Способ определения относительного спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛ ИСТИЧ Е СКИХРЕСПУБЛИК й 21 6(53) 5 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ,Мос,О Целью изобрете ние точности измере Способ определ спектрального распр сти излучения втори ствляется следующи В многоходовую ской оси вводят лазния является повышений.ения относительного еделения интенсивночного процесса осущем образом.кювету вдол ерное излучен ь оптичеие, кото(21) 4636291/25(71) Институт физики им. Б,И.Степанова и Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем им, А,Н.Севченко(56) Сго 1 доп Р,ООгайо К, Ап асоцзт 1 са 11 у гезопапт зузтепз аког детестоп о 1 1 оаече 1 п 1 гагед аЬзогрт 1 оп 1 и аопозрЬеге ро 11 охамз. - ,3.Арр 1. Роуз, 1974, ч, 45, М 10, р. 4350 - 4355.ЯаптачСса А, А Ы 91) епегду, 1 опд рамзе, Ид: УАО 1 азег тцЫразз сеИ аког шатап зсаттегпд дадпозбсз, - Орт 1 с Согптоп, 1979, ч, 30, М 3, р, 423 - 425.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ВТОРИЧНОГО ПРОЦЕССА(57) Изобретение относится к лазерной спектроскопии. Целью изобретения является повышение точности. В многоходовую кювету вдоль оптической оси вводят лазерИзобретение относится к лазерной спектроскопии и может быть использовано для измерений эффективности слабых взаимодействий излучения с веществом, в частности интенсивности вторичных процессов распада поглощенной объектом энергии излучения (например, излучения люминисценции или комбинационного рассеяния и др.). О 1679305 А 1 ное излучение, которое преобразуется по частоте в нелинейном кристалле, помещенном внутрь кюветы. Преобразованное по частоте излучение является зондирующим для находящегося внутри кюветы исследуемого объекта. Отражатели кюветы образуют оптический резонатор, высокодобротный на частоте зондирующего излучения и низко- добротный на частоте излучения лазера, При этом регистрируемый. сигнал вторичного процесса, возникающий в результате возбуждения исследуемого объекта, нормируют на энергию преобразованного по частоте излучения, вышедшего из многоходовой кюветы через один из ее отражателей за счет времени взаимодействия со средой. Преобразование частоты осуществляют с помощью двух предварительно сформированных пучков лазерного излучения, неколинеарных оси кюветы и один другому, посредством нелинейного преобразователя, выполненного для преобразования частоты при векторном фазовом синхронизме таким образом, что волновой вектор преобразованного по частоте излучения совпадает с оптической осью многоходовой кюветы.1 з.п.ф-лы, 2 ил.(8) ваго отражате м среды возни х (9) 1-го прохода 45 13) г)прое преобразуется по частоте в нелинейномкристалле, помещенном внутрь кюветы.Преобразованное на частоте излучение служит зондирующим для находящегося внутри кюветы исследуемого объекта, 5Отражатели кюветы образуют оптическийрезонатор, высокодобротный на частотезондирующего излучения и низкодобротный на частоте излучения лазера, При этомрегистриуемый сигнал вторичного процесса, являющегося следствием возбужденияобьекта зондирующим излучением нормируют на энергию преобразованного по частоте излучения, вышедшего измногоходовой кюветы (МК) через один из ее 15отражателей за все время. взаимодействиясо средой,Преобразование осуществляется с помощью двух предварительно сформированных пучков лазерного излучения, 20неколинеарных оси кюветы и один другому,посредством нелинейного преобразователя, выполненного для преобразования частоты при векторном фазовом. синхронизметак, что волновой вектор преобразованного 25по частоте излучения совпадает с оптической осью многоходовой кюветы,Излучение вводится в МК вдоль ее осисо стороны первого отражателя с коэффициентом отражения Йз и коэффициентом пропускания Тз Через второй отражатель скоэффициентом отражения Й 4 и коэффициентом пропускания Т 4 излучение частичновыходит из МК и поступает на фотоприемник, сигнал которого 3, Введенный в МК 35световой импульс имеет энергию. Считают,что выполняются условия Й 4+ Т 4 = 1; Йз+ Тз= 1, пропускание исследуемой среды Тх,пропускание находящихся в МК элементовмежду первым отражателем и образцом Т 7, 40между образцом и вторым отражателем Тв,Энергия излучения перед первым проходом образцаЕ =Е Т 7, (1)а после первого проходаЕ = ЕТ 7 Тх. (2)Отклик фотоприемника на первый вышедший иэ МК импульс светаЯ = ЕТ 7 Т 8 Тх Т 44 = Е Тх ТвТ 4 К (3)где М - коэффициент, зависящий от параметров фотоприемника и измеряемого параметра выходящих иэ МК импульсов света.Аналогично получают для второго вышедшего из МК импульсаяг = В(1%д 4 тттатх) (4) 55и для и-гоВо=31(ТО Т (5) гдд Тд - %й 4 т 8 - дщид пдтдриМ, измеряемые при отсутствии в МК исследуемой среды (Т = 1).Суммарная энергия всех выходящих из МК через одно из зеркал импульсов согласно выражению для суммы членов убывающей геометрической прогрессии равна Еобщ. = 3= 31 (6)о 1 1 1 ТПТх) Отклик детектора вторичного процесса на поглощенную энергию Ь Е обозначим за О. Тогда при первом проходе среды введенным импульсом света с учетом (2) получают 01= ЬЛЕ 1= Ьд Е "(1 -Тх) =Б 1ТвТК (7)где 01 - отклик детектора вторичн цесса на поглощенную энергию Л первом проходе исследуемой средЬ - коэффициент чувствительно го детектора;д - квантовый выход вторичного проОтразившись от второго отражателя МК, излучение снова проходит исследуемую среду.02 = Ь Ь Е 2 = Ь 1 Е Й 4 01 Т 8 Й 4 Тх,После отражения от пер ля и третьего прохода свето кает сигнал Оз= ЬЬ Ез = 01 Т вйзй 4 Т 7 Т Считая Т 7 =Тв; Йэ д"-Й 4, для можно запис тьО = 01( ЬЙ 4 Т 7 ТвТХ) = 01(ТОТХ), (10) причем 1= 2 п, где и - число вышедших из МК импульсов. Тогда с помощью выражения для суммы членов убывающей геометрической прогрессиигп - 1 1 1 1- иО щ;Х1-ТОТ Из (6), Р) и (11) следует, что Ообщ ЬЦ 1 - 1 х " + 1 хТО (12) Еобщ К Т 8 Т 4 Тх или иначе=ф (ттю"), ( где А - величина общих потерь в МК на проход, включающих потери на пропускание зеркал, поглощение и рассеяние излучения входящими в МК элементами;Ах - доля поглощаемой исследуемой средой энергии излучения.Для сравнения получают выражение отклика детектора вторичного процесса при отсутствии нормировки на энергию импуль) са зондирующего излучения за время взаимодействия со. средой.Если в МК введена интенсивность 1 л, то ее изменение со временем описывается выражениемф)-1 ле , (14) где с,; - время жизни фотона в МК, рав- ное%6 Д1, ЬсА А (15)В случае известного способа ЛЬ = -21 С В качестве единицы времени берется время прохода МК Ю = ОС, Считают, что в течение этого времени энергия излучения в МК постоянна, а импульс лазера имеет длительность Ьл.После первого прохода объектом излучения измеряется заряда =2 к 1 лтое 11 г" (16) Тогда общий заряд, измеренный датчиком вторичного процесса после и проходов, составляет Ое =23 суАаеф Ь е еефее=оПоскольку и1 е О в (используют формулу для суммы убывающей геометрической прогре 1 - е о Фва = и ль эу( - )А. (19Сравнивая (19) с формулой для обычных однопроходовых измеренийа =11 ЖАможно сделать вывод, что повышение чувствительности при помещении среды в МК составляет 1/А при одной и той же всздействующей на среду энергии лазера.Сравнение (13) и (19) покаэывае, что 5 введение нормировки сигнала датчика вторичного процесса на энергию вышедшего через второй отражатель МК зондирующего излучения позволяет устранить не только влияние флюктуаций интенсивности и дли тельности импульса лазера, но также значительно уменьшить влияние флюктуаций времени жизни фотона в МК, Например, согласно (13) и (19) изменение А в пределах 0,025 - 0,0275, т.е, на 0,25, изменяет отклик детектора вторичного процесса на 10 см (19), а отношение О/Е - на 0,1 О 22 см (13), Следовательно, введение нормировки энергии генерируемого объектом импульса на энергию вышедшего из МК импульса снижает влияние флюктуаций А почти в 100 раз и устраняет влияние 1 л, Л 1 л и расходимости На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг, 2 - оптическая схема устройства для измерения сигнала вторичного процесса с преобразованием частоты лазерного излучения в условиях неколинеарнога фазового синхрониэма,Схема (фиг. 1) использует для зондирования генерацию второй гармоники излучения лазера, Устройство включает лазер 1, осевую МК, выполненную из двух высакоатражающих зеркал 2 и 3, причем зеркала 2 имеет максимальный коэффициент прапускания на частоте и и максимальный каэффициент отражения на частоте 2 м . Между зер.