Устройство для лазерно-спектроскопического абсорбционного анализа

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

<п979885 (89) 143138 ГДР (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 270279 (2() 7770483/18-25 (23) Приоритет — (32) 23.03. 78 (3() И P G 01 J/204367(33) ГДР 5 ) М Кп з

6 01 J 3/18

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 535. 36 (088. 8) Опубликовано 0712В2. Бюллетень Qo 45.

+-. А, . Д; .ю

:4P

Дата опубликования описания 071232, -:" рааб Зигфрид (ГДР), Хоффманн Куно (ЯДР) ;»

Козихкин Юри и Широков Анатоли(СС2СР), кыйю

11Б "" И

Иностранное предприятие

Ч%ИВЧЖВйй

"Феб Карл-Цейсс Йена", am@ (ГДР) (72) Авторы изобретения (71) .Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНО-СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОГО

ABC0PBIJHOHH0I О АНАЛИЗА

Изобретение относится к лазерной технике и может быть применено в лазерной спектроскопии для исследования веществ, благодаря чему повышается чувствительность анализа атомов и молекул.

Известны устройства для проведения спектроскопического анализа в ре зонаторе. При этом кювета с поглощающим веществом помещается в резонатор лазера, вследствие чего обеспечивается многократное прохождение луча лазера через кювету и, тем самым, по- . вышение чувствительности анализа.

Известен также резонатор, который образован зеркалом полупроводникового лазера, в частности инжекционного лазера, на одной стороне и дифракционной решеткой на другой стороне. Таким образом, создана резонаторная система, состоящая иэ активного резонатора, ограниченного зеркалами полупроводникового лазера, и пассивного резонатора, ограниченного зеркалом с непрозрачным отражающим покрытием и дифракционной решеткой.

Р1.А. Rossi u,à., Hi qh-power narrow-1ine with operation o f Gaas diode lasers" Appl. Phys, Lett, Vol. 23

No 1 J ul y, 1973 .

С помощью такого резонатора в зависимости от числа высвечиваемых штрихов решетки можно выделять определенную спектральную область и настраивать в широкой спектральной области оптического усиления полупроводникового лазера.

Вследствие незначительной добротности такого резонатора он непригоден для абсорбционной спектроскопии в резонаторе-, так как практически достижимое удлинение кюветы весьма незначительно, а поэтому не имеет значения для повышения чувствитель ности анализа.

Применение такого настраиваемого резонатора в абсорбционной спектроскопии неизвестно, так как вследствие незначительной добротности резонатора полуширина резонансных мод велика и, тем самым, исключает использование в лазерной спектроскопии, например для спектроскопии с предельным разрешением .

Цель изобретения э аключаетс я в применении полупроводникового лазера, в частности лля спектроскопии в

979885 резонаторе, и тем самым в повышении чувствительности анализа.

Задача изобретения состоит в том, чтобы создать устройство, пригодное использования полупроводникового лазера в абсорбционной спектроскопил в резонаторе.

Согласно изобретению в устройстве для лазерно-спектроскопического абсорбционного анализа с полупроводниковым лазером в качестве источника возбуждающего света, резонаторная система которого состоит из оптичес ки активного резонатора-, который с обеих сторон ограничен зеркалом, и ,граничащего с активным резонатором пассивного резонатора„ который с одной стороны ограничен зеркалом ак: EHBHoE резонатора, а. с другой сто> роны — дифракционной решеткой, задача решается тем, что коэффициент от" ражения зеркала, ограничивающего реЙ зонаторную систему, Вл 1,. коэффициент отражения зеркала, ограничи- вающего пассивныл резонатор, R >) R

О, коэффициент отражения дифракци- онной решетки R>)7 В, поглощающая среда размещается в йассивном резонаторе или вне резонаторной системы, детектор располагается либо за оптически активным резонатором и является комбинацией спектрометра и регистрирующего устройства, либо за пассивным резонатором и представляет собой регHOTpHpующее устройство без спектрометра.

Путем выделения узкой спектральной области с помощью дифракционной решетки можно устанавливать длину волны на соответствующую линию поглощени>I в спектрапьной области оптического усиления и > подбирая длину пассивного резопатора и число BbI свечиваемых штрихов решетки, отрегулировать на более широкий или уз— кий диапазон, чем соответствующий диапазон поглоцения.

Вследствие определенных потерь на поглощение, которые по абсолютной величине равны потерям на поглощение, обусловленным поглоцающей средой, или складываются из последних и дополнительных потерь на поглощение, добротность резонатора с коэффициентом отражения g< и „ пони>кается настолько, что моды оптического активного резонатора с коэффициен, тами отражения л и нарастают и, вследствие конкуренции мод интенсивность спектрально выделенных мод (моды) нелинейно уменьшается, за счет чего существенно повышается чувствительность анализа, причем диапазон поглощения должен быть ши ре, чем вьщеленная спектральная область. Б том случае, когда диапазон поглощения уже, чем выделенная спект ральная область, вследствие конкуренции мод интенсивность понижается, и вьщеленная спектральная область расширяется, что приводит к повышению чувствительности анализа, и достигаются определенные потери на поглощение,. так что дополнительно возникает нелинейное уменьшение интенсивности, которое повышает чувствительность анализа.

