RU2629886C1

RU2629886C1 - Device with multibeam spectral filter for detecting methane in atmosphere

Info

Publication number: RU2629886C1
Application number: RU2016114655A
Authority: RU
Inventors: Михаил Павлович Иванов; Юрий Александрович Толмачев
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-04-14
Publication date: 2017-09-04

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: device includes featured in the general case and an optically connected emitter of the radiating light beam with a continuous spectrum, a diffractive element, forming a parallel beam of radiation of optical elements, a transparent cuvette, optical elements that transmit the past of the parallel beam on the lens, a photodetector, a system of registration and processing the received electric signal, a power supply and control device. The diffractive element is made in the form of a Fresnel lens with a variable width of concentric annular confocal lenses, the number of which is determined by the ratio of the spectral interval width between the lines of the vibrational-rotational spectrum of methane to the width of these lines. Between the diffractive element and the optical elements forming the parallel beam of radiation, an optical device for controlling the amplitudes of the light signals is arranged in the form of a spatially inhomogeneous filter with a transmission different for each of the annular elements of the Fresnel lens.

EFFECT: increasing the sensitivity and accuracy of measurements.

14 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для обнаружения предельно-малых концентрации опасных и вредных для здоровья человека веществ в газовой фазе спектральными методами. Оно может быть использовано для обнаружения метана в атмосфере, природных газах и газовых смесях в реальном масштабе времени. Особенностью устройства является применение многолучевой оптической системы для регистрации оптического сигнала поглощения газообразным метаном одновременно на совокупности всех или большинства линий полосы колебательно-вращательного спектра в инфракрасном (ИК) диапазоне. Изобретение позволяет обнаруживать метан в следовых концентрациях с чувствительностью, превосходящей более чем на порядок существующие спектральные методы. При соответствующем изменении геометрических параметров изобретение может быть использовано для обнаружения и измерения концентрации иных молекул, опасных для экологии среды обитания и здоровья человека, в газовых смесях и атмосфере в реальном масштабе времени. В связи с широким использованием природного газа, основным компонентом которого является метан, в быту и промышленности, а также повышенной опасностью его выделения в условиях добычи в шахтах обнаружение следов метана рассматривается как одна из самых актуальных проблем.The invention relates to devices for detecting extremely small concentrations of hazardous and unhealthy substances in the gas phase by spectral methods. It can be used to detect methane in the atmosphere, natural gases and gas mixtures in real time. A feature of the device is the use of a multi-beam optical system for recording the optical absorption signal by gaseous methane simultaneously on the set of all or most of the lines of the vibrational-rotational spectrum band in the infrared (IR) range. The invention makes it possible to detect methane in trace concentrations with a sensitivity exceeding existing spectral methods by more than an order of magnitude. With a corresponding change in geometric parameters, the invention can be used to detect and measure the concentration of other molecules that are dangerous for the environment and human health in gas mixtures and the atmosphere in real time. Due to the widespread use of natural gas, the main component of which is methane, in everyday life and industry, as well as the increased danger of its release in mining conditions, the detection of traces of methane is considered one of the most urgent problems.

Высокая эффективность спектроскопических методов поиска и обнаружения различных молекулярных газов в естественных условиях (как наземных, так и внеземных), на производстве и в быту хорошо известна. При создании устройства для обнаружения и измерения содержания молекул на основе спектральных методов основная задача сводится к созданию источника света, линии излучения которого совпадают с линиями поглощения молекулы, формированию светового пучка и измерению доли поглощенной его энергии при распространении по трассе, в том числе, искусственно ограниченной специальными кюветами.The high efficiency of spectroscopic methods for searching and detecting various molecular gases in natural conditions (both terrestrial and extraterrestrial), in production and in everyday life is well known. When creating a device for detecting and measuring the content of molecules based on spectral methods, the main task is to create a light source whose emission lines coincide with the absorption lines of the molecule, form a light beam and measure the fraction of its absorbed energy during propagation along the path, including artificially limited special ditches.

Важность решения задачи определения содержания в атмосфере именно метана подтверждается существованием большого числа устройств и множественностью предложений по методам ее решения. Актуальность проблемы повышения надежности и чувствительности таких устройств определяет и обилие подтвержденных патентами соответствующих устройств. Однако существующие мониторы содержания метана в атмосфере, как правило, обладают несколькими недостатками: низкой чувствительностью, значительным дрейфом параметров и необходимостью регулярной калибровки.The importance of solving the problem of determining the methane content in the atmosphere is confirmed by the existence of a large number of devices and the multiplicity of proposals on methods for solving it. The relevance of the problem of improving the reliability and sensitivity of such devices is determined by the abundance of relevant devices confirmed by patents. However, existing monitors of the methane content in the atmosphere, as a rule, have several drawbacks: low sensitivity, significant drift of parameters and the need for regular calibration.

Чаще всего для обнаружения и измерения концентрации метана по поглощению излучения в спектральных линиях молекулярных полос используются источники со сплошным спектром в ближней ИК области. Чтобы повысить чувствительность спектрального метода, из сплошного спектра этих источников выделяют узкий участок, близкий к полосе или линии поглощения метана. Для этого применяются разнообразные фильтры, например, интерференционные [1], однако отношение суммарной спектральной ширины линий полосы поглощения метана к ширине выделенного участка спектра очень мало, поэтому реальная чувствительность большинства оптических методов невысока. Устройства, основанные на применении перестраиваемых универсальных спектрометров высокого разрешения, выделяющих одну или две линии из всей полосы, можно применять лишь в стационарных установках и в лабораторных условиях.Most often, sources with a continuous spectrum in the near infrared region are used to detect and measure methane concentration from the absorption of radiation in the spectral lines of molecular bands. In order to increase the sensitivity of the spectral method, a narrow section is selected from the continuous spectrum of these sources close to the methane absorption band or line. For this, various filters are used, for example, interference ones [1], however, the ratio of the total spectral line width of the methane absorption band to the width of the selected part of the spectrum is very small, so the real sensitivity of most optical methods is low. Devices based on the use of tunable universal high-resolution spectrometers that separate one or two lines from the entire band can only be used in stationary installations and in laboratory conditions.

Для решения основной задачи измерения концентрации метана по поглощению в колебательно-вращательной полосе предложены различные устройства. Все они имею общую схему: источник излучения, область, в которой это излучение селективно поглощается молекулами метана, и приемная часть. Основное различие кроется именно в источнике и его свойствах, в то время как две последующие повторяются. Задача повышения чувствительности и «обнаружительной» способности устройств, настроенных на метан, состоит, главным образом, в создании специальных источников излучения, оптимизированных по спектральному составу на поиск молекул метана.To solve the main problem of measuring the concentration of methane by absorption in the vibrational-rotational band, various devices are proposed. They all have a common scheme: a radiation source, the region in which this radiation is selectively absorbed by methane molecules, and a receiving part. The main difference lies precisely in the source and its properties, while the next two are repeated. The task of increasing the sensitivity and “detecting” ability of methane-tuned devices consists mainly in creating special radiation sources optimized in spectral composition for the search for methane molecules.

Одним из путей повышения надежности измерения концентрации метана, является увеличение числа спектральных компонентов молекулярной полосы, на которых производятся измерения. Другим направлением - увеличение яркости источников с применением перестраиваемого по частоте квазимонохроматического излучения, либо одновременная работа группы нескольких источников, работающих на разных частотах, в частности, полупроводниковых светодиодов и лазеров. Все известные устройства, использующие светодиоды (например, работа [2]), лазеры и излучатели со сплошным спектром в комбинации с узкополосным фильтром, либо концентрируют излучение на частоте одной линии поглощения из полосы, либо регистрируют поглощение в очень широком участке спектра. Оба варианта предопределяют низкую чувствительность метода в сравнении с предельно-возможной, так как игнорируется множество остальных компонентов полосы, содержащей много десятков линий.One of the ways to increase the reliability of measuring methane concentration is to increase the number of spectral components of the molecular band on which measurements are made. Another direction is to increase the brightness of sources using frequency-tunable quasimonochromatic radiation, or the simultaneous operation of a group of several sources operating at different frequencies, in particular, semiconductor LEDs and lasers. All known devices using LEDs (for example, Ref. [2]), lasers and continuous-spectrum emitters in combination with a narrow-band filter either concentrate the radiation at a frequency of one absorption line from the band or record absorption in a very wide part of the spectrum. Both options predetermine the low sensitivity of the method in comparison with the maximum possible, since many other components of the band containing many tens of lines are ignored.

Известно портативное устройство [3], предназначенное для детектирования метана по поглощению, содержащее в качестве источника излучения лазер, настроенный только на одну линию поглощения молекулярной полосы. Аналогичным недостатком обладает и устройство [4], в котором применяется перестраиваемый полупроводниковый лазер.Known portable device [3], designed to detect methane by absorption, containing as a radiation source a laser tuned to only one absorption line of the molecular band. A similar disadvantage is the device [4], which uses a tunable semiconductor laser.

Известно устройство [5], в котором для измерения поглощения применен инфракрасный излучающий диод. Спектральная полоса излучения светодиодов, как известно, имеет ширину, намного превосходящую ширину всей молекулярной полосы поглощения исследуемого газа, а поскольку интегральное поглощение в полосе определяется отношением суммарной ширины линий поглощения к ширине полосы излучения источника, чувствительность подобной системы весьма невелика и может быть увеличена только путем увеличения длины трассы поглощения, например, путем применения многоходовой кюветы, резко снижающей механическую стабильность системы в целом.A device [5] is known in which an infrared emitting diode is used to measure absorption. The spectral emission band of LEDs is known to have a width far exceeding the width of the entire molecular absorption band of the gas under investigation, and since the integral absorption in the band is determined by the ratio of the total width of the absorption lines to the width of the source radiation band, the sensitivity of such a system is very small and can only be increased by increasing the length of the absorption path, for example, by using a multi-pass cell, which sharply reduces the mechanical stability of the system as a whole.

Известно устройство [6], в котором для измерения концентрации сложных молекул применяется комбинация нескольких независимых источников света, каждый из которых имеет фиксированную частоту излучения. Внешняя универсальность такого метода и основанного на нем устройства не отвечает требованиям реальных, не лабораторных, систем измерения в силу своей громоздкости и невозможности устойчивого согласования спектра источника со спектром метана.A device [6] is known in which a combination of several independent light sources, each of which has a fixed radiation frequency, is used to measure the concentration of complex molecules. The external universality of such a method and the device based on it does not meet the requirements of real, non-laboratory, measurement systems due to its bulkiness and the impossibility of stable matching of the source spectrum with the spectrum of methane.

Известно и устройство [7], обладающее аналогичным недостатком, в котором применена линейка светодиодов, каждый из которых имеет очень широкую полосу излучения, что предопределяет низкую чувствительность всей системы.A device [7] is also known, which has a similar drawback in which a line of LEDs is used, each of which has a very wide emission band, which determines the low sensitivity of the entire system.

