ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1997 года по МПК G01N21/61 G01N21/39 

Изобретение относится к абсорбционной спектрометрии с помощью настраиваемых лазеров.

Известен газоанализатор на полупроводниковом лазере [1] состоящий из блока полупроводникового лазера (лазер в азотном криостате либо на Пельтье-элементе, снабженный датчиком температуры и нагревателем для стабилизации темпеpатуры), источника тока лазера (периодически повторяющиеся импульсы тока либо непрерывный ток с модуляцией), блока формирования лазерного излучения (коллимирующая линза или зеркало, делитель излучения), оптических элементов (кюветы, монохроматор и т. д. ), блока регистрации и обработки сигналов (фотодетекторы, регистрирующая электроника, электроника, производящая обработку зарегистрированного сигнала), блока управления (электроника, осуществляющая управление всеми блоками газоанализатора).

Недостатком, присущим данному устройству, является наличие паразитной оптической обратной связи, которая ограничивает чувствительность газоанализатора.

Известно наиболее близкое техническое решение газоанализатора [2] Газоанализатор состоит из блока полупроводникового лазера, источника тока лазера, блока формирования лазерного излучения, двух оптических каналов (измерительный и реперный) с оптическими элементами, блока регистрации и обработки сигналов, блока управления. Блок полупроводникового лазера оптически сопряжен с блоком формирования лазерного излучения. Блок формирования лазерного излучения оптически сопряжен с измерительным и реперным каналами, которые оптически сопряжены с блоком регистрации и обработки сигналов. Источник тока лазера подключен к блоку полупроводникового лазера. Выход блока управления подключен к блоку полупроводникового лазера, к блоку регистрации и обработки сигналов и к источнику тока лазера.

Недостатком данного устройства является наличие паразитной модуляции интенсивности излучения лазера, связанной с тем, что часть излучения, отраженная от оптических элементов, возвращается обратно в активную область лазера (оптическая обратная связь).

Техническим результатом является повышение чувствительности газоанализатора. Чувствительность определяется шумами интенсивности полупроводникового лазера. Для увеличения чувствительности используют накопление сигнала, при этом шумы интенсивности усредняются. Известно, что, если часть излучения, вышедшего из лазера, после отражения от внешних оптических элементов возвращается в активную область лазера, характеристики лазера меняются. Возникает интерференция волн, отраженных собственных зеркалом лазера и внешним отражателем. В результате при изменении частоты лазера периодически изменяется интенсивность излучения [3] Даже если обратно в лазер возвращается 10^-10 10^-6 доля от мощности излучения лазера, в интенсивности появляется модуляция на уровне 10^-5 10^-3, что ограничивает чувствительность газоанализатора. Поскольку положение лазера относительно оптических элементов системы фиксировано, паразитная модуляция интенсивности лазера стабильна и не усредняется с накоплением.

Указанный технический результат достигается тем, что в газоанализатор вводится новый блок изменения положения лазера вдоль оси его излучения, причем частота изменения должна удовлетворять следующим условием:
1/(2ω)<τ, где w частота изменения, Гц, t время накопления сигнала, сек;
Nω≠Ω, где W частота повторения сигнала, N целое число.

В результате модуляция интенсивности лазера сдвигается по фазе в течение накопления сигнала и эффективно усредняется.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства.

Устройство состоит из блока полупроводникового лазера 1, оптически сопряженного с блоком формирования лазерного излучения 2, измерительного 3 и реперного 4 каналов, оптически сопряженных с блоком формирования лазерного излучения и блоком регистрации и обработки сигналов 5, источника тока накачки лазера 6, выход которого подключен к блоку полупроводникового лазера, блока управления 7, выход которого подключен к блоку полупроводникового лазера, источнику тока накачки лазера и блоку регистрации и обработки сигналов, блока изменения положения лазера вдоль оси его излучения 8, механически сопряженного с блоком полупроводникового лазера, вход которого подключен к выходу блока управления.

Устройство работает следующим образом.

Источник тока 6 осуществляет накачку полупроводникового лазера импульсами тока, в результате чего частота лазера периодически изменяется в окрестности линии поглощения исследуемого газа. Излучение лазера (на чертеже показано линиями со стрелкой) подается на блок формирования лазерного излучения 2, который коллимирует излучение и делит его на два луча. Один луч проходит через измерительную канал 3, а другой через реперный 4. Далее излучение из обоих каналов поступает в блок регистрации и обработки сигналов 5, который регистрирует сигналы, производит их накопление и обработку. Блок управления 7 осуществляет стабилизацию частоты лазера по сигналу с реперного канала путем подачу управляющих сигналов в блок полупроводникового лазера 1, управляет источником тока лазера 6, блоком регистрации и обработки сигналов 5 и блоком изменения положения лазера 8. Блок изменения положения лазера в течение накопления с некоторой частотой, управляемой блоком управления, изменяет положение лазера вдоль оси его излучения, в результате чего паразитная модуляция интенсивности, возникающая из-за оптической обратной связи, усредняется.

В качестве примера реализации блока изменения положения лазера можно привести электромагнитный вибратор, на сердечнике которого жестко закреплен лазер.

Применение предлагаемого устройства позволяет увеличить чувствительность газоанализатора.

Библиографические данные
1. Monitoring of Gaseous Pollutants By Tunable Diode Lasers, Proceedings of the International Symposium, Freiburg, FRG, 13-14 November 1986, pp. 153-158.

2. Monitoring of Gaseous Pollutants By Tunable Diode Lasers, Proceedings of the International Symposium, Freiburg, FRG, 17-18 October 1988, pp.138-145.

3. Р. Лэнг, Ю. Яманака. Физика полупроводниковых лазеров. Москва, Мир, 1989, глава 5.

Использование: в абсорбционной спектрометрии с помощью настраиваемых лазеров. Сущность изобретения: в газоанализатор введен блок модуляции положения лазера вдоль оси его излучения, который изменяет фазу лазерного излучения, отраженного от всех оптических элементов и возвращенного в активную область лазера. Это позволяет при накоплении сигналов сгладить амплитудную модуляцию лазерного излучения, связанную с оптической обратной связью. 1 ил.

Газоанализатор, содержащий полупроводниковый лазер, оптически сопряженный с блоком формирования лазерного излучения, измерительный и реперный каналы с оптическими элементами, оптически сопряженные с блоком формирования лазерного излучения и блоком регистрации и обработки сигналов, источник тока накачки лазера, выход которого подключен к полупроводниковому лазеру, блок управления, выход которого подключен к полупроводниковому лазеру, источнику тока накачки лазера и блоку регистрации и обработки сигналов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит блок изменения положения полупроводникового лазера вдоль оси его излучения, механически жестко соединенный с полупроводниковым лазером, при этом вход этого блока подключен к выходу блока управления.