Абсорбционный спектрометр

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ(71) Ордена Трудового Красного Знамени институт физики АН БССР(56) Беликова Т.П., Свириденков Э.АСучков А.Ф. Исследование слабых ли-.ний поглощения и усиления некоторыхгазов методом селективных потерь врезонаторе ОКГ. - Квантовая электроника, 1974, т. , В 4, с. 830-834,Авторское свидетельство СССРУ 790969, кл. С 01 И 21/39, 1979.(54) (57) 1. АБСОРБЦИОННЫЙ СПЕКТРО-. МЕТР, содержащий источник зондирую, щего излучения, лазер-гетеродин, нелинейный преобразователь частоты излучения, рабочую кювету и средство регистрации спектрального состава излучения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности анализа, дополнительно введен лазер, резонатор которого имеет с резонатором лазера-гетеродина общий участок, на котором оптические оси резонаторов обоих лазеров совмещены, и по одну сторону общего участка размещены активные элементы этих лазеров, по другую его сторону на пути зондирующего излучения расположена рабочая кювета, за которой уст.,.ЯО 1239558 А 1 тановлен отражатель с максимальнымкоэффициентом отражения на частотахзондирующего излучения, причем общийучасток резонаторов обоих лазеровограничен двумя светоделителями,между которыми расположены последовательно по ходу излучения .со стороныактивных элементов источник зондирующего излучения, "выполненный в виде,нелинейного преобразователя частотыизлучения, и фазовая пластинка, асредство регистрации спектральногосостава излучения размещено эа выходным зеркалом дополнительно введенного лазера. Ф Спектрометр по п.1, о т л и - щ и й с я тем, что, с целью ния чувствительности в ИК-об спектра, нелинейный преобразоель частоты выполнен с углом фазового синхронизма, соответствующим генерации зондирующего излучения с частотой, равной разности частот из-.лучений лазера-гетеродина и .дополни-, тельно введенного лазера.3. Спектрометр по п.1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью .ф ,повышения чувствительности в УФ-об- . 0 ласти спектра, нелинейный преобразо- ватель частоты выполнен с углом фазового синхронизма, соответствующим генерации зондирующего излучения с частотой, равной сумме частот излучений лазера-гетеродина и дополнительно введенного лазера.где с помощью светоделителя 6 совмещается с отраженными от отражателя 9 излучениями обоих лазеров.Фазовая пластинка 5, через которуюв прямом и обратном направления про- .ходят все три излучения, обеспечивает изменение обобщенной фазы процесса нелинейного преобразованиядля обратного прохода через преобразователь 4 по сравнению 1 с прямымпроходом на нГ , где н - нечетное,так что при обратном проходе происходит преобразование зондирующегоизлучения в излучение на частотах до"полнительно введенного лазера. Таким образом, зондирующее излучение генерируется за счет смещения излучений дополнительно введенного лазера и лазера-гетеродина внелинейном преобразователе 4 частоты, а затем обратно преобразуетсяв излучение на частоте дополнительно введенного лазера, Если при этом. те зондирующего излучения имеет место поглощение, то интенсивность излучения на соответствующей частотедополнительно введенного лазера, З 0 возвращающегося в его активный элемент, будет уменьшена по,сравнениюс интенсивностью излучения на час-.тотах, где зондирующее излучениепроходит через кювету 7 без погло щения. Таким образом, излучение дополнительно введенного лазера имеетна частотах, соответствующих линиямпоглощения, большие потери, чтоприводит к тому, что в спектре 40 генерации дополнительно введенноголазера, регистрируемом средствомрегистрации и анализа излучения поспектру, на частотах, соответствующих линиям поглощения, образуются 45 й -2(" )провели глубиной л- в -в в , глей, - интенсивностьв окрестностипровала; Э(9 ) - интенсивность на 50частоте 1 дополнительно введенноголазера, соответствующей. линии поглощения. Зависимость глубины провалаот коэффициента поглощения определяется типом дополнительно введенноголазера (с неоднородно или однородно55уширенной полосой усиления, импульсный или непрерывного действия). Например, для лазера с однородно уши. Ренным контуром усиления, работающе.1239558Изобретение относится к абсорбционному атомному и молекулярному спектральному анализу и может быть использовано в различных отраслях науки, техники и. производства, где 5 требуется высокая чувствительность снектральных измерений.Целью изобретения является повышение чувствительности анализа.На чертеже приведена оптическая 10 схема абсорбдионвого спектрометра.Абсорбционный спектрометр содержит лазер-гетеродин с активнык элементом 1 и дополнительно введенный лазер с активным элементом 2; На общем участке резонаторов обоих лазеров последовательно Ьо ходу .