SU1239558A1 - Абсорбционный спектрометр - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к абсорбционному атомному и молекул рному спектральному анализу и может быть использовано в различных отрасл х науки, техники и производства, где требуетс  высркал чувствительность спектральных измерений.

Целью изобретени   вл етс  повышение чувствительности анализа.

На чертеже приведена оптическа  схема абсорбционного спектрометра.

Абсорбционный cneKTpoMiETp содержи лазер-гетеродин с активньш элементом 1 и дополнительно введенный ла- |зер с активным элементом 2. На общем участке резонаторов обоих лазеров последовательно ho ходу .излучени  со стороны актгивных злементов 1 и 2 размещены светрделитель 3 нелиней- ный преобразователь 4 частоты, фазова  пластинка 5 и светоделитель 6. За светоделителем 6 на пути зондирующего излучени , сформированного нели нейным преобразователем 4, расположена рабоча  кювета 7 и отражатель 8 с максимальным коэффициентом отражени  на частотах зондирующего излучени  . Отражатель 9 установлен за светоделителем 6 на пути излзгчени  обоих лазеров. Отражатели tO и IT ограничивают резонаторы Лазера-гетеродина и дополнительно введенного лазера со стороны активных элементов 1 и 2. Средство регистрации и анализа излучени  по спектру (не показано ) расположено за выходным зеркалом дополнительно введенного лазера.

Устройство работает следуннцда образом.

Излучени  на .частотах лазера| гете родина Vf и дополнительно введенного лазера У генерируютс  s активных элементах 1 и 2 соответственно и затем совмещаютс  с помощью светоделител  3 внутри нелинейного гфеобраэо- вател  ,4 частоты. В нелинейном преобразователе 4 осзпчествл етс  преобразование излучени  допол1штельно . введенного лазера в зондиру щее излучение с частотами v, . Пройд , далее через фазовую пластинку 5, все три излучени  попадают на светоделитель 6, который направл ет зондирующее излучение в рабочую кювету 7.

Зондирующее.излучение проходит через рабочую кювету 7, отражаетс  от отражател  8 и возвращаетс  в нели-г нейный преобразователь 4 частоты.

где с помощью светоделител  6 совмещаетс  с отраженными от отражател  9 излучени ми обоих лазеров. Фазова  пластинка 5, через которую

в пр мом и обратном направлении- про- . ход т все три излучени , обеспечивает изменение обобщенной фазы процесса нелинейного преобразовани  дл  обратного прохода через преобразователь 4 по сравнению1с пр мым проходом HartiTT , где нечетное, так что при обратном проходе происходит преобразование зондирующего излучени  в излучение на частотах до-;

полнительно введенного лазера.

Таким образом, -зондирующее излучение генерируетс  за счет смещени  излучений дополнительно введенного лазера и лазера-гетеродина в нелинейном преобразователе 4 частоты , а затем обратно преобразуетс  в излучение на частоте дополнительно введенного лазера. Если при этом в рабочей кювете 7 на какой-то насто те зондирукицего излучени  имеет место поглощение, то интенсивность излучени  на соответствзтеицей частоте дополнительно введенного лазера, : возвращающегос  в его активный элемент , будет уменьшена по.сравненшо с интенсивностью излучени  на частотах , где зондирующее излучение проходит через кювету 7 без поглощени . Таким образом, излучение дополнительно введенного лазера имеет на частотах, соответствук щх лини м поглощени , большие потери, что приводит к тому, что в спектре

генера(ии дополнительно введенного лазера, регистрируемом Средством регистрации и анализа излучени  по спектру, на частотах, соответствующих лини м поглощени , образуютс 

„ За -3( а)

провалы глубиной

где

5. о - интенсивность в окрестности провала; 3(Vg) - интенсивность на частоте -ig дополнительно введенного лазера, соответствукмцей. линии поглощени . Зависимость глубины провала от коэффициента поглощени  определ етс  типом дополнительно введенного лазера (с неоднородно или однородно уширенной полосой усилени , импульсный или непрерьшного действи ). Например , дл  лазера с однородно уши- ренным контуром усилени , работающего в стационарном режиме, глубина провала

1

.0 )Д )Д

Jo

(л) 2/3

(1)

1239558 , 4

спектра усилени  активной среды; Хд - величина накачки, вьфаженна  в числе порогов; Ро - коэффициент не- селективных потерь в резонаторе; 5 f ((j) коэффициент селективных, обусловленных поглощением потерь на

где Г/(1-1/х„) , h- показа-частоте Vj дополнительно введенного

тёль преломлени , усредненный полазера; Р (V,, ) св зан с коэффициентом

длине L , где L - рассто ние между ;поглощени  .«„.(з) на соответствующей

отражателем 11 и нелинейным преобра- 0частоте Vj зондирующего излучени 

зователем 4 частоты; Г - полуширина .следующим образом

ni )- г г р;°° д: - -р; F- 1, J5;.sle,i-.,,.

