RU51746U1 - RESONANT OPTICAL-ACOUSTIC DETECTOR AND OPTICAL-ACOUSTIC LASER GAS ANALYZER - Google Patents
RESONANT OPTICAL-ACOUSTIC DETECTOR AND OPTICAL-ACOUSTIC LASER GAS ANALYZER Download PDFInfo
- Publication number
- RU51746U1 RU51746U1 RU2005109649/22U RU2005109649U RU51746U1 RU 51746 U1 RU51746 U1 RU 51746U1 RU 2005109649/22 U RU2005109649/22 U RU 2005109649/22U RU 2005109649 U RU2005109649 U RU 2005109649U RU 51746 U1 RU51746 U1 RU 51746U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acoustic
- laser
- optical
- detector
- diffraction grating
- Prior art date
Links
Abstract
Полезная модель относится к резонансным оптико-акустическим детекторам (ОАД) дифференциального типа и может использоваться как элемент лазерных оптико-акустических газоанализаторов, которые в свою очередь относятся к средствам определения состава газов. Оптико-акустический детектор включает два идентичных акустических резонатора цилиндрической формы и параллельных друг другу, торцы которых соединены попарно между собой посредством полых соединительных элементов таким образом, что образуется замкнутая кольцеобразная полость, которая снабжена входом и выходом для проточного газа, при этом каждый акустический резонатор снабжен микрофоном и выполнен в форме сквозного канала в теле монолитной детали, а по крайней мере часть соединительных элементов проницаема для лазерного излучения, при этом они выполнены в форме соединительных каналов, имеющих площадь внутреннего поперечного сечения D×H, где D - внутренний диаметр акустического резонатора, а Н - величина, выбираемая из условия: L/50<Н<L/10, где L - длина акустического резонатора. Газоанализатор включает активный элемент лазера, дифракционную решетку, снабженную средством управления ее угловым положением, проточный оптико-акустический детектор, выполненный как описано выше, а также блок управления и индикации, связанный с оптико-акустическим детектором, средством управления угловым положением дифракционной решетки и активным элементом лазера - волноводным СО2-лазером с ВЧ возбуждением.The utility model relates to resonant optical-acoustic detectors (OAD) of a differential type and can be used as an element of laser optical-acoustic gas analyzers, which in turn are related to means for determining the composition of gases. The optical-acoustic detector includes two identical cylindrical acoustic resonators and parallel to each other, the ends of which are connected in pairs by hollow connecting elements so that a closed annular cavity is formed, which is provided with an inlet and outlet for flowing gas, with each acoustic cavity having microphone and is made in the form of a through channel in the body of a monolithic part, and at least part of the connecting elements is permeable to laser radiation, Moreover, they are made in the form of connecting channels having an internal cross-sectional area D × H, where D is the internal diameter of the acoustic resonator, and H is a value chosen from the condition: L / 50 <H <L / 10, where L is the length of the acoustic resonator. The gas analyzer includes an active laser element, a diffraction grating equipped with means for controlling its angular position, a flow-through opto-acoustic detector made as described above, and a control and indication unit associated with an opto-acoustic detector, means for controlling the angular position of the diffraction grating and the active element laser - waveguide CO 2 laser with RF excitation.
Description
Полезная модель относится к резонансным оптико-акустическим детекторам (ОАД) дифференциального типа и может использоваться в различных отраслях промышленности как элемент лазерных оптико - акустических газоанализаторов, которые в свою очередь относятся к средствам определения состава газов и могут применяться для оперативного контроля отходящих газов промышленных производств, мониторинга атмосферного воздуха и других целей, так как позволяют одновременно детектировать большое количество веществ, содержащихся в исследуемом газе.The utility model relates to resonant optical-acoustic detectors (OAD) of a differential type and can be used in various industries as an element of laser optical-acoustic gas analyzers, which, in turn, belong to means for determining the composition of gases and can be used for operational control of industrial waste gases, monitoring of atmospheric air and other purposes, since they allow the simultaneous detection of a large number of substances contained in the test gas.
