RU121927U1

RU121927U1 - HETERODYNE FIBER OPTICAL SPECTRO-RADIOMETER OF THE NEAR INFRARED RANGE

Info

Publication number: RU121927U1
Application number: RU2012130517/28U
Authority: RU
Inventors: Артем Юрьевич Климчук; Александр Иванович Надеждинский; Яков Яковлевич Понуровский; Александр Вячеславович Родин; Юрий Петрович Шаповалов
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2012-11-10

Abstract

1. Гетеродинный волоконно-оптический спектро-радиометр ближнего инфракрасного диапазона, содержащий оптическое приемное устройство, локальный осциллятор, стабилизированный с высокой точностью, волоконный разветвитель, диплексор, реперный канал, включающий заполненную газом кювету и фотодиод, аналитический канал, включающий фотоприемник и предусилитель, электронный блок, отличающийся тем, что оптическое приемное устройство и локальный осциллятор имеют одномодовые волоконные выводы излучения, диплексор выполнен в виде одномодового волоконного разветвителя, предусилитель аналитического канала выполнен с узкой полосой пропускания. ! 2. Гетеродинный волоконно-оптический спектро-радиометр по п.1, отличающийся тем, что локальным осциллятором является полупроводниковый лазер. ! 3. Гетеродинный волоконно-оптический спектро-радиометр по п.1, отличающийся тем, что оптическим приемным устройством является короткофокусная асферическая линза. 1. A heterodyne fiber-optic spectro-radiometer of the near infrared range, containing an optical receiver, a local oscillator stabilized with high accuracy, a fiber splitter, a diplexer, a reference channel including a gas-filled cuvette and a photodiode, an analytical channel including a photodetector and a preamplifier, an electronic a unit, characterized in that the optical receiver and the local oscillator have single-mode fiber outputs, the diplexer is made in the form of a single-mode fiber splitter, the analytical channel preamplifier is made with a narrow bandwidth. ! 2. The heterodyne fiber optic spectro-radiometer according to claim 1, characterized in that the local oscillator is a semiconductor laser. ! 3. The heterodyne fiber optic spectro-radiometer according to claim 1, characterized in that the optical receiving device is a short-focus aspherical lens.

Description

Полезная модель относится к пассивной инфракрасной спектроскопии и спектрорадиометрии высокого разрешения и может быть использована при применении аналитических методов, широко используемых в космических исследованиях, астрофизических наблюдениях, в прикладных задачах контроля состояния окружающей среды и производственных процессов для прецизионного (высокоточного) дистанционного измерения концентраций молекулярных газов, поля скоростей и термодинамических характеристик разреженных газообразных сред и т.п.The utility model relates to passive infrared spectroscopy and high resolution spectroradiometry and can be used when applying analytical methods widely used in space research, astrophysical observations, in applied problems of environmental monitoring and production processes for precision (high-precision) remote measurement of molecular gas concentrations, velocity fields and thermodynamic characteristics of rarefied gaseous media, etc.

Сущность гетеродинного метода, позволяющего вести высокоточные измерения с высоким спектральным разрешением, заключается в смешении исследуемого излучения с опорным излучением (гетеродином) на квадратичном элементе. Приборы, осуществляющие этот метод, применяют в диапазонах высоких и сверхвысоких частот.The essence of the heterodyne method, which allows high-precision measurements with high spectral resolution, is to mix the studied radiation with the reference radiation (local oscillator) on a quadratic element. Instruments implementing this method are used in the high and ultra-high frequency ranges.