" О Один иэ вариантов устройства характеризуется тем, что поглоцаюцая среда находится в оптически пассивном резонаторе, зеркало, ограничивающее резонаторную систему, имеет коэффициент отражения R < 1 и детектор, состоящий из спектрометра и регистрирующего устройства, для интенсивности поглощения располагается за оптически активным резона>О тором.

В другом варианте устройства согласно изобретению поглощаюцая среда находится также в оптически пасC сивном резонаторе, зеркало, ограничивающее резон аторную систему, имеет коэффициент отражения КЛ < 1, в качестве детектора за калиброванной выделяющей спектральную область и согласующей дифракционной решеткой

gg расположено регистрирующее устройство. Таким образом, возможен анализ развязанного вследствие другого порядка спектра лазерного луча без спектрометра.

Абсорбционный спектроскопический анализ возможен с помощью настраиваемого полупроводникового лазера без спектрометра также и в том случае, если поглощающая среда размеща4О ется за дифракционной решеткой вне резонаторной системы, и детектор поглощения в виде регистрирующего устройства.располагается за поглощающей средой, причем ограничивающее резонаторную систему зеркало имеет коэффициент отражения R с 1.

Устройство для применения в абсорбционной спектроскопии с предельной разрешающей способностью характеризуется тем, что ограничиваюцее

5О резонаторную систему зеркало имеет коэффициент отражения и = 1, поглощающая среда находится внутри или вне резонаторной системы, и детектор в виде регистрируюцего устройства располагается за пассивным резонатором.

Вследствие непрозрачного отражающего покрытия зеркала, ограничивающего резонаторную систему, доброт60 ность реэонаторной системы и, тем самым, полуширина,настраиваемой и выделяемой моды (>лод) существенно уменьшается, что обеспечивает возможность применения, например, в

65 абсорбционной спектроскопии с пре979885 ется спектрометром М и регистрирующим устройством R .. е В устройстве, показанном на фиг.2 применяется та же резонаторная система С, как и в устройстве по

5 фиг,2, причем анализ потерь на поглоцение в поглощающей среде К, находящейся в пассивном резонаторе С, осуществляется путем развязки лазерного луча через калиброванную выде10 ляющую спектральную область и настраивающую дифракционную решетку 5. вследствие другого порядка спектра с помощью регистрирующего устройства R. без использования спектромет15 ра.

Устройство согласно фиг.3 имеет изображенную на фиг.1 и охарактеризованную резонаторную систему С .

При этом поглощающая среда К наз0 ходится между калиброванной выцеляющей спектр и настраивающей дифракционной решеткой S> и анапиэирующим поглощение регистрйруюшим устройством R.. .Анализ поглощения осуцествля25 ется без использования спектрометра.

В устройстве по фиг.4 применяется реэонаторная система С>, причем зеркало 5л имеет непрозрачное отражающее покрытие. Поглощающая среда К

З0 находится к пассивном резонаторе С или вне резонаторной системы С .

Анализ поглоцения или поглощение и анализ поглощения осушествляется путем развязки лазерного луча через калиброванную выделяющую область спектра и настраивающую дифракционную решетку 6> вследствие другого порядка спектра с помощью регистрируюцего устройства к без спектрометра.

Устройство по фиг.5 имеет ту же резонаторную систему С, что и устройство по фиг.З. И в этом случае зеркало S< имее- непрозрачное отра-: жающее покрытие. Поглощающая среда ..45 находится к пассивном резонаторе С или вне резонаторной системы C

Ъ

Анализ поглоцения или поглощенйе и анализ поглощения осуществляются ,путем развязки лазерного луча через

50 калиброванную выделяюцую область спекира и точно насTраивающую дифракционную решетку S вследствие другого порядка дифракции с помощью регистрирующего устройства Я беэ

55 спектрометра. Оптически активный резонатор С помещен в барокамеру 3 .

Путем изменения давления оптическое усилие полупроводникового лазера на. страивается определенным образом в

Я соответствии с частотой. дельной разрешающей способностью вне и внутри резонатора.

В другом варианте предлагаемой р зонаторной системы, когда полупроводниковый лазер, одно зеркало которого имеет непрозрачное отражающее покрытие, а второе зеркало — час тично прозрачное отражающее покрытие, находится в барокамере, оптическое усиление полупроводникового лазера настраивается в широкой спект ральной области.