Известен резонансный оптико-акустический детектор дифференциального типа, включающий два независимых открытых акустических резонатора, выполненных в форме прямых трубок круглого сечения, расположенных параллельно друг другу и соединенных по торцам двумя буферными полостями, объем которых значительно превосходит объем трубок [A.Miklos and P.Hess, «Application of acoustic resonators in photoacoustic trace gas analysis and metrology» // Review Scientific Instruments, Vol.72, №4 (2001)]. При такой конструкции во время прохождения через одну из трубок детектора лазерного луча, модулированного обтюратором с частотой fp, соответствующей резонансной акустической частоте детектора, при наличии поглощения лазерного излучения в газе в этой трубке возникают акустические колебания, обусловленные оптико-акустическим эффектом. По торцам трубки устанавливаются узлы звуковой волны, а в центре - пучность. Резонансная частота детектора равна fp=v/2L, где v - скорость звука, L - длина трубок. Акустические There is a known resonant optical-acoustic detector of a differential type, including two independent open acoustic resonators made in the form of straight circular tubes arranged parallel to each other and connected at the ends by two buffer cavities, the volume of which significantly exceeds the volume of the tubes [A.Miklos and P.Hess , “Application of acoustic resonators in photoacoustic trace gas analysis and metrology” // Review Scientific Instruments, Vol. 72, No. 4 (2001)]. With this design, during the passage through one of the tubes of the detector a laser beam modulated by a shutter with a frequency f p corresponding to the resonant acoustic frequency of the detector, in the presence of absorption of laser radiation in a gas, acoustic oscillations occur in this tube due to the optical-acoustic effect. At the ends of the tube are the nodes of the sound wave, and in the center - antinode. The resonant frequency of the detector is f p = v / 2L, where v is the speed of sound, L is the length of the tubes. Acoustic
колебания регистрируются микрофоном, расположенным в центральной части этой трубки в месте пучности волны. Второй микрофон расположен в центральной части другой трубки, в которой за счет наличия буферных соединительных полостей большого объема акустическая волна на частоте fp, вызванная поглощением лазерного излучения в первой трубке, не возникает. Сигналы, поступающие с обоих микрофонов, усиливаются дифференциальным усилителем.the vibrations are recorded by a microphone located in the central part of this tube in place of the wave antinode. The second microphone is located in the central part of another tube, in which, due to the presence of buffer connecting cavities of a large volume, an acoustic wave at a frequency f p caused by absorption of laser radiation in the first tube does not occur. Signals from both microphones are amplified by a differential amplifier.
Детектор допускает работу в потоке газа-носителя, позволяет получать информацию в реальном времени, достигать низкого уровня акустического и электрического шумов и высокой чувствительности. Ввод и вывод газового потока в области узлов акустических волн приводит к снижению уровня шума от потока газа. Для того, чтобы шум потока оставался на достаточно низком уровне, поток должен быть ламинарным. Газовый поток проходит через обе трубки, производя примерно одинаковый шум потока в обоих резонаторах. Симметричность детектора дает возможность уменьшить шум от потока газа и влияние внешних возмущений. Все шумовые компоненты, которые синфазны в двух трубках, эффективно подавляются дифференциальным усилителем, что позволяет повысить соотношение сигнал/шум. Поскольку чувствительность ОАД обратно пропорциональна резонансной частоте fp, наибольшая чувствительность реализуется на более низких резонансных частотах. Фотоакустическая чувствительность такого детектора составляет около 1,0×10-9 Вт·см-1.The detector allows operation in a carrier gas stream, allows you to receive information in real time, to achieve a low level of acoustic and electrical noise and high sensitivity. The input and output of the gas stream in the region of the nodes of the acoustic waves reduces the noise level from the gas stream. In order for the flow noise to remain sufficiently low, the flow must be laminar. The gas stream passes through both tubes, producing approximately the same stream noise in both resonators. The symmetry of the detector makes it possible to reduce the noise from the gas flow and the influence of external disturbances. All noise components that are in-phase in two tubes are effectively suppressed by a differential amplifier, which improves the signal-to-noise ratio. Since the sensitivity of the OAD is inversely proportional to the resonant frequency f p , the highest sensitivity is realized at lower resonant frequencies. The photoacoustic sensitivity of such a detector is about 1.0 × 10 -9 W · cm -1 .
