SU1132668A1 - Устройство дл измерени концентрации атомов и молекул в плазме - Google Patents

Abstract

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ В ПЛАЗ МЕ, содержащее лазер .с двуплечим резонатором Майкельсона с оптическими длинами плеч L, и L и установленную в одном из плеч  чейку с исследуемой плазмой, отличающеес  тем , что, с целью повышени  чувствительности измерений, в другое плечо резонатора введен оптический элемент с селективными потер ми. 2.Устройство по п.1, отличающеес  тем, что, .элемент с селективными потер ми выполнен в виде установленных последовательно пол ризатора и двулучепреломл ющей пластинки, оптические оси которых ориентированы под углом друг к другу, при этом оптические длины плеч резонатора Майкельсона L, L св заны соотношением L, - L « und, где &п - разность показателей преломлени  обыкновенного и необыкновенного лучей, ad- толщина пластины. 3.Устройство по п. 1, о т л   ч аю щ е е с   тем, что элемент с селектнвными потер ми выполнен в вцде ни- : терферометра Фабри-Перо, при этом оптические дпшш плеч резонатора Майкельсона L и L св заны соотношением L, - L nt, где п - коэффициент преломлени  среды в интерферометре Фабри-Перо, at- его толвоша.

Description

I Изобретение относитс  к оптико-ин терференционным средствам измерени  . и диагностики плазмы и может быть ис пользовано при исследовании импульсной плазмы низкой концентрации в установках УТС, МГД-преобразовател х энергии, плазмотронах и т.п. Известны устройства дл  измерени  концентрации атомов в плазме, содержащие перестраиваемый квазимонохро-матический лазер и двухплечевой инте ферометр Маха-Цандера, состо щий из двух глухих и двух полупрозрачных зе кал. В одном из плеч интерферометра помещена  чейка с исследуемой плазмой На выходе интерферометра установлен фотоаппарат дл  регистрации интерференционной картины. Концентраци  ато мов определ етс  из соотношени : N 6,25 - fp, где К - сдвиг интерференционных поло в присутствии плазмы в интерферометр относительно положени  интерференцио ных полос в отсутствие плазмы; S/ - ширина исследуемой спектраль ной линии; 1 - рассто ние, проходимое лазер ным излучением в плазме; f - сила осцилл тора. Недостатком известных устройств   л етс  их низка  чувствительность, обусловленна  минимально регистрируе мой величиной сдвига интерференционных полос К, а также сложностью и йизкой точностью необходимых измерений ширины исследуемой спектральной линии 5Д . Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  устройство дл  измерени  ко центрации атомов и молекул в плазме, содержащее лазер с двуплечим резонатором Майкельсона с оптическими длинами плеч L,, и L и установленную в одном из плеч  чейку с исследуемой плазмой. В известном устройстве резонатор Майкельсона состоит из четырех зеркал , три из которых вьтолнены оптически глухими, а четвертое - полупрозрачным с коэффициентом отражени  50%о На выходе резонатора установлен анализатор спектра - спектрограф,-ос ществл ющий регистрацию на фотоматериале спектре излучени  лазера. Регистрируемый спектр представл ет собой эквидистантно расположенные груп 82 . пы спектральных составл ющих, так назьтааемые квазимоды, рассто ние между которыми определ етс  разностью оптических путей в двух плечах резонатора Майкельсона. Помещение исследуемого вещества в резонатор приводит к спектральному сдвигу (сближению) квазимод в силу того, что вблизи линии поглощени  исследуемого вещества вследс вие аномальной дисперсии оптическа  разность хода сильно зависит от длины волны излучени . По регистрируемым сдвигам К определ етс  концентраци  N атомов и молекул плазмы и,з соотношени : I, 6,)K (2) длина волны, соответствующа  центру линии поглощени ; А - длина волны просвечивающего плазму излучени  ( - 600 нм). Недостатком устройства  вл етс  его мала  чувствительность, поскольку с его помощью могут быть измерены лишь сдвиги, сравниваемые с рассто - . ни ми между квазимодами. Это не обе- спечивает возможности измерени  малых концентраций плазмы. Кроме того, в устройстве необходимо использовать анализаторы спектра с большим разрешением . (Аппаратна  ширина должна быть много меньше ширины квазимоды). Наконец, определение концентрации атомов и молекул в плазме с помощью этого устройства требует значительных затрат времени из-за необходимости обработки фотоматериалов. Целью изобретени   вл етс  повьш1е- ние чувствительности устройства. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройстве дл  измерени  концентрации атомов и молекул в плазме, содержащем лазер с двуплечим резонатором Майкельсона с оптическими длинами плеч L, и L и установленную в одном из плеч  чейку с исследуемой плазмой, в другое плечо резонатора введен оптический элемент с селективными потер ми, и тем, что элемент с селективными потер ми вьтолнен в виде установленных последовательно пол ризатора и двулучепреломл ющей пластинки , оптические оси которых ориентированы под углом друг к другу, при этом оптические длины плеч резонатора Майкельсона L, и L св заны соотношением L, - L &nd, где Лп 3 . 1 разность показател  преломлени  обыкновенного и необыкновенного лучей, а d - толщина пластины, а также тем, что элемент с селективными потер ми выполнен в виде интерферометра ФабриПеро , при этом оптические длины плеч резонатора Майкельсона L и L св заны соотношением L, - L nt, где п - коэффициент преломлени  среды в интерферометре Фабри-Перо, at- его толщина. В вариантах вьшолнени  устройства повьшение его чувствительности достигаетс  введением в резонатор Майкельсона селективных потерь, величина которых св зана с длиной волны излучёни  лазера. Выбор оптических длин L, и L плеч резонатора обеспечивает срвпадение спектрального расположени  минимумов потерь, обусловленных интерференцией в обоих плечах рёзонатора в отсутствие плазмы со спектральным расположением минимумов се- лективных потерь. Это позвол ет создать услови , при которых малые спектральные сдвиги квазимод, обусловленные-внесением плазмы, можно регистрировать в виде измеримого изменени  интенсивности этих квазимод по сравнению с их интенсивностью в отсутствие плазмы или с интенсивностью квази мод вдали от линии поглощени  плазмы. .В первом варианте устройства, основанном на использовании эффекта дву лучепреломлени , пол ризатор и двулучепреломл юща  пластина в совокупнести образуют элемент с селективными потер ми V, , завис щими от длины волны излучени  лазера Oi : V sin 26sin (3) А где & - угол между оптическими ос ми пол ризатора и пластины. Величина потерь V, периодически зависит от дЛины волны h с периодом . 2 , „ Во втором варианте устройства, основанном на  влении многолучевой интерференции , элемент с селективными „ . потер ми представл ет собой интерфе - „ рометр Фабри-Перо. Величина потерь „ V, в нем определ етс  соотношением г (l-R) Т 4Rsin() - , где R - коэффициент отражени  зеркал интерферометра Фабри-Перо. 684 Величина потерь V периодически зависит от длины волны с периодом Х Подбор величины коэффициента отражени  R позвол ет добитьс  более сильной (нежели V, (-х)) зависимости величины V отХ вблизи минимумов потерь. Это обеспечивает уменьшение по сравнению с первым вариантом спектральной ширины квазимод, что расшир ет: диапазон экспериментальных усповий в области низких концентраций, На фиг.1 и 2 представлены различные варианты выполнени  устройства, На фиг.1 - вариант с использованием пол ризатора и дйулучепреломл ющей пластины; на фиг.2 - вариант с использованием интерферометра Фабри-Перо . На фиг.3,4 представлен спектр регистрируемого лазерного излучени : на фиг.З - спектр в отсутствие плазмы, на фиг.4 - спектр при внесенной плазме . Устройство (см.фиг.1,2) содержит широкополосный лазер с резонатором Майкель сона, образованным глухими зеркалами 1, 2, 3 (коэффициенты отражени  - 98%) и полупрозрачным зеркалом 4. Внутри резонатора расположены  чейка 5 с активным веществом,  чейка 6 с исследуемой плазмой и элемент . 7 с селективными потер ми. За зерка- лом 2 расположена поворотна  призма 8, оптически св зывакица  его с анализатором спектра - спектрометром 9. На фиг.1 элемент 7 выполнен в виде оптически св занных пол ризатора 10 и двулзгчепреломл ющей пластины 11, оптические оси которой ориентированы ° углом О друг к другу. Пол ризатор 10 установлен в оправе 12, обеспечивающей возможность поворота вокруг оси резонатора дл  плавного и контролируемого изменени  угла в . Оптическа  длина L, плеча, в котором установлены пол ризатор 10 и пластина св зана с оптической длиной L плеча, в котором установлена  чейка , т . j б, соотношением: L, - . где 2 АП - двулучепреломление материала ,, j пластины , а - ее толщина. „ , « На фиг.2 элемент 7 выполнен в ви .. А тт л. де интерферометра Фабри-Перо с коэф „ к f f Фициентом R отражени , величина ко торого определ етс  условием эксперимента . Оптическа  длина плеча L , в котором установлен интерферометр Фабри-Перо, св зана с оптической длиной плеча L, в котором установлена  чейка 6, соотношением L, - L nt, где п - показатель преломлени  интерферометра Фабри-Перо, t - его толщина. Поскольку работа указанных вариан тов основана на одном принципе - вве дение во второе плечо резонатора Май кельсона элемента с селективными потер ми приводит к изменению интенсив ности квазимод вблизи линии поглощени  в плазме вследствие их спектраль ных сдвигов, обусловленных аномально дисперсией в плазме. Работа устройст ва по снена на примере первого вариа та (см.фиг.1). Устройство работает следующим образом . В резонаторе, образованном зеркалами 1-4, генерируетс  широкополосно лазерное излучение. Спектр этого излучени  в отсутствие плазмы обусловлен суммой потерь, определ емой с од ной стороны потер ми из-за интерференции в резонаторе Майкельсона, завис щими от оптических длин L, , резонатора, с другой стороны, селективными потер ми V, . Эффективные пот ри V системы зеркал 1-4 с элементом 7,определ ютс  соотношением: i,.29sin sir. где член sin 2n-(L,-L.)/- определ ётс  потер ми, обусловленными интерференцией волн в резонаторе Майкельсона , а остальные сомножители - поте р ми, обусловленными элементом 7 см соотношение (3)J . Поскольку размеры плеч резонатора выбраны так, что вьшолн етс  условие L, - 1 And, то спектральное расположение минимумов потерь, обусловленi ных интерференцией в обоих плечах L,, L резонатора в отсутствие плазмы ;совпадает с положением минимумов селективных потерь, .вводимых элементами 10, 11. Поэтому спектр лазерного излучени  в отсутствие плазмы представл ет собой набор эквидистантных . квазимод одинаковой интенсивности 1 (фиг.3). Спектральное рассто ние X А, между этими квазимодами определ етс  геометрическими размерами плеч резонатора и параметрами двулучепреломл ющей пластины 11. Центры этих областей генерации - квазимод - соответствуют селективным потер м, равным нулю, согласно уравнению (5). Внесение плазмь приводит к возникновению аномальной дисперсии лазерного излучени  вблизи линий поглощени . Это обуславливает изменение оптической длины L плеча, содержащего  чейку 6. В этих услови х минимальные потери , определ емые интерференции и селективным поглотителем 7, станов тс  не равными нулю. Интенсивность I генерации квазимод, возникающих в спектральных .област х, соответствующих этим минимальным (но отличным от нул ) потер м, меньше интенсивности Ijj квазимод, отсто щих далеко от линии поглощени  (см,фиг.4, гдеХ центр к-ой линии поглощени ). Таким образом, спектрометр 9 регистрирует распределение интенсивности 1() квазимод , показанное на фиг.4. Измерение относительного уменьшени  интенсивности I;/Ig i-ой моды позвол ет определить величину &V, потерь, привод щих к этому уменьшению, по формуле: . . .. uV, где с - скорость света} - длительность импульса генерации ; L - длина резонатора лазера. Из равенства (3) видно, что тт у 2 „- . 