Способ измерения времени колебательной релаксации газов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 2162 А 1 цз 6 НИ П К АВ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) АНИЕ ИЗОБР КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Институт оптики атмосферы СО АН СССР(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ КОЛЕБАТЕЛЪНОЙ РЕЛАКСАЦИИ ГАЗОВ (57) Иэобретейие относится к физике процессов энергетического обмена в веществе. Цель изобретения - расширение функциональных воэможностей способа путем его применения для незамкнутых объемов. Через объем, заполненный исследуемым веществом, пропускают гауссоподобный пучок излучения импульсного лазера с длиной волны, попадающей в контур линии поглощения исследуемого вещества, Дополнительно в исследуемый объем под углом рбм /1. (где бМ - диаметр пучка излучения первого лазера;- расстояние между источником зондирующего излучения и приемной линзой) к оптической оси первого лазера посылают пучок зондирующегоф излучения второго лазера, принимают его излучение фокусирующей линзой и измеряют смещение плоскости изображения относительно фокальной плоскости линзы, Длительность импульсов первого лазера уменьшают, а период их следования увеличиваютдотех пор пока смещение плоскости изображения пучка зондирующего иэлучейия не перестанет зависеть от дли- Я тельности и периода следования импульсов первого лазера. Об искомом параметре (времени ЧТ-релаксации) судят по времени нарастания смещения плоскости изображения пучка зондирующего излучения за приемной линзой. 4 ил.т,млмачт. Если т тчт, то время т нар равно времени колебательной релаксации ( мачт). Врел 1 я тепловой релаксации ( тг ) измеряется от момента мэксймумэ смещения д (г) до его окончания.Способ осуществляется следующим образом.55Незамкнутый обьем 7 исследуемого газа облучэют гэуссоцодобным пучком импульсного лазера 1. Длина волны лазера 1 выбирается в цроделэх контура линии поглощения исследуемого гэээ. Изобретение отцосигся к физике процессов энергетического обмена в газах и может быть использовано для определения времени перехода энергии колебательного возбуждения в тег 1 ловуо при столкновении молекул газа, т.е. для измерения времени колабэтелы ой ЧТ-релаксации (г чт),Целью изобретения является расширение функциональных возл 1 ожностей способа путем его применения для незамкнутых обьемов газа.Нэ фиг.1 показана структурная схема устройства для релаксации способа; на фиг.2, 3, 4 - временные зависимости смещения плоскости изображения пучка зондирующего излучения.Устройство (фиг,1) содержит первый лазер 1, в качестве которого используется импульсный узкополосный лазер с плавной перестройкой частоты, второй лазер 2 для формирования пучка зондирующего излучения, в качестве которого используется Не-Мелазер, фокусирующую линзу 3, оптический приемный Олок 4, состоящий из двух, кэк л 1 инимум, полупрозрачных зеркал, расположенных дс и после области перетяжки пучка второго лазера, и фотоприемников (фотоумножителей ФЭУ) с точечными приемными диафрагмами, блок 5 обработки сигналов, блок 6 управления первым лазером 1. Нэ фиг,1 показан также обьем 7 исследуемого газа.На фиг.2 приводится временная зависимость смещения д(1), где- время плоскости изображения пучка зондирующего излучения второго лазера 2 цри воздействии импульсами 8 гауссоцодобного пучка излучения импульсного первого лазера 1 на гаэ в обьеме 7.Смещение дна фиг.2, 3, 4 имеет вид кривых 9, 10 или 11 в зависимости от соотношения периода Т следования импульсов 8, обозначенных по фиг.2, 3, 4 пунктирной линией, времени импульса ( т,) и времени нарастания смещения ( тл.-р), Время тн,р будет равно времени импульса, если 10 15 20 25 30 35 40 45 Дополнительно от источника зондирующего излучения лазера 2 посылается пучок зондирующего излучения, положение плоскости изображения которого за фокусирующей линзой 3 регистрируется блоком 4 измерения положения плоскости изображения. Сигнал иэ блока 4 поступает в блок 5 обработки. Блок обработки соединен с блоком 6 управления первым лазером. Блок 6 состоит иэ системы управления частотой генерации, выполненной в виде дифракционной решетки или интерферометра, и системы управления длительностью импульсов излучения и частотой их следования.Длина волны излучения зондирующего лазера может быть любой, однако ее удобнее брать отличной от длины волны излучения первого лазера (с целью частотной селекции зондирующего излучения и отсутствия поглощения маломощного зондирующего излучения).