излучения со стороны активных элементов 1 и 2 размещены светоделитель 3, нелинейный преобразователь 4 частоты, фазовая пластинка 5 и светоделитель 6. За светоделителем 6 на пути зондирую-. щего излучения, сформированного вели". .нейным преобразователем 4, расположена рабочая кювета 7 и отражатель 8 с максимальным коэффициентом отражения на частотах зондирующего излучения, Отражатель 9 установлен за светоделителем 6 на пути излучения обоих лазеров. Отражатели 10 и 11 ограничивают резонаторы лазера-гете- родина и дополнительно введеиного . лазера со стороны активных элементов 1 и 2, Средство регистрации и анализа излучения по спектру (не показано) расположено за выходным зеркалом дополнительно введенного лазера.Устройство работает следующимобразом.Излучения на,частотах лазерай"гете. родина 1, и дополнительно введенного лазера 1 генерируются .в активных элементах 1 и 2 соответственно и затем совмещаются с помощью светоделителя 3 внутри нелинейного преобразователя 4 частоты. В нелинейном пре образователе 4 осуществляется преобразование.излучения дополнительно введенного лазера в зондирующее излучение с частотами , Пройдя, далее через фазовую пластинку 5, все три излучения попадают на светоделитель .6, который направляет зондирующее излУчение в рабочую кювету 7. Зондирующее,излучение проходит через рабочую кювету 7, отражается от отражателя 8 и возвращается в нели нейный преобразователь 4 частоты,з 1239558, . 4го в стационарном режиме, глубина спектра усиления активной среды;провала х, - величина накачки, выраженная вчисле порогов; Р, - коэффициент неселективных потерь в резонаторе;1+РАЙ) / , . 5 Р(1 ) - коэффициент селективных,8 2(3 обусловленных поглощением потерь нагде А=13 йГ/(1-1/х,)1 ,- показа- частотедополнительно введенноготель преломления, усредненный по лазера;(4 ) связан с коэффициентомдлине , где- расстояние между поглощения,К.(1 ) на соответствующейотражателем 11 и нелинейным преобра частоте 1 зондирующего излученияззователем 4 частоты; Г - полуширина следующим образоме с, геД соз - соЗ - +Д 1 Ф - Еь -.-ц 1 З,чй со 5 - соз + й 5 ть - рь - ГР+ Р+ Р где- длина рабочей кюветы;Г, - длина нелинейного преобразователя 4 частоты205 пд др,суъ Фъ Р А Агде д - нелинейный коэффициент второго порядка; Г - внутрирезонаторнаяФ 25мощность излучения на частоте лазера-гетеродина; Г - скорость света;. р =РАЯ 1 ц, - коэффициенты отражения отражателя. 9 на частотах дополнительно введенного лазера и лазерагетеродина соответственно К - коэф- З 0Уфициент отражения отражателя 8 начастоте зондирующего излучения,В наиболее простом варианте исполнення абсорбционного спектрометра хаэер-гетеродин и дополнительно 35введенный лазер генерируют излуче,ние различных поляризаций и в качестве светоделителя 3 служит поляризационная призма. Для того, чтобысветоделитель 6 отражал зондирующееизлучение в направлении рабочей кю";веты 7 и пропускал излучения обоихлазеров в направлении отражателя 9,он должен быть выполнен в виде зеркала со,специальным покрытием. Если 45вещества, содержащиеся в рабочей кювете 7, не поглощают ца частотах лазера-гетеродина и дополнительно введенного лазера, светоделитель 6может быть выполнен в виде поляризационной призмы. В этом случае светоделитель 6 направляет излучение лазера-гетеродина на отражатель 8, аизлучение дополнительно введенноголазера проходит .в направлении отражателя 9.Если зондирующее излучение имеетту же поляризацию, что и излучение лазера-гетеродина, рабочая кювета 7,должна быть установлена междусветоделителем 6 и отражателем 8,который имеет максимальный коэффици-.ент отражения на частотах зондирующего излучения. Если поляризациязондирующего излучения совпадает споляризацией дополнительно введенного лазера, отражателем с максимальным коэффициентом отражения на.частотах зондирующего излучения должен быть отражатель 9 и рабочая кювета 7 должна быть установлена мелдусветоделителем 6 и отражателем 9,Спектральный состав зондирующегоизлучения определяется спектром генерации,обоих лазеров и видом нели-нейного преобразователя частоты,причем частота зондирующего излучения может перестраиваться, если использовать в качестве дополнительновведенного. лазера перестраиваемый лазер, например лазер на красителе,.и осуществлять перестройку сннхронизма в нелинейном преобразователечастоты.П р и м е р . 1. Рассмотрим абсорб-ционный сйектрометр, в котором в ка-,честве лазера-гетеродина служит рубиновый лазер Р,=0,694 мкм), работающий в режиме свободной генерации,и дополнительно введен лазер накрасителе родамин 6 Ж в этаноле с лам-повой накачкой (диапазон перестройки 1 =0,57-0,62 мкм). Полоса усиленияраствора органического красителяоднородно ущирена и для него справедливы формулы (1. и 2) . Для осуществления высокочувствительных спектральных измерений в ИК-области спектранелинейный преобразователь 4 частотывыполнен из .