Известны устройства для обнаружения утечек метана, использующие различные методы, основанные на поглощении излучения специально созданных лазеров. Примером может служить изобретение [8], в котором используется поглощение лазерного излучения на одной из линий слабой полосы метана в области 1,66 мкм. Очевидным недостатком этого устройства является применение узко-специального лазера и малая чувствительность метода, так как соответствующая полоса относится к очень слабым.Known devices for detecting methane leaks using various methods based on the absorption of radiation from specially designed lasers. An example is the invention [8], which uses the absorption of laser radiation on one of the lines of a weak methane band in the region of 1.66 μm. An obvious disadvantage of this device is the use of a narrowly specialized laser and the low sensitivity of the method, since the corresponding band is very weak.

Известно также устройство [9], предназначенное для спектральных измерений путем последовательной перестройки специально разработанного лазера между компонентами колебательно-вращательного спектра метана и других молекул. Таким образом, реально в каждый конкретный момент времени измерения производятся по только одной спектральной линии. Необходимость наличия самого лазера, представляющего собой сложную прецизионную оптико-механическую систему, комбинации дополнительных эталонов и прокачки исследуемого газа через измерительную кювету лишают эту систему возможности реального применения в полевых (шахтных) условиях, ограничивая диапазон лабораторными условиями.A device [9] is also known for spectral measurements by sequentially tuning a specially designed laser between the components of the vibrational-rotational spectrum of methane and other molecules. Thus, in reality, at any given moment in time, measurements are taken along only one spectral line. The need for the laser itself, which is a complex precision optical-mechanical system, the combination of additional standards and pumping the test gas through a measuring cell deprive this system of the possibility of real use in field (mine) conditions, limiting the range to laboratory conditions.

Известны способ и устройство [10], в котором используется сравнение величин поглощения излучения системы лазеров на нескольких длинах волн. В данном устройстве измерение каждого из тестируемых газов основано на поглощении только одной линии полосы поглощения молекулы и сравнении результата измерения с рассеянием излучения на нескольких линиях вне полосы. Необходимость системы нескольких специальных лазеров, настраиваемых на необходимые частоты, резко ограничивает возможности применения данного устройства. Оговоренный в патенте тип лазера в настоящее время требует высоковольтного источника питания, что исключает его применение в условиях повышенной опасности эксплуатации.A known method and device [10], which uses a comparison of the absorption values of the radiation of a laser system at several wavelengths. In this device, the measurement of each of the tested gases is based on the absorption of only one line of the absorption band of the molecule and the comparison of the measurement result with the scattering of radiation on several lines outside the band. The need for a system of several special lasers, tuned to the required frequencies, severely limits the possibilities of using this device. The type of laser specified in the patent currently requires a high-voltage power supply, which excludes its use in conditions of increased operational danger.

Показано [11], что если измерять сигнал одновременно на множестве линий, принадлежащих данной молекуле, то чувствительность методов обнаружения возрастает прямо пропорционально числу используемых линий, поэтому наиболее перспективны устройства, в которых для измерений одновременно используется большое число линий поглощения.It was shown [11] that if a signal is measured simultaneously on a plurality of lines belonging to a given molecule, then the sensitivity of the detection methods increases in direct proportion to the number of lines used; therefore, the most promising devices are those in which a large number of absorption lines are simultaneously used for measurements.

Известен патент на источник полихромного излучения [12], содержащий светоизлучающие элементы, микрооптическую сборку и комбинацию двух дифракционных элементов, объединяющих систему световых пучков, идущих от светоизлучающих элементов, в общий пучок. При всей привлекательности системы, она обладает малой чувствительностью по отношению к измерению поглощения в молекулярных полосах, так как источники света (светодиоды), используемые в ней имеют широкий спектр излучения, каждый из которых перекрывает всю молекулярную полосу. Устройство сложно в настройке и не обладает достаточно вибростойкостью, чтобы его можно было применять в сложных условиях эксплуатации, в том числе - полевых и шахтных. Применение двойной дифракции излучения в этом устройстве резко снижает энергетическую эффективность использования излучения источников.A patent is known for a polychrome radiation source [12], containing light-emitting elements, a micro-optical assembly and a combination of two diffraction elements that combine a system of light beams coming from light-emitting elements into a common beam. Despite the attractiveness of the system, it has low sensitivity with respect to measuring absorption in molecular bands, since the light sources (LEDs) used in it have a wide spectrum of radiation, each of which covers the entire molecular band. The device is difficult to configure and does not have sufficient vibration resistance so that it can be used in difficult operating conditions, including field and mine ones. The use of double diffraction of radiation in this device dramatically reduces the energy efficiency of using radiation sources.

Задача заключается, таким образом, в создании устройства, содержащего источник, генерирующий полихромное стабильное по спектральному составу и интенсивности излучение, состоящее из узких спектральных линий, совпадающих со всеми линиями поглощения колебательно-вращательного спектра молекулы одновременно, и оптически суммирующее сигналы всех линий на одном фотоприемнике с целью пропорционального увеличения интенсивности сигнала. Устройство должно обеспечивать высокую чувствительность, стабильность параметров, простоту и надежность конструкции. Одновременно такое устройство позволит решить проблему уменьшения роли мешающих компонентов спектров иных молекул, которые могу оказаться вблизи используемой полосы, или внутри нее.The task, therefore, is to create a device containing a source that generates polychrome radiation stable in spectral composition and intensity, consisting of narrow spectral lines that coincide with all absorption lines of the vibrational-rotational spectrum of the molecule at the same time, and optically sums the signals of all lines on a single photodetector in order to proportionally increase the signal intensity. The device should provide high sensitivity, stability parameters, simplicity and reliability of the design. At the same time, such a device will make it possible to solve the problem of reducing the role of interfering components of the spectra of other molecules that may appear near or within the used band.

Известен универсальный источник полихромного оптического излучения [14], принятый нами за прототип изобретения, в котором применена линейка светоизлучающих элементов, свойства которых, правда, не оговорены, оптические элементы для управления геометрическими характеристиками пучка, дифракционный элемент и средства позиционирования. Указанные средства позиционирования каждого из излучателей имеют три степени свободы. Устройство предназначено для формирования направленного оптического излучения с заданными спектральными, энергетическими, пространственными, поляризационными и временными характеристиками. Стремление авторов изобретения [13] к абсолютной универсальности источника излучения приводит к тому, что суммарное количество механических степеней свободы излучателей, необходимое для применения его в анализе сколько-нибудь сложных атомных и, тем более, молекулярных систем становится невообразимо большим, и соответственно, как настройка, так и устойчивая эксплуатация его даже в лабораторных условиях маловероятна. К тому же предложенный способ решение задачи в [13] требует прецизионного пространственного согласования пучков во множестве излучающих и оптических компонентах относительно одного общего дифракционного элемента, обеспечивающего сложение пучков. Соответственно, возрастают потери мощности излучения, обусловленные необходимым уменьшением телесного угла, в котором распространяется излучение каждого из первичных источников.A well-known universal source of polychrome optical radiation [14], adopted by us for the prototype of the invention, which uses a line of light-emitting elements whose properties, however, are not specified, optical elements to control the geometric characteristics of the beam, a diffractive element and positioning means. These means of positioning each of the emitters have three degrees of freedom. The device is intended for the formation of directional optical radiation with specified spectral, energy, spatial, polarization and temporal characteristics. The desire of the inventors [13] to the absolute universality of the radiation source leads to the fact that the total number of mechanical degrees of freedom of the emitters, necessary for its application in the analysis of any complex atomic and, especially, molecular systems, becomes unimaginably large, and, accordingly, as a setting , and its stable operation even in laboratory conditions is unlikely. In addition, the proposed method for solving the problem in [13] requires precise spatial matching of beams in a variety of radiating and optical components with respect to one common diffraction element providing beam addition. Accordingly, the radiation power loss increases due to the necessary decrease in the solid angle in which the radiation of each of the primary sources propagates.

Задачи промышленной и полевой эксплуатации спектроанализатора, регистрирующего метан, требует создания простого по конструкции, стабильного устройства, не требующего высоких напряжений питания и удобного в использовании. На решение этой задачи направлено предлагаемое изобретение. Непосредственная цель представленного изобретения заключается в разработке устройства многократно повышающего чувствительность обнаружения метана спектральными методами путем использования многолучевого спектрального фильтра, свойства которого согласованы со спектром поглощения метана.The tasks of industrial and field operation of a spectrum analyzer that records methane requires the creation of a simple in design, stable device that does not require high supply voltages and is convenient to use. To solve this problem, the invention is directed. The immediate objective of the present invention is to develop a device that significantly increases the sensitivity of methane detection by spectral methods by using a multipath spectral filter, the properties of which are consistent with the absorption spectrum of methane.

Техническим результатом заявленного изобретения «Устройство с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере» является многократное увеличение чувствительности обнаружения метана в атмосфере и соответствующее повышение точности измерения концентрации за счет реализации, во-первых, высокой спектральной селективности и, во-вторых, одновременного использования абсолютного большинства линий молекулярного спектра. Реализация технического результата осуществляется путем согласованной фильтрации излучения источника сплошного спектра.The technical result of the claimed invention "Device with a multipath spectral filter for the detection of methane in the atmosphere" is a multiple increase in the sensitivity of detection of methane in the atmosphere and a corresponding increase in the accuracy of concentration measurement due to the implementation, firstly, of high spectral selectivity and, secondly, the simultaneous use of absolute most molecular spectrum lines. The implementation of the technical result is carried out by coordinated filtering of the radiation of a continuous spectrum source.

Указанный технический результат достигается созданием источника излучения, спектр которого состоит из совокупности большого числа узких линий, частоты которых совпадают с частотами большинства линий поглощения полосы молекулы метана в ближней ИК области спектра. В отличие от перечисленных выше и иных известных устройств, предлагаемое устройство учитывает особенности структуры молекулярного колебательно-вращательного спектра метана, а именно: постоянство разности частот Δσ между отдельными компонентами (Фиг. 1). (Здесь и далее знаком σ обозначена частота, выраженная в обратных сантиметрах, как это принято в молекулярной спектроскопии.) Эффект достигается путем многократного повторения во времени с фиксированным периодом исходного сигнала источника со сплошным спектром излучения. В простейшем случае двукратного повторения это приводит к косинусоидальному распределению интенсивности в спектре частот I(σ), этот эффект хорошо известен как образование «канавчатого» спектра [14, 15]:The specified technical result is achieved by creating a radiation source, the spectrum of which consists of a large number of narrow lines whose frequencies coincide with the frequencies of most absorption lines of the band of a methane molecule in the near infrared region of the spectrum. In contrast to the above and other known devices, the proposed device takes into account the structural features of the molecular vibrational-rotational spectrum of methane, namely: the constancy of the frequency difference Δσ between the individual components (Fig. 1). (Hereinafter, the sign σ denotes the frequency expressed in inverse centimeters, as is customary in molecular spectroscopy.) The effect is achieved by repeated repetition in time with a fixed period of the source signal with a continuous emission spectrum. In the simplest case of double repetition, this leads to a cosine distribution of intensity in the frequency spectrum I (σ), this effect is well known as the formation of a “grooved” spectrum [14, 15]:

Огибающая I₀(σ) совпадает с исходным спектром излучателя сплошного спектра. Однако, хотя устройства с таким спектром и обладают максимумами, совпадающими с линиями поглощения метана, они имеют очень низкую эффективность, так как ширина максимумов равна приблизительно половине расстояния между линиями, т.е. они обладают недостатками, свойственными всем описанными выше устройствам.The envelope I ₀ (σ) coincides with the initial spectrum of the continuous spectrum emitter. However, although devices with such a spectrum have maxima that coincide with methane absorption lines, they have very low efficiency, since the width of the maxima is approximately half the distance between the lines, i.e. they have the disadvantages inherent in all the devices described above.

Для создания спектра, состоящего из множества узких равноотстоящих друг от друга линий используется особенность интерференции излучения множества идентичных пучков с широкополосным спектром, при которой многократное повторение во времени одной и той же реализации световой волны, в том числе обычного теплового источника, приводит к преобразованию ее спектра, выражающемуся в появлении максимумов и минимумов, характеристики которых зависят от числа повторений [16]. Реализующее этот процесс устройство является многолучевым спектральным фильтром.To create a spectrum consisting of many narrow equally spaced lines, we use the peculiarity of the interference of radiation of many identical beams with a broadband spectrum, in which repeated repetition in time of the same implementation of a light wave, including a conventional heat source, leads to the transformation of its spectrum , expressed in the appearance of maxima and minima, the characteristics of which depend on the number of repetitions [16]. The device implementing this process is a multipath spectral filter.

Использованием в устройстве с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере источника сформированного излучения с множеством равноотстоящих узких линий излучения достигается многократное повышение чувствительности измерения концентрации метана по поглощению излучения по двум причинам.The use of a device with a multi-beam spectral filter for detecting methane in the atmosphere of a generated radiation source with many equally spaced narrow emission lines achieves a multiple increase in the sensitivity of measuring methane concentration from radiation absorption for two reasons.

- Во-первых, линии излучения совпадают по частоте со всеми или большинством соответствующих линий поглощения колебательно-вращательного спектра метана. Расчеты, приведенные в [11], показывают, что суммарный выигрыш чувствительности обнаружения при одновременной регистрации множества линий примерно пропорционален числу линий. В случае метана он может составить более 20 раз.- Firstly, the emission lines coincide in frequency with all or most of the corresponding absorption lines of the vibrational-rotational spectrum of methane. The calculations in [11] show that the total gain in detection sensitivity while registering multiple lines is approximately proportional to the number of lines. In the case of methane, it can be more than 20 times.

- Во-вторых, при многолучевой интерференции образованных пучков резко возрастает контраст линий по отношению к промежуткам между ними, при этом происходит подавление спектров молекул, которые могут перекрываться со спектром метана.- Secondly, in the case of multipath interference between the formed beams, the contrast of the lines sharply increases with respect to the gaps between them, and the spectra of molecules that can overlap with the spectrum of methane are suppressed.

Задачей заявленного устройства является реализация подобного выигрыша при обеспечении высокой стабильности, простоты конструкции и настройки системы, устойчивого в эксплуатации. Для решения этой задачи необходимо технически реализовать многократное повторение исходного сигнала и обеспечить сложение полученных его копий. Подробная теория формирования спектра дана в Приложении 1.The objective of the claimed device is the implementation of such a gain while ensuring high stability, simplicity of design and configuration of the system, stable in operation. To solve this problem, it is necessary to technically implement multiple repetition of the original signal and ensure the addition of its obtained copies. A detailed theory of spectrum formation is given in Appendix 1.

Построенное на этих принципах устройство должно включать в себя следующие элементы:A device built on these principles should include the following elements:

- корпус, в котором размещаются элементы устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере (далее - устройства с многолучевым фильтром),- a housing in which elements of a device with a multipath spectral filter are located for detecting methane in the atmosphere (hereinafter referred to as devices with a multipath filter),

- излучатель со сплошным спектром, создающий первичный сигнал ϕ(t),- a radiator with a continuous spectrum, creating a primary signal ϕ (t),

- устройство задержки во времени копий сигнала, содержащее набор оптических линий задержки, выполняющее функции преобразователя первичного сигнала ϕ(t) в набор копий, сдвинутых во времени одна относительно другой на фиксированный интервал τ, равный обратной величине постоянного расстояния Δσ между колебательно-вращательными компонентами избранной для измерений полосы молекулы метана (τ=1/Δσ),- a time delay device for signal copies containing a set of optical delay lines that acts as a converter of the primary signal ϕ (t) into a set of copies shifted in time relative to each other by a fixed interval τ equal to the reciprocal of the constant distance Δσ between the vibrational-rotational components of the selected for measuring the band of a methane molecule (τ = 1 / Δσ),

- оптические элементы, формирующие распространяющийся в общем направлении общий пучок из пучков, полученных на выходе из устройства задержки и взаимодействующий с молекулами метана (далее - формирователь параллельного пучка),- optical elements forming a common beam propagating in a general direction from beams obtained at the exit of the delay device and interacting with methane molecules (hereinafter referred to as a parallel beam former),

- объем среды, например, прозрачная газонаполненная кювета, в которой содержатся молекулы метана, поглощающие излучение,- the volume of the medium, for example, a transparent gas-filled cell, which contains methane molecules that absorb radiation,

- оптический сумматор, обеспечивающий сложение амплитуд всех пучков, прошедших через поглощающую среду и направляющий суммарное излучение на фотоприемник,- an optical adder, providing the summation of the amplitudes of all the beams transmitted through the absorbing medium and directing the total radiation to the photodetector,

- фотоприемник,- photodetector,

- устройство для измерения и регистрации сформированного фотоприемником сигнала (далее - система обработки сигнала),- a device for measuring and recording the signal generated by the photodetector (hereinafter referred to as the signal processing system),

- устройство электропитания и управления.- power supply and control device.

Общая принципиальная схема предлагаемого устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере приведена на Фиг. 2. Она включает в себя размещенные в общем корпусе и оптически связанные: излучатель расходящегося светового пучка 1 со сплошным спектром и дифракционный элемент 2, преобразующий расходящийся световой пучок излучатель со сплошным спектром 1 в набор N одинаковых по зависимости от времени пучков, число которых N задается отношением ширины Δσ спектрального интервала между линиями колебательно-вращательного спектра метана к ширине этих линий; формирователь параллельного пучка 3, создающий общий параллельный пучок излучения, освещающий кювету 4 с прозрачными окнами, снабженную системой прокачки атмосферного газа, содержащего метан; оптические элементы 5, передающие прошедший через кювету параллельный пучок на объектив 6, фокусирующий прошедший пучок на фотоприемник 7; систему регистрации и обработки полученного электрического сигнала 8, а также устройство электропитания и управления 10, причем дифракционный элемент 2 выполнен в виде линзы Френеля, состоящей из N концентрических софокусных кольцевых линз переменной ширины, а между дифракционным элементом 2 и формирователем параллельного пучка 3 размещено специальное оптическое устройство 9 управления амплитудами световых сигналов, выполненное в виде пространственно-неоднородного транспаранта с пропусканием различным для каждого из кольцевых компонентов линзы Френеля.The general schematic diagram of the proposed device with a multipath spectral filter for the detection of methane in the atmosphere is shown in FIG. 2. It includes those placed in a common housing and optically coupled: a radiator of a diverging light beam 1 with a continuous spectrum and a diffraction element 2, converting a diverging light beam of a radiator with a continuous spectrum 1 into a set of N beams identical in time, the number of which N is specified the ratio of the width Δσ of the spectral interval between the lines of the vibrational-rotational spectrum of methane to the width of these lines; a parallel beam shaper 3, creating a common parallel radiation beam illuminating the cell 4 with transparent windows, equipped with a system for pumping atmospheric gas containing methane; optical elements 5 transmitting the parallel beam transmitted through the cuvette to the lens 6, focusing the transmitted beam to the photodetector 7; a system for recording and processing the received electric signal 8, as well as a power supply and control device 10, wherein the diffraction element 2 is made in the form of a Fresnel lens, consisting of N concentric confocal annular lenses of variable width, and a special optical is placed between the diffraction element 2 and the parallel beam shaper 3 a device 9 for controlling the amplitudes of light signals, made in the form of a spatially inhomogeneous banner with transmission different for each of the ring components nt lens Fresnel.

Работа устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере на основе линзы Френеля происходит следующим образом. Волна от излучателя со сплошным спектром 1, помещенным в общем фокусе кольцевых компонентов, из которых состоит линза Френеля, выполняющая функции дифракционного элемента 2, освещает сферической волной линзу. Каждое кольцо линзы создает на выходе плоскую кольцевую волну, фронты таких волн показаны на Фиг. 3. Зависимость сигнала от времени в этих волнах совпадает с зависимостью от времени ϕ(t) волны источника с некоторым сдвигом во времени. Величина такого сдвига определяется расстоянием от источника 1 до соответствующего кольца линзы. Затем сформированный каждой кольцевой линзой пучок с плоским фронтом проходит через соответствующий данному кольцу участок специального оптического устройства 9 управления амплитудой волны для осуществления аподизации, и попадает на вход оптических элементов 3, формирующих общий параллельный пучок излучения, освещающий кювету 4, где происходит селективное поглощение излучения на одновременно на всех линиях колебательно-вращательной спектральной полосы метана. Выходящее из кюветы 4 излучение с помощью вспомогательных оптических элементов 5 направляется на объектив 6, фокусирующий прошедший пучок на фотоприемник 7 и далее сигнал фотоприемника поступает на устройство 7 усиления, обработки и регистрации сигнала. Устройство электропитания и управления 10 в рассматриваемой схеме может вырабатывать сигнал модуляции величины яркости излучателя сплошного спектра, допустим, периодически или по некоторому кодовому правилу изменяя силу тока через него.The operation of the device with a multipath spectral filter for the detection of methane in the atmosphere based on the Fresnel lens is as follows. A wave from a radiator with a continuous spectrum 1 placed in the common focus of the ring components that make up the Fresnel lens, which functions as a diffraction element 2, illuminates the lens with a spherical wave. Each lens ring creates an output plane ring wave, the fronts of such waves are shown in FIG. 3. The time dependence of the signal in these waves coincides with the time dependence ϕ (t) of the source wave with a certain time shift. The magnitude of such a shift is determined by the distance from the source 1 to the corresponding lens ring. Then a beam with a flat front formed by each ring lens passes through a section of a special optical wave amplitude control device 9 for apodization corresponding to this ring, and enters the input of the optical elements 3 forming a common parallel radiation beam illuminating the cuvette 4, where radiation is selectively absorbed by simultaneously on all lines of the vibrational-rotational spectral band of methane. The radiation emerging from the cell 4 with the aid of auxiliary optical elements 5 is directed to the lens 6, focusing the transmitted beam to the photodetector 7 and then the photodetector signal is fed to the signal amplification, processing and recording device 7. The power supply and control device 10 in the considered circuit can generate a modulation signal for the brightness value of the continuous spectrum emitter, for example, periodically or by some code rule changing the strength of the current through it.

В опытах с преобразованием линзой Френеля фемтосекундного ультракороткого импульса [17] было показано, что на большом расстоянии от линзы получается последовательность одинаковых по амплитуде фемтосекундных импульсных пучков с плоским фронтом волны, задержанных на некоторый фиксированный интервал один относительно другого. Величина задержки обусловлена увеличением расстояния от общего фокуса до отдельных ее кольцевых компонентов по мере увеличения угла между лучом в направлении кольца и осью симметрии. Каждый из пучков на выходе линзы Френеля имеет зависимость амплитуды от времени точно такую же, как у падающего на линзу колебания ϕ(t). Для того чтобы обеспечить постоянство временного интервала τ в серии полученных волн, должно выполняться очевидное соотношение между длинами лучей

, проходящих через внутренний радиус кольцевых линз:In experiments with the conversion of a Fresnel lens to a femtosecond ultrashort pulse [17], it was shown that at a large distance from the lens, a sequence of equal-amplitude femtosecond pulsed beams with a flat wave front, delayed for a fixed interval one relative to the other, is obtained. The magnitude of the delay is due to an increase in the distance from the common focus to its individual annular components as the angle between the beam in the direction of the ring and the axis of symmetry increases. Each of the beams at the output of the Fresnel lens has a time dependence of the amplitude that is exactly the same as the oscillation ϕ (t) incident on the lens. In order to ensure the constancy of the time interval τ in the series of obtained waves, the obvious relation between the ray lengths must be satisfied

passing through the inner radius of annular lenses:

,

откуда при частоте, выраженной в обратных сантиметрах, следует формула:whence at a frequency expressed in inverse centimeters, the formula follows:

, где k=0, 1, 2… и

(фокусное расстояние линзы)

where k = 0, 1, 2 ... and

(focal length of the lens)

Все длины здесь выражаются в сантиметрах, а Δσ - в обратных сантиметрах.All lengths here are expressed in centimeters, and Δσ in inverse centimeters.

Полученное соотношение позволяет рассчитать радиусы колец линзы, находящейся в воздухе, задав ее фокусное расстояние ƒ, по формуле:The resulting ratio allows you to calculate the radii of the rings of the lens in the air, setting its focal length ƒ, according to the formula:

, k=1, 2, 3…N

, k = 1, 2, 3 ... N

В работе [17] указано, что при выполнении этого условия получающиеся импульсы не только эквидистантны во времени, но и имеют одинаковую амплитуду, т.е. копии излученной источником волны ϕ(t) входят в результат последующего переложения (интерференции) отдельных кольцевых волн с равным весом. Изменяя пропускание самих кольцевых линз, или используя специальное оптическое устройство 9, можно улучшить форму распределения амплитуд в спектральных компонентах, реализовав ее аподизацию. Отметим, что линза Френеля использует весь световой поток, освещающий ее входную поверхность, т.е. она является весьма эффективным преобразователем спектра. В Приложении 2 приведены результаты расчета параметров линзы Френеля для полосы метана 3,3 мкм.It was indicated in [17] that, under this condition, the resulting pulses are not only equidistant in time, but also have the same amplitude, i.e. copies of the ϕ (t) wave emitted by the source are included in the result of subsequent arrangement (interference) of individual ring waves with equal weight. By changing the transmission of the annular lenses themselves, or using a special optical device 9, it is possible to improve the shape of the distribution of amplitudes in the spectral components by realizing its apodization. Note that the Fresnel lens uses the entire luminous flux illuminating its input surface, i.e. It is a very efficient spectrum converter. Appendix 2 shows the results of calculating the parameters of the Fresnel lens for a methane band of 3.3 μm.

Пространство между источником со сплошным спектром 1 и линзой Френеля 2 может быть заполнено прозрачным веществом с показателем преломления n, составляющим одно целое с линзой. При расчетах в этом случае все линейные величины в формулах должны быть заменены на соответствующие оптические длины

. Подобное исполнение конструкции линзы позволяет уменьшить ее размеры в n раз и обеспечивает увеличение вибростойкости конструкции.The space between the source with a continuous spectrum 1 and the Fresnel lens 2 can be filled with a transparent substance with a refractive index n that is integral with the lens. In the calculations in this case, all linear quantities in the formulas should be replaced by the corresponding optical lengths

. Such a design of the lens design allows you to reduce its size n times and provides increased vibration resistance of the structure.

Расчет кольцевых компонентов линзы Френеля может предусматривать одновременное выполнение функций формирования серии сдвинутых во времени копий сигнала излучателя расходящегося светового пучка 1 со сплошным спектром и входного объектива системы оптических элементов 3, формирующих общий параллельный пучок излучения, такое решение показано на Фиг. 4. Это позволяет сократить число независимо юстируемых оптических элементов, уменьшить внутренние потери светового потока при отражениях от поверхностей и повысить механическую устойчивость устройство с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере. Имеющийся оптический интервал между линзой Френеля и специальным оптическим устройством (9) управления амплитудами пучков с целью аподизации контуров линий также заполняется прозрачным веществом, например оптическим клеем, что приводит к образованию жесткого блока. Толщина и показатель преломления прозрачного вещества должны учитываться при расчете геометрических параметров линзы Френеля.Calculation of the annular components of the Fresnel lens may include the simultaneous execution of the functions of generating a series of time-shifted copies of the signal of the emitter of a diverging light beam 1 with a continuous spectrum and the input lens of the system of optical elements 3 forming a common parallel radiation beam, such a solution is shown in FIG. 4. This allows to reduce the number of independently aligned optical elements, to reduce the internal loss of light from reflections from surfaces, and to increase the mechanical stability of a device with a multipath spectral filter for detecting methane in the atmosphere. The existing optical interval between the Fresnel lens and a special optical device (9) for controlling the beam amplitudes in order to apodize the line contours is also filled with a transparent substance, for example, optical glue, which leads to the formation of a hard block. The thickness and refractive index of a transparent substance should be taken into account when calculating the geometric parameters of a Fresnel lens.

Излучатель расходящегося светового пучка 1 со сплошным спектром в показанной на Фиг. 2 схеме конструкции может содержать стандартный для осветительных систем оптический элемент - вогнутое зеркало, обеспечивающее удвоение величины светового потока.The continuous-spectrum divergent light beam emitter 1 shown in FIG. 2 of the design scheme may contain a standard optical element for lighting systems - a concave mirror, which provides a doubling of the luminous flux.

Аналогичным схеме Фиг. 2 образом может быть организован зеркальный вариант, выполняющий те же функции, что и линза Френеля (Фиг. 5), и состоящий из системы софокусных концентрических кольцевых зеркал 11, геометрические параметры которых рассчитываются так же, как параметры кольцевых компонентов линзы Френеля. На Фиг. 5 двойной кривой показана волна, идущая от излучателя сплошного спектра 1, а двойными отрезками прямых - сечения кольцевых волн, образующихся после отражения. Преимуществом такого варианта является большая компактность устройства и широкий круг веществ (например, металлов), из которых может быть выполнено соответствующее зеркало. Некоторым недостатком, является перекрытие центральной области зеркала самим излучателем сплошного спектра 1 и механическими приспособлениями для его фиксации, что потребует небольшого увеличения внешнего диаметра зеркала.Similar to the circuit of FIG. 2, a mirror version can be organized that performs the same functions as the Fresnel lens (Fig. 5) and consists of a system of confocal concentric ring mirrors 11, the geometric parameters of which are calculated in the same way as the parameters of the ring components of the Fresnel lens. In FIG. 5, the double curve shows the wave coming from the emitter of the continuous spectrum 1, and the double sections of the straight lines show the sections of the ring waves formed after reflection. The advantage of this option is the large compactness of the device and a wide range of substances (for example, metals) from which the corresponding mirror can be made. A certain disadvantage is the overlapping of the central region of the mirror by the continuous-spectrum emitter 1 itself and mechanical devices for fixing it, which will require a slight increase in the outer diameter of the mirror.

Как в линзовом, так и в зеркальном варианте с целью удобства настройки общей системы с линзой Френеля для измерения поглощения, в которой общий световой пучок фокусируется на фотоприемник, центральная часть линзы (зеркала) может содержать малое отверстие для прохода вспомогательного пучка видимого излучения, так как компоненты источника полихромного излучения могут быть выполнены из вещества непрозрачного в видимой области. Ось этого пучка совпадает с оптической осью полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере. Для современного технологического уровня изготовление подобных линз и зеркал не представляет проблем, однако, применение такого вспомогательного пучка потребует введения в конструкцию дополнительных оптических элементов для бокового расположения вспомогательного источника по методам, применяемым, например, в конструкциях телескопов.In both the lens and mirror versions, in order to conveniently configure a common system with a Fresnel lens for measuring absorption, in which the common light beam is focused on the photodetector, the central part of the lens (mirror) may contain a small hole for the passage of an auxiliary beam of visible radiation, since the components of the polychrome radiation source can be made of a substance opaque in the visible region. The axis of this beam coincides with the optical axis of the polychrome device for detecting methane in the atmosphere. For the modern technological level, the manufacture of such lenses and mirrors is not a problem, however, the use of such an auxiliary beam will require the introduction of additional optical elements for the lateral location of the auxiliary source according to methods used, for example, in the construction of telescopes.