Одна из основных проблем гетеродинирования в ближнем инфракрасном диапазоне - жесткие требования к юстировке при совмещении фронтов сигнального излучения и излучения локального осциллятора и обеспечение достаточно высокой точности измерения, поскольку для эффективного преобразования гетеродинного сигнала в область промежуточных частот требуется высокое качество волнового фронта. Для достижения этого в гетеродинных приборах, как правило, используется диплексор - специальное устройство, совмещающее сигнальное излучение с излучением локального осциллятора. Из патентных источников информации и научно-популярной литературы известен ряд спектро-радиометров высокого разрешения, в основе которых лежит принцип гетеродинирования, например, в патенте США № US 3766380 (А) (1), описан принцип построения гетеродинного радиометра, предназначенного для мониторинга степени загрязнения атмосферы, в патенте Российской федерации RU 2402749 (2) описан гетеродинный спектрометр электромагнитного излучения, работающий в гигатерагерцевом диапазоне.One of the main problems of near-infrared heterodyning is the strict alignment requirements when combining the fronts of the signal radiation and the radiation of the local oscillator and ensuring a sufficiently high measurement accuracy, since the high quality of the wavefront is required to efficiently convert the heterodyne signal to the region of intermediate frequencies. To achieve this, in heterodyne devices, as a rule, a diplexer is used - a special device that combines signal radiation with radiation from a local oscillator. A number of high-resolution spectro-radiometers are known from patent information sources and popular science literature, which are based on the principle of heterodyning, for example, in US Pat. No. 3,766,380 (A) (1), the principle of constructing a heterodyne radiometer for monitoring the degree of contamination is described atmosphere, the patent of the Russian Federation RU 2402749 (2) describes a heterodyne electromagnetic radiation spectrometer operating in the gigahertz range.

Известные аналоги имеют несколько существенных недостатков:Known analogues have several significant drawbacks:

1. В основе известных устройств лежит открытая оптическая схема, такая схема требует постоянной и тонкой юстировки, что делает спектро-радиометр чувствительным и неустойчивым к вибрациям;1. The basis of the known devices is an open optical circuit, such a circuit requires constant and fine adjustment, which makes the spectro-radiometer sensitive and unstable to vibration;

2. Использование компонент среднего инфракрасного диапазона спектра, обладающих существенными шумами, не позволяет вести измерения вблизи теоретического предела;2. The use of mid-infrared spectrum components with significant noise does not allow measurements to be made near the theoretical limit;

3. Чувствительность известных спектро-радиометров находится далеко от теоретического предела чувствительности и составляет порядка 4-6 теоретических пределов, определяемого дробовым шумом фототока - величина предела , где е - заряд электрона, i - величина фототока, В - ширина полосы предусилителя.3. The sensitivity of known spectro-radiometers is far from the theoretical limit of sensitivity and is about 4-6 theoretical limits, determined by the shot noise of the photocurrent - the limit value where e is the electron charge, i is the photocurrent value, and B is the preamplifier bandwidth.

4. Разработанные приборы обладают большими масс-габаритными характеристиками, что усложняет и ограничивает условия эксплуатации этих приборов;4. The developed devices have large mass-dimensional characteristics, which complicates and limits the operating conditions of these devices;

5. Предлагаемая в аналогах схема устройства включает дополнительно спектроанализатор промежуточных частот.5. The device scheme proposed in the analogues includes an additional spectrum analyzer of intermediate frequencies.

Наличие всех этих недостатков не позволяют получить спекрометр-радиометр ближнего инфракрасного диапазона, позволяющий вести измерения вблизи теоретического предела, обеспечивающий низкое влияние шумов, высокую точность измерения и имеющий небольшие масс-габаритные характеристики.The presence of all these shortcomings does not allow us to obtain a near-infrared spectrometer-radiometer that allows measurements to be made near the theoretical limit, provides a low noise effect, high measurement accuracy, and small mass-dimensional characteristics.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является описанный в статье (3) гетеродинный солнечный спектро-радиометр высокого разрешения, работающий в диапазоне спектра излучения около λ=8.4 мкм.The closest analogue selected as a prototype is the high-resolution solar heterodyne solar spectro-radiometer described in article (3), operating in the radiation spectrum range of about λ = 8.4 μm.