Описанный ОАД выбран в качестве прототипа предлагаемой полезной модели. Его недостатком является низкий уровень полезного сигнала, что обусловлено отсутствием влияния акустических волн в трубках друг на друга за счет большого объема буферных соединительных полостей по торцам трубок. Кроме того, из-за большого объема буферных полостей увеличивается время реагирования детектора на появление примесей в газовом потоке - снижается его быстродействие.The described OAD is selected as a prototype of the proposed utility model. Its disadvantage is the low level of the useful signal, which is due to the absence of the influence of acoustic waves in the tubes on each other due to the large volume of buffer connecting cavities at the ends of the tubes. In addition, due to the large volume of buffer cavities, the response time of the detector to the appearance of impurities in the gas stream increases — its speed decreases.
Полезная модель решает задачу повышения уровня полезного сигнала и быстродействия оптико-акустического детектора.The utility model solves the problem of increasing the level of the useful signal and the speed of the optical-acoustic detector.
Поставленная задача решается тем, что предлагается проточный резонансный оптико - акустический детектор дифференциального типа, включающий два идентичных акустических резонатора, имеющих цилиндрическую форму и расположенных параллельно друг другу, торцы которых соединены попарно между собой посредством полых соединительных элементов таким образом, что образуется замкнутая кольцеобразная полость, которая снабжена входом и выходом для проточного газа, при этом по крайней мере часть каждого соединительного элемента выполнена проницаемой для лазерного излучения, а каждый акустический резонатор снабжен микрофоном, у которого акустические резонаторы выполнены в форме сквозных каналов в теле монолитной детали, а соединительные элементы - в форме соединительных каналов, у которых площадь внутреннего поперечного сечения равна D×H, где D - внутренний диаметр акустического резонатора, а Н - величина, выбираемая из условия: L/50<Н<L/10, где L- длина акустического резонатора.The problem is solved in that a flow-through resonant optical - acoustic detector of a differential type is proposed, including two identical acoustic resonators having a cylindrical shape and parallel to each other, the ends of which are connected in pairs by means of hollow connecting elements so that a closed annular cavity is formed, which is provided with an inlet and outlet for flowing gas, while at least part of each connecting element is permeated laser radiation, and each acoustic resonator is equipped with a microphone, in which the acoustic resonators are made in the form of through channels in the body of a monolithic part, and the connecting elements are in the form of connecting channels, in which the internal cross-sectional area is D × H, where D is the internal the diameter of the acoustic resonator, and H is the value chosen from the condition: L / 50 <H <L / 10, where L is the length of the acoustic resonator.
Внутреннее поперечное сечение соединительного канала наиболее технологично выполнять в форме прямоугольника, одна сторона которого равна диаметру канала, а вторая сторона может иметь любой размер Н из вышеуказанного множества. Например, канал может быть выполнен в форме выемки глубиной Н в теле монолитной детали, которую покрывает пластина из материала, проницаемого для лазерного излучения. Вместо пластины, по крайней мере у одного из соединительных каналов может быть установлена выпукло- плоская линза.The inner cross section of the connecting channel is most technologically advanced in the form of a rectangle, one side of which is equal to the diameter of the channel, and the second side can have any size H from the above set. For example, the channel can be made in the form of a recess with a depth of H in the body of the monolithic part, which is covered by a plate of material permeable to laser radiation. Instead of a plate, at least one of the connecting channels may have a convex-flat lens.
Предлагаемый оптико-акустический детектор изображен на рис.1, где 1 - монолитная деталь, 2 - акустический резонатор, 3 - перегородка, 4 - микрофон, 5 -отверстия для входа и выхода газа, 6 - пластина, проницаемая для лазерного The proposed optical-acoustic detector is shown in Fig. 1, where 1 is a monolithic part, 2 is an acoustic resonator, 3 is a partition, 4 is a microphone, 5 is a hole for gas inlet and outlet, 6 is a laser-permeable plate
излучения, 7 - уплотнение. Акустические резонаторы 2, выполненные в виде параллельных прямолинейных каналов 2 в теле монолитной детали 1, соединены между собой на концах соединительньми каналами, которые на рисунке имеют форму выемок в теле монолитной детали, и закрыты проницаемыми для лазерного излучения пластинами 6. Толщина перегородки между прямолинейньми каналами -акустическими резрнаторами составляет 1-3 мм. В центральной части (по длине) каналов 2 вплотную к стенкам установлены микрофоны 4. Резонансная частота предлагаемого ОАД также как у прототипа равна:radiation, 7 - compaction. Acoustic resonators 2, made in the form of parallel rectilinear channels 2 in the body of the monolithic part 1, are interconnected at the ends by connecting channels, which in the figure have the form of recesses in the body of the monolithic part, and are closed by plates permeable to laser radiation 6. The thickness of the partition between the rectilinear channels -acoustic resistors is 1-3 mm. In the central part (along the length) of the channels 2, microphones 4 are installed close to the walls. The resonant frequency of the proposed OAD, as in the prototype, is:
fp=v/2L, где v - скорость звука, L - длина резонатора.f p = v / 2L, where v is the speed of sound, L is the length of the resonator.
