Устройство для измерения концентрации атомов и молекул в плазме

. СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ РЕСПУБЛИК А 94 С 1 21 НИЯ СВИДЕТЕЛЬСТВ ТОРСИ 4-2 ельюре что, с ц ости изм ем ел тора резос с елек тивными2. Устройстч а ю щ е е сс селективнымнвиде установлеполяризаторапластинки, опориентированыпри этом оптичнатора Майкелотношением к пГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИ ПИСАНИЕ ИЗОБР(71) Институт прикладной физикиАН СССР(56) Дрейден Г.В. и др, Применениеметодов резонансной интерферометриии голографии для диагностики плазмы.Физика плазмы, 1975,т.1, с.462.Кукушкин В.Г., Пулькин С.А.Затягивание квазимод и захват частоты влазере на красителе с резонаторомМайкельсона. "Лазеры на основе слож"(54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯКОНЦЕНТРАЦИИ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ В ПЛАЗМЕ, содержащее лазер.с двуплечим резонатором Майкельсона с оптическимидлинами плеч Ь, и Ь и установленную.в одном из плеч ячейку с исследуемойплазмой, о т л и ч а ю щ е е с я 801132668 повышения чувстви-ний, в другое плечо ден оптический элемент потерями.во по п.1, о т л и - я тем, что, элемент потерями выполнен в нных последовательно двулучепреломляющей ические оси которых под углом друг к. другу, еские длины плеч резосона Ь Ь связаны соЬ, -Ь Ьпй;где Ап - разность показателей преломления обыкновенного и иеобыкнов ного лучей, а Й - толщина пластины3. Устройство по п.1, о т л и ч ю щ е е с я тем, что элемент с сел тивными потерями выполнен в виде ин терферометра Фабри-Перо, при этом тические длины плеч резонатора Май кельсона Ь и Ь .связаны соотношени ем 1, - Ь = пй, где а - коэффицие преломления среды в интерферометре Фабри-Перо, а й - его толщина.1 11326Изобретение относится к оптико-интерференционным средствам измерения ,и диагностики плазмы и может быть использовано при исследовании импульс 5 ной плазмы низкой концентрации в установках УТС, МГД-преобразователях энергии, плазмотронах и т.п.Известны устройства для измерения концентрации атомов в плазме, содер жащие перестраиваемый квазимонохро- матический лазер и двухплечевой интерферометр Маха-Цандера, состоящий из двух глухих и двух полупрозрачных зеркал, В одном из плеч интерферометра 15 помещена ячейка с исследуемой плазмой, На выходе интерферометра установлен фотоаппарат для регистрации интерференционной картины. Концентрация атомов определяется из соотношения; 20Б = 6,25 10 ) (1) где К - сдвиг интерференционных полос в присутствии плазмы в интерферометре относительно положения интерференционных полос в отсутствие плазмы;8 - ширина исследуемой спектральной линии;1 - расстояние, проходимое лазерным излучением в плазме; 30Г - сила осциллятора.Недостатком известных устройств является их низкая чувствительность, обусловленная минимально регистрируемой величиной сдвига интерференционных полос К, а также сложностью и йнзкой точностью необходимых измереОний ширины исследуемой спектральной линии 8Наиболее близким по технической 40 сущности и достигаемому результату является устройство для измерения концентрации атомов и молекул в плазме, содержащее лазер с двуплечим резонатором Майкельсона с оптическими дли нами плеч Ьг и Ь и установленную в одном из плеч ячейку с исследуемой плазмой;В известном устройстве резонатор Майкельсона состоит иэ четырех зер кал, три из которых выполнены оптически глухими, а четвертое - полупрозрачным с коэффициентом отражения 50 . На выходе резонатора установлен анализатор спектра - спектрограф,. осуществляющий регистрацию на фотоматериале спектре излучения лазера. Регистрируемый спектр представляет собой эквидистантно расположенные, груп 68 2пы спектральных составляющих, так называемые квазимоды, расстояние междукоторыми определяется разностью оптических путей в двух плечах резонатора Майкельсона. Помещение исследуемого вещества в резонатор приводит кспектральному сдвигу (сближению) квазимод в силу того, что вблизи линиипоглощения исследуемого веществавследствие аномальной дисперсии оптическая разность хода сильно зависитот длины волны излучения. По регистрируемым сдвигам К определяется концентрация М атомов и молекул плазмыиз соотношения: 62510(% -,)К1 Егде 9, - длина волны, соответствующая центру линии поглощения;- длина волны просвечивающегоплазму излучения (9 - 600 нм),Недостатком устройства являетсяего малая чувствительность, поскольку с его помощью могут быть измеренылишь сдвиги, сравниваемые с расстоя- .