Помимо регулярной или кодовой амплитудной модуляции интенсивности светового потока от излучателя расходящегося светового пучка 1 со сплошным спектром, с целью дополнительного повышения отношения сигнал/фон могут применяться методы модуляционной спектроскопии [19], в которых модулируется - периодически изменяется - сама частота линий устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере. Для этого длину волны излучения, проходящего через прозрачную кювету 4, содержащую метан, периодически с заданной частотой модуляции перестраивают от точного совпадения с линиями поглощения на промежуток между линиями. В предлагаемом устройстве с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере такая перестройка может осуществляться периодическим смещением излучателя сплошного спектра 1 из точки фокуса вдоль оптической оси. При этом весь набор расстояний

от излучателя сплошного спектра до компонентов линзы (зеркала) Френеля изменяется, и свойства резонансности спектра выходящего излучения и спектра поглощения нарушаются. Смещение может осуществляться как механическим перемещением излучателя вдоль оптической оси системы, так и продольным перемещением его изображения, например, с помощью колеблющейся прозрачной плоскопараллельной пластинки, введенной между излучателем сплошного спектра и линзой (зеркалом) Френеля, соответствующий управляющий сигнал задается устройством электропитания и управления 10. Одновременно оно создает сигнал управления детектором электрического сигнала приемно-усилительного устройства (например, синхронным детектором). Вместо поворачивающейся прозрачной плоскопараллельной пластинки может применяться пластинка с фиксированным положением, но с управляемым показателем преломления, например, вследствие электрооптического эффекта. Смещение самого излучателя сплошного спектра вдоль оси может осуществляться как механическими средствами, так и с использованием различных физических эффектов, изменяющих геометрические размеры крепящих приспособлений (например, магнитострикционного).In addition to regular or code amplitude modulation of the intensity of the light flux from the emitter of a diverging light beam 1 with a continuous spectrum, modulation spectroscopy methods [19] can be used to further increase the signal-to-background ratio, in which the frequency of the lines of the device with a multipath spectral is modulated - periodically changes a filter for detecting methane in the atmosphere. For this, the wavelength of the radiation passing through the transparent cell 4 containing methane is periodically tuned from the exact coincidence with the absorption lines to the gap between the lines with a given modulation frequency. In the proposed device with a multi-beam spectral filter for detecting methane in the atmosphere, such a restructuring can be carried out by periodically displacing the emitter of the continuous spectrum 1 from the focal point along the optical axis. Moreover, the entire set of distances

from a continuous spectrum emitter to Fresnel lens components (mirrors), the resonance properties of the outgoing radiation spectrum and absorption spectrum are violated. The displacement can be carried out both by mechanical movement of the emitter along the optical axis of the system, and by longitudinal movement of its image, for example, by means of an oscillating transparent plane-parallel plate inserted between the continuous spectrum emitter and the Fresnel lens (mirror), the corresponding control signal is set by the power supply and control device 10. At the same time, it creates a control signal for the detector of the electric signal of the receiving-amplifying device (for example, a synchronous detector). Instead of a rotating transparent plane-parallel plate, a plate with a fixed position, but with a controlled refractive index, for example, due to the electro-optical effect, can be used. The displacement of the continuous spectrum emitter along the axis can be carried out both by mechanical means and using various physical effects that change the geometric dimensions of the fastening devices (for example, magnetostrictive).

С целью повышения компактности полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере на основе линзы Френеля с сохранением всех его свойств в устройстве могут применяться известные методы изменения линейных размеров путем ведения дополнительных оптических элементов, формирующих удаленное на расстояние ƒ мнимое изображение источника сплошного спектра (Фиг. 6, а, б, в), например, с помощью вогнутого 12, плоского 13 зеркала, или линзы 14. Дополнительные линза и зеркало могут быть также использованы для модуляции частоты как подвижный элемент, изменяющий положение мнимого изображения излучателя сплошного спектра для смещения частоты настройки спектральных максимумов линий относительно линий поглощения. Потеря центральной части пучка в случае осевого положения источника сплошного спектра легко компенсируется соответствующим изменением ширины кольцевых компонентов линзы Френеля.In order to increase the compactness of a polychrome device for detecting methane in the atmosphere based on a Fresnel lens while preserving all its properties, the device can use known methods for changing linear dimensions by maintaining additional optical elements forming an imaginary image of a continuous spectrum source remote at a distance Фиг (Fig. 6, a, b, c), for example, using a concave 12, flat 13 mirror, or lens 14. An additional lens and mirror can also be used to modulate the frequency as a moving element an event that changes the position of the imaginary image of a continuous-spectrum emitter to shift the tuning frequency of the spectral maxima of the lines relative to the absorption lines. The loss of the central part of the beam in the case of the axial position of the source of the continuous spectrum is easily compensated by a corresponding change in the width of the annular components of the Fresnel lens.

Уменьшение радиусов кольцевых линз и соответствующее уменьшение габаритов источника полихромного излучения может быть достигнуто также путем комбинирования линзы Френеля с системой прозрачных коаксиальных цилиндров 15 (Фиг. 7а), реализующих дополнительную задержку волн. В зеркальном варианте (Фиг. 7, б) эффект достигается путем смещения отражающей поверхности вогнутых кольцевых зеркал 11 вдоль оптической оси с соответствующим изменением радиуса кривизны зеркал, оставляя их софокусными. Несовпадение амплитуд волн, прошедших через разные компоненты ликвидируется установкой аподизирующего устройства 9 в виде набора концентрических фильтров различной оптической длины, осуществляющего одновременно функцию аподизации. В качестве примера размещение этого устройства показано на Фиг. 7, б. Аналогичная система кольцевых фильтров может применяться и в других вариантах конструкции полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере на основе линзы (зеркала) Френеля.A decrease in the radii of ring lenses and a corresponding decrease in the dimensions of the polychrome radiation source can also be achieved by combining a Fresnel lens with a system of transparent coaxial cylinders 15 (Fig. 7a), which realize an additional wave delay. In the mirror version (Fig. 7, b), the effect is achieved by shifting the reflecting surface of the concave annular mirrors 11 along the optical axis with a corresponding change in the radius of curvature of the mirrors, leaving them confocal. The mismatch of the amplitudes of the waves passing through different components is eliminated by installing the apodizing device 9 in the form of a set of concentric filters of different optical lengths, which simultaneously performs the apodization function. As an example, the arrangement of this device is shown in FIG. 7, b. A similar ring filter system can be used in other versions of the construction of a polychrome device for the detection of methane in the atmosphere based on a Fresnel lens (mirror).

Современные технологии массового изготовления линз (зеркал) Френеля ориентированы на устройства с постоянной шириной кольцевых линз. В подобной линзе (зеркале) создается система пучков, в которых полная доля энергии светового потока излучателя со сплошным спектром 1 растет с ростом радиуса кольца. Дополнив такую упрощенную линзу (зеркало) Френеля системой концентрически расположенных плоских кольцевых фильтров с центром, совпадающим с осью симметрии линзы, и имеющих пропускание, компенсирующее изменение интенсивности пучков, можно добиться выравнивания амплитуд. Задержка волн, прошедших разные кольцевые линзы, меняется в подобной системе от кольца к кольцу. Оптическая длина каждого из цилиндров должна рассчитываться с учетом требований к длине оптического пути, чтобы обеспечить равенство интервалов задержки входящего сигнала

в выходных пучках.Modern technologies for the mass production of Fresnel lenses (mirrors) are oriented to devices with a constant width of annular lenses. In such a lens (mirror), a system of beams is created in which the total fraction of the energy of the light flux of the emitter with a continuous spectrum of 1 increases with increasing radius of the ring. Supplementing such a simplified Fresnel lens (mirror) with a system of concentrically arranged flat ring filters with a center coinciding with the axis of symmetry of the lens and having a transmission that compensates for the change in the beam intensity, amplitude equalization can be achieved. The delay of waves passing through different ring lenses varies in a similar system from ring to ring. The optical length of each of the cylinders should be calculated taking into account the requirements for the length of the optical path to ensure equal delay intervals of the incoming signal

in the output beams.

Конструкция полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере с линзой Френеля отличается простотой и надежностью, большой светосилой и устойчивостью к ударам и вибрациям. Недостатком являются относительно большие габариты и потеря светового потока при выравнивании интенсивностей за счет поглощения.The design of a polychromatic device for detecting methane in the atmosphere with a Fresnel lens is simple and reliable, high aperture speed and resistance to shock and vibration. The disadvantage is the relatively large dimensions and the loss of light flux during equalization of intensities due to absorption.

Как следует из принципа работы источника излучения в устройстве с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере, представленного в Приложении 1, наряду с описанными конструкциями возможно применение иных многолучевых интерференционных систем. Периферическая область линзы Френеля является, приближенно, фазовой дифракционной решеткой. Рассмотрим схему устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере, содержащего дифракционную решетку-эшелле (Фиг. 8) в автоколлимационном варианте, имеющем наименьшее число оптических компонентов. Сферическая волна от излучателя со сплошным спектром 1 с помощью поворотного полупрозрачного зеркала 16 и зеркального или линзового оптического элемента-коллиматора 17 превращается в параллельный пучок, проходит через специальное оптическое устройство 7 для осуществления аподизации контуров линий и, по-разному задерживаясь на пути к штрихам решетки, имеющим обычно форму тонких плоских зеркал-«профилированных штрихов», падает на их поверхности 18. Отраженное решеткой-эшелле излучение вновь проходит аподизирующее устройство 9, фокусирующий оптический элемент 17, полупрозрачное зеркало 16, выходную апертуру 19, которая выделяет дифракционные порядки (например, щель) распространяющиеся только вдоль оптической оси, и оптическим элементом-объективом 20 направляется через прозрачную кювету 4 с устройством прокачки атмосферы, содержащей метан, на оптические элементы 5 и, с их помощью, на объектив 6, фокусирующий прошедший пучок на фотоприемник 7. Далее электрический сигнал фотоприемника поступает на обработки полученного сигнала 8.As follows from the principle of operation of the radiation source in a device with a multipath spectral filter for the detection of methane in the atmosphere, presented in Appendix 1, along with the described designs, other multipath interference systems can be used. The peripheral region of the Fresnel lens is approximately a phase diffraction grating. Consider a device with a multi-beam spectral filter for detecting methane in the atmosphere containing an echelle grating (Fig. 8) in an autocollimation version with the smallest number of optical components. A spherical wave from a radiator with a continuous spectrum 1 is converted into a parallel beam using a rotary translucent mirror 16 and a mirror or lens optical collimator element 17, passes through a special optical device 7 to implement apodization of the line contours, and, being delayed differently on the way to the grating strokes , usually in the form of thin flat mirrors — “shaped strokes”, falls on their surface 18. Radiation reflected by the echelle array passes through the apodizing device 9 again, focusing the first optical element 17, a translucent mirror 16, an output aperture 19, which emits diffraction orders (for example, a gap) propagating only along the optical axis, and is sent by the optical element-lens 20 through a transparent cell 4 with a device for pumping the atmosphere containing methane to the optical elements 5 and, with their help, on the lens 6, focusing the transmitted beam on the photodetector 7. Next, the electric signal of the photodetector is fed to the processing of the received signal 8.

Обратим внимание на то, что оптическая система, состоящая из оптических элементов 17 и 20 представляет собой телескопическую систему типа Кеплера и может использоваться как единое целое при установке решетки-эшелле не в автоколлимационном режиме.We draw attention to the fact that the optical system consisting of optical elements 17 and 20 is a Kepler-type telescopic system and can be used as a whole when installing an echelle lattice not in autocollimation mode.

Условие образования максимума пропускания излучения от излучателя сплошного спектра для угла падения света на решетку α в автоколлимационном режиме имеет вид [14, 18]:The condition for the maximum transmission of radiation from a continuous-spectrum emitter for the angle of incidence of light on the grating α in the autocollimation mode has the form [14, 18]:

2bsinα=kλ,2bsinα = kλ,

или в частотах:or in frequencies:

2bσsinα=k.2bσsinα = k.

В этих формулах b - ширина штриха решетки, α - угол падения излучения на решетку, отсчитанный от нормали к ее поверхности, λ - длина волны излучения, σ - частота, выраженная в обратных сантиметрах, k - целое число (порядок дифракции), не равное нулю. Последняя формула показывает, что в шкале частот σ сформированные линии излучения, прошедшего через выходную апертуру 19, расположены на равных расстояниях. Ширина линий зависит от размеров проекции ширины решетки на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения. Наиболее известной является следующая формула для разрешающей силы решетки, т.е. отношения частоты линии к ее ширине:In these formulas, b is the width of the groove of the grating, α is the angle of incidence of radiation on the grating, measured from the normal to its surface, λ is the wavelength of radiation, σ is the frequency expressed in inverse centimeters, k is an integer (diffraction order), not equal to zero. The last formula shows that in the frequency scale σ the formed lines of the radiation transmitted through the output aperture 19 are located at equal distances. The line width depends on the size of the projection of the lattice width onto a plane perpendicular to the direction of observation. The most famous is the following formula for the resolving power of the lattice, i.e. the ratio of the frequency of the line to its width:

,

где N - число штрихов решетки и k - номер порядка дифракции.where N is the number of grating lines and k is the number of the diffraction order.

Зная центральную частоту молекулярной полосы σ₀ и необходимое расстояние между максимумами пропускания фильтра, находим необходимый номер порядка - дифракции:Knowing the central frequency of the molecular band σ ₀ and the necessary distance between the maximum transmission of the filter, we find the necessary order number - diffraction:

.

Работа решетки в таких высоких порядках используется в современных спектральных приборах для видимого излучения со скрещенной дисперсией [20].The work of the grating in such high orders is used in modern spectral instruments for visible radiation with crossed dispersion [20].

Необходимое число штрихов найдем, зная необходимую ширину линии δσ=0,5 см^-1(смотри Приложение 2):We find the necessary number of strokes, knowing the necessary line width δσ = 0.5 cm ^-1 (see Appendix 2):

.

Зададим угол падения излучения со сплошным спектром на решетку равным 30°, тогда sinα=0,5, и ширина штриха должна быть равнаWe set the angle of incidence of the radiation with a continuous spectrum on the grating equal to 30 °, then sinα = 0.5, and the stroke width should be equal to

что легко может быть реализовано современными технологиями обработки металлов.which can easily be implemented by modern metal processing technologies.

Общая длина решетки при этом составит L=2⋅20=40 мм.The total length of the grate in this case will be L = 2⋅20 = 40 mm.

Столь малые размеры решетки можно использовать для создания небольшого по размерам устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере, имеющего сечение пучка от излучателя со сплошным спектром всего 40×40 мм². В полевом варианте такое устройство может состоять из двух частей, размещенных в двух раздельных корпусах. Первая включает в себя компоненты от излучателя со сплошным спектром 1 до оптических элементов 20, формирующих общий параллельный пучок излучения, а вторая - от оптического элементов 5 и 6, фокусирующий прошедший пучок на фотоприемник 7, а также систему регистрации и обработки полученного электрического сигнала 8. Устройство электропитания и управления 10 должно объединять обе части.Such small dimensions of the grating can be used to create a small-sized device with a multipath spectral filter for detecting methane in the atmosphere, having a beam cross section from the emitter with a continuous spectrum of only 40 × 40 mm ² . In the field version, such a device may consist of two parts located in two separate buildings. The first includes components from the emitter with a continuous spectrum 1 to the optical elements 20, forming a common parallel beam of radiation, and the second - from the optical elements 5 and 6, focusing the transmitted beam on the photodetector 7, as well as a system for recording and processing the received electrical signal 8. The power supply and control device 10 must integrate both parts.

Увеличив размеры решетки в 2 раза в направлении перпендикулярном штрихам, получим сужение контура сверх значения, необходимого чтобы включить во взаимодействие максимальное число линий поглощения (см. Приложение 2). Такое изменение размеров позволяет увеличить контраст максимумов за счет аподизации формы распределения интенсивности в максимумах дифракции путем изменения контура решетки [21]. Надев на решетку 18 вместо аподизирующего устройства просто апертурную диафрагму с отверстием 21, например, в виде ромба (Фиг. 9), получим тот же эффект: увеличение ширины контура и одновременно в несколько раз увеличение контраста распределения максимумов пропускания, т.е. отношения интенсивности в максимуме пропускания к интенсивности в середине интервала между соседними максимумами.By increasing the lattice dimensions by a factor of 2 in the direction perpendicular to the strokes, we obtain a contour narrowing in excess of the value necessary to include the maximum number of absorption lines in the interaction (see Appendix 2). Such a change in size allows one to increase the contrast of the maxima due to the apodization of the shape of the intensity distribution at the diffraction maxima by changing the lattice contour [21]. Putting on the grating 18 instead of the apodizing device just an aperture diaphragm with a hole 21, for example, in the form of a rhombus (Fig. 9), we get the same effect: increasing the width of the contour and at the same time several times increasing the contrast of the distribution of transmission maxima, i.e. the ratio of the intensity at the maximum transmission to the intensity in the middle of the interval between adjacent maxima.

Применение решетки-эшелле с профилированными штрихами позволяет до 80% дифрагированного светового потока направить в нужную сторону, резко ослабив при этом потери вследствие дифракции в остальные порядки. Помимо приведенной нами схемы могут использоваться иные, не в автоколлимационном режиме, обеспечивающие меньшие потери излучения [18], в том числе вогнутые и «нетрадиционные» решетки с изогнутыми штрихами.The use of an echelle lattice with profiled strokes allows up to 80% of the diffracted light flux to be directed in the right direction, while sharply weakening the losses due to diffraction to other orders. In addition to the schemes presented by us, others can be used that are not in the autocollimation mode, which provide lower radiation losses [18], including concave and “non-traditional” gratings with curved strokes.

С технической точки зрения, вероятно, наиболее удобным является применение вместо решетки эшелона 22 Майкельсона [14] в его отражательном варианте (Фиг. 10). Анализ показывает, что наиболее перспективной является система с наклонным падением излучения на эшелон в условиях зеркального отражения, т.е. при - α=β на Фиг. 10. Число ступенек эшелона должно равняться величине N, полученной при расчете решетки, т.е. в нашем случае - 20, высота ступенек d может быть вычислена из условия d=1/Δσ и в нашем случае равна 0,5 мм при нормальном падении. Такое устройство легко может быть изготовлено современными техническими средствами, причем регулируя ширину ступенек b можно варьировать амплитуды отраженных волн и, соответственно, осуществлять аподизацию. Модуляция излучения по частоте в описанных выше устройствах осуществляется любым из известных методов [19].From a technical point of view, it is probably most convenient to use Michelson echelon 22 [14] instead of the lattice in its reflective version (Fig. 10). The analysis shows that the most promising is a system with an inclined incidence of radiation on a train under conditions of specular reflection, i.e. at - α = β in FIG. 10. The number of train steps should be equal to the value of N obtained by calculating the lattice, i.e. in our case - 20, the height of the steps d can be calculated from the condition d = 1 / Δσ and in our case it is equal to 0.5 mm with normal incidence. Such a device can easily be manufactured by modern technical means, and by adjusting the width of the steps b, the amplitudes of the reflected waves can be varied and, accordingly, apodization can be carried out. Frequency modulation of radiation in the devices described above is carried out by any of the known methods [19].

В условиях нормального падения, (т.е. в условиях автоколлимации), эшелон Майкельсона можно изготовить не как традиционную решетку с прямыми штрихами, а в форме набора сложенных вместе коаксиально отражающих дисков постоянной толщины. Условие постоянства амплитуд отраженных пучков при этом требует, чтобы радиусы соответствующих ступенек удовлетворяли тому же условию, что и радиусы компонентов линзы Френеля, описанных выше:Under normal fall conditions (i.e., under conditions of autocollimation), the Michelson train can be made not as a traditional lattice with straight strokes, but in the form of a set of coaxially reflecting disks of constant thickness folded together. The condition of constant amplitudes of the reflected beams in this case requires that the radii of the corresponding steps satisfy the same condition as the radii of the components of the Fresnel lens described above:

Такая реализация устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере на основе эшелона Майкельсона обеспечивает дополнительны выигрыш в светосиле всей системы за счет применения селектирующей диафрагмы 19 круглой формы (так называемый «выигрыш Жакино»). Расчет показывает, что выигрыш в величине светового потока может достигать величины не менее 10 раз. Техническим результатом применения дифракционной решетки-эшелле и эшелона Майкельсона является возможность исполнения устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере с применением стандартных оптических элементов повышенной жесткости, что позволит использовать такое устройство в самых неблагоприятных условиях, в том числе системах с повышенной вибрацией.Such an implementation of a device with a multi-beam spectral filter for detecting methane in the atmosphere based on the Michelson echelon provides additional gain in the aperture ratio of the entire system due to the use of a circular selection diaphragm 19 (the so-called "Jacquinot gain"). The calculation shows that the gain in the magnitude of the luminous flux can reach a value of at least 10 times. The technical result of the use of an echelle grating and a Michelson echelon is the possibility of designing a device with a multipath spectral filter for detecting methane in the atmosphere using standard optical elements of increased stiffness, which will make it possible to use such a device in the most adverse conditions, including systems with increased vibration.

Описанные устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере не исчерпывают возможности применения интерференционных систем для кардинального повышения чувствительности. Важным положительным свойством интерферометров служит большая эффективность использования светового потока излучателя сплошного спектра. Применение вместо интерферометра Майкельсона интерферометра Фабри-Перо (ИФП) позволяет решить противоречивую задачу получения высокой эффективности использования светового потока и узких равноотстоящих в шкале частот линий. Одновременно может быть решена проблема механической устойчивости, если применить ИФП в виде плоскопараллельной пластины с нанесенными на ее поверхности отражающими покрытиями. Изменение частот линий излучения с целью модуляции по частоте может осуществляться изменением показателя преломления заполняющего ИФП вещества. Формирование серии многократных повторений исходного сигнала происходит в результате последовательных отражений от двух зеркал. В отличие от описанных выше систем эта серия содержит бесконечное число повторений, причем площадь световых волн, образующихся при этом, равна площади зеркал интерферометра. Амплитуды волн монотонно убывают с номером отражения, что позволяет говорить [14, 18] о конечном «эффективном» числе пучков. Отметим, что при наличии клина между зеркалами, число пучков реально становится конечным, но форма контура линий при этом не совпадает с рассмотренными выше случаями.The described devices with a multi-beam spectral filter for the detection of methane in the atmosphere do not exhaust the possibility of using interference systems to radically increase the sensitivity. An important positive property of interferometers is the high efficiency of using the luminous flux of a continuous-spectrum emitter. The use of a Fabry-Perot interferometer (IFP) instead of a Michelson interferometer allows us to solve the contradictory problem of obtaining high efficiency of using the light flux and narrow lines equally spaced in the frequency scale. At the same time, the problem of mechanical stability can be solved by applying an IFP in the form of a plane-parallel plate with reflective coatings deposited on its surface. The change in the frequencies of the emission lines in order to modulate in frequency can be carried out by changing the refractive index of the substance filling the IFP. The formation of a series of repeated repetitions of the original signal occurs as a result of successive reflections from two mirrors. Unlike the systems described above, this series contains an infinite number of repetitions, and the area of the light waves generated in this case is equal to the area of the mirrors of the interferometer. The wave amplitudes monotonically decrease with the reflection number, which allows us to speak [14, 18] about the final “effective” number of beams. Note that in the presence of a wedge between the mirrors, the number of beams really becomes finite, but the shape of the contour of the lines does not coincide with the cases considered above.

Распределение интенсивности в линиях полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере, содержащего ИФП, отличается от всех описанных выше, и показано на Фиг. 11. Оно характеризуется двумя основными параметрами: интервалом между пиками (интервалом, свободным от переложений или «постоянной интерферометра»), равным Δσ=1/2bn, где b - толщина промежутка между зеркалами, а n - показатель преломления вещества, заполняющего этот промежуток, и шириной полосы пропускания δσ, которая зависит от коэффициента отражения зеркал r и может быть рассчитана, согласно [18], по формуле:The intensity distribution in the lines of a polychromatic device for detecting methane in the atmosphere containing an IFP differs from all described above, and is shown in FIG. 11. It is characterized by two main parameters: the interval between the peaks (the interval free of transcriptions or the “interferometer constant”) equal to Δσ = 1 / 2bn, where b is the thickness of the gap between the mirrors and n is the refractive index of the substance filling this gap, and the bandwidth δσ, which depends on the reflection coefficient of the mirrors r and can be calculated, according to [18], by the formula:

Зная величины Δσ и δσ, необходимый коэффициент отражения зеркал находим из уравненияKnowing the quantities Δσ and δσ, the required reflection coefficient of the mirrors is found from the equation

С учетом параметров линий метана, приведенных в Приложении 2, это уравнение дает значение необходимого коэффициента отражения зеркал r=0,85, что легко реализуется современными технологиями нанесения покрытий в ИК области спектра.Taking into account the parameters of the methane lines given in Appendix 2, this equation gives the value of the required mirror reflection coefficient r = 0.85, which is easily implemented by modern coating technologies in the infrared region of the spectrum.

Учитывая, что пропускание ИФП в максимумах для непоглощающих зеркал может быть равно единице независимо от величины коэффициента отражения, его применение позволяет очень эффективно использовать излучение излучателя сплошного спектра и одновременно уменьшить габариты системы. Общая схема устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере, содержащего ИФП, показана на Фиг. 12.Given that the transmittance of the IFP at the maxima for non-absorbing mirrors can be equal to unity, regardless of the magnitude of the reflection coefficient, its use makes it possible to very efficiently use the radiation of a continuous-spectrum emitter and at the same time reduce the dimensions of the system. The general scheme of a device with a multipath spectral filter for detecting methane in an atmosphere containing an IFP is shown in FIG. 12.

Волна от излучателя расходящегося светового пучка 1 со сплошным спектром проходит через зеркальный или линзовый оптический элемент 17, освещает ИФП, состоящий из двух зеркал 23 и промежутка между ними 24 толщиной b, содержащего прозрачную среду с показателем преломления n, проходит через кювету 4, с газом, содержащим метан, попадает на оптические элементы 5, направляющие излучение на фокусирующий объектив 6, проходит через малую диафрагму 19 круглой формы, диаметр которой рассчитывается по известным формулам [18], установленную перед фотоприемником 7 и выделяющую центральный максимум интерференционной картины, а затем в систему обработки сигнала 8. Устройство с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере, содержащее ИФП, снабжено узкополосным фильтром 25 (например, интерференционным [1]), позволяющим уменьшить общий уровень засветки ИФП излучением с сильно отстоящими от используемой полосы частотами. Модуляция частоты, т.е. одновременная перестройка всех линий пропускания с резонанса с линиями поглощения на промежуток между ними, осуществляется изменением оптической толщины bn промежутка 23 между зеркалами методами, хорошо известными в технике применения ИФП при решении задач спектрального анализа. При использовании линзового объектива 17 он может быть присоединен к входному зеркалу ИФП, что повышает механическую стабильность подобной конструкции устройства с многолучевым спектральным фильтром. Вместо линзового объектива 17, показанного на Фиг. 11, в ИК области спектра более эффективным является применение зеркального.The wave from the emitter of a diverging light beam 1 with a continuous spectrum passes through a mirror or lens optical element 17, illuminates an IFP consisting of two mirrors 23 and a gap between them 24 of thickness b containing a transparent medium with a refractive index n, passes through a cell 4, with gas containing methane, gets on the optical elements 5, directing the radiation to the focusing lens 6, passes through a small aperture 19 of a circular shape, the diameter of which is calculated according to the known formulas [18], installed in front of the photodetector ohm 7 and extracting the central maximum of the interference pattern, and then into the signal processing system 8. A device with a multi-beam spectral filter for detecting methane in the atmosphere containing an IFP is equipped with a narrow-band filter 25 (for example, interference [1]), which allows to reduce the overall level of illumination of the IFP radiation with frequencies far from the used band. Frequency modulation i.e. the simultaneous reconstruction of all transmission lines from resonance with absorption lines to the gap between them is carried out by changing the optical thickness bn of the gap 23 between the mirrors using methods well known in the art of applying IFPs for solving spectral analysis problems. When using the lens 17, it can be attached to the input mirror of the IFP, which increases the mechanical stability of a similar design of a device with a multipath spectral filter. Instead of the lens objective 17 shown in FIG. 11, in the IR spectral region, the use of specular is more effective.

Очевидно, что системы, подобные заявленному устройству с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере, могут применяться для измерения содержания не только метана, но и иных молекул таких как NO, HCl, СО и СО₂, цианиды и пр. Рассмотренные принципы и схемы конструкций позволяют применить их и для чисто-вращательных спектров поглощения, лежащих в далеком ИК и миллиметровом диапазоне длин волн, а также и в УФ диапазоне (электронно-колебательно-вращательные спектры).Obviously, systems such as the claimed device with a multipath spectral filter for detecting methane in the atmosphere can be used to measure not only methane, but also other molecules such as NO, HCl, CO and CO ₂ , cyanides, etc. The principles and schemes considered The structures make it possible to apply them to purely rotational absorption spectra lying in the far IR and millimeter wavelength ranges, as well as in the UV range (electron-vibrational-rotational spectra).

Принципиальная возможность создания полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере со свойствами, удовлетворяющими сформулированным нами требованиям, была проверена в трех независимых экспериментах.The fundamental possibility of creating a polychromatic device for the detection of methane in the atmosphere with properties that satisfy the requirements formulated by us was tested in three independent experiments.

Пример с интерферометром Фабри-Перо.An example with a Fabry-Perot interferometer.

В этом опыте изучались возможности твердотельного интерферометра Фабри-Перо. Опыт проводился в лаборатории кафедры Молекулярной спектроскопии СПбГУ с использованием фурье-спектрометра. В качестве ИФП применялась пластина из германия, имеющего высокий показатель преломления в инфракрасной области спектра, что позволило использовать френелевское отражение излучения от поверхностей в качестве зеркал, а в качестве источника излучения со сплошным спектром - глобар, размеры излучающей поверхности которого были ограничены малой диафрагмой.In this experiment, the possibilities of a solid-state Fabry-Perot interferometer were studied. The experiment was conducted in the laboratory of the Department of Molecular Spectroscopy of St. Petersburg State University using a Fourier spectrometer. A germanium plate with a high refractive index in the infrared region of the spectrum was used as an IFP, which made it possible to use Fresnel reflection of radiation from surfaces as mirrors, and as a radiation source with a continuous spectrum, a globar, the dimensions of the emitting surface of which were limited by a small aperture.

Результаты эксперимента показаны на Фиг. 13. Они подтвердили достижение главного технического результата: обеспечение в инфракрасной области спектра возможности одновременной селекции совокупности линий, находящихся на равных расстояниях по частоте в области частот 1000 см^-1. Как показали результаты апробации, спектры воспроизводились с высокой точностью в течение полусуток при существенных изменениях в температуре помещения и без применения каких-либо специальных средств уменьшения вибрационных помех. Аналогичный результат был получен с пластиной KRS.The experimental results are shown in FIG. 13. They confirmed the achievement of the main technical result: providing in the infrared region of the spectrum the possibility of simultaneous selection of a set of lines located at equal distances in frequency in the frequency domain 1000 cm ^-1 . As the results of testing showed, the spectra were reproduced with high accuracy for half a day with significant changes in room temperature and without the use of any special means of reducing vibration interference. A similar result was obtained with the KRS plate.

Пример с линзой ФренеляFresnel Lens Example

Следующий опыт имел целью показать возможность применения линзы Френеля для создания полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере. Задача заключалась в демонстрации преобразования спектра источника со сплошным спектром в линейчатый, состоящий из набора эквидистантных (в шкале частот) линий. Эксперимент осуществлялся в лаборатории фемтосекундной оптики физического факультета СПбГУ. Установка содержала только два основных элемента: излучателя - фемтосекундного лазера, создающего исходный пучок света со сплошным спектром, и миниатюрной линзы Френеля, преобразующей исходную волну источника в набор кольцевых волн, являющихся повторением исходного сигнала. Совокупность кольцевых волн фокусировалась на вход световода спектрометра. Опыт производился в обратном ходе лучей: параллельный пучок широкого по спектру излучения с центральной длиной волны вблизи 800 нм направлялся на линзу. В фокус линзы помещался торец световода, передававшего излучение, прошедшее совокупность освещенных колец, на вход спектрометра. Фиг. 14 показывает, что исходный сплошной спектр (штриховая кривая) преобразуется в набор перекрывающихся линий. В данном случае они приближенно-эквидистантны в шкале длин волн, что для относительно узкого используемого участка спектра источника соответствует постоянству разности частот между линиями в шкале длин волн.The following experiment was intended to show the possibility of using a Fresnel lens to create a polychrome device for detecting methane in the atmosphere. The task was to demonstrate the conversion of the spectrum of a source with a continuous spectrum into a linear one, consisting of a set of equidistant (in the frequency scale) lines. The experiment was carried out in the laboratory of femtosecond optics at the Faculty of Physics, St. Petersburg State University. The setup contained only two main elements: the emitter, a femtosecond laser, which creates the initial light beam with a continuous spectrum, and the miniature Fresnel lens, which transforms the original wave of the source into a set of ring waves, which are a repetition of the original signal. The set of ring waves focused on the input of the fiber of the spectrometer. The experiment was carried out in the reverse direction of the rays: a parallel beam of broad-spectrum radiation with a central wavelength near 800 nm was directed to the lens. The focus of the lens was placed on the end of the fiber, which transmitted radiation that had passed through a set of illuminated rings, to the input of the spectrometer. FIG. 14 shows that the original solid spectrum (dashed curve) is converted to a set of overlapping lines. In this case, they are approximately equidistant on the wavelength scale, which for a relatively narrow used portion of the source spectrum corresponds to a constant frequency difference between the lines in the wavelength scale.

Таким образом, в результате экспериментов было подтверждено достижение важнейшего технического результата: преобразование сплошного спектра излучения в набор отдельных эквидистантных линий с помощью простейшего оптического элемента.Thus, as a result of the experiments, the achievement of the most important technical result was confirmed: the conversion of the continuous emission spectrum into a set of separate equidistant lines using the simplest optical element.