Требование на гауссовость распределения интенсивности первого лазера и зондирование нагретой области под углами рС 1 л 1 /1, где бм - диаметр пучка первого лазера;- расстояние между вторым лазером 2 и линзой 3, к оптической оси пучка излучения первого лазера состоит в том, что цри таких условиях пучок зондирующего излучения посылается в нагретую область, имеющую параболическое распределение диэлектрической проницаемости среды в поперечном сечении, и смещение плоскости его изображения однозначно зависит от времени колебательной чТ-релаксации, Г 1 ри зоцдировэнии с углами рО и/1 или областей, нагретых лазерными пучками с распределениями интенсивности излучения в поперечном сечении, значительно отличными от гауссовских, положение плоскости иэображения пучка излучения зондирующего лазера за приемной линзой не зависит от времени колебательной релаксации.Излучение лазера 1 поглощается в объеме 7, что вызывает изменение температуры газа и его давления. Это приводит к искажению волнового фронта пучка излучения второго лазера 2, что ведет к смещению плоскости иэображения, формируемого фокусирующей линзой 3, принимающей излучение лазера 2. Угол наклона рмежду пучками лазеров 1 и 2 выбирают следующим образом.При посылке пучка зондирующего излучения строго по оптической оси пучка излучения первого лазера ( р = О) реализуются максимально выгодные условия измерения, 1382162так как хотя величина смещения д (т) независит явно от угла р, но с увеличениемр возрастают аберрационные искаженияиз-эа отличия профиля диэлектрическойпроницаемости среды нагретой области от 5параболического и при р = д м/. систематическая погрешность измерения достигнетуровня10 ,Длительность импульсов пероого лазера 1 и период Т их следования выбирают в 10зависимости от реализации смещения д (с)в виде кривых 9, 10, 11. Смещение д(1)согласно кривой 11 представляет собой измерительный режим и соответствует соотношению оремен глемп (юл. Т ) ют.Если соотношение д импдат, имеетместо зависимость смещения д(1) вида кривой 9 и время димп импульса лазера 1уменьшают до тех пор пока не будет реалиэооан режим согласно кривой 10, характеризующийся соотношением орементимп (тчт, Т )тл. При реализации смещения д (с) согласно кривой 10 период Тследования импульсов увеличивают до техпор, пока не будет осуществлено смещениед (с) вида кривой 11, при котором смещениед (с) неэависитот т 4 и Т,При реализации смещения д (1) видакривой 11 измеряют время нарастания смещения д (с), которое и принимают за результат измерений времени колебательнойОГ-релаксации тл .Для точного определения момента 0начала смещения д (1) плоскости иэображения необходимо, чтобы к моменту прохождения импульса излучения первого лазерарелаксационные процессы в исследуемомвещестое после прохождения предыдущегоимпульса завершились (Т ) тт).Изобретение позволяет измерять время колебательной релаксации газов в ат мосферных условиях о незамкнутых объемах и с помощью малоинерционной регистрирующей аппаратуры измерять время релаксации порядка 10 с и меньше.Формула изобретения Способ измерения времени колебательной релаксации газов, заключающийся в облучении исследуемого газа гауссоподобным пучком излучения импульсного лазера с длиной волны, попадающей в контур линии поглощения газа, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей способа путем его применения для незамкнутых объемов газа, исследуемый газ дополнительно облучают пучком зондирующего излучения второго лазера под углом к оптической оси первого лазера, принимают пучок зондирующего излучения от второго лазера с помощью фокусирующей линзы, измеряют смещение плоскости изображения пучка второго лазера относительно фокальной плоскости линзы, причем угол р наклона между пучка первого и второго лазеров оыбирают из условиярбм/1.,где бм - диаметр пучка первого лазера;- расстояние между вторым лазером и фокусирующей линзой,уменьшают длительность импульсов первого лазера и увеличивают период их следования до тех пор, пока смещение плоскости изображения пучка оторого лазера не перестанет зависеть от длительности и периода следования импульсов первого лазера, после чего о времени колебательной релаксации газа судят по времени нарастания смещения плоскости изображения пучка второго лазера.1382162 гд оставитель И,Луки ехред М.Моргентал орректор И.Шмаков актор 3 1950 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва,Ж, Раушская наб., 4/5 НТ СССР изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина