SE450913B - Gaskorrelerad lidar - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 450 913 dispersiv korrelationsspektroskopífl, och gaskorrelationsspektroskopí4v5. Samtidig registrering av flera våglängder kan också uppnås medelst användning av optiska mángkanaltekniker eller system med sträldelning. Gaskorrelationsspektroskopi är' en speciellt enkel och kraftfull teknik, där inkommande ljuš passerar antingen direkt till en detektor eller först passerar genom en cell innehållande ett optiskt tjockt prov av den gas som skall studeras. I det fall att atmosfären, är fri från denna gas, balanseras,ljusintensiteterna i ett utvalt vâglängdsomrâde ut medelst lock-in eller elektriska brygg-tekniker. Med gasen förekommande .iatmosfären är det ljus som passerar genom gascellen fortfarande detsamma, medan man erhåller ytterligare absorption i den direkta strálen som resulterar i en obalans i elektroniken, vilken efter kalibrering direkt kan uttryckas i ppm-m av gasen.

Beskrivninggr föreliggande uppfinnging Gaskorrelationstanken kan enkelt appliceras på lidartekniken och leder därvid till viktiga systemförenklingar och förbättringar i signal/brusförhållandet.

I synnerhet så behövs bara en relativt bredbandig laser och ingen laseravstämníng är nödvändig mellan pulserna. Pâ- och av-resonansvâglängderna utsändes och detekteras simultant. För att beskriva gaskorrelationslidartekniken väljer vi' ett enkelt modellexempel. Vi kommer att betrakta fallet med atmosfärisk (atomär) kvícksilverregistrering, för vilket vi nyligen har rapporterat konventio~ nella dialmätningar 10. Beskrivningen kommer att följa med hänvisning till Fig 1.

Lasern avstämmes till Hg-resonanslinjen vid 2357 Å. (En pulsad, frekvensdubblad färgämneslaser kan användas.) Området med Hg-absorption (med hänsyn till isotopskíft, hyperfin struktur, Doppler och tryckbreddning) är ca 0,05 Å. Laser- bandbredden väljes så att den är ca tre gånger detta värde. Om en kort puls (få ns) användes, kommer inte någon uttalad modstruktur att erhållas, och en jämn pspektralfördelning för pulsen antages för enkelhetens skull såsom angivítsfi figuren. Laserpulsen utsändes i atmosfären genom ett Hg-moln på något avstånd från lider-systemet och träffar slutligen ett topografiskt mål eller en retroreflektor. Äterkastat ljus mottages av ett optiskt teleskop och överlappet mellan transmíssíons- och detektionsloberna erhålles på något avstånd från systemet. För en homogen atmosfär fås ett 1/R2-beroende av den registre- rade intensiteten. Med ett interferensfilter isoleras den intressanta spektral- 10 15 20. 25 30 35 iso 913 regionen för dämpning av bakgrundsljus. I motsats till det normala dialsystemet användes nu en stråldelare och tvâ detektorer i stället för e'n. En av strålarna passerar en gasfilterkorrelationscell -i det valda exemplet innehållande Hg med tillräckligt ângtryck - för att blockera ut den centrala delen av resonans- linjen. l dialsprâk registreras i denna detektionsarm av-resonanssígnalen (i verkligheten används företrädesvis tvâ närliggande våglängder samtidigt).

I 'den andra detektionsarmen mätes hela spektralfördelningen, vilkenfunder förutsättning att inget atmosfäriskt kvicksilver finnes, är densamma som den utskickade spektralfördelningen. I detta fall kan de detekterade signalerna i de två armarna göras lika (balanseras ut såsom i passiv gaskorrelation) genom strâldämpning eller förstärkningsjusteringar. Om. extern Hg finns närvarande dètekteras mindre signal i denna arm, medan signalen i gascellarmen är opåver- kad. Obalansen mellan de två armarna indikerar närvaron av den externa gasen.

I figuren visas spektral och tidsberoendet vid olika punkter i systemet för att illïustrera mätningsprocessen. I synnerhet kan spektralfördelningarna studeras för slutliga mâlekon. Genom att dividera signalerna såsom visats i figuren - ett förfarande som också är allmänt i díal7 - erhålles en avvikelse från. 1 i närvaro av extern Hg. Märk att förhållandet Q(R) är oberoende av laserpulsenergin, turbulenseffekter, osv, eftersom mätningarna är simultant utförda på samma puls. Detta är sant för de signaler som registreras avståndsupplösta för alla avstånd. För en snabbt rörlig plattform är detta en stor fördel. Märk att den procentuella avvikelsen från 1 i den dividerade signalen är densamma som den som skulle ha erhållits i en dialmätning där lasern en gång skulle avstämmas till absorptionslinjen, och en gäng avstämmas helt av den linjen. Eftersom en linjebredd som är större än absorptíonslinjebredden användes är de relevanta absorptionstvärsnitten beroende av den aktuella laserlinjebredden, och ett optiskt djupberoende (avvikelse från Beer-Lamberts lag) föreligger också.

Sålunda kal-ibreras bäst ett gaskorrelationslidarsystem genom 'att insätta celler med kända ppm~m-tal i strälgângen mellan teleskopet och detektorarrange- manget i direkt anslutning till den aktuella mätningen.

För praktiskt använda lasrar kommer spektralfördelningen inom laserbandbredden att variera från puls till puls och detta faktum kommer att resultera i en starkt ökad brusnivå, eftersom de två detekteringsarmarna inte längre kan balanseras ut. Emellertid är det möjligt att registrera de relevanta spektralvariationerna 10 15 20 25 30 35 450 913 hos lasern genom att detektera förhållandet Qo för intensiteten hos en laser- strále som går direkt till detektorn och för en som passerar en identisk gaskorre- lationscell. Inget speciellt arrangemang behövs för detta. De omedelbara signa- lerna från ljusspridníng i teleskopet kan justeras till 'en lämplig nivâ och kan isoleras från en atmosfärisk âterspridning genom eninitial separering av den utsända laserstrâlen från teleskopets optiska axel. Signalerna registreras till- sammans med den atmosfäriska reflexen såsom angivits i Fighl. Om en liten . extern gaskoncentration kan förväntas nära teleskopet och en laser-effekt som 'ger en tillräcklig atmosfärisk âterspridning såsom i figuren användes, kan också Qof-värdet erhållas från -den närbelägna âterspridningen. Det kan' lätt visas att I ' t exp(- 2Û/R0(n(r)dr) k: (1) därdär den effektiva absorptíonskoefficienten för den använda bandbredden hos det studerade ämnet vid koncentrationen n(r). k är förhållandet mellan signalerna för våglängden som inte absorberats av gaskorrelationscellen vid gascelldetektorn resp vid direktpassagedetektorn. Om Q(R) och Qo registreras för varje puls pâverkas inte det integrerade koncentrationsvärdet av turbulens, laserns spektrala variationer osv, och en mycket brusfri mätsituation har upp- nåtts. I praktiskt bruk, och med hänsyn till den approximativa naturen hos Ekvation (1) kalibreras systemet lämpligast genom insättning av' celler med känd koncentration framför sträldelaren. Problem med eventuell Fabry-Pérot- -inverkan elimineras också högst väsentligt. i i I avsikt att demonstrera 'gaskorrelationslidartanken genomfördes nâgra prelimi- nära experiment på kvicksilver med en experimentell uppställning liknande den i Fig 1. En excímer-pumpad färgämneslaser, frekvensdubblad till 254 nm-re- gionen användes, Lidaruppställningen var liknande den som beskrivits i vårt tidigare arbete på Hgw. Laserstrålen riktades genom en avlägset anordnad 2 _m långt öppen kammare (pâ 7.0 m avstånd), där en lig-innehållande atmosfär kunde erhållas genom att införa lig-droppar. Efter passage av kammaren åter- reflekterades strâlen tillbaka till lidarteleskopet, vilket hade en diameter av 25 cm. Signalerna från de tvâ detektorerna registrerades på en tvâkanals boxcar-integrator som var inställd pä reflektorekot och ansluten till en mini- w *1o 15 20 25 30 35 450 913 i dator.- Förhâllandet Q registrerades varigenom fjärrdetektionen av införande och avlägsnande av Hg-dropparna illustreras. Inget försök attkalibrera systemet gjordes i' denna demonstration, inte heller kompenserades de spektrala varia- tionerna (fluktuationerna).

Fastän systemidébeskrivning och experimenten har avsett Hg är det uppenbart att samma princip är användbar för varje annan gas, där näraliggande våglängde- regioner med stark differentiell absorption föreligger. NO med ett skarpt band? -huvud “vid ca 226 nm är ett sådant fall, där normala dialmätningarhar utförts.

Lasern avstämmes exakt till band-huvudet, varigenom både pá-och av-resonans- vâglängdskomponenterna genereras. Också i den närliggande Ill-regionen, vilken är tillgänglig exempelvis genom Raman-skiftning av ganska bredbandiga färgämneslasrar (jfr. exempelvis Ref.12), eller genom skillnadsfrekvensgenere- ring, kan mätningar på CH4, CO, HCl etc vara möjliga. För att uppnå en ännu mera dialu-liknande mätsituation och för bättre laserkontroll kan en laser användas som samtidigt emitterar två intilliggande våglängder (jfr. exempelvis Ref. 13 och referenserna däri) tillsammans med ovan beskrivna' gasfilterteknik.

De skarpa absorptionsegenskaperna för gaser tillåter-en stabil separation av signaler vid intilliggande våglängder utan användning av skarp ínterferensoptik.

Det har nyligen föreslagits att dra fördel av dessa egenskaper i lidarsystem som detekterar Mie- och Rayliegh-spridning separat för erhållande av atmosfärs- temperatur”. I föreliggande arbete användes spektralkorrelatíonen mellan en atmosfärisk gas och gas innehàllen i en cell i stället för luftförorenings- bestämning. Det bör noteras att trots att perfekt spektralanpassning uppnås, skulle tillfälligt sammanfallande med en interfererande molekylabsorptionslinje kunna förorsaka ett fel på grund av den smala spektralregionen innehållande huvudsakligen endast en linje. Med användning av en bredbandslaser (tiotals Å) såsom de använda i bredbands-koherent anti-Stokes Raman spektroskopí (jfr exempelvis Ref. 15) bör sann gaskorrelation4 med automatisk undertryckning av intefererande ämnen uppnås, exempelvis _i ett NO2-lidarsystem. Vidare _ bör samma idé gälla för lämpligt valda våglängdsregioner för flerlinje HF/DF och C02 TEA-lasrar. 10. 11. 12. 13. . 14. is. 450 913 REFERENSER R M Schotland, i Proceedings of the Third Symposium on Remote Sensing I of the Environment (University of Michigan, Ann Arbor, 1964). å K W Rothe, g, 181 (1975). 3, 116 0974); U Brinkmann och H Walther, Appl. Phys.

W B Grant, R D iI-lake, Jr, E M Líston, R C Robbins och E K Proctor Jr, Appl. Phys. Lett. _23 550 (1974).

T V Ward och H H Zwick, Appl. 0pt._1_4¿, 2896 (1975).

J H Davies, A R Bari-inger och R Dick, i D A i Killinger och A Mooradian (Eds). "Optical and laser remote sensing", Springer Series in Optical Sciences Vol. åg (Springer-Verlag, Heidelberg 1983).

N Menyuk och D K Killínger, Opt. Lett. å, 301 (1981).

K Fredriksson, B Galle, K Nyström och S Svanberg, Appl. Opt. Q, 41s1(19s1). - E V Browell, i boken citerad i Ref. 5.

U Platt och D Pemer, i boken citerad i Ref. 5.

M Aldén, H Edner och S Svanberg, Opt. Lett. 1, 221 (1982).

M Aldén, H Edner och S Svanberg, Opt. Lett. 1, 543 (lg982). g H Edner, K Fredriksson, A Sunesson och S Svanberg, Lund Reports on Atomic Physics LRAP-27 (1983).

M Aldén, K Fredriksson och S Wallin, Appl. Opt, kommer att publiceras.

H Shimizu, S A Lee och C Y She, Appl. 0pt.¿2_2_, 1373 (1983).

M Aldén, H Edner och S Svanberg, Phys. Scr. ä, 29 (1983).

Claims (4)

10 15 20 25 450 913' PATENTKRAV

1. Ett förfarande för kontroll och avkänning i avsikt att registrera atmosfä- riska gaser med användning av lidarteknik, varvid en lasersträle emitteras vid en fixerad våglängd, k ä n n e t e c k n a t av att en reflekterad laserpuls 'eventuellt passerar genom ett interferensfilter för isolering av en önskad spek- tral region, varefter ljuset passerar genom en strâldelare och registreras av två detektorer; varvid en av strålarna passerar genom en gaskorrelationscell innehållande den förening som skall bestämmas i avsikt att blockera ut den centrala delen av en resonanslinje, varvid av-resonanssignalen bestämmes och registreras, och varvid den andra strálen användes för mätning av hela spektralfördelningen, varvid varje obalans mellan de två detekterande signalerna _ indikerar närvaron av en extern gas som är avsedd att detekteras.

2. Ett förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den odelade, reflekterade laserstrâlen passerar genom en kalibreringscell före passage av strâldelaren.

3. Ett förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att en bredbands- laser användes.

4. Ett förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av. att två laserstrålar medintilliggande våglängder emitteras och detekteras efter äterspridning.