При работе детектора лазерный луч, модулированный по мощности, с глубиной модуляции 100%, с частотой, равной резонансной частоте акустического резонатора fp, проходит через одно из отверстий 2. При наличии поглощения газом лазерного излучения благодаря фото-акустическому эффекту в обоих акустических резонаторах детектора формируется стоячая акустическая волна таким образом, что на резонансной частоте fp в местах расположения окон 6 находятся узлы стоячей волны, а в середине отверстий находятся ее пучности, соответствующие максимуму колебаний давления, причем в местах расположения микрофонов 4 колебания давления в разных резонаторах детектора находятся в противофазе. Электрические сигналы с микрофонов 4 поступают на дифференциальный усилитель, при этом полезный сигнал удваивается, а синфазный шум вычитается, что позволяет значительно увеличить соотношение сигнал-шум и уменьшить пороговую чувствительность детектора. Поглощение лазерного излучения в окнах оказывает малое влияние, так как они расположены в узлах стоячей акустической волны. Симметричная конструкция детектора способствует уменьшению шума от потока газа и от внешних воздействий.When the detector is operating, a laser beam modulated in power with a modulation depth of 100%, with a frequency equal to the resonant frequency of the acoustic resonator fp, passes through one of the holes 2. In the presence of gas absorption of laser radiation due to the photo-acoustic effect in both acoustic resonators of the detector, standing acoustic wave in such a way that at the resonant frequency f p in the locations of the windows 6 there are nodes of the standing wave, and in the middle of the holes there are its antinodes corresponding to the maximum pressure, and at the locations of the microphones 4 pressure fluctuations in different resonators of the detector are in antiphase. Electrical signals from microphones 4 are fed to a differential amplifier, while the useful signal is doubled, and the common-mode noise is subtracted, which can significantly increase the signal-to-noise ratio and reduce the threshold sensitivity of the detector. The absorption of laser radiation in the windows has little effect, since they are located in the nodes of a standing acoustic wave. The symmetrical design of the detector helps to reduce noise from gas flow and from external influences.
Малый объем соединительных каналов повышает быстродействие ОАД по сравнению с прототипом.A small volume of connecting channels increases the speed of OAD compared with the prototype.
В таблице 1 приведены размеры экспериментально исследованных проточных оптико-акустических детекторов: L, L/50, L/10, Н. Значение D во всех случаях было равным 5 мм. Приведенные данные показывают, что во всех случая выполняется неравенство: L/50<Н<L/10.Table 1 shows the sizes of experimentally studied flow-through optical-acoustic detectors: L, L / 50, L / 10, N. The value of D in all cases was 5 mm. The data presented show that in all cases the inequality holds: L / 50 <H <L / 10.
D - внутренний диаметр акустического резонатора, L - длина акустического резонатора.D is the internal diameter of the acoustic cavity, L is the length of the acoustic cavity.
Если величина Н будет меньше указанной (нарушается левая часть неравенства), между каналами будет хорошая акустическая связь, однако существенно возрастет акустическое сопротивление и сигнал с микрофона во втором (пассивном) канале будет слабее, что приведет к уменьшению общего полезного сигнала и, сответственно, снижению чувствительности детектора.If H is less than the specified value (the left side of the inequality is violated), there will be good acoustic coupling between the channels, however, the acoustic impedance will increase significantly and the microphone signal in the second (passive) channel will be weaker, which will lead to a decrease in the total useful signal and, accordingly, to a decrease detector sensitivity.
Если величина Н будет больше указанной (нарушается правая часть неравенства), между каналами уменьшится акустическая связь несмотря на малое акустическое сопротивление. В результате в предельном случае заявляемый детектор становится полностью соответствующим прототипу, в котором связь между каналами полностью отсутствует и невозможно удвоение полезного сигнала за счет второго канала, что также приведет к уменьшению общего полезного сигнала и соответственно снижению чувствительности детектора.If the value of H is greater than the specified value (the right side of the inequality is violated), the acoustic coupling between the channels will decrease despite the low acoustic impedance. As a result, in the extreme case, the inventive detector becomes fully consistent with the prototype, in which the connection between the channels is completely absent and it is impossible to double the useful signal due to the second channel, which will also lead to a decrease in the total useful signal and, accordingly, a decrease in the sensitivity of the detector.
Экспериментально величина Н выбрана равной 5 мм, как наиболее оптимальная для обеспечения максимальной эффективности работы детекторов, геометрические размеры которых приведены в таблице 1.Experimentally, the value of H was chosen equal to 5 mm, as the most optimal for ensuring the maximum efficiency of the detectors, the geometric dimensions of which are shown in table 1.
Заявляемый оптикоакустический детектор имеет более высокую чувствительность за счет сложения полезных сигналов от микрофонов, расположенных в каждом канале. Этот факт наблюдался экспериментально для всех детекторов перечисленных в таблице 1. Максимальное повышение полезного сигнала составляло порядка 2.The inventive optoacoustic detector has a higher sensitivity due to the addition of useful signals from microphones located in each channel. This fact was observed experimentally for all the detectors listed in Table 1. The maximum increase in the useful signal was about 2.
Более высокое быстродействие детектора относительно прототипа объясняется отсутствием большого буферного объема. Реально быстродействие детектора составляло доли секунды и определялось скоростью прохождения газа по подводящей трубке от места всасывания до каналов детектора.A higher detector performance relative to the prototype is due to the lack of a large buffer volume. The real speed of the detector was a fraction of a second and was determined by the speed of gas passage through the inlet tube from the suction point to the detector channels.
Таким образом, основное преимущество предлагаемого детектора по сравнению с прототипом состоит в том, что в нем за счет наличия акустической связи между акустическими резонаторами колебания давления от прохождения модулированного лазерного луча по одному из них наблюдаются в каждом названном резонаторе. Эти колебания давления регистрируется каждым из двух микрофонов одновременно в противофазе, что позволяет в два раза повысить полезный сигнал и подавить синфазный шум от потока газа и внешних воздействий. В результате по меньшей мере в два раза возрастает отношение сигнал/шум и, соответственно, по меньшей мере в два раза повышается чувствительность оптико-акустического детектора. Кроме того, благодаря малому объему соединительных каналов между акустическими резонаторами повышается быстродействие предлагаемого детектора.Thus, the main advantage of the proposed detector compared to the prototype is that due to the presence of acoustic coupling between the acoustic resonators, pressure fluctuations from the passage of the modulated laser beam through one of them are observed in each of the named resonators. These pressure fluctuations are recorded by each of the two microphones simultaneously in antiphase, which makes it possible to double the useful signal and suppress common-mode noise from the gas flow and external influences. As a result, the signal-to-noise ratio increases at least two times and, accordingly, the sensitivity of the optical-acoustic detector increases at least two times. In addition, due to the small volume of the connecting channels between the acoustic resonators increases the speed of the proposed detector.
На основе описанного оптико-акустического детектора может быть выполнен оптико-акустический лазерный газоанализатор.Based on the described optical-acoustic detector, an optical-acoustic laser gas analyzer can be made.
Известен, например, газоанализатор, включающий активный элемент СО2 лазера с разрядом постоянного тока (РПТ), дифракционную решетку, модулятор, оптико-акустический детектор, снабженный микрофоном, приемник излучения, селективный усилитель электрических сигналов, аналого-цифровой преобразователь и блок управления и индикации, выполненный на основе компьютера [B.C.Старовойтов, С.А.Трушин, В.В.Чураков «Оптико-акустический газоанализатор многокомпонентного загрязнения воздуха на основе 13C16O2 - лазера» / Журнал прикладной спектроскопии, т.66, №3, стр.345-350 (1999)]. Для повышения чувствительности прибора оптико-акустический детектор размещен внутри резонатора лазера.A gas analyzer is known, for example, including an active element of a CO 2 laser with a direct current discharge (RPT), a diffraction grating, a modulator, an optical-acoustic detector equipped with a microphone, a radiation receiver, a selective amplifier of electrical signals, an analog-to-digital converter, and a control and indication unit formed on the basis of a computer [BCStarovoytov, S.A.Trushin, V.V.Churakov "Opto-acoustic gas analyzer multicomponent air pollution based on C 13 O 2 16 - laser" / Journal of applied spectroscopy, t.66, 3 str.345-350 (1999)]. To increase the sensitivity of the device, an optical-acoustic detector is placed inside the laser cavity.
Этот газоанализатор принят за прототип предлагаемой полезной модели. Его недостатком является невысокий уровень чувствительности. Задачей, на решение которой направлено предлагаемая полезная модель, является повышение чувствительности газоанализатора.This gas analyzer is taken as a prototype of the proposed utility model. Its disadvantage is the low level of sensitivity. The task to which the proposed utility model is directed is to increase the sensitivity of the gas analyzer.
Поставленная задача решается тем, что предлагается газоанализатор, включающий активный элемент лазера, дифракционную решетку, снабженную средством управления ее угловым положением, проточный оптико-акустический детектор, установленный таким образом, чтобы излучение активного элемента лазера проходило сквозь него, и поступало на дифракционную решетку, а также блок управления и индикации, связанный с оптико-акустическим детектором, средством управления угловым положением дифракционной решетки и активным элементом лазера, у которого активным элементом лазера является волноводный СО2-лазер с ВЧ возбуждением, а проточный оптико-акустический детектор выполнен как описано выше.The problem is solved by the fact that a gas analyzer is proposed that includes an active laser element, a diffraction grating equipped with a means for controlling its angular position, a flow-through optical-acoustic detector installed so that the radiation of the active laser element passes through it and enters the diffraction grating, and also a control and display unit associated with the optical-acoustic detector, means for controlling the angular position of the diffraction grating and the active element of the laser, in which The active element of the laser is a waveguide CO 2 laser with RF excitation, and the flow-through optical-acoustic detector is made as described above.
Предлагаемый газоанализатор изображен на рис.2 и содержит: 1 - оптико-акустический детектор проточного типа, 4 - микрофон оптико-акустического детектора, 5 - вход и выход газа оптико-акустического детектора, 6 - пластина, проницаемая для лазерного излучения, 7 - уплотнение, 8 - активный элемент СО2-лазера, 9 - волновод, 10 - выходное зеркало, 11 - фотодетектор, 12 -лазерный пучок, 13 - вакуумный насос, 14 - выпукло - плоская линза, 15 - дифракционная решетка оптико-акустического детектора, 16 - шаговый двигатель оптико - акустического детектора, 17 - блок управления и индикации, 18 - ВЧ генератор накачки.The proposed gas analyzer is shown in Fig. 2 and contains: 1 - flow-type optical-acoustic detector, 4 - optical-acoustic detector microphone, 5 - gas inlet and outlet of the optical-acoustic detector, 6 - plate, permeable to laser radiation, 7 - seal , 8 — active element of a CO 2 laser, 9 — waveguide, 10 — output mirror, 11 — photodetector, 12 — laser beam, 13 — vacuum pump, 14 — convex — flat lens, 15 — diffraction grating of an optical-acoustic detector, 16 - stepper motor of the optoacoustic detector, 17 - control unit and display, 18 - pumping RF generator.
Газоанализатор работает следующим образом.The gas analyzer operates as follows.