Пример с решеткой-эшеллеEchelle example

Следующий опыт, выполненный в лаборатории кафедры Молекулярной спектроскопии СПбГУ, заключался в преобразовании спектрально-широкополосного излучения глобара в набор узких спектральных линий с помощью решетки-эшелле с профилированными штрихами, работающей в очень высоких порядках дифракции.The next experiment, performed in the laboratory of the Department of Molecular Spectroscopy of St. Petersburg State University, was to convert the spectral-broadband radiation of a globar into a set of narrow spectral lines using an echelle with profiled strokes operating in very high diffraction orders.

Излучение источника со сплошным спектром направлялось на коллимирующий зеркальный объектив. Образованный параллельный пучок освещал дифракционную решетку эшелле с пространственным периодом 0,01 мм, установленную под углом α=15° к падающему пучку. Сформированные световые пучки, отраженные от компонентов решетки элементарными зеркалами-штрихами под углом блеска β направлялись на второй объектив и далее - на щель скоростного ИК спектрометра. Прошедшее через щель излучение состояло из отдельных линий с частотами, отвечавшим условию:The radiation from a continuous-spectrum source was directed to a collimating specular lens. The formed parallel beam illuminated the echelle diffraction grating with a spatial period of 0.01 mm, installed at an angle α = 15 ° to the incident beam. The generated light beams reflected from the grating components by elementary streak mirrors at a brightness angle β were directed to the second lens and then to the slit of the high-speed IR spectrometer. The radiation passing through the gap consisted of separate lines with frequencies that met the condition:

bσ_k(sinα+sinβ)=k,bσ _k (sinα + sinβ) = k,

где k - целое число.where k is an integer.

Полученный в результате экспериментов спектр состоял из набора эквидистантных в шкале частот линий (Фиг. 14). Как показали результаты апробации, решетка-эшелле также позволяет эффективно преобразовывать исходный сплошной спектр источника в новый, состоящий из набора эквидистантных в пространстве частот линий. При соответствующем подборе параметров решетки и оптических элементов они могут быть согласованы с набором линий колебательно-вращательного спектра метана.The spectrum obtained as a result of experiments consisted of a set of lines equidistant in the frequency scale (Fig. 14). As the results of testing showed, the echelle lattice also allows you to effectively convert the original continuous source spectrum into a new one, consisting of a set of frequency-equidistant lines in space. With appropriate selection of lattice parameters and optical elements, they can be consistent with a set of lines of the vibrational-rotational spectrum of methane.

Таким образом, проведенные примеры подтверждают возможность создания полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере, содержащего источник излучения с эквидистантными линиями, частоты которых согласованы с частотами компонентов колебательно-вращательной структуры метана при соответствующем выборе геометрических параметров.Thus, the performed examples confirm the possibility of creating a polychrome device for detecting methane in the atmosphere, containing a radiation source with equidistant lines, whose frequencies are consistent with the frequencies of the components of the vibrational-rotational structure of methane with an appropriate choice of geometric parameters.

Технико-экономическая эффективность заявленного изобретения «Устройство с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере» состоит в повышении чувствительности обнаружения метана методом одновременного измерения поглощения на совокупности всех или большинства линий колебательно-вращательной полосы, что обеспечивает увеличение чувствительности не менее чем в 10-20 раз при прочих равных условиях. Возможность одновременной модуляции частоты всех линий обеспечивает надежность выделения сигнала метана и высокую селективность по отношению к молекулярным полосам других веществ. Приведенные примеры апробации заявленного изобретения показывают, что оно не требунт высоковольтных источников питания, потребляют энергию, в основном, в источнике излучения сплошного спектра, могут работать в самых разнообразных условиях изменения температуры и вибрации, обладают устойчивостью к внешним воздействиям, стабильностью параметров и простотой настройки. Значительным результатом заявленного устройства является его безопасность при эксплуатации в самых тяжелых и опасных условиях работы, а отсутствие механических элементов, требующих регулярной и точной настройки, открывают широкую сферу его применения, в частности, в подвижных лабораториях экологического мониторинга, в шахтах и карьерах, на кораблях поиска нефтяных месторождений, в научных исследованиях и даже в быту.The technical and economic efficiency of the claimed invention “A device with a multi-beam spectral filter for detecting methane in the atmosphere” consists in increasing the sensitivity of methane detection by the method of simultaneous measurement of absorption on the totality of all or most lines of the vibrational-rotational band, which provides an increase in sensitivity of at least 10-20 times ceteris paribus. The ability to simultaneously modulate the frequency of all lines provides reliable methane signal extraction and high selectivity with respect to the molecular bands of other substances. The above examples of testing the claimed invention show that it does not require high-voltage power sources, consume energy mainly in a continuous spectrum radiation source, can operate in a wide variety of conditions of temperature and vibration variation, are resistant to external influences, have stable parameters and are easy to configure. A significant result of the claimed device is its safety during operation in the most difficult and hazardous working conditions, and the absence of mechanical elements requiring regular and accurate adjustment open up a wide scope of its application, in particular, in mobile laboratories for environmental monitoring, in mines and quarries, on ships search for oil fields, in scientific research and even in everyday life.

Использованная литератураReferences

1. http://www.elstandart.spb.ru/Core/300/300_2_filters.htm1.http: //www.elstandart.spb.ru/Core/300/300_2_filters.htm

2. Попов А.А., Шерстнев В.В., Яковлев Ю.П. 2.35 мкм светодиоды для измерения метана. // Письма в ЖТФ, 1998, Т. 24, №2, С. 72-75.2. Popov A.A., Sherstnev V.V., Yakovlev Yu.P. 2.35 μm LEDs for methane measurement. // Letters to the ZhTF, 1998, T. 24, No. 2, S. 72-75.

3. Camera system and camera mount (патент JP 2013128185)3. Camera system and camera mount (JP patent 2013128185)

4. Measuring low levels of methane in carbon dioxide (патент US 2007259440)4. Measuring low levels of methane in carbon dioxide (patent US 2007259440)

5. Газоанализатор и оптический блок, используемый в нем (патент RU 2451285)5. The gas analyzer and the optical unit used in it (patent RU 2451285)

6. Light sensor with modulated radiant polychromatic source (патент CA 2487115)6. Light sensor with modulated radiant polychromatic source (CA patent 2487115)

7. Polychromatic light emitter diode ray bright colored lantern signs a legal statement the construction (патент CN 203628508)7. Polychromatic light emitter diode ray bright colored lantern signs a legal statement the construction (patent CN 203628508)

8. Lng (liquefied natural gas) detecting device and detecting method thereof (патент CN 103592254)8. Lng (liquefied natural gas) detecting device and detecting method thereof (patent CN 103592254)

9. Способ и устройство для анализа газов с использованием интерференционного лазера (патент RU 2010141803)9. Method and device for gas analysis using an interference laser (patent RU 2010141803)

10. Способ и устройство для обнаружения газов, частиц и/или жидкостей (патент RU 2461815)10. Method and device for detecting gases, particles and / or liquids (patent RU 2461815)

11. Пермякова Е.С., Толмачев Ю.А. Применение методов оптимального приема сигналов и импульсного метода анализа работы оптических систем для развития нового метода спектрального анализа // Химическая физика, 2015, Т. 34, №8, с. 78-82.11. Permyakova E.S., Tolmachev Yu.A. The use of optimal signal reception methods and the pulse method of analyzing the operation of optical systems for the development of a new method of spectral analysis // Chemical Physics, 2015, V. 34, No. 8, p. 78-82.

12. Источник полихромного излучения с управляемым спектром (патент RU 2478871).12. A controlled spectrum polychrome radiation source (patent RU 2478871).

13. Универсальный источник полихромного оптического излучения (патент RU 2287736)13. Universal source of polychrome optical radiation (patent RU 2287736)

14. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. / Пер. с англ.; под ред. Г.П. Мотулевич, М.: Наука, 1970, 856 с. (прототип)14. Bourne M., Wolf E. Fundamentals of optics. / Per. from English; under the editorship of G.P. Motulevich, Moscow: Nauka, 1970, 856 pp. (prototype)

15. Лукин К.А., Татьянко Д.Н., Мачехин Ю.П. Создание сеток оптических частот на основе метода спектральной интерферометрии.15. Lukin K.A., Tatyanko D.N., Machekhin Yu.P. Creating optical frequency grids based on the method of spectral interferometry.

16. Харкевич А.А. Спектры и анализ16. Kharkevich A.A. Spectra and Analysis

17. Permyakova ES., Statsenko Т.V., Tolmachev Yu A. Fresnel Lens for the Generator of Encoded Sequences of Ultrashort Pulses. The Spectral Evidence of Series of Pulses Formation. // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), 2012, Vol. 21, No. 2 pp. 63-69.17. Permyakova ES., Statsenko T.V., Tolmachev Yu A. Fresnel Lens for the Generator of Encoded Sequences of Ultrashort Pulses. The Spectral Evidence of Series of Pulses Formation. // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), 2012, Vol. 21, No. 2 pp. 63-69.

18. Тарасов К.И. Спектральные приборы. // Л.: Машиностроение. 1974. 368 с.18. Tarasov K.I. Spectral instruments. // L .: Engineering. 1974. 368 p.

19. Кордона М. Модуляционная спектроскопия: Пер с англ. / Под ред. А.А. Каплянсого, М.: Мир, 1972.19. Cordon M. Modulation spectroscopy: Transl. From English. / Ed. A.A. Kaplyansogo, Moscow: Mir, 1972.

20. http://www.rusnanonet.ru/download/equipment/ICPE9000.pdf20. http://www.rusnanonet.ru/download/equipment/ICPE9000.pdf

21. Толмачев Ю.А.. Принципы работы оптического спектрометра: новый взгляд на старые проблемы: учеб пособие. - СПб: Из-во С.-Петербургского ун-та, 2013. - 292 с.21. Tolmachev Yu.A. Principles of the optical spectrometer: a new look at old problems: textbook. - St. Petersburg: From St. Petersburg University, 2013 .-- 292 p.

Claims

A device with a multi-beam spectral filter for detecting methane in the atmosphere, including those placed in a common housing and optically coupled: a diverging divergent light beam with a continuous spectrum, a diffraction element, optical elements forming a common parallel radiation beam; equipped with an atmospheric gas pumping system, a transparent cuvette, optical elements transmitting the transmitted parallel beam to the lens, focusing the transmitted beam to the photodetector, a system for recording and processing the received electric signal, as well as a power supply and control device, characterized in that the diffraction element is made in the form of a Fresnel lens with a variable width of concentric annular confocal lenses, the number of which is determined by the ratio of the width of the spectral interval between the lines of the oscillator o-rotational spectrum of methane to the width of these lines, and between the diffraction element and the optical elements forming a common parallel radiation beam, an optical device for controlling the amplitudes of light signals is arranged in the form of a spatially inhomogeneous filter with a transmission that is different for each of the ring elements of the Fresnel lens .