Точная настройка этой предлагаемой реэонаторной системы осуцествляется в этом случае, дифракционной решеткой и таким образом возможно проводить абсорбционный спектроскопический анализ в пределах и вне пре делов резонатора с предельным разрешением, высокой чувствительностью анализа в большом диапазоне настройки без каких-либо спектрометрических вспомогательных средств, На фиг.1 представлено устройство с поглощающей средой, находящейся внутри резонаторной системы полупроводникового лазера, и детектором, расположенным за оптически активным резонатором; на фиг.2 — устройство с поглощающей средой, находящейся внутри резонаторной системы, и детектором, расположенным эа дифракционной решеткой оптически пассивного резонатора регистрирующего устройства без спектрометра на

7 фиг.3 — устройство, в котором за дифракционной решеткой оптически пассивного резонатора располагается устройство без спектрометра на ! фиг, 4 — устройство, в котором зеркало, ограничивающее оптически активный резонатор, имеет непроэрачl ное отражающее покрытие, поглощающая среда находится внутри или вне реэонаторной системы, а регулирующее устройство беэ спектрометра рас» полагается эа пассивным резонатором на фиг.5 — предлагаемое, устройство

Р согласно фиг.4, в котором активный оптический резонатор дополнительно помещен в барокамеру.

В устройстве по фиг.1 резонатор= ная система С полупроводникового лазера L образована оптически актив-. ным резонатором С с зеркалами S u л которые истлеют коэффициенты отражения р< и R, и оптически пассивным резонатором С с коэффициентами отражения В для зеркала лазера S u выделяющим спектральную область и 2 настраивающей дифракционной решеткой S с коэффициенто л отражения R причем требуется R R >> R з

По-лощаюцая среда находится в пассивном резонаторе С>. Потеряное.< поглощение, на которое оказывает влияние конкуренция мод, анализируПредлагаемое устройство впервые позволяет применять полупроводниковые лазеры в абсорционной спектроскопии в резонаторе при обеспечении

6 высокой чувствительности анализа, 979885

Формула изобретения

50 иг настройку длинной волны в широкой спектральной области с высокой точностью, не зависящей от температуры, и в абсорбционной спектроскопии с высокой и предельной разрешающей t способностью с помощью простых регистрирующих устройств без дополнительных спектроскопических вспомогательных средств.

Устройства обеспечивают анализ атомов и молекул и их электронных структур с помощью лазера прямого возбуждения путем простого возбуждения тока.

Решение задачи согласно изобретению позволяет простыми средствами обеспечить разнообразное применение абсорбционной спектроскопии, например в технике измерительного анализа с высокой чувствительностью и разрешаюцей способностью, при.контроле и при анализе химических процессов в промышленности и для контроля и исследования окружающей сре ды °

1. Устройство для лазерно-спектроскопического абсорбционного анализа.с полупроводниковым лазером в качестве источника возбуждаюцего света, резонаторная система которого состоит из оптически активного резонатора, ограниченного с обеих сторон зеркалами,и из пассивного резонатора, граничащего с активным резонатором, образованного с одной стороны зеркалом активного резонатора, а с другой стороны — дифракционной решеткой, о т л и ч а ю— щ:е е с я тем, что коэффициент отражения зеркала, ограничивающего ре эонаторную систему, Р, I коэффициент отражения зеркала, ограничивающего.пассивный резонатор, R > Р > О, коэффициент отражения дифракционной решетки R>) R поглощающая среда находится в пассйвном резона горе или вне резонаторной системы, детектор располагается либо за оптически активным резонатором и представляет собой комбинацию спектрометра и регистрируюцего устройства, либо за пассивным резонатором и представляет собой регистрирующее устройство без спектрометра.

2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что поглоцающая среда находится в оптически пассивном резонаторе, зеркало, ограничивающее резонаторную систему, имеет коэффициент отражения R 1 и дел

10 тектор интенсивности поглощения в виде комбинации спектрометра и регистрирующего устройства располагается за оптически активным резонатором.

15 3, Устройство по п. 1, о т л и,— ч а ю щ е е с я тем, что поглощающая среда находится в оптически пассивном резонаторе, зеркало, ограничивающее резонаторную систему, име20 ет коэффициент отражения В„ < 1 и детектор потерь на поглощейие в виде регистрирующего устройства располагается за калиброванной дифракционной решеткой.

4. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е е с я те>, что поглощающая среда находится за дифракционной решеткой вне резонаторной системы, зеркало, ограничиваюцее резона30 торную систему, имеет коэффициент OTражения R„ (1 и детектор поглощения в виде регистрируюцего устройства располагается за поглощающей средой.

5 ° УстрОйстВО пО и. 1р О т л и ч а ю щ е е с я тем, что зеркало, ограничивающее резонаторную систему, имеет коэффициент отражения R = 1, поглощающая среда находится внутри

0 или вне резонаторной системы, и детектор в виде регистрирующего устройства располагается за пассивным резонатором. б. Устройство по пп. 1 и 5, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оптически активный резонатор полупровода никового лазера располагается в барокамере.

Признано изобретением по результатам экспертизы, осуществленной ведомством по изобретательству Герман/ ской Демократической Республики.

979885 л

rr 5 у

Составитель Н. Ананьева

Редактор В. Данко Техред Т.Фанта Корректор Г. Orap

Заказ 9344/28 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4