где tf, - длина рабочей кюветы;

Е, - длина нелинейного преобразовател  4 частоты

Г l llllltr l

; ,.-

где «1 - нелинейный коэффициент вто ро- го пор дка;Р - внутрирезонаторна  мощность излучени  на частоте лазера-гетеродина; С - скорость света; J г коэффициенты отра- жени  отражател  9 на частотах дополнительно введенного лазера и лазера- гетеродина соответственно; R - коэффициент отражени  отражател  8 на частоте зондирующего излут1ени .

В наиболее простом варианте исполнени  абсорбционного спектрометра лазер-гетеродин и дополнительно введенный лазер генерирзтот излуче- ние различных пол ризаций ч в качестве светоделител  3 служит пол ризационна  призма. Дл  того, чтобы светоделитель 6 отражал зондирующее излучение в направлении рабочей кюг веты 7 и пропускал излучени  обоих лазеров в направлении отражател  9, он должен быть выполнен в веде зеркала со.специальным покрытием. Если вещества, содержащиес  в рабочей кювете 7, не поглощают на частотах лазера-гетеродина и дополнительно введенного лазера, светоделитель 6 может быть выполнен в виде пол риза- 1ЩОННОЙ призмы. В этом случае светоделитель 6 нащ авл ет излучение па зера-гетеродина на отражатель 8, а излучение дополнительно введенного лазера проходит в направлении отражател  9. Если зондирующее излучение имеет ту же пол ризацию, что и излучение

а

(1)

1239558 , 4

спектра усилени  активной среды; Хд - величина накачки, вьфаженна  в числе порогов; Ро - коэффициент не- селективных потерь в резонаторе; 5 f ((j) коэффициент селективных, обусловленных поглощением потерь на

каза-частоте Vj дополнительно введенного

2)

лазера-гетеродина, рабоча  кювета 7 . долЕ|сна быть установлена между светоделителем б и отражателем 8, который имеет максимальный коэффициент отражени  на частотах зондирующего излучени . Если пол ризаци  зондирукщего излзгчени  совпадает с . пол ризацией дополнительно введенного лазера, отражателем с максимальным коэффициентом отражени  на -частотах зондирующего излучени  должен быть отражатель 9 и рабоча  кювета 7 должна быть установлена между светоделителем 6 и отражателем 9.

Спектральный состав зондирующего излучени  определ етс  спектром генерации , обоих лазеров и видом нелинейного преобразовател  частоты, причем частота зондирукщего излучени  может перестраиватьс ,если использовать в качестве дополнительно введенного, лазера перестраиваемый лазер , например лазер на красителе, и осуществл ть перестройку синхронизма в нелинейном преобразователе частоты.

, Пример. Рассмотрим абсорбционный сйектрометр, в котором в качестве лазера-гетеродина служит рубиновый лазер (,694 мкм), рабо- такнций в режиме свободной генерации, и дополнительно введен лазер на красителе родамин 6Ж в этаноле с ламповой накачкой (диапазон перестройки ,57-0,62 мкм). Полоса усилени  раствора органического красител  однородно уширена и дл  него справедливы формулы (1 и 2), Дл  осуществлени  высокочувствительных спектральных измерений в ИК-области спектра нелинейный преобразователь 4 частоты выполнен из кристалла LiJOj с углом

фазового синхронизма 0gj 21 , Измен   путем поворота кристалла угол 9е- в пределах 22,6-20,15, имеем

еоо

зондирующее излучение, перестраивае-

мое в диапазоне Л3 3,2-5,8 мкм. В этот диапазон по падает, в частности, р д линий газов, загр зн ющих атмосферу: СО (4,7 мкм), N0 (5,3 мкм), (3,6 мкм), СН (3,4 мем). Фазо- ва  пластинка 5 изготовлена из BaF, прозрачного в области О,J5-15 мкм. При использовании фазовой пластинки 5 толщиной 5 мм изменение угла наклона пластинки от О до 8,7 обес- печивает- изменение обобщенной фазы в пластинке на произвольную величину в пределах от О доТГ . Положение, пластинки 5, при котором глубина провала в спектре максимальна, .соответствует изменению обобщенной фазы перед обратным проходом по сравнению с пр мым.проходом на inTr, где нечетное , В качестве светоделител  3 служит пол ризационна  призма Рлана изготовленна  из CaCO.j (прозрачен в области 0,2-2 мкм), в качестве светод;елител  6 - зеркало из германи  с интерферейхщонным покрытием, пропускающее излзп1ение лазера на красителе и рубинового лазера и отражающее в направлении рабочей кюветы зондирующее излучение. Отралка- .тель 9 имеет максимальный коэффтда- ент отражени  на частотах л4зера на кристалле и рубинового лазера, отра- жатель 8 - макс1едальный коэф шщент отражени  на частотах зовдирующего излучени  (Rg«l, ,997). Отражатель 10 отражает 99j7% излучений ру- бИнового лазера, отражатель. 11 cjiy- лит выходным зеркалом лазедайа краеител ей имеет коэффициент отражашш 45%

. П р и м е р 2. Дл  осуществлени  высокочувствительшлх спектральных измерений в УФ-области сиектра в дополнительно введенном лазере используетс  краситель - оксаз н t в дйхлорметане (,74 мкм); а ае- линейный преобразователь. 4 частоты выполнен из кристалла КДР с углом фазового синхронизма ©ев« . При использовании в качестве лазера- гетеродина рубинового лазера длина волны зондирующего в этом случае А ,358 мкм,

В окрестности этой длины волны расположены, в частности, линии

атомарного 357,87 и 359,35 нм. Фазовую пластинку 5 изготавливают из плавленного кварца SiOj. Изменение обобщенной фазы в пластинке на произвольную величину от О до IT обеспечиваетс  в этом случае при изменении угла наклона пластинки толщиной 5 мм от О до 3,3°.

Основным достоинством предлагаемого абсорбционного спектрометра по сравнению с известным  вл етс  увели- чёние чувствительности к слабым поглощени м . В табл. 1 и 2 приведены значени  относительной глубины провала в спектре дополнительно введе1йного лазера при оптической толщине рабочей к юветы на частоте линии, погло- щени К„ (V )Г„ 10.дл  примеров 1 и 2 соответственно при длине,нелинейного кристалла 4 см и различных значени х мощности излучени  лазера- гетеродина Р в резонаторе при следующих параметрах лазера на красителе: L 50 см, г 2000 см , 6 1, 1, ,1. .

С другой стороны, в известном устройстве согласно формуле (1) при оп- тической толп5ине рабочей кюветы K(V)6jj 10 относительна  глубина

провала

3(V)

:а,

10-. Таким обра

зом, из табл. 1 и 2 видно, что ис- ; пользование предлагаемого изобретени  позвол ет повысить чувствительность, на 1-3 пор дка. Меньпшй выигрьш в чувствительности в примере 2 обусловлен тем, что нелинейный коэффициент cj в кристалле КДР на-пор док ниже,, чем в LinOj, и, следовательно, в КЦР ниже КПД нелинейного преобразовани . Нар. ду с повышением .чувствительности в предлагаемом абсорбционном спектрометре нелинейный преобразователь частоты оказываетс  размещен - ; ным в резонаторе лазера-гетеродина и за счет этого увеличиваетс  КПД преобразовани  зондирующего излуче- ни  в излучение дополнительно введенного лазера, непосредств.енно анализируемое с помощью средств регистрации и энализа по спектру. В результате в предлагаемом .спектрометре плотность мощности излучени , попадающего на средство регистрации и анализа излучени  по спектру, в 10-100 раз вьше, чем в известном спектрометре, если в качестве источ7 1239558. 8

ника зондирукицего излучени  в извест-ретение дает выиграш по мощности еще ном устройстве использовать источникв 100 раз. Повьшение мощности анали- типа лазерного например генераторзируемого излучени  позвол ет полуразностной частоты. Если в известномчать спектр с более высоким разреше- устройстве в качестве источника зон- нием и лучшим отношением сигнала к дирукнцего излучени  используетс  тепловой источник, то предлагаемое изобшуму , чем ройства.

известного устретение дает выиграш по мощности еще в 100 раз. Повьшение мощности анали- зируемого излучени  позвол ет получать спектр с более высоким разреше- нием и лучшим отношением сигнала к

шуму, чем ройства.

известного устТ а блица 1

Таблица 2

ft

Редактор В. Иванова Заказ 3387/41

Составитель О. Матвеев

Техред И, Попович Корректор Г Решетник

Тираж. 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предпри тие, г. Ужгород, ул. Проектна , 4

Ю

Claims (3)

1. АБСОРБЦИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР, содержащий источник зондирующего излучения, лазер-гетеродин, нелинейный преобразователь частоты излучения, рабочую кювету и средство регистрации спектрального состава излучения, отличающийся ι тем, что, с целью повышения чувствительности анализа, дополнительно введен лазер, резонатор которого имеет с резонатором лазера-гетеродина общий участок, на котором оптические . оси резонаторов обоих лазеров совмещены, и по одну сторону общего участка размещены активные элементы этих лазеров, по другую его сторону йа пути зондирующего излучения расположена рабочая кювета, за которой ус тановлен отражатель с максимальным коэффициентом отражения на частотах зондирующего излучения, причем общий участок резонаторов обоих лазеров ограничен двумя светоделителями, между которыми расположены последовательно по ходу излучения со стороны активных элементов источник зондирующего излучения, ^выполненный в виде нелинейного преобразователя частоты излучения, и фазовая пластицка, а средство регистрации спектрального состава излучения размещено эд выходным зеркалом дополнительно введен ного лазера.

2. Спектрометр по п.1, о т л ич ающийс я тем, что, с целью повышения чувствительности в ИК-об-’ ласти спектра, нелинейный преобразователь частоты выполнен с углом фазового синхронизма, соответствующим генерации зондирующего излучения с частотой, равной разности частот Излучений лазера-гетеродина и дополни-. тельно введенного лазера.

3. Спектрометр по π.1, о т л и ч ающийс я тем, что, с целью повышения чувствительности в УФ-области спектра, нелинейный преобразователь частоты выполнен с углом фазового синхронизма, соответствующим ко со с© СП СП 00 генерации зондирующего излучения с частотой, равной сумме частот излучений лазера-гетеродина и дополнительно введенного лазера.

f