ниями между квазимодами. Это не обе-спечивает возможности измерения малых концентраций плазмы. Кроме того,в устройстве необходимо использоватьанализаторы спектра с большим разрешением, (Аппаратная ширина должнабыть много меньше ширины квазимоды).Наконец, определение концентрацииатомов и молекул в плазме с помощьюэтого устройства требует значительных затрат времени из-за необходимости обработки фотоматериалов,Целью изобретения является повьппение чувствительности устройства.Поставленная цель достигается тем,что в устройстве для измерения концентрации атомов и молекул в плазме,содержащем лазер с двуплечим резонатором Майкельсона с оптическими длинами плеч Ь, и Ьд и установленную водном из плеч ячейку с исследуемойплазмой, в другое плечо резонаторавведен оптический элемент с селективными потерями, и тем, что элемент сселективнымн потерями выполнен в виде установленных последовательно поляризатора и двулучепреломляющей пластинки, оптические оси которых ори"ентированы под углом друг к другу,при этом оптические длины плеч резонатора Майкельсона Ь, и Ь связанысоотношением Ь, - Ь = йпй, где ап -разность показателя преломления обык новенного и необыкновенного лучей, а Й - толщина пластины, а также тем, что элемент с селективными потерями выполнен в виде интерферометра Фабри-, Перо, при этом оптические длины плеч резонатора Майкельсона 1. и Ь связаны соотношением Е - Ьг = п, где и - коэффициент преломления среды в интерферометре фабри-Перо, а й - его толщина.В вариантах выполнения устройства повьппение его чувствительности достигается введением в резонатор Майкель Б сона селективных потерь, величина которых связана с длиной волны излучения лазераВыбор оптических длин Ь и Ь плеч резонатора обеспечивает совпадение спектрального расположения 20 минимумов потерь, обусловленных интерференцией в обоих плечах резонатора в отсутствие плазмы со спектральным расположением минимумов селективных потерь. Это позволяет соз дать условия, при которых малые спектральные сдвиги квазимод, обусловленные,внесением плазмы, можно регистрировать в виде измеримого изменения интенсивности этих квазимод по срав нению с их интенсивностью в отсутствие плазмы или с интенсивностью квазимод вдали от линии поглощения плазмы..В первом варианте устройства, основанном на использовании эффекта дву-З .лучепреломления, поляризатор и двулучепреломляющая пластина в совокупности образуют элемент с селективными потерями Ч, зависящими.от длины волны излучения лазера Ъ - 40Ч =з 1 п 29 зпг 4 фйьпй(3) где 9 - угол между оптическими осями поляризатора и пластины. Величина потерь Ч, периодически зависит от длины 45 волныс периодомга= --2 дпйВо втором варианте устройства, основанном на явлении многолучевой интерференции, элемент с селективными потерями представляет собой интерферометр Фабри-Перо. Величина потерьЧ в нем определяется соотношением Ч=1+ ., (1, (4) а4 В.зпг (2 сп/э)где К - коэффициент отражения зеркалинтерферометра Фабри-Перо. Величина потерь Ч периодически зависит от длины волны с периодомЪ = Ъг/2 гпПодбор величины коэффициента отражения К позволяет добиться более сильной (нежели Ч, (Ъ зависимости величины Ч отвблизи минимумов2потерь. Это обеспечивает уменьшение по сравнению с первым вариантом спектральной ширины квазимод, что расши- ряеТ диапазон экспериментальных условий в области низких концентраций.На фиг.1 и 2 представлены различные варианты выполнения устройства. На фиг.1 - вариант с использованием поляризатора и двулучепреломляющей пластины; на фиг.2 - вариант с ис- пользованием интерферометра Фабри-Перо. На фиг.3,4 представлен спектр регистрируемого лазерного излучения: на фиг.3 - спектр в отсутствие плазмы, на фиг,4 - спектр при внесенной плазме.Устройство (см.фиг.1,2) содержит широкополосньй лазер с резонатором Майкельсона,образованным глухими зеркаламй 1, 2, 3 (коэффициенты отражения987) и полупрозрачным зеркалом 4. Внутри резонатора расположены ячейка 5 с активным веществом, ячейка 6 с исследуемой плазмой и элемент, 7 с селективнымн потерями. За зеркалом 2 расположена поворотная призма 8, оптически связывающая его с анализатором спектра - спектрометром 9.На фиг.1 элемент 7 выполнен в виде оптически связанных поляризатора 10 и двулучепреломляющей пластины 11, оптические оси которой ориентированы под углом 0 друг к другу. Поляризатор 10 установлен в оправе 12, обеспечивающей возможность поворота вокруг оси резонатора для плавного и контролируемого изменения угла О . Оптическая длина Ь плеча, в котором установлены .поляризатор 10 и пластина 11, связана с оптической длиной Ь плеча, в котором установлена ячейка 6, соотношением: Ь - Ь =дпй, где Ьп - двулучепреломление материала пластины 11, й - ее толщина.На фиг.2 элемент 7 выполнен в видеинтерферометра Фабри-Перо с коэффициентом К отражения, величина которого определяется условием эксперимента. Оптическая длина плеча Ь, в котором установлен интерферометр Фабри-Перо, связана с оптической дли 1132668ной плеча Ь , в котором установлена ячейка 6, соотношением Ь - Ь =пй, где и - показатель преломления интерферометра Фабри-Перо, Т - его толщина. 5Поскольку работа указанных вариантов основана на одном принципе - введение во второе плечо резонатора Майкельсона элемента с селективными потерями приводит к изменению интенсивности квазимод вблизи линии поглощения в плазме вследствие их спектральных сдвигов, обусловленных аномальной дисперсией в плазме. Работа устройства пояснена на примере первого вариан 15 та (см.фиг.1).Устройство работает следующим образом.В резонаторе, образованном зеркалами 1-4, генерируется широкополосное 20 лазерное излучение, Спектр этого излучения в отсутствие плазмы обусловлен суммой потерь, определяемой с одной стороны потерями из-за интерференции в резонаторе Майкельсона, эависящими от оптических длин Ь Ьг плеч резонатора, с другой стороны, селективными потерями Ч, . Эффективные потери Ч системы зеркал 1-4 с элементомЭф7.определяются соотношением: 30г 2(Ь-Ь , г 2 ЬЬ й Ч =вп 29 вдп ---вхп-- , э(5) где член вп 2 Г (Ь,-Ь ) /) определяется потерями, обусловленными интерференцией волн в резонаторе Майкельсона, а остальные сомножители - поте-. рями, обусловленными элементом 7см,.соотношение (3) .40 Поскольку размеры плеч резонатора выбраны так, что выполняется условие Ь, - Ь = Ьпй, то спектральное расположение минимумов потерь, обусловлен ,ных интерференцией в обоих плечах Ь Ь резонатора в отсутствие плазмы, совпадает с положением минимумов селективных потерь, вводимых элемента ми 1 О, 11. Поэтому спектр лазерного излучения в отсутствие плазмы представляет собой набор эквидистантных .квазимод одинаковой интенсивности 1 (фиг.З). Спектральное расстояние % = %, между этими квазимодами определя ется геометрическими размерами плеч резонатора и параметрами двулучепреломляющей пластины 11. Центры этих областей генерации - квазимод - со ЬМ с /1,1 1-3(7)где дЪ - спектральный сдвиг квазимоды. При малых сдвигах4 и ьл, 6вп =- = 47 -- = 4 нКгде К - относительный сдвиг квазимоды аналогичный сдвигу интерференционной полосы в уравнении (1).Величина потерь определяется соотношениемЬЧ, =8 вдп 28 К (8)Поскольку сдвиг Кквазимоды определяет концентрацию атомов 1 см, (2),то измерение К, и К; двух квазимод,лежащих по обе стороны от центра линии поглощения, позволяет определитьзначение Б из соотношенияг К, . КБ = 6,25 1 О - - - г-" - -Л (9)1 (К, +К;)Аналогичным образом работает второй вариант устройства, использующийв качестве селективного поглотителя7 интерферометр Фабри-Перо. ответствуют селективным потерям, равным нулю, согласно уравнению (5).Внесение плазмы приводит к возникновению аномальной дисперсии лазерно" го излучения вбЛизи линий поглощения. Это обуславливает изменение оптической длины Ь плеча, содержащего ячейку 6, В этих условиях минимальные потери, определяемые интерференций и селективным поглотителем 7, становятся не равными нулю. Интенсивность 1 генерации квазимод, возникающих в спектральных областях, соответствующих этим минимальным (но отличным от нуля) потерям, меньше интенсивности 1 квазимод, отстоящих далеко от линии поглощения (см.фиг.4, где %, - центр к-ой линии поглощения). Таким образом, спектрометр 9 регистрирует распределение интенсивности 1 Ь) квазимод, показанное на фиг.4.Измерение относительного уменьшения интенсивности 1; /1 О х-ой моды позволяет определить величину ЬЧ, потерь, приводящих к этому уменьшению, по Формуле: