Возможность повышения чувствительности волоконного датчика с помощью метода внутрирезонаторного лазерного поглощения | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №20 (154) май 2017 г.

Дата публикации: 17.05.2017

Статья просмотрена: 4 раза

Библиографическое описание:

Туляганов З. Я. Возможность повышения чувствительности волоконного датчика с помощью метода внутрирезонаторного лазерного поглощения // Молодой ученый. — 2017. — №20. — С. 78-80. — URL https://moluch.ru/archive/154/43443/ (дата обращения: 23.06.2018).



Появление и развитие лазерной техники привело к созданию нового варианта абсорбционного анализа — внутрирезонаторного лазерного поглощения (ВРП). Первые работы, в которых особенности в спектре генерации оптических квантовых генераторов объяснялись наличием селективного поглощения средой внутри резонатора, появились в начале 70-х гг. Определение положений провалов в спектре генерации лазера позволяет отождествлять их с определенным сортом поглощающих атомов или молекул, т. е. проводить качественный анализ помещенного внутрь резонатора газа. Измерение величины и формы провалов позволяет, в конечном счете, определять количество поглощающих частиц. Помещение внутрь резонатора лазера кюветы с газом, линии поглощения которого попадают в область генерации, приводит к изменению характера спектра или интегральной интенсивности излучения лазера. Если газ с относительно узкими линиями поглощения γ1, γ2, γ3 (рис. 1) помещается в резонатор многомодового лазера с широкой линией генерации γ, то в спектре генерации будут наблюдаться провалы в интенсивности излучения на частотах γ1, γ2 и γ3. Образование этих провалов связано с тем, что внесение дополнительных селективных потерь приводит к перераспределению интенсивности излучения генерируемых мод и к «выгоранию» мод, совпадающих по частоте с линиями поглощения исследуемого газа, т. е. генерируемые широкополосным лазером моды, совпадающие по частоте с линиями поглощения газа, испытывают как бы двойное подавление, как за счет прямого поглощения излучения помещенной во внутрь резонатора газовой смесью, так и за счет конкуренции мод лазера.

Рис. 1. Изменение спектра генерации лазера за счёт селективного поглощения

Если ширина линии поглощения газа равна или больше ширины линии генерации лазера, то интенсивность излучения уменьшается вплоть до срыва генерации за счет изменения добротности резонатора на генерируемой моде. Этот вариант метода адекватен поглощению в многоходовой кювете вне резонатора, но со значительным увеличением эффективной толщины поглощающего слоя газа, так как потери в интенсивности излучения при отражении от зеркальной поверхности в значительной мере компенсируются усилением в активной среде лазера.

«Узкополосный» вариант метода обладает лучшей, в сравнении с «широкополосным», разрешающей способностью, которая определяется шириной линии излучения лазера, поэтому аналитическое применение его предпочтительно при решении задач анализа сложных смесей, когда основным является разрешение налагающихся компонентов в спектрах поглощения различных молекул.

При решении задач определения микропримесей более оправдано применение «широкополосного» варианта метода, который чувствительнее к малым селективным потерям внутри резонатора за счет дополнительного влияния конкуренции генерируемых мод и обладает большей стабильностью генерации, так как работает в условиях значительного превышения над порогом генерации.

Основным вопросом, возникающим при рассмотрении возможности использования того или иного метода для решения аналитических задач, является возможность однозначной и простой связи измеряемого аналитического сигнала с содержанием определяемого компонента. В методе ВРП до настоящего времени существуют трудности в получении количественной информации о концентрации поглощающих частиц. Это обусловлено тем, что измеряемое изменение интенсивности излучения лазера на частотах, совпадающих с линиями поглощения анализируемого газа (т. е. глубина и форма провалов в спектре генерации), зависят как от параметров линий поглощения, так и от параметров лазера.

В предположении, что ширина линии поглощения γi много меньше ширины спектра излучения лазера γ и время регистрации t не превышает времени непрерывной генерации лазера Тн, когда генерирующие моды можно считать независимыми, интенсивность спектра излучения лазера I (γ, t) в районе линии поглощения описывается выражением:

I(γ, t)=I(γ,0)exp [-k(γ)(ctLп / Lp)],(1)

где I(γ,0) интенсивность излучения лазера в начале генерации; k(γ) — спектральный коэффициент поглощения; t-время регистрации; Lп и Lp длины поглощающего слоя газа и резонатора лазера.

Выражение (6.1) позволяет найти спектральный коэффициент поглощения путем либо измерения мгновенных значений интенсивности генерации на частотах γ1, γ2, γ3, во времена t1, t2 (при этом t = t2 — t1 должно быть меньше времени непрерывной генерации моды Тн), либо интегрированием изменения I1, γ2, γ3) за время наблюдения t  Тн. В первом случае значения k(γ) находятся из выражения:

k(γ)= -(Lp / cLn t)ln I (γ, t),(2)

а во втором — из выражения, описывающего интегральный во времени спектр генерации:

Ф(γ)= I(γ, 0) I(γ, t) ∫ Iи ()ехр [-cLn k(γ) / Lp] d / ∫ Iи ()d,(3)

где Iи () — форма импульса генерации лазера.

В большинстве работ о применении метода ВРП приводят измеренные значения спектрального коэффициента поглощения различных линий исследуемых газов или оценки предельных их значений. С аналитической точки зрения эта информация совершенно недостаточна для определения возможностей внутрирезонаторных методик, так как подобные данные являются лишь промежуточными в получении результата анализа, а именно: информации о содержании определяемого компонента в анализируемом газе. Для получения такого результата необходимы дополнительные сведения о линиях поглощения (их интенсивности S и ширине γi), а также о давлении анализируемой смеси в кювете.

Парциальное давление определяемого компонента может быть найдено из выражения:

Pr = k(γi)(γi / 2S)(4)

Интенсивность некоторых линий поглощения молекул различных газов в области генерации неодимового ( = 1,06 мкм) и рубинового ( = 0,69 мкм) лазеров приведены в табл.1.

Таблица 1

Интенсивность S (см-2 · Па-1) линии поглощения молекул некоторых газов

, мкм

Н2О

СО2

N2

N2O

NO2

O2

SO2

1,06

0,69

10–14

1,2·10–14

10–16

<2·10–18

<3·10–18

<2·10–18

10–16

___

<3·10–18

10–13

<3·10–18

10–17

<3·10–18

__

Ширина линий поглощения молекул неорганических газов зависит как от давления газа в кювете, так и от сорта буферного газа и может изменяться от 0,05 до 0,2 см--1. Использование выражения (4) позволяет получать количественную аналитическую информацию в спектрометрах с широкой полосой генерации излучения.

В узкополосном варианте метода предложено [1] использовать следующее выражение связи коэффициента поглощения k(γi) с парциальным давлением газа Рr в анализируемой пробе:

k(γi) = χi Pr,(5)

где χ- коэффициент, определяющий поглощательную способность единицы количества газа; в инфракрасном диапазоне спектра. Для таких газов, как СН4, СО2, NН3, NО χi 102–103 см-1 МПа-1.

В настоящее время наиболее существенным, ограничивающим внедрение в аналитическую практику этого метода фактором является, по-видимому, сложность обработки аналитического сигнала при получении результата определения.

Простейшая схема внутрирезонаторного лазерного спектрометра представлена на рис.2. Здесь аналитические характеристики спектрометра определяются обоими элементами I и II, принципиальные его возможности зависят, прежде всего, от параметров лазера: постоянства, спектрального распределения коэффициента усиления, ширины и сглаженности спектра генерации, длительности стабильной генерации в окрестности исследуемой линии, спектрального диапазона генерации, возможности управления значениями длительности и частоты генерации. Основное условие выполнения выражения (рис. 2), описывающего интенсивность генерации в окрестности линии поглощения исследуемого газа это малая ширина линии поглощения по сравнению с шириной генерации лазера. В этих условиях происходит перераспределение интенсивности излучения мод без изменения коэффициента усиления активной среды, т. е. лазер имитирует многоходовую кювету, а интенсивность в центре линии поглощения спадает по экспоненциальному закону. В газовом анализе ширина линий поглощения, как правило, не превышает 0,2 см-1, поэтому достаточно обеспечить ширину спектра генерации не менее 1 см-1.

Рис. 2. Схема внутрирезонаторного лазерного спектрометра: I — лазер; II — система преобразования и регистрации излучения. 1 — активный элемент; 2 — абсорбционная кювета; 3 — зеркала резонатора; 4 — спектрограф; 5 — приёмник излучения

Литература:

  1. Лебедов А. В., Попов А. И. // ЖПС. 1986. Т. 44. № 2.С. 219–225.
Основные термины (генерируются автоматически): линия поглощения, спектральный коэффициент поглощения, интенсивность излучения, спектр генерации, определяемый компонент, форма провалов, область генерации, линия поглощения молекул, селективное поглощение, анализируемый газ.


