спектрального диапазона и длительности генерацйи лазера, резонатор образован дихроичными диэлектрическими зеркалами с переменным по диаметру зеркала коэффициентом отражения, выполненными с возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси резонатора, активный элемент выполнен иэ стекла с примесями одного или нескольких редкоземельных элементов или щелочногалоидных кристаллов с центрами окраски, а система питания лазера состоит из трехфазного тиристорного выпрямителя. с регулируемой длительностью импульса питания.

730083

Изобретение относится к области инфракрасных абсорбционных устройств и может быть использовано для обнаружения малых примесей в атмосфере, анализа газовых смесей, обнаружения 5 новых линий поглощения и усиления, а также для поиска новых активных сред для лазеров.

Известен лазер для спектрометра высокой чувствительности на стекле з+ с Nd с длительностью rенерации

1 мс и бесселективным резонатором.

Чувствительность этого устройства ограничена временем генерации и составляет 10 -см II 5

Недостатком этого устройства является малая длительность импульса генерации, не позволяющая достигнуть максимальной чувствительности метода внутрирезонаторной лазерной спект- 20 роскопии (ВРЛС) и узкий спектральный диапазон (9360 — 9480 см ) .

Наиболее близким техническим решением является лазер для спектрометра высокой чувствительности в инфракрасном диапазоне с ламповой накачкой, содержащий бесселективный резонатор, в котором размещены активный элемент и ячейка с исследуемым веществом, систему питания. Спектральный диапа- ЗО

-1 зон этого спектрометра 9360-9480 см

Недостатком известного спектрометра является узкий спектральный диапазон лазера и малая длительность импульса его генерации, не позволяющие до- 35 стичь максимальной концентрационной чувствительности спектрометра.

Цель изобретения — увеличение концентрационной чувствительности спектрометра путем выбора спектраль- 4О ного диапазона и длительности генерации лазера.

Поставленная цель достигается тем, что резонатор образован дихроичными зеркалами с переменным по диаметру

45 з.еркала коэффициентом отражения, выполненными с возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси резонатора, активный элемент выполнен из стекла с примесями одного или нескольких редкоземельных элементов или из щелочно-галоидных кристаллов с центрами окраски, а система питания лазера состоит из сетевого трехфазного тиристорного выпрямителя с регулируемой длительностью импульса питания. Применение дихроичных зеркал с переменным по диаметру коэффициентом отражения позволяет обеспечить плавную широкополосную перестройку спектра генерации лазера без введения в резонатор лазера дополнительных элементов, что особенно важно для достижения максимальной чувствительности. Кроме того, используемая перестройка позволяет получить одновременно генерируемый широкий спектр генерации, значительно превышающий ширину линий поглощения в газах, что также является существенным в методе внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. Применение дихроичных зеркал позволяет, например, при использовании в качестве активного элемента стекла с примесями Nd исследовать спектр в диапазонах 0,92; 1,06 и 1,35 мкм.

Использование в качестве активного элемента стекла с примесями различных редкоземельных элементов и щелочно-галоидных кристаллов с центрами окраски расширяет спектральный диапазон спектрометра от 0,7 до

3,2 мкм. Система питания лазера, со-! стоящая из трехфазного тиристорного

ыпрямителя с регулируемой длительостью импульса питания, обеспечивает длительность генерации необходимую для получения максимальной чувствительности спектрометра. Одновременный подбор спектра генерации лазера и его длительности позволяет достичь максимальной концентрационной чувствительности спектрометра. Спектр генерации лазера для достижения максимальной концентрационной чувствительности выбирается отдельно для каждого. анализируемого вещества так, чтобы в полосу генерации лазера попали наиболее сильные линии анализируемого вещества. Длительность генерации при этом подбирается в зависимости от используемого активного элемента и геометрии резонатора.

На фиг.1 представлена оптическая схема спектрометра высокой чувствительности; на фиг.2 — структурная схема системы питания.

Лазер содержит активный элемент .1, торцы которого скошены под углом Брюстера, дихроичные зеркала 2 с переменным по диаметру коэффициентом отражения, выполненные с воэможностью перемещения перпендикулярно оптической оси резонатора. Толщи730083 на подложки зеркал не менее 40 мм, о угол скоса задней грани 10 . Кювета

3 для исследуемого газа> ограниченная с одного конца активным элементом 1, а с другого конца зеркалами 2 резонатора. Регистрирующая система, состоящая из GBTOKOJIJIHMBLHOHHOH камеры 4, например УФ-90, дифракционной решетки 5 и плоского металли— ческого зеркала, позволяющего реализовать многократную дисперсию излучения лазера па этой решетке. Такой спектрограф имеет разрешающую силу более 10, необходимую для достиже—