алами 2 и 3 размещена исследуемая среда 4 и нелинейный преобразователь 5 частоты излучения, выполненный для колинеарной генерации второй гармоники, С исследуемой средой 4 оптически связан детектор 6 сигнала вторичнага працесса. На выходе МК размещен фатаприемник 7 и система 8 регистрации отношения сигналов детекторов 6 и фотоприемника 7.На схеме (фиг, 2) дополнительно введена система 9 формирования двух пучков одинаковой интенсивности, нелинейный преобразователь 5 частоты излучения,Способ реализуется следующим образом.Излучение лазера 1, пройдя оптическую линию задержки(не показана), поступает на селективный отражатель 2, Интенсивность лазера, прошедшая с малыми потерями селективный отражатель 2, удваивается па частоте в нелинейном преобразователе 5 частоты, В исследуемой среде 4 вследствие взаимодействия с ней излучения Ьв гекерируется сигналкоторый пропорционален интенсивности 1 и детектируется детекторром 6. Система 8 регистрации измеряет отношение энергии генерируемого средой 4 и детектируемого датчикам 6 импульса к энергии вышедшего из МК импульса излучения преобразованной частоты, частично вышедшего через зеркало 2, детектируемого фото приемником 7,При неколинеарном вводе излучения два пучка одинаковой интенсивности, пересекаясь в кристалле пад углом Ь, генериру 1679305ют внутри МК излучение второй гармоники. Это позволяет устранить из МК излучение основной частоты, превышающее по интенсивности зондирующее излучение.Ориентация нелинейного кристалла и направления волновых векторов взаимодействующих волн выбираются таким образом, что волновой вектор преобразованного излучения совпадает с осью МК. Угол между оптической осью кристалла и направлением нормали к рабочим граням определяется типом нелинейного взаимодействия и углом схождения в кристалле пучков основной частоты аВвод излучения в.МК при использовании неколинеарного взаимодействия может быть осуществлен не только посредством генерации второй гармоники, но и с помощьа генерации суммарных и разностных частот, что позволяет исследовать процессы в УФ- и ИК-областях спектра.Таким образом, предлагаемый способ позволяет по сравнению с известным почти в 10 раз уменьшить погрешность измерений генерируемого объектом сигнала, обусловленную флактуациями интенсивности, длительности и расходимости излучения лазера, а также флюктуациями добротности МК.Замена колинеарного взаимодействия при удвоении частоты неколинеарным позволяет развязать лазер и высокоотражающее зеркало МК без использования оптической линии задержки с большой базой, также устраняет из объема объекта, с которым взаимодействует излучение второй гармоники, значительно более мощное излучение основной частоты.формула изобретения 1, Способ определения относительного 5 спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса, включающий ввод лазерного излучения в многоходовую кювету вдоль ее оптической оси, преобразование лазерного излучения 10 по частоте в помещенном между отражающей кюветой нелинейном кристалле, регистрацию сигнала вторичного процесса, возникающего в объекте, помещенном также внутрь многоходовой кюветы под дейст вием преобразованного по частотеизлучения, при этом многоходовая кювета имеет низкую добротность на длине волны лазерного излучения и высокую добротность на длине волны преобразованного по 20 частоте излучения, являющегося зондирующим, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, сигнал вторичного процесса нормируют на энергию преобразованного по частоте излучения, вышедше-25 го иэ многоходовой кюветы через один из ееотражателей за все время взаимодействия со средой.2. Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что преобразование частоты осуществ ляют с помощью двух предварительно сформированных пучков лазерного излучения, неколинеарных оси многоходовой кюветы и друг другу, в нелинейном преобразователе частоты, выполненном для преобразования 35 частоты при векторном фазовом синхронизме так, что волновой вектор преобразованного по частоте излучения совпадает с оптической осью многоходовой кюветы.1679305 2 Составитель Т,ВладимироваТехред М.Моргентал Корректор М.П едактор И.Шулла оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, У л.Гагарина, 1 Заказ 3206 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5