Оптическая схема, применяемая в прототипе, является открытой и совмещение фронтов излучения происходит на оптическом делителе луча. Такая схема требует постоянной юстировки, что не позволяет добиться достаточно высокой точности измерения. Кроме того, устройство прототипа таково, что регистрация гетеродинного сигнала происходит в достаточно широкой полосе диапазона частот. В рассматриваемом в статье прототипе оцениваемый диапазон частот излучения составляет порядка сотни мегагерц. Использование большого диапазона частот излучения также не позволяет обеспечить достаточно высокую точность измерения. Кроме того, уровень шумов прибора, описанного в статье, составляет 28 теоретических пределов. Вышеуказанные недостатки, а также наличие в схеме прототипа спектроанализатора промежуточных частот не позволяют при работе данного устройства вести измерения вблизи теоретического предела и обеспечить снижение влияние шумов, достаточно высокую точность измерения и небольшие масс-габаритные характеристики.The optical scheme used in the prototype is open and the combination of the radiation fronts occurs on the optical beam splitter. Such a scheme requires constant adjustment, which does not allow to achieve a sufficiently high measurement accuracy. In addition, the prototype device is such that the registration of the heterodyne signal occurs in a fairly wide band of the frequency range. In the prototype considered in the article, the estimated radiation frequency range is about a hundred megahertz. The use of a large range of radiation frequencies also does not allow for a sufficiently high measurement accuracy. In addition, the noise level of the device described in the article is 28 theoretical limits. The above disadvantages, as well as the presence of intermediate frequencies in the prototype circuit of the spectrum analyzer, do not allow measurements to be made near the theoretical limit during operation of this device and to reduce the influence of noise, sufficiently high measurement accuracy and small mass-dimensional characteristics.

По мнению заявителя, вышеописанные проблемы снимаются, если излучение распространяется в одномодовом волноводе, в качестве диплексора используется разветвитель на основе одномодового кварцевого волокна и излучение после выхода из которого смешивается в выходящем одномодовом волокне, при этом аналитический канал спектро-радиометра выполнен таким образом, что обеспечивается регистрация гетеродинного сигнала в узкой полосе промежуточных частот (единицы мегагерц).According to the applicant, the above problems are resolved if the radiation propagates in a single-mode waveguide, a splitter based on a single-mode quartz fiber is used as a diplexer, and radiation after which is mixed in the output single-mode fiber, while the analytical channel of the spectro-radiometer is designed in such a way that registration of a heterodyne signal in a narrow band of intermediate frequencies (units of megahertz).

Технической задачей, решаемой в представленной полезной модели, является создание гетеродинного волоконного спектро-радиометра высоко разрешения ближнего инфракрасного диапазона, который позволил бы при существенно меньших габаритах и массе, а также более простом устройстве и сниженных требованиях к условиям эксплуатации перейти в спектральный диапазон λ=1-2 мкм, достичь теоретического предела чувствительности и обеспечить снижение влияние шумов и высокую точность измерения.The technical problem to be solved in the presented utility model is the creation of a heterodyne fiber spectro-radiometer of high resolution near infrared, which would allow for significantly smaller dimensions and weight, as well as a simpler device and reduced requirements for operating conditions, to go into the spectral range λ = 1 -2 microns, to reach the theoretical limit of sensitivity and to reduce the influence of noise and high measurement accuracy.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что предлагается гетеродинный волоконно-оптический спектро-радиометр ближнего инфракрасного диапазона, содержащий оптическое приемное устройство, локальный осциллятор, стабилизированный с высокой точностью, волоконный разветвитель, диплексор, реперный канал, включающий заполненную газом кювету и фотодиод, аналитический канал, включающий фотоприемник и предусилитель, электронный блок, отличающийся тем, что оптическое приемное устройство и локальный осциллятор имеют одномодовые волоконные выводы излучения, диплексор выполнен в виде одномодового волоконного разветвителя, а предусилитель аналитического канала выполнен с узкой полосой пропускания.The solution of this technical problem is achieved by the fact that a heterodyne near-infrared fiber-optic spectro-radiometer is proposed, comprising an optical receiving device, a local oscillator stabilized with high accuracy, a fiber splitter, diplexer, a reference channel, including a gas filled cell and a photodiode, an analytical channel including a photodetector and preamplifier, an electronic unit, characterized in that the optical receiving device and the local oscillator have a single mode high fiber leads of radiation, the diplexer is made in the form of a single-mode fiber splitter, and the preamplifier of the analytical channel is made with a narrow passband.

Возможны дополнительные варианты выполнения спектро-радиометра, в которых целесообразно, чтобы:There are additional options for the implementation of the spectro-radiometer, in which it is advisable that:

- локальным осциллятором являлся полупроводниковый лазер;- the local oscillator was a semiconductor laser;

- оптическим приемным устройством является короткофокусная асферическая линза.- The optical receiving device is a short-focus aspherical lens.

Предлагаемое техническое решение представляет собой гетеродинный волоконно-оптический спектро-радиометр высокого разрешения ближнего инфракрасного диапазона. Предлагаемый спектро-радиометр отличается от известных аналогов тем, что весь оптический тракт помещен в одномодовое волокно, и юстировка, соответственно, не требуется, а также отсутствием спектроанализатора промежуточных частот, поскольку при работе предлагаемого спектро-радиометра развертка по спектру осуществляется за счет сканирования частоты локального осциллятора.The proposed technical solution is a high-resolution heterodyne fiber-optic spectro-radiometer near infrared. The proposed spectro-radiometer differs from the known analogues in that the entire optical path is placed in a single-mode fiber, and alignment, respectively, is not required, as well as the absence of an intermediate frequency spectrum analyzer, since when the proposed spectro-radiometer operates, the spectrum is scanned by scanning the local frequency the oscillator.

Краткий перечень чертежейBrief List of Drawings

На фиг.1 представлена блок-схема гетеродинного волоконно-оптического спектро-радиометра ближнего инфракрасного диапазона;Figure 1 presents a block diagram of a heterodyne fiber-optic spectro-radiometer near infrared;

На фиг.2 представлена зависимость оптической толщины от волнового числа для линия поглощения метана в атмосфере.Figure 2 shows the dependence of the optical thickness on the wave number for the methane absorption line in the atmosphere.

Спектро-радиометр состоит из оптического приемного устройства 1 с волоконным выводом излучения, в качестве которой используется короткофокусная асферическая линза, локального осциллятора 2, роль которого выполняет полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью и волоконным выводом излучения, волоконного разветвителя 3, диплексора 4, роль которого выполняет Y-образный волоконный разветвитель, реперного канала 5, состоящего из кюветы 6, заполненной газом, и фотодиода 7, аналитического канала 8, состоящего из фотоприемника 9 и предусилителя 10 с узкой полосой пропускания, блока электроники 11.The spectro-radiometer consists of an optical receiving device 1 with a fiber output of radiation, which uses a short-focus aspherical lens, a local oscillator 2, the role of which is a semiconductor laser with distributed feedback and a fiber output of radiation, a fiber splitter 3, a diplexer 4, which Y-shaped fiber splitter, reference channel 5, consisting of a cuvette 6 filled with gas, and a photodiode 7, an analytical channel 8, consisting of a photodetector 9 and pre preamplifier 10 with a narrow bandwidth, the electronics unit 11.