6 ния максимальной чувствительности. <5

Система питания лазера обеспечивает необходимую длительность генерации лазера. В нее входят импульсная лампа накачки 6, блок поджига импульсных ламп 7, работающий от 20 сети и состоящий из схемы удвоения и импульсного повышающего трансформатора, балластное сопротивление R, с помощью которого можно регулировать величину тока импульсной лампы и таким образом менять уровень накачки, конденсатор С, предназначенный для сглаживания сетевых пульсаций тока накачки, тиристорный блок 8, в котором происходит преобразование трех- З0 фазного переменного напряжения в постоянное напряжение, содержащий 6 мощных тиристоров, управляемых выходными импульсами задающего блока 9, задающий блок 9, представляющий собой ждущий мультивибратор, в котором постоянная времени RC-цепочки;определяющей длительность выходного импульса, меняется ступенями и плавно, и блокинг — генератор для запуска муль-40 тивибратора, пульт управления 10, ко торый обеспечивает одновременную подачу импульса поджига и питающего импульса на лампу накачки 6.

Указанный спектрометр работает 4 следующий образом.

При срабатывании поджига система питания обеспечивает создание инверсной населенности в активном элементе 1. В результате этого в ре- S0 зонаторе, образуемом зеркалами 2, возникает генерация, длительность которой определяется выходными импульсами задающего блока 9. Генерируемое излучение многократно про- 55 ходит через кювету 3 с исследуемым веществом. Так как спектр используемого лазера обладает широкой полосой усиления (большие ширины исследуе= мой линии), в спектре генерации появляются провалы, глубина которых определяется коэффициентом поглощения исследуемой линии и длительностью генерации по формуле

-Мси

I = Т где k — коэффициент поглощения; с — скорость света; ь — длительность импульса генерации.

Предельная чувствительность определяется спонтанными шумами и равна

5 k 1О ю — 10 см, что соответствует длйтельности генерации 0,1

1 с.

Спектрометр позволяет получить . максимальную чувствительность в инфракрасном диапазоне при использовании в качестве активных элементов стекла с примесями различных редкоземельных элементов или щелочно-raлоидных кристаллов с центрами окраски в области 0,7 — 3,2 мкм.

Перестройка длины волны генерации осуществляется перемещением зеркал резонатора в плоскости, перпендикулярной оптической оси лазера. Максимум коэффициента отражения зеркал реализуется при таком перемещении для различных длин волн от hмин до Aмаис определяемыми параметрами активной среды. Использование узкополосных зеркал, максимум коэффициента отражения которых расположен на различных длинах волн, в зависимости от их поперечного перемещения дает возможность осуществить перестройку длины волны генерации без ухудшения качестве резонатора, поскольку при этом отпадает необходимость введения в резонатор дополнительных элементов.

Любой дополнительный элемент, вставленный в резонатор, ухудшает чувствительность снектрометра из-за появления паразитной селекции. Предложенное устройство позволяет реализовать максимальную чувствительность внутрирезонаторного лазерного спектрометра при наличии перестройки длины волны генерации. Осуществление максимальной чувствительности по коэ рфициенту поглощения при наличии перестройки длины волны позволяет достигнуть максимальной концентрационной чувствительности подстройкой

Техред Л. Сердюкова Корректор C Шекмар

Редактор С,Титова

Заказ 4845/1 Тираж 778 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

3 730 длины волны генерации под максимум, коэффициента поглощения исследуемого вещества;

Регистрация излучения лазера осуществляется спектрографом и детектором. После многократной дисперсии на решетке 5 спектр попадает на различные элементы детектора (фотопластинка, фотопленка, электрооптический: приемник, фотоприемник или оптический многоканальный анализатор) . Отноше— ние сигнала в центре исследуемой линии к величине сигнала генерации без поглощения (усиления ), позволяет определить коэффициент поглощения (усиления) исследуемой линии и таким образом концентрацию исследуемо\ го вещества при известном сечении поглощения (усиления) анализируемой линии. Концентрация вещества может . быть определена также по градуировочному графику, построенному при больших концентрациях, измеренных обычными методами, и малых длительностях генерации. Это оказывается возможg

083 а ф ным благодаря тому, что глубина провала в спектре генерации зависит от произведения концентрации на длительность, как это следует из приве денной выше формулы.

Минимальное количество определяемого вещества обусловлено его сечением поглощения (усиления) в реализуемом спектральном диапазоне. Использование в предлагаемом спектро-. метре широкого спектрального интервала позволяет обеспечить его высокую концентрационную чувствительtS ность. Предельная концентрационная. чувствительность этого устройства д составляет 1 атом в см

Спектрометр является черезвычайно полезным при обнаружении малых при20 месей в атмосфере, определении ее загрязненности, анализе газовых смесей, спектроскопии комбинационного рассеяния, короткоживущих процессов, поиска новых активных сред для

25 лазеров и т.д.