Через оптико-акустический детектор 1 прокачивается анализируемый газ с помощью вакуумного насоса 13. На вход ВЧ генератора накачки 18 от блока управления и индикации 17 подаются управляющие импульсы на частоте fp, равной резонансной частоте оптико-акустического детектора. Внутри волновода 9 активного элемента лазера 8 зажигается высокочастотный газовый разряд, модулированный по мощности с глубиной модуляции до 100% на частоте fp, который является активной средой лазера. Внутри резонатора лазера возникает оптическое излучение с длиной волны, соответствующей угловому положению дифракционной решетки 15, модулированное по мощности на частоте fp. Угол наклона дифракционной решетки 15 и ее угловое перемещение задается шаговым двигателем 16. Лазерный луч распространяется внутри резонатора между дифракционной решеткой 15 и выходным полупрозрачным зеркалом 10, проходя через пластины 6, линзу 14 и один из акустических резонаторов оптико-акустического детектора 1. При наличии поглощения лазерного излучения в протекающем через резонаторы оптико-акустического детектора газе, в каждом из двух оптических резонаторов возникают акустические колебания на частоте fp в противофазе, которые регистрируются микрофонами 4. Электрические сигналы с микрофонов поступают в блок управления и индикации 17 для дальнейшей обработки. Часть излучения лазера выводится из резонатора через выходное полупрозрачное зеркало 10 и регистрируется фотодетектором 11, электрический сигнал с которого, пропорциональный мощности излучения лазера, поступает в блок управления и индикации 17 для дальнейшей обработки.The analyzed gas is pumped through the optical-acoustic detector 1 using a vacuum pump 13. Control pulses at a frequency f p equal to the resonant frequency of the optical-acoustic detector are fed to the input of the RF pump generator 18 from the control and indication unit 17. Inside the waveguide 9 of the active element of the laser 8, a high-frequency gas discharge is ignited, modulated in power with a modulation depth of up to 100% at a frequency f p , which is the active medium of the laser. Inside the laser cavity there is optical radiation with a wavelength corresponding to the angular position of the diffraction grating 15, modulated in power at a frequency f p . The angle of inclination of the diffraction grating 15 and its angular displacement is set by the stepper motor 16. The laser beam propagates inside the resonator between the diffraction grating 15 and the output translucent mirror 10, passing through the plates 6, the lens 14, and one of the acoustic resonators of the optical-acoustic detector 1. In the presence of absorption laser resonators in flowing through opto-acoustic gas detector, each of the two optical resonators occur at a frequency acoustic oscillations in antiphase f p that Regis riruyutsya microphones 4. Electrical signals from microphones arrive at the control and display unit 17 for further processing. Part of the laser radiation is removed from the resonator through the output translucent mirror 10 and is recorded by the photodetector 11, the electric signal from which, proportional to the laser radiation power, is supplied to the control and indication unit 17 for further processing.
Использование в газоанализаторе волноводного СО2 излучателя с ВЧ-накачкой в качестве активного элемента позволяет уменьшить уровень шумов разряда по сравнению с РПТ, использованном в прототипе. Кроме того, в волноводном СO2 лазере с ВЧ-накачкой возможно производить модуляцию разряда с частотой до 10 кГц с глубиной модуляции до 100%, что невозможно при использовании РПТ.The use of a waveguide CO 2 emitter with RF pumping as an active element in a gas analyzer can reduce the level of discharge noise compared to the RPT used in the prototype. In addition, in a CO 2 waveguide laser with RF pumping, it is possible to modulate the discharge with a frequency of up to 10 kHz with a modulation depth of up to 100%, which is impossible with the use of RPT.
Газоанализатор имеет автоматическую перестройку длины волны излучения в спектральном диапазоне 9,2-10,8 мкм, что позволяет использовать его в автоматическом режиме при дистанционном управлении.The gas analyzer has an automatic tuning of the radiation wavelength in the spectral range of 9.2-10.8 microns, which allows it to be used in automatic mode with remote control.