Устройство работает следующим образом: излучение, поступающее по одномодовому волокну от оптического приемного устройства 1 и излучение от локального осциллятора 2 через волоконный разветвитель 3 подается на два входа диплексора 4, роль которого выполняет Y-образный волоконный разветвитель и смешивается в выходящем одномодовом волокне. Смешанное в выходящем одномодовом волокне излучение поступает в аналитический канал 8, который служит для регистрации гетеродинного сигнала. В аналитическом канале сигнал смешанного излучения попадает на фотоприемник 9, сигнал которого усиливается с помощью предусилителя 10. Затем сигнал обрабатывается блоком электроники 11 путем вычисления дисперсии шумовой компоненты, которая пропорциональна спектральной плотности анализируемого излучения в диапазоне частот, соответствующем текущей полосе генерации локального осциллятора. Стабилизация с высокой точностью частоты излучения локального осциллятора 2 обеспечивается при поступлении излучения от локального осциллятора 2 с помощью волоконного разветвителя 3 в реперный канал 5, который необходим для стабилизации частоты излучения локального осциллятора по линии поглощения газа, находящегося в кювете. Регистрация гетеродинного сигнала осуществляется в узкой полосе частот предусилителя (1-50 МГц) при одновременном изменении частоты локального осциллятора (1-60 ГГц). Развертка по спектру осуществляется за счет изменения частоты излучения лазера (локального осциллятора).The device operates as follows: the radiation transmitted through a single-mode fiber from an optical receiving device 1 and the radiation from a local oscillator 2 is fed through a fiber splitter 3 to two inputs of a diplexer 4, the role of which is played by a Y-shaped fiber splitter and mixed in the output single-mode fiber. The radiation mixed in the output single-mode fiber enters the analytical channel 8, which serves to register the heterodyne signal. In the analytical channel, the mixed radiation signal is transmitted to a photodetector 9, the signal of which is amplified by a preamplifier 10. Then, the signal is processed by the electronics unit 11 by calculating the dispersion of the noise component, which is proportional to the spectral density of the analyzed radiation in the frequency range corresponding to the current oscillation band of the local oscillator. Stabilization with high accuracy of the radiation frequency of the local oscillator 2 is provided when radiation from the local oscillator 2 is received by means of a fiber splitter 3 into the reference channel 5, which is necessary to stabilize the radiation frequency of the local oscillator along the absorption line of the gas in the cell. The heterodyne signal is recorded in a narrow frequency band of the preamplifier (1-50 MHz) while changing the frequency of the local oscillator (1-60 GHz). The spectrum sweep is carried out by changing the frequency of the laser radiation (local oscillator).

В качестве диплексора может быть использован любой волноводный оптический канал, обеспечивающий селекцию мод, необходимую для совмещения волновых фронтов локального осциллятора и анализируемого излучения с необходимой точностью. В качестве фотоприемника может быть использовано любое устройство, чувствительное в заданном диапазоне спектра и обладающее детектирующей способностью, достаточной для регистрации дробовых шумов фототока в полосе частот, соответствующей ширине линии генерации локального осциллятора. В качестве локального осциллятора может быть использован любой перестраиваемый лазер с волоконным выводом излучения, диапазон и точность перестройки которого достаточны для обеспечения развертки спектра анализируемого излучения. Собственные шумы локального осциллятора не должны превышать уровня дробового шума фототока. Для этой цели могут, в частности, использоваться полупроводниковые лазеры и лазеры на квантовых каскадах (QCL).As a diplexer, any waveguide optical channel can be used that provides mode selection necessary for combining the wavefronts of the local oscillator and the analyzed radiation with the necessary accuracy. As the photodetector, any device that is sensitive in a given range of the spectrum and has a detecting ability sufficient to register shot noise of the photocurrent in the frequency band corresponding to the width of the local oscillator generation line can be used as a photodetector. As a local oscillator, any tunable laser with a fiber radiation output can be used, the range and accuracy of which are sufficient to ensure the sweep of the spectrum of the analyzed radiation. The intrinsic noise of the local oscillator should not exceed the shot noise level of the photocurrent. For this purpose, in particular, semiconductor lasers and quantum cascade (QCL) lasers can be used.

В качестве примера конкретного выполнения может быть представлен гетеродинный волоконно-оптический спектро-радиометр ближнего инфракрасного диапазона, включающий: 1 - асферическую линзу диаметром 5 мм и фокусным расстоянием 50 мм, 2 - полупроводниковый диодный лазер с распределенной обратной связью и длиной волны излучения 1,651 мкм, 3 - волоконный разветвитель на основе одномодового кварцевого волокна 10/125 мкм, 4 - диплексор в виде Y-образного волоконно-оптического разветвителя на основе одномодового кварцевого волокна 10/125 мкм, 5 - реперный канал, включающий 6 - стеклянную кювету длиной 5 см, заполненную метаном при давлении 10 мБар и 7 - фотодиод InGaAs с размером фоточувствительной площадки 2 мм, а также аналитический канал 8, включающий 9 - pin диод на основе InGaAs и 10 - трансимпедансный предусилитель с сопротивлением обратной связи 240 КОм и шириной полосы пропускания 1 МГц.As an example of a specific implementation, a near-infrared heterodyne fiber-optic spectro-radiometer can be presented, including: 1 - an aspherical lens with a diameter of 5 mm and a focal length of 50 mm, 2 - a semiconductor diode laser with distributed feedback and a radiation wavelength of 1.651 μm, 3 - a fiber splitter based on a single-mode quartz fiber 10/125 microns, 4 - a diplexer in the form of a Y-shaped fiber optic splitter based on a single-mode quartz fiber 10/125 microns, 5 - reference channel Al, including a 6 - glass cuvette 5 cm long, filled with methane at a pressure of 10 mbar and 7 - an InGaAs photodiode with a photosensitive area of 2 mm, as well as an analytical channel 8, including a 9 - pin diode based on InGaAs and a 10 - transimpedance preamplifier with resistance 240 kΩ feedback and 1 MHz bandwidth.