кристалла 1 ИОь с угломе фазового синхроннзма 6 21, Изме-няя путем поворота кристалла угол 8, в пределах 22,б,15, имеем зондирующее излучение, перестраиваемое в диапазоне 1 =3,2-5,8 мкм. В этот диапазонпопадает, в частности, ряд линий газов, загрязняющих атмосферу: СО (4,7 мкм), 00 (5,3 мкм), Н СО (З,б мкм), СН (3,4 мкм). Фазо вая пластинка 5 изготовлена из ВаР прозрачного в области 0,15-15 мкм. При использовании фазовой пластинки 5 толщиной 5 мм изменение угла наклона пластинки от О до 8,7 обесо печивает изменение обобщенной фазы впластинке на произвольную величину в пределах от 0 до% . Положение пластинки 5, при котором глубина провала в спектре максимальна, соответст вуетизменению обобщенной фазы перед обратным проходом по сравнению спрямым, проходом на ттЛ, где ь - нечетное. В качестве светоделителя 3служит поляриэаронная призма Глана, изготовленная из СаСО (прозрачен в области 0,2-2 мкм), в качестве светоделителя 6 - зеркало из германия с интерференцнонным покрытием, пропускающее излучение лазера на ЗО красителе и рубинового лазера и отражающее в направлении рабочейкюветы зондирующее излучение. Отражатель 9 имеет максимальный коэффициент отраженияна частотах лазера на 35 кристалле и рубинового лазера, отражатель 8 - максимальный коэффициент отражения на частотах зондирующего излучения=ф.=0,997), Отражатель 10 отражает 99,7 Х излучения ру бинового лазера., отражатель. 1. служит выходнымзеркалом лазераиа краси-. теле иимеет коэффициентотражаиия 453,П р и м е р 2. Для осущестгвле-" ния высокочувствительных спектраиь 45 ных измерений в УФ-области спектра в дополнительно введенном лазере ис пользуется краситель - оксаэинв дихлорметане (1 =0,74 мкм); а не-. линейный преобразователь. 4,частоты выполнен иэ кристалла КДР с углом фазового синхронизма 9 , =87,3 При использовании в качестве лазерагетеродина рубинового лазера длина волны зондирующего излучения в этом случае 1 =0,358 мкм.В окрестности этой длины волнырасположены, в частности, ливии атомарного С, - 357,87 и 359,35 нм. фазовую пластинку 5 изготавливают из плавленного кварца ЫО 2. Изменение обобщенной фазы в пластинке на произ- вольную величину от 0 до 5 обеспечи-. вается в этом случае при изменении угла наклона пластинки толщиной 5 мм от 0 до 393Основным достоинством предлагаемого абсорбционного спектрометра по. сравнению с известным является увели-, чение чувствительности к слабым поглощениям. В табл. 1 и 2 приведены значения относительной глубины провала в спектре дополнительно введенного лазера при оптической толщине рабочей кюветы на частоте линии.поглощения К (4 )Г =10 ф.для примеров 1 и 2 соответственно при длине. нелинейного кристалла 1 =4 см и различных значениях мощности излучения лазера" . гетеродинаР в резонаторе при следующих параметрах лазера на красителе: Ь =50 см, Г =2000 см , х.1, Б =1, аО р С другой стороны, в известном уст-. ройстве согласно формуле (1) при оптической толщине рабочей кюветы К(4 И= 10 относительная глубина3 -3 (4)ароиала ив -10,Таким обра бзом, из табл. 1 и 2 видно, что ис- . пользование предлагаемого изобретения позволяет повысить чувствительность. на 1-3 порядка. Иеньшнй выигрыш в чувствительности в примере 2 обусловлен тем, что нелинейный коэффициент 4 в кристалле КДР на порядок ниже чем в ЬхЛОэ,и, следовательно, в КДР ниже КПД нелинейного преобразования, Наряду с повышением чувствительности в предлагаемом абсорбционномспектрометре нелинейный преобразователь частоты оказывается размещенным и резонаторе лазера-гетеродина и за счет этого увеличивается КПД преобразования зондирующего излуче-ния в .излучение дополнительно вне денного лазера, непосредственно анализируемое с помощью средств регистрации и анализа по спектру, В результате в предлагаемом спектрометреплотность мощности излучения, попадающего на средство регистрации ианализа излучения по спектру, в10-100 раз выше, чем в известномспектрометре, если в качестве источ. Подпикомитета СССР и открытий ская наб., д. 4/иавВВВтВ 4 Ма ВЭВВ 5 ВПроизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород,оектная,ника зондирующего излучения в известном устройстве испольэовать источниктипа лазерного, например генераторразностной частоты. Если в известномустройстве в качестве источника зондирующего излучения используется тепловой источник, то предлагаемое изобТираж. 778 ВНИИПИ Государственн по делам изобретений 3035, Москва, Ж"35, Р.ретение дает выиграш по мощности еще в 100 раз. Повышение мощности анализируемого излучения позволяет получать спектр с более высоким разрешением и лучшим отношением сигнала к шуму, чем у известного уст- ройства.