Похожие статьи

Спектральная зависимость коэффициентов эффективности...

Рассчитана спектральная зависимость коэффициентов эффективности поглощения наночастиц алюминия в PETN в интервале длин волн 400÷1200 нм. Показано, что при изменении длины волны света максимальный коэффициент эффективности поглощения наночастиц...

Поглощение и рассеяние солнечного излучения в гелиотеплице...

В работе рассматриваются вопросы рассеяния поглощения и излучение трехатомных газов. Основными рассеивателями реллеевского типа в атмосфере являются молекулы газа. Если размер частицы больше примерно 1/10 длины волны...

Исследование и моделирование спектров излучения газового...

Возникновение атомного спектра характеризуется поглощением излучения или его испусканием, состоящий в совокупности из единичных спектральных линий свободных атомов газа [5]. Такой спектр характеризуется отдельным параметром — частотой излучения...

Оптодинамические эффекты в системах связанных плазмонных...

Тем не менее, поглощение доменом излучения приводит к нагреву его наночастиц (электронной и ионной компонент металла) и передаче тепловой энергии полимерному адсорбционному слою (АС).

Спектральная зависимость коэффициентов эффективности...

В работе рассчитаны коэффициенты эффективности поглощения наночастиц меди в вакууме, значения комплексного показателя преломления меди были взяты из двух источников. Различие в значениях комплексного показателя преломления проявляется в положении и амплитуде...

Определение физических параметров радиационных процессов...

Стоксовый компоненты Рамановского спектра появляются при поглощении (когда длина волны лазерного излучения больше чем длина волны стоксового компонента) или

Линии Брилюэна по отношение линии Стокса интенсивнее, но имеет слабое спектральное смешение.

Исследование фотолюминесценции коллоидных квантовых точек...

Широкий спектр поглощения КТ позволяет использовать один источник возбуждения для

Образцы отбирались по ходу реакции через определенные интервалы времени после

По положению максимума излучения на спектре можно оценить средний размер частиц в...

Оптические свойства новой полупроводниковой системы CdS–ZnTe

- полосы поглощения в области 3520–3690 см-1, принадлежащие валентным колебаниям молекул воды; - полосу поглощения 3750 см-1 принадлежащую валентным колебаниям структурных гидроксильных групп

Спектральная зависимость коэффициентов эффективности...

Рассчитана спектральная зависимость коэффициентов эффективности поглощения наночастиц алюминия в PETN в интервале длин волн 400÷1200 нм. Показано, что при изменении длины волны света максимальный коэффициент эффективности поглощения наночастиц...

Поглощение и рассеяние солнечного излучения в гелиотеплице...

В работе рассматриваются вопросы рассеяния поглощения и излучение трехатомных газов. Основными рассеивателями реллеевского типа в атмосфере являются молекулы газа. Если размер частицы больше примерно 1/10 длины волны...

Исследование и моделирование спектров излучения газового...

Возникновение атомного спектра характеризуется поглощением излучения или его испусканием, состоящий в совокупности из единичных спектральных линий свободных атомов газа [5]. Такой спектр характеризуется отдельным параметром — частотой излучения...

Оптодинамические эффекты в системах связанных плазмонных...

Тем не менее, поглощение доменом излучения приводит к нагреву его наночастиц (электронной и ионной компонент металла) и передаче тепловой энергии полимерному адсорбционному слою (АС).

Спектральная зависимость коэффициентов эффективности...

В работе рассчитаны коэффициенты эффективности поглощения наночастиц меди в вакууме, значения комплексного показателя преломления меди были взяты из двух источников. Различие в значениях комплексного показателя преломления проявляется в положении и амплитуде...

Определение физических параметров радиационных процессов...

Стоксовый компоненты Рамановского спектра появляются при поглощении (когда длина волны лазерного излучения больше чем длина волны стоксового компонента) или

Линии Брилюэна по отношение линии Стокса интенсивнее, но имеет слабое спектральное смешение.

Исследование фотолюминесценции коллоидных квантовых точек...

Широкий спектр поглощения КТ позволяет использовать один источник возбуждения для

Образцы отбирались по ходу реакции через определенные интервалы времени после

По положению максимума излучения на спектре можно оценить средний размер частиц в...

Оптические свойства новой полупроводниковой системы CdS–ZnTe

- полосы поглощения в области 3520–3690 см-1, принадлежащие валентным колебаниям молекул воды; - полосу поглощения 3750 см-1 принадлежащую валентным колебаниям структурных гидроксильных групп

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Спектральная зависимость коэффициентов эффективности...