4;Тй 1 2йЛ /тч ЛУ, 7sLn 2esin -д- (7) где ЛХ - спектральный сдвиг квазимоды . При малых сдвигах Ир. 47 f- 4irK где К - относительный сдвиг квазимоды , аналогичный сдвигу интерференционной полосы в уравнении (I). Величина потерь определ етс  соотношением AV, 20 К (8) Поскольку сдвиг к квазимоды определ ет концентрацию атомов см. (2) , то измерение К| и двух квазимод, лежащих по обе стороны от центра линии поглощени , позвол ет определить значение N из соотношени  01 V . V N ft 7S -in fQ N Ь,2Ь 10 if(K,+K.) Аналогичным образом работает второй вариант устройства, использующий в качестве селективного поглотител  7 интерферометр Фабри-Перо. В конкретном варианте устройство Ьодержит импульсный лазер на растворе родамина в этаноле с накачкой от двух импульсных газоразр дных ламп с широким , около 10 нм, спектром генерации вблизи А 600 нм. Длительность импульса генерации составл ет 50 мкс, длина резонатора L равна 1 м. Дл  исключени  паразитной селекции диэлектрические зеркала 1-4 нанесены на клиновидные стекл нные подложки с углом около 10°. В качестве пол ризатора 10 используетс  призма из кальцита с преломл ющим углом 8 , пластина 11 также выполнена из кальцита с двулучепреломлением ,172, толщиной ,5 см. Это соответствует периоду Л, 0,01 нм зависимости V, (7i Достижение положительного эффекта по  сн етс  на примере, когда в результате внесени  плазмы интенсивности i-ой и i+1-ой квазимоД (ближайших квазимод, лежапщх по обе стороны цен тра линии поглощени  71 ок) уменьшилис до величины Ij,;,/ ° Формуле (6) определ ют потери, вносимое селективным элементом 7 на фиг.I, на дпинах волнЛ;,, &V лУи, 1,2-Ю-, .а затем из равенства (7) рассчитываю значение величины относительного . Дл  рассматриваемого случа  при 9 45° из (7) имеем , К; К;„ 1,23-10 (И по формуле (9) 68 N. ь-i Эти оценки показывают, что при стандартной широко распространенной спектральной аппаратуре и длительности импульса лазераf 50 мкс (эта величина определ ет временную разрешающую способность устройства) чувствительность предлагаемого устройства более, чем в, 10 раз превышает чувствительность аналога и прототипа. Повьш1ение разрешахщей способности анализатора спектра к уменьшение требований к временной разрешакмцей спо собности устройства приводит к пропорциональному увеличению чувствительности . Достоинством устройства  вл етс  простота его реализации: в отличие от известного устройства изобретение позвол ет использовать стандартную, серийно выпускаемую спектральную аппаратуру . Другим важным достоинством устройства по сравнению с известным  вл етс  оперативности получени  результатов , возможность автоматизации процесса измерений и непосредственного соединени  системы регистрации с ЭВМ дл  обработки экспериментальных результатов . Работоспособность предлагаемого устройства подтверждена зкспериментально при использовании лазера с длительностью импульса 2 мкс.

//////f/ Yf/ffff

I

Фиг.

3

J

О

ок Фиг.

0К tPt/g.

Claims (3)

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ В ПЛАЗМЕ, содержащее лазер с двуплечим резонатором Майкельсона с оптическими длинами плеч L, и L₂ и установленную, в одном из плеч ячейку с исследуемой плазмой, отличающееся тем, что, с целью повышения чувстви- ‘ тельности измерений, в другое плечо резонатора введен оптический элемент с селективными потерями.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, элемент с селективными потерями выполнен в виде установленных последовательно поляризатора и двулучепреломлякицей пластинки, оптические оси которых ориентированы под углом друг к другу, при этом оптические длины плеч резо натора Майкельсона L_<, L₂ связаны со отношением

L — L₂ ^β & nd *, где &п - разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, ad- толщина пластины.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что элемент с· селек тивными потерями выполнен в виде интерферометра Фабри-Перо, при этом оптические длины плеч резонатора Майкельсона L₄ и L₂ связаны соотношением L, - L₂ = nt, где η - коэффициент преломления среды в интерферометре Фабри-Перо, at- его толщина.

Фин!