Конструкция оптко-акустического детектора 1 позволяет соединить его с корпусом лазера 8 неподвижно, таким образом, что они вместе образуют жесткую конструкцию. Это дает высокую пассивную стабильность оптического резонатора лазера и позволяет уменьшить электрические и механические шумы. Также конструкция оптико-акустического детектора позволяет использовать в газоанализаторе минимальное количество внутрирезонаторных оптических элементов: только проницаемые для лазерного излучения пластину и линзу, что способствует уменьшению внутрирезонаторных потерь в лазере, повышению мощности излучения внутри резонатора и, в итоге, - повышению предельной чувствительности газоанализатора.The design of the opto-acoustic detector 1 allows you to connect it to the laser housing 8 motionless, so that they together form a rigid structure. This gives a high passive stability of the laser optical cavity and allows to reduce electrical and mechanical noise. Also, the design of the optical-acoustic detector allows the use of a minimum number of intracavity optical elements in the gas analyzer: only a plate and lens that are permeable to laser radiation, which helps to reduce intracavity losses in the laser, increase the radiation power inside the resonator, and, ultimately, increase the ultimate sensitivity of the gas analyzer.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005109649/22U RU51746U1 (en) | 2005-04-04 | 2005-04-04 | RESONANT OPTICAL-ACOUSTIC DETECTOR AND OPTICAL-ACOUSTIC LASER GAS ANALYZER |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005109649/22U RU51746U1 (en) | 2005-04-04 | 2005-04-04 | RESONANT OPTICAL-ACOUSTIC DETECTOR AND OPTICAL-ACOUSTIC LASER GAS ANALYZER |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU51746U1 true RU51746U1 (en) | 2006-02-27 |
Family
ID=36115352
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005109649/22U RU51746U1 (en) | 2005-04-04 | 2005-04-04 | RESONANT OPTICAL-ACOUSTIC DETECTOR AND OPTICAL-ACOUSTIC LASER GAS ANALYZER |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU51746U1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU199702U1 (en) * | 2020-06-02 | 2020-09-15 | Игорь Владимирович Шерстов | RESONANT DIFFERENTIAL OPTICAL-ACOUSTIC DETECTOR |
| RU2748054C1 (en) * | 2020-06-02 | 2021-05-19 | Игорь Владимирович Шерстов | Laser optical-acoustic gas analyzer and resonant differential optical-acoustic detector |
| RU2761906C1 (en) * | 2020-12-25 | 2021-12-14 | Игорь Владимирович Шерстов | Resonant differential optical-acoustic detector |
-
2005
- 2005-04-04 RU RU2005109649/22U patent/RU51746U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU199702U1 (en) * | 2020-06-02 | 2020-09-15 | Игорь Владимирович Шерстов | RESONANT DIFFERENTIAL OPTICAL-ACOUSTIC DETECTOR |
| RU2748054C1 (en) * | 2020-06-02 | 2021-05-19 | Игорь Владимирович Шерстов | Laser optical-acoustic gas analyzer and resonant differential optical-acoustic detector |
| RU2761906C1 (en) * | 2020-12-25 | 2021-12-14 | Игорь Владимирович Шерстов | Resonant differential optical-acoustic detector |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bijnen et al. | Geometrical optimization of a longitudinal resonant photoacoustic cell for sensitive and fast trace gas detection | |
| US10670564B2 (en) | Photoacoustic detector | |
| Bernegger et al. | Longitudinal resonant spectrophone for CO-laser photoacoustic spectroscopy | |
| US4594004A (en) | Continuous particulate-measuring apparatus using an optoacoustic effect | |
| US20020194897A1 (en) | Photoacoustic instrument for measuring particles in a gas | |
| JPS59145957A (en) | Opto-acoustic type concentration measuring device | |
| US20080196477A1 (en) | Photo-Acoustic Spectrometer Apparatus | |
| US8117897B2 (en) | Elliptical photo-acoustic sensor | |
| US7345766B2 (en) | Measuring chamber for photo-acoustical sensors | |
| RU51746U1 (en) | RESONANT OPTICAL-ACOUSTIC DETECTOR AND OPTICAL-ACOUSTIC LASER GAS ANALYZER | |
| CN112924388B (en) | Orthogonal double-channel acoustic resonance device | |
| CN106092899A (en) | A kind of based on CO2the self calibration of laser instrument measures SF6the device and method of concentration | |
| US10876958B2 (en) | Gas-detecting device with very high sensitivity based on a Helmholtz resonator | |
| Angeli et al. | Design and characterization of a windowless resonant photoacoustic chamber equipped with resonance locking circuitry | |
| CN207850906U (en) | A kind of resonant mode photoacoustic cell for the detection of gas optoacoustic spectroscopy | |
| WO2022267555A1 (en) | Radial cavity quartz-enhanced photoacoustic spectrophone and gas detection device comprising same | |
| CN108593763A (en) | A kind of multicomponent gas real-time detection apparatus based on the demodulation of quartz tuning-fork frequency division | |
| CN113295620B (en) | Optical fiber coupled all-solid-state enhanced photoacoustic spectroscopy gas photoacoustic detection module and method | |
| CA2461328A1 (en) | A multiplexed type of spectrophone | |
| CN112630165A (en) | Gas detection device in transformer oil | |
| Rey et al. | Investigation and optimisation of a multipass resonant photoacoustic cell at high absorption levels | |
| Kapitanov et al. | Resonance photoacoustic spectroscopy and gas analysis of gaseous flow at reduced pressure | |
| CN106802278B (en) | The quartz enhanced photoacoustic spectroscopy acousimeter and gas detection apparatus of double wave abdomen excitation | |
| US3987304A (en) | Infrared absorption spectroscopy employing an optoacoustic cell for monitoring flowing streams | |
| CN115586138A (en) | Environmental engineering atmospheric pollution detection device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20070405 |