С помощью разработанного прибора была получена линия поглощения метана в атмосфере (Фиг.2)Using the developed device, a methane absorption line in the atmosphere was obtained (Figure 2)

Предлагаемый спектро-радиометр может применяться в составе различных полевых, бортовых и промышленных систем, предназначенных для измерения спектра ярких удаленных источников с высоким спектральным разрешением; для задач мониторинга климата и загрязнения атмосферы, пассивных допплеровских измерений поля скоростей, задач газоанализа и в других случаях, когда активные методы лазерной и гетеродинной спектрометрии неприменимы.The proposed spectro-radiometer can be used as part of various field, airborne and industrial systems designed to measure the spectrum of bright remote sources with high spectral resolution; for the tasks of monitoring climate and atmospheric pollution, passive Doppler measurements of the velocity field, gas analysis problems, and in other cases when active methods of laser and heterodyne spectrometry are not applicable.

Таким образом, сочетание оптического приемного устройства с волоконным выводом излучения в виде одномодового волокна, локального осциллятора в виде перестраиваемого лазера с волоконным выводом излучения, стабилизированного с высокой точностью через реперный канал, диплексора в виде волоконно-оптического разветвителя с одномодовым волоконным выводом и аналитического канала, чувствительного в ограниченной полосе частот, позволяет добиться теоретического предела чувствительности, снизить влияние шумов и обеспечить высокую точность измерения при относительно простом устройстве, ограниченных габаритах и массе и технологической доступности всех компонентов.Thus, the combination of an optical receiving device with a fiber output of radiation in the form of a single-mode fiber, a local oscillator in the form of a tunable laser with a fiber output of radiation stabilized with high accuracy through a reference channel, a diplexer in the form of a fiber optic splitter with a single-mode fiber output and an analytical channel, sensitive in a limited frequency band, allows to achieve a theoretical sensitivity limit, reduce the influence of noise and ensure high accuracy measurements with a relatively simple device, limited dimensions and weight and technological accessibility of all components.

ИсточникиSources

1. Патент США № US 3766380 (А)1. US patent No. US 3766380 (A)

2. Патент РФ № RU 2402742. RF patent No. RU 240274

3. D.Weidmann, G. Wysocki, “High-resolution broadband (>100 cm-1) infrared heterodyne spectro-radiometry using an external cavity quantum cascade laser”, Opt. Express 17, 248 (2009)3. D. Weidmann, G. Wysocki, “High-resolution broadband (> 100 cm-1) infrared heterodyne spectro-radiometry using an external cavity quantum cascade laser”, Opt. Express 17, 248 (2009)

Claims

1. A near-infrared heterodyne fiber-optic spectro-radiometer comprising an optical receiving device, a local oscillator stabilized with high accuracy, a fiber splitter, a diplexer, a reference channel, including a gas-filled cell and a photodiode, an analytical channel, including a photodetector and preamplifier, electronic unit, characterized in that the optical receiving device and the local oscillator have single-mode fiber output leads, the diplexer is made in the form of a single-mode a fiber splitter, the preamplifier of the analytical channel is made with a narrow passband.

2. The heterodyne fiber-optic spectro-radiometer according to claim 1, characterized in that the local oscillator is a semiconductor laser.

3. The heterodyne fiber-optic spectro-radiometer according to claim 1, characterized in that the optical receiving device is a short-focus aspherical lens.