Рассчитана спектральная зависимость коэффициентов эффективности поглощения наночастиц алюминия в PETN в интервале длин волн 400÷1200 нм. Показано, что при изменении длины волны света максимальный коэффициент эффективности поглощения наночастиц...

Поглощение и рассеяние солнечного излучения в гелиотеплице...

В работе рассматриваются вопросы рассеяния поглощения и излучение трехатомных газов. Основными рассеивателями реллеевского типа в атмосфере являются молекулы газа. Если размер частицы больше примерно 1/10 длины волны...

Исследование и моделирование спектров излучения газового...

Возникновение атомного спектра характеризуется поглощением излучения или его испусканием, состоящий в совокупности из единичных спектральных линий свободных атомов газа [5]. Такой спектр характеризуется отдельным параметром — частотой излучения...

Оптодинамические эффекты в системах связанных плазмонных...

Тем не менее, поглощение доменом излучения приводит к нагреву его наночастиц (электронной и ионной компонент металла) и передаче тепловой энергии полимерному адсорбционному слою (АС).

Спектральная зависимость коэффициентов эффективности...

В работе рассчитаны коэффициенты эффективности поглощения наночастиц меди в вакууме, значения комплексного показателя преломления меди были взяты из двух источников. Различие в значениях комплексного показателя преломления проявляется в положении и амплитуде...

Определение физических параметров радиационных процессов...

Стоксовый компоненты Рамановского спектра появляются при поглощении (когда длина волны лазерного излучения больше чем длина волны стоксового компонента) или

Линии Брилюэна по отношение линии Стокса интенсивнее, но имеет слабое спектральное смешение.

Исследование фотолюминесценции коллоидных квантовых точек...

Широкий спектр поглощения КТ позволяет использовать один источник возбуждения для

Образцы отбирались по ходу реакции через определенные интервалы времени после

По положению максимума излучения на спектре можно оценить средний размер частиц в...

Оптические свойства новой полупроводниковой системы CdS–ZnTe

- полосы поглощения в области 3520–3690 см-1, принадлежащие валентным колебаниям молекул воды; - полосу поглощения 3750 см-1 принадлежащую валентным колебаниям структурных гидроксильных групп

Спектральная зависимость коэффициентов эффективности...

Рассчитана спектральная зависимость коэффициентов эффективности поглощения наночастиц алюминия в PETN в интервале длин волн 400÷1200 нм. Показано, что при изменении длины волны света максимальный коэффициент эффективности поглощения наночастиц...

Поглощение и рассеяние солнечного излучения в гелиотеплице...

В работе рассматриваются вопросы рассеяния поглощения и излучение трехатомных газов. Основными рассеивателями реллеевского типа в атмосфере являются молекулы газа. Если размер частицы больше примерно 1/10 длины волны...

Исследование и моделирование спектров излучения газового...

Возникновение атомного спектра характеризуется поглощением излучения или его испусканием, состоящий в совокупности из единичных спектральных линий свободных атомов газа [5]. Такой спектр характеризуется отдельным параметром — частотой излучения...

Оптодинамические эффекты в системах связанных плазмонных...

Тем не менее, поглощение доменом излучения приводит к нагреву его наночастиц (электронной и ионной компонент металла) и передаче тепловой энергии полимерному адсорбционному слою (АС).

Спектральная зависимость коэффициентов эффективности...

В работе рассчитаны коэффициенты эффективности поглощения наночастиц меди в вакууме, значения комплексного показателя преломления меди были взяты из двух источников. Различие в значениях комплексного показателя преломления проявляется в положении и амплитуде...

Определение физических параметров радиационных процессов...

Стоксовый компоненты Рамановского спектра появляются при поглощении (когда длина волны лазерного излучения больше чем длина волны стоксового компонента) или

Линии Брилюэна по отношение линии Стокса интенсивнее, но имеет слабое спектральное смешение.

Исследование фотолюминесценции коллоидных квантовых точек...

Широкий спектр поглощения КТ позволяет использовать один источник возбуждения для

Образцы отбирались по ходу реакции через определенные интервалы времени после

По положению максимума излучения на спектре можно оценить средний размер частиц в...

Оптические свойства новой полупроводниковой системы CdS–ZnTe

- полосы поглощения в области 3520–3690 см-1, принадлежащие валентным колебаниям молекул воды; - полосу поглощения 3750 см-1 принадлежащую валентным колебаниям структурных гидроксильных групп

Задать вопрос