СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ГАЗОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕКТРОМЕТРА НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДНОГО ЛАЗЕРА И СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01N21/39 

Настоящее изобретение относится к устройству, представляющему собой спектрометр на основе полупроводникового диодного лазера, в частности к спектрометру на основе инфракрасного полупроводникового диодного лазера, имеющего поглощение с временным разрешением, в котором калибровка шкалы волновых чисел основана на отображении преобразования времени в волновое число (см^-1). Инфракрасные абсорбционные спектрометры используют для обнаружения и измерения газов. Для обеспечения подачи светового излучения, поглощаемого веществами, которые подвергают измерениям, широко используют инфракрасные полупроводниковые диодные лазеры, поскольку эти лазеры имеют относительно малые размеры, строго определенные спектральные характеристики, большую яркость и являются перестраиваемыми. Существуют дополнительные преимущества этих лазеров по сравнению с другими лазерами, некоторые из которых могут быть найдены в монографиях, посвященных спектроскопии.

В удаленных пунктах и при жестких внешних условиях одним из наиболее эффективных и точных способов обнаружения незначительных концентраций газов является способ с использованием спектрометров на основе полупроводникового диодного лазера. Несмотря на то, что способ обнаружения газов уже используют в течение нескольких десятилетий, во многих внешних условиях по-прежнему затруднительно осуществлять дистанционный контроль незначительных концентраций составляющих газа. Многие предшествующие измерительные приборы известные из уровня техники имеют медленное время отклика, часто являются громоздкими, ненадежными, дорогостоящими и требуют постоянного технического обслуживания.

Для извлечения информации с использованием известных из уровня техники методов обычно производят дистанционное измерение газов в ближнем и в среднем инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра, в которой расположены характерные химические признаки большинства химических соединений. Под терминами "ближний и средний инфракрасный диапазон" подразумевают излучение, имеющее длину волны в интервале от 1 мкм (микрометра) до 14 мкм. Этот спектральный диапазон содержит окна с высоким коэффициентом пропускания, так называемые "атмосферные окна", прозрачность которых обусловлена низкой плотностью сильных линий спектра поглощения CO₂ и H₂O. Эти атмосферные окна представляют большой интерес для спектроскопии, поскольку линии спектра поглощения сильно поглощающих молекул незначительных газовых примесей имеют интенсивность, аналогичную или большую, чем слабые линии CO₂ и H₂O.

Диодные лазеры ближнего инфракрасного диапазона формируют световое излучение в диапазоне длин волн колебательных обертонов от 1 до 3,0 мкм. Так как коэффициенты поглощения колебательных обертонов являются намного меньшими, чем коэффициенты поглощения в полосах фундаментального поглощения, то чувствительность спектрометров, в которые используют такие лазеры, остается ограниченной. Следовательно, чувствительность такого устройства обнаружения газов редко достигает величины, меньшей чем одна миллиардная часть.

Диодные лазеры среднего инфракрасного диапазона формируют световое излучение в диапазоне длин волн полос фундаментального поглощения вращательно-колебательного спектра, приблизительно от 3 до 14 мкм. До настоящего времени эти лазеры не получили такого же технологического развития, как лазеры ближнего инфракрасного диапазона, и, следовательно, имеют низкую выходную мощность излучения в одномодовом режиме. Системы обнаружения газов на основе диодов среднего инфракрасного диапазона способны обеспечивать чувствительность менее одной миллиардной части. Поэтому специализированная разработка таких источников света была полностью направлена на их применение в спектроскопии. Обычным диодным лазерам среднего инфракрасного диапазона, которыми, в основном, являются лазеры на солях свинца, присущи несколько недостатков, например низкая выходная мощность и необходимость их криогенного охлаждения до 77 K (градусов Кельвина) или даже до более низкой температуры. Следовательно, для них требуется большая и дорогостоящая рабочая система, обеспечивающая поддержание этой температуры.

В последнее время была достигнута комнатная рабочая температура и высокая выходная мощность светового излучения в среднем инфракрасном диапазоне с использованием квантово-каскадных, KK (QC), лазеров. В отличие от известных из уровня техники предшествующих лазеров, KK лазеры представляют собой униполярные полупроводниковые лазеры, которые могут быть выполнены таким образом, что осуществляют генерацию излучения на любой требуемой длине волны в среднем инфракрасном диапазоне. Замена лазеров на солях свинца KK лазерами обеспечивает потенциальную возможность улучшения как чувствительности регистрации, так и спектрального разрешения абсорбционных спектрометров, работающих в среднем инфракрасном диапазоне.

В разработанных до настоящего времени спектрометрах на основе KK лазеров используют два главных подхода. В первом подходе используют KK лазер, работающий в непрерывном режиме (НР), в качестве "простой" замены лазера на солях свинца. Второй подход состоит в использовании импульсного KK лазера способом, имитирующим использование лазера, работающего в непрерывном режиме. В некоторых экспериментах, проведенных Вебстером (Webster) и др. [Applied Optics LP 40, 321 (2001)], был использован первый подход, при этом один из диодных лазеров на солях свинца в спектрометре типа "ALIAS II" был заменен KK лазером. Были проведены проверочные измерения с использованием авиационной платформы ER2, которые показали, что лазер на солях свинца может быть успешно заменен KK лазером, который в меньшей степени подвержен воздействию температурной нестабильности. Однако для обеспечения работы в непрерывном режиме необходимо, чтобы лазер работал при температуре 77 K. Второй способ был впервые описан Уиттэкером (Whittaker) и др. [Optics Letters 23,219 (1998)]. В этом способе в KK лазер, работающий, приблизительно, при комнатной температуре, подают очень короткий импульс тока для создания узкополосного импульса. В этом режиме работы спектральное разрешение ограничено линейным нарастанием длины волны. Следовательно, в спектрометре этого типа линейное нарастание длины волны расценивают как вредное для работы системы.

Линейное нарастание длины волны ("эффективная ширина линии излучения") вызвано длительностью возбуждающего импульса тока/напряжения во времени. Термин "эффективная ширина линии излучения" означает наблюдаемую/измеряемую ширину (полную ширину на уровне половины максимума, ПШУПМ (FWHM)) спектра излучения полупроводникового диодного лазера, индуцированного импульсом тока/напряжения, поданным на его электрические контакты. Например, если длительность импульса, поданного в KK лазер, равна, приблизительно, 10 нс (наносекундам), то эффективная ширина линии излучения в спектральной области равна, приблизительно, 700 МГц (0,024 см^-1) [Optics Letters 23, 219 (1998)].

Для сканирования проб с использованием спектрометра на основе импульсного KK лазера производят перестройку эффективной ширины линии излучения по спектральному диапазону с использованием медленно изменяющегося пилообразного сигнала постоянного электрического тока, наложенного на последовательность импульсов. Это означает то, что результирующая спектральная настройка представляет собой квадратичную функцию пилообразного изменения постоянного электрического тока, введенного в лазер [Optics Letter 23, 219 (1998); Applied Optics 39 6866 (2000); Applied Optics 41, 573 (2002)]. Однако при этом подходе возникает проблема, состоящая в том, что на этапе обработки данных необходима дополнительная операция для корректировки квадратичного эффекта. В некоторых случаях для улучшения отношения сигнал/шум [Optics Letters 23, 219 (1998)] к пилообразному сигналу постоянного тока добавляют небольшой модуляционный сигнал переменного тока для использования фазочувствительного детектирования зарегистрированного оптического сигнала. Несмотря на то, что добавление этой модуляции может увеличить чувствительность, это требует использования демодуляции в системе детектирования, что, следовательно, приводит к усложнению этой системы. При этом возникает дополнительная проблема, состоящая в том, что использование модуляции, по существу, уменьшает частоту сканирования, поскольку сигналы, зарегистрированные с высокой скоростью, подвергают демодуляции с преобразованием в низкочастотные сигналы звукового диапазона частот. Следовательно, устройства этого типа из известного уровня техники позволяют реализовать частоты сканирования всего лишь порядка десятков герц. В одной из систем, предложенной Бейером (Beyer) и др. (Third International Conference on Tunable Diode Laser Spectroscopy July 8-12 2001, Zermatt Switzerland), используют изменение длины волны, обусловленное линейным изменением собственной длины волны. Однако предложенное устройство имеет ограниченное использование для определения характерных химических признаков.

В обоих способах, в способе с использованием лазера, работающего в непрерывном режиме (первый способ), описанном Вебстером (Webster) и др. [Applied Optics LP 40, 321 (2001)], и в способе с использованием коротких импульсов (второй способ), впервые описанном Уиттэкером (Whittaker) и др. [Optics Letters 23, 219 (1998)], наиболее простым способом достижения заметного изменения в прошедшем сигнале для газа с малым коэффициентом поглощения является использование исследуемой пробы большой длины. Это может быть достигнуто либо посредством резонансных либо посредством нерезонансных оптических ячеек. Схемы с резонансной ячейкой являются сложными и требуют изощренных способов для минимизации влияния сигналов, обусловленных обратным отражением от входного зеркала в ячейку, которые нарушают функционирование лазера. Следует обратить внимание на нерезонансные ячейки, например так называемая ячейка Эррио (Herriot cell) или астигматическая ячейка Эррио, поскольку они обеспечивают большую длину пути без неудобств, связанных с наличием сигналов, обусловленных обратным отражением. Кроме того, длина пути не зависит от концентрации газа в ячейке. Основным недостатком, свойственным нерезонансным ячейкам, является возникновение "интерференционных полос" вследствие частичного перекрытия пучков, распространяющихся по ячейке. Это значительно ухудшает рабочие характеристики системы.

Следует отметить, что известные из уровня техники спектрометры с использованием полупроводниковых диодных лазеров, в частности квантово-каскадных (KK) лазеров, имеют недостатки, ограничивающие их использование для абсорбционной спектроскопии в импульсном режиме работы. В частности, спектрометры на основе KK лазеров из известного уровня техники, в которых источники света должны функционировать в импульсном режиме для обеспечения их работы при комнатной температуре, имеют разрешающую способность, равную эффективной ширине их линии излучения, определяемой длительностью возбуждающего импульса напряжения/тока во времени, который подают на его электрические контакты.

Целью настоящего изобретения является решение, по меньшей мере, одной из вышеупомянутых проблем.

Различные аспекты настоящего изобретения определены в независимых пунктах формулы изобретения. Некоторые предпочтительные отличительные признаки определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно одному из аспектов настоящего изобретения предложен способ обнаружения газов с использованием спектрометра на основе полупроводникового диодного лазера, в котором отсутствуют интерференционные полосы. При этом способ содержит следующие операции: вводят пробу газа в нерезонансную оптическую ячейку и в вышеупомянутую ячейку вводят световое излучение от полупроводникового лазера. Генерацию этого светового излучения осуществляют путем подачи в полупроводниковый диодный лазер одного или последовательности электрических импульсов, представляющих собой, по существу, ступенчатую функцию, которые приводят к тому, что лазер осуществляет вывод одного или большего количества импульсов, каждый из которых имеет постоянно линейно изменяющуюся длину волны, для их ввода в вышеупомянутую оптическую ячейку. В предпочтительном варианте осуществления изобретения каждый поданный импульс имеет длительность более 150 нс, в частности более 200 нс. В предпочтительном варианте осуществления изобретения каждый поданный импульс имеет длительность в интервале от 150 до 300 нс, в более предпочтительном варианте - от 200 до 300 нс. Это может обеспечить диапазон перестройки, равный, приблизительно, 60 ГГц. Скорость линейного изменения частоты выбирают таким образом, чтобы обеспечить наличие временной задержки между световыми пятнами на отражающих элементах нерезонансной ячейки, по существу, достаточной для предотвращения возникновения интерференции света, при этом вышеупомянутые световые пятна определяют те места, в которых происходит отражение вышеупомянутых введенных импульсов, имеющих линейную частотную модуляцию, от стенок ячейки. Изменение длины волны, обусловленное самой линейной частотной модуляцией длины волны, используют для сканирования по длине волны. Следовательно, отсутствует какая-либо необходимость в перестройке эффективной ширины линии излучения по спектральному диапазону с использованием, например, медленного пилообразного изменения постоянного электрического тока, наложенного на последовательность импульсов. Регистрацию светового излучения с выхода оптической ячейки осуществляют с использованием надлежащего приемника.

В предпочтительном варианте каждый зарегистрированный импульс имеет длительность более 150 нс, в частности более 200 нс. В предпочтительном варианте каждый зарегистрированный импульс имеет длительность в интервале от 150 до 300 нс, в более предпочтительном варианте - от 200 до 300 нс.

В альтернативном варианте осуществления изобретения, в котором не используют нерезонансную ячейку, проба газа может находиться в свободном объеме, и в способе обнаружения может быть использована конфигурация с открытым трактом, что предотвращает возникновению интерференции светового излучения. В любом варианте, за счет предотвращения интерференции светового излучения можно избежать возникновения интерференционных полос. Это означает, что чувствительность способа может быть значительно улучшена.

Ниже приведено описание различных аспектов настоящего изобретения путем описания только лишь примеров со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых изображено следующее:

на Фиг.1a - Фиг.1f показаны графики зависимости испускаемого излучения от волнового числа для различных режимов работы KK лазера, полученные способом компьютерного моделирования;

на Фиг.1g показан график зависимости испускаемого излучения от времени для KK лазера в конкретном режиме работы, полученный способом компьютерного моделирования;

на Фиг.1h показан график зависимости испускаемого излучения от времени для KK лазера, работающего в режиме, обеспечивающем генерацию импульса с линейной частотной модуляцией;

на Фиг.2 показана принципиальная схема устройства, на которой изображен полупроводниковый лазер, используемый в сканирующем Фурье-спектрометре;

на Фиг.3a показаны графики зависимости волнового числа от длительности импульса при многих различных температурах;

на Фиг.3b показаны графики зависимости волнового числа от длительности импульса при многих различных амплитудах электрического тока;

на Фиг.4a показан график динамического полного сопротивления KK лазера;

на Фиг.4b и Фиг.4с показаны графики зависимости рассеянной мощности от тока для KK лазера при -10°C;

на Фиг.6a показан график зависимости волнового числа от температуры;

на Фиг.6b показан график зависимости волнового числа от коэффициента заполнения;

на Фиг.7 показана блок-схема системы обнаружения газов, содержащая KK лазер и Фурье-спектрометр;

на Фиг.8 показан спектр поглощения 1,1 дифторэтилена, CF₂CH₂, зарегистрированный с использованием устройства из Фиг.7;

на Фиг.9 показана блок-схема другого спектрометра;

на Фиг.10 показана схема способа регистрации оптических импульсов с использованием спектрометра из Фиг.9 и приведенная для сравнения схема способа, используемого в спектрометре из известного уровня техники;

на Фиг.11 показана блок-схема спектрометра из известного уровня техники, использованного для сравнительных измерений, показанных на Фиг.10;

на Фиг.12 показан эталонный спектр пропускания CF₂CH₂ и спектры лазерного излучения с наличием поглощения CF₂CH₂ и без него, полученные с использованием спектрометра из Фиг.9;

на Фиг.13 показан спектр поглощения CF₂CH₂, зарегистрированный с использованием спектрометра из Фиг.9 (верхняя кривая), и зарегистрированная эталонная интерференционная картина от эталона из твердого германия (нижняя кривая);

на Фиг.14 показано сравнение спектров поглощения двух различных молекул (верхняя кривая: CF₂CH₂; нижняя кривая: COF₂) зарегистрированных с использованием устройства из Фиг.9;

на Фиг.15 показаны спектры поглощения для пробы атмосферных газов, зарегистрированные с использованием устройства из Фиг.9;

на Фиг.16 показана блок-схема модифицированного варианта спектрометра из Фиг.9;

на Фиг.17 показана блок-схема другого спектрометра, в котором реализовано настоящее изобретение;

на Фиг.18 показана блок-схема модифицированного варианта спектрометра из Фиг.17;

на Фиг.19a показаны графики части спектра пропускания сложной молекулы в части спектрального диапазона полупроводникового лазера с множеством продольных мод, полученные способом моделирования, а также профиль лазерного излучения;

на Фиг.19b показан выходной сигнал спектрометра после поглощения;

на Фиг.20 показаны графики части спектра пропускания сложной молекулы с использованием спектрального фильтра, полученные способом моделирования, и

на Фиг.21 показаны графики части спектра пропускания сложной молекулы с использованием спектрального фильтра и настройки по температуре, полученные способом моделирования.

В спектрометре согласно настоящему изобретению для обеспечения сканирования по длине волны целесообразно используют линейное нарастание длины волны в импульсных KK лазерах и полупроводниковых лазерах. Каждый отдельный импульс, получаемый на выходе лазера, обеспечивает изменение длины волны, то есть, сканирование по длине волны, обусловленное линейным нарастанием длины волны. Это линейное нарастание длины волны вызвано эффектом нагрева, возникающим в течение всей длительности приложенного возбуждающего импульса тока/напряжения. Было установлено, что для этих KK лазеров линейное нарастание длины волны является непрерывным. В частности, в конкретных режимах, характеризующихся формой возбуждающего электрического импульса [Optics Communications 197, 115 (2001)], характер поведения импульсных KK лазеров в спектральной области отличается тем, что это линейное нарастание длины волны является почти линейным во времени. Кроме того, было установлено, что при работе в импульсном режиме может быть установлено соответствие между характером поведения KK лазеров в спектральной области и описанием временных параметров возбуждающего импульса тока/напряжения, поданного на его электрические контакты. С учетом этого, существует возможность отобразить характер поведения выходного светового излучения KK лазера во времени и продемонстрировать его во временной области посредством фотоприемника.

На Фиг.1a - Фиг.1g показаны графики временных откликов и спектральных характеристик, полученные способом компьютерного моделирования, для одномодовых и многомодовых полупроводниковых диодных лазеров при подаче прямоугольного сигнала тока/напряжения на их электрические контакты. В этом описании термин "временной отклик" означает фактическое время, требуемое системой регистрации для обеспечения развертки в диапазоне, пропорциональном продаваемому на ее вход электрическому сигналу, имеющему форму идеальной ступенчатой функции. Временной отклик вычисляют с использованием обычного уравнения зависимости между временем нарастания и шириной полосы частот системы, то есть временной отклик = время нарастания = 0,35/ширина полосы частот.

На Фиг.1a и Фиг.1b показаны результаты характера поведения в спектральной области, полученные способом компьютерного моделирования, в фиксированный момент времени, при котором линейная частотная модуляция в спектральной области не наблюдается, а изображенная ширина линии излучения равна ширине линии собственного излучения. Термин "ширина линии собственного излучения" означает мгновенную наблюдаемую/измеряемую ширину (полную ширину на уровне половины максимума, ПШУПМ (FWHM)) спектра излучения. Ширина линии собственного излучения полупроводникового диодного лазера обычно является намного меньшей, чем эффективная ширина линии излучения, и ее количественное определение при работе в импульсном режиме может оказаться затруднительным.

На Фиг.1c и Фиг.1d показаны результаты, полученные способом компьютерного моделирования, достигнутые при подаче строго прямоугольного возбуждающего импульса тока/напряжения, длительность которого является достаточно большой для того, чтобы наблюдалась линейная частотная модуляция с нарастанием длины волны. Как упомянуто выше, эта линейная частотная модуляция возникает в результате эффектов нагрева, вызванного возбуждающим импульсом. Спад амплитуды, происходящий при этой линейной частотной модуляции, вызван уменьшением коэффициента полезного действия (КПД) при генерации лазерного излучения при увеличении нагревания. Эффект линейного изменения длины волны более явно заметен на Фиг.1e и Фиг.1f. На Фиг.1g показан результат компьютерного моделирования характера изменения излучения во времени. Поскольку спад амплитуды импульса с линейной частотной модуляцией уменьшается с течением времени, то временной отклик представляет собой его зеркальное отображение в спектральной области. На Фиг.1h показаны экспериментальные результаты для лазера, работающего в таком импульсном режиме, который обеспечивает генерацию импульса с линейной частотной модуляцией. При сравнении Фиг.1g и Фиг.1h можно заметить наличие корреляции между теоретическим графиком и графиком, полученным в результате моделирования.

На Фиг.2 показано устройство, определяющее характер поведения выходного излучения полупроводниковых диодных лазеров в спектральной области с использованием инфракрасного Фурье-спектрометра с непрерывным сканированием. Результаты экспериментов с использованием этого устройства показаны на Фиг.3 - Фиг.6.

На Фиг.3a показан график зависимости линейного изменения волнового числа от длительности поданного импульса тока (с постоянной амплитудой, равной 4,2 A) во временном диапазоне для ряда температур подложки. Результаты показывают, что скорость перестройки в исследованном диапазоне температур является нечувствительной к температуре. Из этого графика опытным путем может быть определена функция β зависимости скорости изменения волнового числа от времени. Для изменения β должна быть изменена амплитуда импульса тока/напряжения, что показано на Фиг.3b. Из этого чертежа можно заметить, что, вне зависимости от поданного тока, в использованном диапазоне значений тока функция β является, по своей сущности, почти линейной.

Параметр β связан с мощностью, рассеянной внутри лазерного диода, а почти линейное изменение β является результатом того обстоятельства, что KK лазер имеет динамическое полное сопротивление, показанное на Фиг.4a, которое приводит к почти линейному рассеянию мощности в использованном диапазоне значений тока, см. Фиг.4b. Следует отметить, что значение β определяют в том временном интервале, в котором в выходном излучении отсутствует переходной режим, см. Фиг.4c. Нижние предельные значения (определяются амплитудой тока/напряжения, необходимой для достижения используемой выходной мощности, а верхние предельные значения определяются той амплитудой тока/напряжения, которая вызывает снижение выходной мощности, см. Фиг.5. На исходное значение волнового числа при линейном изменении волнового числа оказывает влияние как температура подложки KK лазера, так и коэффициент заполнения подаваемых импульсов тока/напряжения, что показано на Фиг.6a и Фиг.6b. Следовательно, исходное значение волнового числа может быть изменено путем изменения температуры подложки и/или коэффициент заполнения.

Понятно, что эффективность газового спектрометра, в котором для обеспечения изменения длины волны для сканирования пробы используют линейное изменение длины волны, зависит от фактического диапазона длин волны, в пределах которого осуществляют линейную частотную модуляцию. Этот диапазон длин волн может соответствовать изменению частоты, равному 6,0 ГГц. На Фиг.7 показано устройство, служащее для измерения верхних предельных значений эффективной ширины линии излучения KK лазера. Оно основано на Фурье-спектрометре, который выполнен таким образом, что осуществляет генерацию спектров, представляющих собой типичный сигнал, получаемый на выходе ячейки с пробой, в которую введено световое излучение от KK лазера. Спектрометры на основе преобразования Фурье являются хорошо известными из уровня техники, и в них используют интерферометры Майкельсона. Для точного измерения тока, подаваемого в КК лазер, предусмотрено наличие катушки Роговского (Rogowski coil). Типичный спектр, измеренный с использованием устройства из Фиг.7, изображен на чертеже Фиг.8, на котором показан спектр поглощения 1,1 дифторэтилена, CH₂CF₂, полученный с высокой разрешающей способностью. В этом случае разрешающая способность спектрометра равна 0,0015 см^-1. Длительность возбуждающего электрического импульса, поданного в КК лазер, равна 200 нс, частота повторения импульсов равна 20 кГц, а ток возбуждения равен 4,8 A. Температура подложки равна -1,5°C. Из Фиг.8 может быть сделан вывод о том, что верхним предельным значением ширины линии лазерного излучения является значение, определяемое разрешающей способностью измерительного прибора, то есть в этом случае оно равно 45 МГц. Также можно заметить, что во всем диапазоне сканирования по длине волны, осуществляемого KK лазером с линейной частотной модуляцией, можно легко распознать три группы линий CH₂CF₂, то есть (i), (ii) и (iii). Это свидетельствует о том, что эффективная разрешающая способность спектрометра на основе импульсного KK лазер является достаточно для обнаружения характерных химических признаков, по меньшей мере, некоторых химикатов.

Вследствие наличия управляемых и прогнозируемых характеристик почти линейного убывания волнового числа, оно может быть использовано для выполнения спектральных измерений. В частности, почти линейная зависимость линейного изменения волнового числа от времени позволяет создать высокоскоростной субмикросекундный абсорбционный спектрометр на основе полупроводникового диодного лазера. На Фиг.9 показаны два варианта 1a и 1b конструкции спектрометра для измерения излучения, поглощенного веществами, например пробой газа. При нижнем предельном значении интенсивности спектрометр определяет коэффициент поглощения веществ путем измерения отношения интенсивности I₀ светового излучения, падающего на ячейку с пробой газа, и интенсивности I_a светового излучения, прошедшего через ячейку с пробой газа, содержащего поглощающие вещества. При нижнем предельном значении интенсивности изменение интенсивности светового излучения, проходящего через газ, описывается соотношением Бира-Ламберта (Beer-Lambert): I_a=I₀exp(-αL), где α- коэффициент поглощения, а L - оптическая длина пути. Следует отметить, что α является функцией волнового числа и не зависит от интенсивности при низких значениях интенсивности падающего излучения.

В спектрометре из Фиг.9 используют конструкцию с замкнутой нерезонансной оптической ячейкой (газ в замкнутом объеме), и он содержит генератор 19 возбуждающих импульсов тока/напряжения, соединенный со входом лазера 20. Генератор 19 возбуждающих тока/ напряжения импульсов функционирует таким образом, что подает в лазер 20, по существу, прямоугольные импульсы. В этом варианте лазер 20 представляет собой одномодовый полупроводниковый квантово-каскадный диодный лазер (KK лазер). Лазер 20 размещен в камере (на чертеже не показана) с регулируемой температурой за счет эффекта Пельтье. Управление элементом Пельтье осуществляют посредством термоэлектрического регулятора 28. С камерой лазера соединен компрессор и насосный агрегат 11, который используют для охлаждения/нагрева жидкости и для обеспечения циркуляции этой жидкости в полом кожухе диодного лазера 20. Это позволяет обеспечить работу лазерного узла в более широком диапазоне температур, чем тот, который возможно реализовать с использованием только лишь элемента Пельтье.

На оптическом пути от выхода лазера 20 располагают опционально спектральный фильтр 15, представляющий собой, например, небольшой монохроматор с дифракционной решеткой, который может быть использован для подачи выходной мощности одномодового лазерного излучения при использовании лазера с множеством продольных мод. На оптическом пути от фильтра расположены два светоделителя соответственно 21 и 29. Они могут представлять собой, например, германиевые светоделители для лазерного излучения с длиной волны, близкой к 10 мкм. Однако понятно, что могут быть использованы любые иные пригодные светоделители. Первый светоделитель 21 расположен таким образом, что направляет, по меньшей мере, часть падающего на него светового излучения в первую оптическую ячейку 17 с пробой, содержащую пробу, подвергаемую зондированию или измерению, и пропускает остальную часть светового излучения по направлению к второму светоделителю 29. Второй светоделитель расположен таким образом, что направляет, по меньшей мере, часть падающего на него светового излучения во вторую оптическую ячейку 18, которая является эталонной ячейкой. Ячейки 17 и 18 имеют одинаковые характеристики. Обе из них являются нерезонансными оптическими ячейками. Ячейки 17 и 18 могут представлять собой ячейки Эррио, то есть либо стандартные, либо астигматические ячейки Эррио.

В устройстве из Фиг.9 излучение, испускаемое KK лазером, может проходить по двум возможным оптическим путям 16a и 16b, один из которых проходит через ячейку 17 с пробой, а другой через эталонную ячейку 18. Для регистрации излучения, прошедшего через каждую из этих ячеек, соответствующие выходы снабжены приемниками 23 и 24. С каждым из них соединен соответствующий цифровой преобразователь 12 и 14, каждый из которых, в свою очередь, соединен с системой 10 управления и сбора данных, которая обеспечивает централизованное управление спектрометром. Помимо цифровых преобразователей, система 10 управления соединена с каждым из следующих устройств: с генератором 19 возбуждающих импульсов тока/напряжения, со спектральным фильтром 15, а также с насосом и компрессором 11. В качестве части своих функциональных возможностей, система 10 управления функционирует таким образом, что устанавливает амплитуду и длительность импульса, подаваемого на вход лазера, и осуществляет текущий контроль зарегистрированных результирующих выходных сигналов, поступающих соответственно из ячейки 17 с газом и из эталонной ячейки 18. Система 10 управления также действует таким образом, что определяет отношение I_a/I₀. Это может быть выполнено с использованием, например, закона Бира-Ламберта, который может быть записан в следующем виде: I_a/I₀=exp(-αL). Конечно же, для специалиста в данной области техники понятно, что могут быть использованы и другие способы.

Устройство из Фиг.9 может быть приспособлено для использования в двух отдельных режимах: в режиме с одним пучком, РОП (SBM), или в режиме с двумя пучками, РДП (DBM). В режиме с одним пучком используют только лишь ячейку 17 с пробой, поэтому световое излучение проходит только по пути 16a. В этом варианте светоделитель 21 может быть заменен зеркалом. В режиме РОП измерение обеих величин I₀ и I_a осуществляют с использованием одной ячейки 17, в которой происходит поглощение оптического излучения. Для определения I₀ производят откачку ячейки 17, и через нее пропускают последовательность импульсов с линейной частотной модуляцией от KK лазера 20. Выходной сигнал от откачанной ячейки 17 преобразуют в цифровую форму посредством цифрового преобразователя 12 и запоминают посредством системы 10 управления и сбора данных. Для определения I_a ячейку 17 заполняют пробой исследуемого газа 13 и повторяют процесс измерения. В способе с использованием двух пучков (РДП) измерение I₀ и I_a может быть выполнено одновременно с использованием обоих путей 16a и 16b. В этом варианте пробу газа вводят в ячейку 17 для пробы, а эталонную ячейку откачивают и герметизируют. Пучки с выхода ячейки 17 с газом и с выхода эталонной ячейки 18 направляют на соответствующие приемники 23 и 24. Приемник 23 регистрирует импульс светового излучения с наличием поглощения на выходе ячейки 17 с газом, а приемник 24 регистрирует фоновый импульс светового излучения на выходе эталонной ячейки 18. Преимущество схемы РДП состоит в том, что за счет одновременного проведения измерений влияние дрейфа может быть сведено к минимуму.

В РОП для каждого из импульсов: для фонового импульса светового излучения, имеющего амплитуду I₀, и для импульса светового излучения с наличием поглощения, имеющего амплитуду I_a, расстояние, проходимое ими до системы регистрации, является одинаковым. Для РДП также обеспечены одинаковые значения оптической длины пути, соответствующие путям 16a и 16b, и поэтому оба импульса достигают приемников 23 и 24 одновременно. В любом их этих вариантов поглощающая способность может быть определена непосредственно с использованием отношения I_a/I₀.

Для обоих режимов спектрометра из Фиг.9, то есть для РОП и РДП, генератор 19 возбуждающих импульсов тока/напряжения осуществляет генерацию множества, по существу, прямоугольных импульсов, которые подают на вход лазера 20. В частности, генератор 19 создает последовательность прямоугольных возбуждающих импульсов тока постоянной амплитуды длительностью менее микросекунды. Это вызывает быстрый эффект нагрева лазера и, следовательно, постоянное линейное нарастание длины волны излучения полупроводникового диодного лазерного со скоростью нарастания во времени, равной β. Как описано выше, быстрый нагрев лазера, вызванный прямоугольными импульсами тока длительностью менее микросекунды, является таковым, что для каждого импульса, излученного лазером 20, линейная модуляция частоты представляет собой непрерывное почти линейное изменение спектра с переходом из коротковолновой области в длинноволновую область. Это определяют как непрерывное сканирование по спектру или по длине волны.

Как указано выше, в спектрометре из Фиг.9 используют нерезонансную оптическую ячейку. Как упомянуто выше, использование нерезонансных ячеек в обычных спектрометрах приводит к возникновению интерференционных полос, что приводит к значительному ухудшению рабочих характеристик системы. Для предотвращения этого спектрометр на основе лазера с линейной модуляцией частоты из Фиг.9 выполнен таким образом, что осуществляет управление источником света, имеющего некоторую скорость линейного изменения частоты, таким образом, что длина волны излучения лазера в перекрывающихся световых пятнах в нерезонансной ячейке является в достаточной степени различной для предотвращения возникновения интерференции. Для некоторых KK лазеров это может быть осуществлено путем динамического изменения скорости линейного изменения частоты. В противном случае, должен быть выбран лазер, имеющий заданную скорость линейного изменения частоты. На практике это может быть определено экспериментальным путем способом проб и ошибок. Под термином "световые пятна" подразумевают те участки отражающих элементов ячейки, которыми обычно являются изогнутые зеркала оптической ячейки, от которых происходит отражение светового излучения, имеющегося в полости, по мере его прохождения вперед и назад внутри полости. Эти световые пятна распределены вдоль торцевых стенок ячеек. Изменение местоположения световых пятен происходит потому, что световое излучение вводят в ячейку под различными углами, а сами зеркала ячеек могут вызвать преобразование углов отражения. За счет обеспечения того, что длина волны излучения лазера в перекрывающихся световых пятнах является в достаточной степени различной, влияние остаточных интерференционных полос может быть подавлено. Следовательно, спектрометр из Фиг.9 представляет собой систему обнаружения газов без наличия интерференционных полос, имеющую более высокие значения чувствительности по поглощению. В качестве конкретного примера, предполагая, что соседние световые пятна перекрываются, что зеркала расположены на расстоянии 0,5 м и что ширина линии излучения лазера равна 30 МГц, скорость линейного изменения частоты свыше 10 МГЦ/нс является достаточной для предотвращения интерференции и, следовательно, для обеспечения функционирования, по существу, без наличия интерференционных полос.

На Фиг.10 изображена принципиальная схема процедуры выборки данных, используемая в спектрометре из Фиг.9. Эту процедуру именуют способом №1. Для сравнения также показана схема выборки данных для обычного спектрометра на основе КК лазера. Эту процедуру именуют способом №2. На Фиг.11 показан спектрометр из известного уровня техники, который был использован для реализации способа №2. Для обеспечения точного сравнения обеих систем было выполнено компьютерное моделирование с использованием одинаковой частоты повторения импульсов, ЧПИ (PRF), равной 20 кГц. ЧПИ представляет собой частоту, с которой импульсы тока/напряжения подают на электрические контакты полупроводникового диодного лазера. Значение, равное 20 кГц, было выбрано потому, что эта скорость является максимальной скоростью, с которой может работать спектрометр из Фиг.11 (см.: Applied Optics 41, 573 (2002)). Также сделано предположение о том, что в спектрометре из Фиг.9 для использования линейного нарастания длины волны применяют импульс тока/напряжения длительностью 256 нс и что в спектрометре из Фиг.11 используют импульс тока/напряжения длительностью 5 нс (см.: Applied Optics 41, 573 (2002)). Для спектрометра из Фиг.11 эффективная ширина линии излучения равна, приблизительно, 0,02 см^-1. В этом варианте для обеспечения сканирования по длине волны необходимо осуществлять непрерывную регулировку импульса нелинейным способом в спектральном диапазоне шириной 0,75 см^-1, начиная с 992,3 см^-1. Для получения амплитуды электрического тока, аналогичной той амплитуде, которую используют для спектрометра из Фиг.11, спектрометр из Фиг.9 должен иметь параметр (равный, приблизительно, -5,9×10^-3 см^-1/нс. Это в итоге приводит к получению почти линейного нарастания длины волны, равного 1,5 см^-1 за 256 нс. Следовательно, каждый импульс с линейной частотной модуляцией может сам по себе обеспечить полное сканирование.

Из Фиг.10 видно, что использование способа, в котором реализовано настоящее изобретение, то есть способа №1, позволяет зарегистрировать весь спектральный диапазон за каждый отдельный или одиночный импульс. Как показано на Фиг.10, этот способ содержит операцию выборки зарегистрированного импульса по всей его длине, за счет чего из этого одиночного импульса получают ряд спектральных элементов. В отличие от этого, в способе №2 в течение одиночного импульса может быть зарегистрирован только один спектральный элемент. Следовательно, если зарегистрировано одинаковое количество n точек выборки, например, n=512, которое является максимальным числом, возможным в способе №2 (см.: Applied Optics 41, 573 (2002)), теоретическое улучшение отношения сигнал-шум, достигаемое в способе №1, должно быть равным , что для 512 точек представляет собой коэффициент, равный, приблизительно, 22. Преимущество способа №1 состоит в том, что в нем отсутствуют нежелательные флуктуации между импульсами (как амплитудные, так и временные) в зарегистрированном результате сканирования, поскольку необходим только лишь один оптический импульс. Было показано, что в способе №2 система подвержена нежелательным флуктуациям амплитуды выходного излучения диодного лазера между импульсами (см.: Applied Optics 41, 573 (2002)).

На Фиг.12 и Фиг.13 показаны экспериментальные результаты, полученные с использованием спектрометра из Фиг.9. В конструкции спектрометра, использованного для Фиг.12 и Фиг.13, применялся одномодовый лазер с распределенной обратной связью без спектрального фильтра, а регистрация I₀ и I_a была осуществлена с использованием способа РОП. На Фиг.12 показаны результаты измерений пробы 1,1 дифторэтилена (CF₂CH₂). Спектр CF₂CH₂, показанный на верхней кривой, был получен с использованием спектрометра из Фиг.7, но выполненного таким образом, что вместо KK лазера в нем был использован источник в виде абсолютно черного тела. На двух нижних кривых, которые были получены с использованием спектрометра из Фиг.9, показаны обе величины: I₀ с откачанной ячейкой и I_a с наличием пробы 1,1 дифторэтилена (CF₂CH₂) внутри ячейки. На Фиг.13 показаны результаты для 1,1 дифторэтилена (CF₂CH₂), полученные с использованием спектрометра из Фиг.9. Сигнал I_a с наличием поглощения был зарегистрирован с использованием, в среднем, 4096 операций сканирования. На верхней кривой показана величина I_a. На нижней кривой также показана величина I_a, но при наличии эталона из твердого германия вместо ячейки 17 с пробой газа. На этой нижней кривой показана интерференционная картина от эталона, демонстрирующая почти линейное изменение спектра с переходом из коротковолновой области в длинноволновую область. В результате сравнения спектров преобразования Фурье и диодного лазера из Фиг.12 и верхней кривой из Фиг.13, на которой показан спектр преобразования Фурье из Фиг.8, можно заметить, что существует сильная корреляция между картинами характерных признаков дифторэтилена, зарегистрированных с использованием спектрометров двух типов. Однако для получения спектров преобразования Фурье из Фиг.8 и Фиг.12, зарегистрированных с использованием спектрометра из Фиг.7, потребовалось более четырех часов, а для получения спектров диодного лазера, показанных на Фиг.12 и Фиг.13, потребовалось менее двух минут.

Диапазон длин волн, в котором происходит сканирование, вызванное линейной модуляцией частоты, является достаточным для обеспечения возможности распознавания регистрируемых характерных химических признаков газа, см. Фиг.14. Кривая из Фиг.14 была зарегистрирована с использованием способа РОП в устройстве из Фиг.9. Верхняя кривая на Фиг.14 соответствует 1,1 дифторэтилену (CH₂CF₂), а нижняя кривая на том же самом чертеже соответствует фториду карбонила (COF₂). На Фиг.14 продемонстрирована простота распознавания спектрограммы (распознавания характерных химических признаков) во временном окне длительностью 200 нс с использованием спектрометра из Фиг.9. Для доходчивости спектры пропускания были сдвинуты. Для калибровки волнового числа был использован германиевый (Ge) эталон с расстоянием между интерференционными полосами, равным 0,0483 см^-1, а опорные линии 1,1 дифторэтилена были взяты из спектра преобразования Фурье с высоким разрешением, полученного с использованием устройства, показанного на Фиг.7, за исключением того, что оно было снабжено источником в виде абсолютно черного тела.

В спектрометре из Фиг.9, произведение длительности сигнала на ширину полосы частот не может быть меньшим, чем определенное минимальное значение, получаемое с использованием "соотношения неопределенностей". Это соотношение подробно описано Брейсуэллом (Bracewell) (The Fourier Transform and Its Applications, McGraw-Hill (1965)), который доказал, что произведение эквивалентной длительности Δt на эквивалентную ширину Δν полосы частот должно быть большим или равным постоянной C, определяемой формой импульса. Для прямоугольного временного окна ΔtΔν≥C=0,886, а для гауссова временного окна ΔtΔν≥C=0,441. В способе спектрометрии с коротким импульсом в том случае, если необходимо сократить длительность импульса, то возникает ограничение разрешающей способности, обусловленное преобразованием Фурье, а в том случае, если необходимо увеличить его длительность, то линейное изменение длины волны является избыточным. Как отмечено ниже, аналогичный анализ может быть выполнен для ограничений, присущих системе регистрации с временным разрешением, в соответствии с которой реализовано настоящее изобретение. Во временном окне τ имеет место линейное изменение частоты излучения лазера (λν=c; где λ- длина волны, ν - частота, c - скорость распространения волны) на величину dν/dt×τ, поэтому в случае, если необходимо использовать меньшее временное окно, это приводит к увеличению интервала частот Δν, ограничение которого обусловлено преобразованием Фурье, и к уменьшению интервала частот, ограничение которого обусловлено линейной частотной модуляцией. Следовательно, величина наилучшей временной апертуры τ определяется уравнением C/τ=dν/dt×τ. Преобразование этого уравнения через Δν дает следующее уравнение: Δν=dν/dt×C/Δν, из которого получают, что . В предельном случае C=1, а скорость линейного изменения частоты равна -0,0066 см^-1/нс или 0,015 см^-1. При использовании прямоугольной функции окна происходит ее уменьшение до 0,014 см^-1, а при использовании соответствующего гауссова временного окна происходит ее уменьшение до 0,01 см^-1.

На Фиг.15 показаны спектры поглощения пробы атмосферного газа, зарегистрированные с использованием способа РОП из Фиг.9. Было использовано, в среднем, 64 тысячи операций сканирования. На кривой (a) показаны результаты для давления в ячейке, равного 50,5 торр. На кривой (b) показаны результаты для давления, равного 04,5 торр. На кривой (c) показаны результаты для пробы, в которую был добавлен углекислый газ (CO₂). В этом случае давление было равно 103,2 торр. Линия с очень низким коэффициентом поглощения, соответствующая H₂O, то есть максимум в левой части Фиг.15, имеет почти одинаковый процент поглощения на кривых (b) и (c). Однако очевидно, что на кривой (c) произошло большое увеличение процента поглощения вследствие наличия углекислого газа по сравнению с кривой (b). На Фиг.14 и Фиг.15 показано, что действительно можно обеспечить выполнение одновременного измерения различных видов газов и что можно осуществить их распознавание (распознавание смеси).

Могут быть выполнены различные модификации спектрометра из Фиг.9. Например, в способе с использованием двух пучков вместо наличия отдельной эталонной ячейки, подвергаемой откачке, опорный сигнал может быть пропущен через саму ячейку 17 с пробой. Это показано на Фиг.16 как вариант 1c компоновки. Здесь измерительным трактом является тракт 16a, а опорным трактом является тракт 16b. Для большей ясности тракты 16a и 16b показаны на Фиг.16 отдельно, но понятно, что оба из них проходят через ячейку 17 с пробой. Если оптическая длина пути сигнального тракта 16a равна L_a, а оптическая длина пути опорного тракта 16b равна L_b, то для минимизации поглощения в опорном тракте 16b L_a должно быть намного большим, чем L_b (L_a>>L_b). Это может быть выполнено, например, путем обеспечения многократного прохода измерительного пучка через ячейку 17 с пробой, тогда как опорный луч либо проходит через ячейку напрямую и, следовательно, совершает одиночный проход, либо совершает только лишь ограниченное количество проходов.

Видоизмененное выражение Бира-Ламберта, требуемое для варианта 1c компоновки, может быть получено следующим образом: для сигнального тракта I_a=I₀exp(-αL_a) и для опорного тракта I_b=I₀exp(-αL_b). Следовательно, ln(I_a/I_b)=-α(L_a-L_b). В варианте 1c компоновки разность времени прохождения между обоими импульсами выбрана таким образом, чтобы она была меньшей, чем время линейного нарастания длины волны или чем длительность возбуждающего импульса тока/напряжения. Следовательно, фоновый импульс светового излучения достигает приемника 24 до прихода сигнального импульса в приемник 23. Осуществляют запись выходных сигналов из цифровых преобразователей 12 и 14, что позволяет устанавливать соотношение между ними для получения I_a/I_b посредством схемы 10 управления и сбора данных, что подробно изложено выше. Преимущество спектрометра, имеющего компоновку 1c из Фиг.16, состоит в использовании меньшего количества оптических элементов, чем в первом варианте осуществления изобретения, имеющего компоновку 1b из Фиг.9, например, в нем отсутствует эталонная ячейка. Это приводит к уменьшению габаритных размеров и веса конструкции спектрометра.

Вариант 1d компоновки из Фиг.16 представляет собой модифицированный вариант 1c компоновки. В этом варианте используют только один приемник. Для этого вместо того, чтобы направлять опорный луч в приемник 24, его направляют в приемник 23. Разность пути при поглощении идентична этой разности в варианте 1c компоновки, то есть, ΔL=(L_a-L_b). При падении последовательности импульсов на светоделитель из Фиг.16 этот светоделитель действует таким образом, что разделяет каждый отдельный импульс из последовательности импульсов на две составляющие. Любой импульс из последовательности импульсов, проходящий по оптическому тракту 16a, имеет парный импульс, проходящий по оптическому тракту 16c. Это имеет важные последствия при рассмотрении регистрации I_b и I_a одиночным приемником 1d. Для вычисления отношения I_b к I_a необходимо осуществить регистрацию сигналов, соответствующих I_b и I_a по отдельности, а затем их обработку способом, описанным для режима работы с одним пучком (РОП) из Фиг.9, вариант осуществления 1b. Это означает, что импульс, соответствующий I_a, не может поступить в приемник до тех пор, пока его парный импульс, соответствующий I_b, не будет преобразован в цифровую форму посредством цифрового преобразователя 12 и запомнен системой 10 управления и сбора данных. Однако следующий импульс, соответствующий I_b, не может поступить в приемник до тех пор, пока предыдущий импульс I_a не будет преобразован в цифровую форму посредством цифрового преобразователя 12 и запомнен системой 10 управления и сбора данных. Таким образом, разность оптической длины пути и, следовательно, времени прохождения между оптическим трактом 16a и оптическим трактом 16c должна быть большей, чем расстояние, определяемое длительностью импульса во времени (скорость света (t_p), но меньшей, чем расстояние, определяемое временем повторения импульсов (скорость света × t_rep).

Все описанные выше спектрометры являются замкнутыми системами, в которых проба газа помещена в замкнутую оптическую ячейку. Однако множество измерений незначительных примесей атмосферных газов необходимо выполнять с использованием устройств с открытым трактом (газ в открытом объеме), то есть спектрометр не содержит ячейки с газом. На Фиг.17 показана принципиальная схема конструкции спектрометра, работающего в открытом объеме, согласно настоящему изобретению. Поскольку не используют никаких оптических элементов для удержания пробы газа, это устройство обеспечивает отсутствие интерференционных полос. Такой спектрометр может быть использован, например, как показано в варианте 1e компоновки из Фиг.17, для текущего контроля струи 40 выхлопных газов двигателя. Компоновка оптических компонентов, расположенных до светоделителя 21, включая его самого, является идентичной компоновке предыдущих вариантов 1a, 1b (Фиг.9) и 1c и 1d (Фиг.16) осуществления изобретения. Напротив фильтра 15 и на оптическом пути пучка 16a расположен уголковый светоотражатель 39, расположенный при его использовании таким образом, чтобы исследуемый газ находился между фильтром 15 и отражателем 39. Свет, отраженный от отражателя 39, направляют обратно через газ в систему регистрации. В отличие от этого, опорный луч 16b пропущен в направлении, перпендикулярном к пучку 16a, по намного более короткому оптическому тракту к другому отражателю, который отражает его к системе регистрации. В этом варианте осуществления изобретения система регистрации является той же самой, что и в устройстве, работающем в режиме РДП, из вариантов 1b (Фиг.9) и 1с (Фиг.16) осуществления изобретения.

При использовании спектрометра из Фиг.17 поток импульсов тока подают в лазер 20, излучающий свет, который потом пропускают через фильтр 15, создавая тем самым заданный выходной сигнал, то есть, содержащий последовательность импульсов, каждый из которых имеет линейное нарастание длины волны. Импульс 16a светового излучения, подвергаемый поглощению, затем проходит через струю 40 выхлопных газов и отражается уголковым отражателем 39, возвращаясь обратно через струю 40 выхлопных газов в спектрометр 1e. Таким образом, пучок 16a совершает два прохода через газ. Затем отраженный импульс 16a фокусируют на приемник 23. Фоновый импульс 16b светового излучения, сфокусированный на приемник 24, проходит по намного более короткому оптическому пути, чем сигнальный импульс 16a. Следовательно, время прохождения опорного импульса 16b является меньшим, чем время прохождения сигнального импульса 16a, поэтому в том случае, когда оба измерения времени производят относительно времени исходного импульса запуска, фоновый импульс 16b поступает в приемник 24 до прихода сигнального импульса 16a в приемник 23. Поскольку для каждого из цифровых преобразователей 12 и 14 может быть введена задержка относительно друг друга, то запись каждой из зарегистрированных составляющих 16a и 16b импульса осуществляют таким образом, что система 10 управления и сбора данных, входящая в состав системы регистрации, устанавливает соотношение между ними для формирования I_a/I₀. Согласно настоящему изобретению, используют способ №1 обнаружения и сканирования, описанный со ссылкой на Фиг.10.

На Фиг.18 показан модифицированный вариант спектрометра из Фиг.17, в котором использован только один приемник. Его конструкция является аналогичной конструкции устройств с замкнутым трактом, показанных на Фиг.16. Для разделения моментов прихода сигнального импульса 16a и фонового импульса 16b в приемник 23 разность между временем прохождения импульсов должна быть большей, чем время линейного нарастания длины волны или чем длительность возбуждающего импульса тока/напряжения. Как и в варианте 1d осуществления настоящего изобретения, поскольку цифровой преобразователь 12 записывает оба зарегистрированных импульса 16a и 16b по одному и тому же каналу, то их разделяют внутри цифрового преобразователя 12 и подвергают обработке таким образом, что система 10 управления и сбора данных может установить соотношение между ними, осуществляя формирование I_a/I₀.

До этого места описание спектрометров согласно настоящему изобретению было приведено со ссылкой на одномодовый KK лазер, например на KK лазер с распределенной обратной связью, РОС (DFB). Однако вместо него может быть использован лазер с множеством продольных мод. Это приносит как преимущества, так и недостатки. Главное преимущество состоит в том, что это обеспечивает расширение эффективного диапазона перестройки спектрометра. Поскольку спектры поглощения многих газов, представляющих интерес в областях применения, связанных с их обнаружением, состоят из групп поглощаемых компонент, разделенных регулярными интервалами, то совпадения между спектральными линиями испускания и поглощения возникают через регулярные, но часто далеко отстоящие друг от друга интервалы (для более подробного обсуждения таких совпадений см. главы 5 и 9 книги "Infrared Vibration-Rotation Spectroscopy", Geoffrey Duxbury, Wiley 2000). Это можно заметить на Фиг.19a и Фиг.19b. На Фиг.19a верхняя кривая представляет собой спектр поглощения пробы газа. Понятно, что этот спектр является довольно сложным. На нижней кривой из Фиг.19a показан эмиссионный отклик многомодового KK лазера с линейной модуляцией частоты, используемого для зондирования пробы газа. На Фиг.19b показан зарегистрированный сигнал, из которого можно заметить, что имеет место несколько совпадений между входным зондирующим лазерным излучением и характеристиками пробы.

При отсутствии в спектрометре, изображенном на любом из чертежей Фиг.9, Фиг.16, Фиг.17 и Фиг.18, спектрального фильтра 15 все спектры из Фиг.19b были бы наложенными друг на друга. Однако использование такого фильтра позволяет осуществить как разделение спектров, так и распознавание той области на оси "волновое число (см^-1)", в которой они возникают, что схематично показано на Фиг.20. Тем не менее, если перестройка каждой моды, обеспечиваемая линейным убыванием волнового числа, должна была быть большей, чем расстояние между продольными модами, то по-прежнему будет происходить частичное перекрытие спектров. Кроме того, если спектр лазера с множеством продольных мод должен быть "загрязненным" за счет наличия внеосевых мод лазера, то возникают затруднения при реализации описанного способа спектральной фильтрации. Это обусловлено малым расстоянием между внеосевыми модами в единицах "волновое число(см^-1)", что чрезвычайно затрудняет создание эффективного широкополосного спектрального фильтра, пригодного для применения.

Так же как расширение эффективного диапазона перестройки спектрометра, другим преимуществом использования многомодового лазера является возможность совместного использования части мод и настройки отдельных мод по температуре для обеспечения полной перестройки в пределах мод лазера пригодной интенсивности с низкими и высокими волновыми числами (огибающая усиления). Это схематично показано на Фиг.21.

В спектрометре согласно настоящему изобретению используют почти линейное нарастание длины волны линии собственного излучения, которое происходит в субмикросекундном масштабе времени, и, следовательно, он может, работать с высокой частотой повторения импульсов сканирования (ЧПИ) до 1 МГц. Это потенциально возможное увеличение скорости на несколько порядков по величине, что является усовершенствованием по сравнению с известным уровнем техники, позволяет полностью использовать в данной системе, в которой реализовано настоящее изобретение, многочисленные преимущества в отношении ее возможностей, например путем обеспечения измерений в реальном масштабе времени для изучения таких процессов, как, например, быстропротекающие химические реакции (то есть, например, свободных радикалов или флуктуаций атмосферы в реальном масштабе времени).

Разрешающая способность спектрометра с временным разрешением, в котором реализовано настоящее изобретение, определяется не эффективной шириной спектральной линии излучения лазера, индуцированного импульсом тока, а скоростью линейного изменения частоты лазера, которая представляет собой соотношение неопределенностей, и разрешающей способностью системы регистрации по времени. В переводе на термины временного отклика системы регистрации это обусловлено тем, что количество элементов изображения (пикселов) (элемент изображения соответствует заданному промежутку времени), в виде которого может быть записан спектр в пределах линейного изменения длины волны, ограничено этим откликом. Скорость этого линейного изменения определяется параметром β. На разрешающую способность по волновому числу оказывают влияние два параметра, которыми являются скорость перестройки β ширины спектральной линии собственного излучения лазера 20 и временной отклик системы регистрации. Поскольку для этого лазера (см. Фиг.3) скорость линейного изменения волнового числа является достаточно нечувствительной к амплитуде импульса, то единственным способом получения более высокой разрешающей способности по спектру с используемым здесь лазером является увеличение полосы частот при регистрации (до предельного значения, определяемого принципом неопределенностей). Следовательно, как видно из Фиг.13, создание широкополосной системы регистрации (500 МГц) может привести к получению очень высокой разрешающей способности по спектру.

Могут быть выполнены различные модификации описанных устройств, не выходя за пределы сущности и объема настоящего изобретения. Например, следует понимать, что в устройстве, представляющем собой спектрометр, согласно настоящему изобретению вполне может быть использована еще более быстродействующая система регистрации, чем та, подробное описание которой было приведено выше, или/и полупроводниковый диодный лазер, обладающий более медленной скоростью линейного изменения частоты, что, следовательно, приводит к дополнительному увеличению имеющейся разрешающей способности. В дополнительном модифицированном варианте может быть осуществлено изменение температуры подложки лазера. Это может быть выполнено путем изменения частоты повторения подаваемых субмикросекундных прямоугольных импульсов тока. В альтернативном модифицированном варианте температура подложки может быть изменена путем изменения постоянного опорного уровня прямоугольных возбуждающих импульсов тока длительностью, равной доле микросекунды, подаваемых на электрические контакты полупроводникового диодного лазера. Кроме того, в подробно раскрытых вариантах осуществления настоящего изобретения средство деления оптического луча было описано как представляющее собой оптический светоделитель, однако вместо этого оно может представлять собой дихроичное зеркало или иное аналогичное устройство. Кроме того, следует понимать, что может быть осуществлена конструкция спектрометра, в котором реализовано настоящее изобретение с наличием нескольких полупроводниковых диодных лазеров для обеспечения одновременного измерения различных веществ. Кроме того, выше было описано, что пробами, подвергаемыми измерениям, являются газы, но в альтернативном варианте ими могут являться аэрозолями.

Изобретение относится к обнаружению газов с использованием спектрометра на основе полупроводникового диодного лазера. Способ обнаружения включает введение пробы газа в нерезонансную оптическую ячейку (17), подачу электрического импульса (19), представляющего собой ступенчатую функцию, в вышеупомянутый полупроводниковый диодный лазер (20), что приводит к тому, что лазер (20) осуществляет вывод импульса с непрерывной линейной модуляцией длины волны, предназначенного для ввода (16а) в оптическую ячейку (17). Используют изменение длины волны, обеспечиваемое вышеупомянутым импульсом с линейной модуляцией длины волны, для сканирования по длине волны и регистрируют световое излучение, испускаемое из ячейки (17), при этом осуществляют выбор скорости линейной модуляции таким образом, чтобы предотвратить возникновение интерференции света в вышеупомянутой оптической ячейке (17). 2 с. и 25 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Способ обнаружения газов с использованием спектрометра на основе полупроводникового диодного лазера, содержащий следующие операции: вводят пробу газа в нерезонансную оптическую ячейку, имеющую отражающие элементы; подают электрический импульс, представляющий собой ступенчатую функцию, в вышеупомянутый полупроводниковый диодный лазер, который приводит к тому, что вышеупомянутый лазер осуществляет вывод импульса с непрерывной линейной модуляцией длины волны, предназначенного для ввода в вышеупомянутую оптическую ячейку; осуществляют ввод вышеупомянутого импульса с непрерывной линейной модуляцией длины волны в вышеупомянутую оптическую ячейку; используют изменение длины волны, обеспечиваемое вышеупомянутым импульсом с линейной модуляцией длины волны, для сканирования по длине волны, и регистрируют световое излучение, испускаемое из вышеупомянутой ячейки, в котором вышеупомянутый способ содержит следующую дополнительную операцию: используют скорость линейного изменения длины волны таким образом, чтобы обеспечить наличие временной задержки между световыми пятнами на отражающих элементах, достаточной для предотвращения возникновения интерференции света в вышеупомянутой оптической ячейке.2. Способ по п.1, в котором длительность вышеупомянутого импульса, подаваемого в вышеупомянутый полупроводниковый диодный лазер, не превышает 1 мкс.3. Способ по п.1 или 2, в котором длительность вышеупомянутого импульса является меньшей, чем длительность, необходимая для того, чтобы выходная мощность оптического излучения стала равной нулю после того, как был подан возбуждающий импульс.4. Способ по п.1, содержащий следующую дополнительную операцию: варьируют скорость изменения длины волны за единицу времени.5. Способ по п.4, в котором вышеупомянутая операция изменения скорости изменения длины волны за единицу времени содержит следующую операцию: осуществляют изменение амплитуды возбуждающего импульса тока/напряжения.6. Способ по п.1, содержащий следующую операцию: осуществляют регулировку протяженности сканирования по длине волны.7. Способ по п.6, в котором вышеупомянутая операция регулировки протяженности сканирования по длине волны содержит следующую операцию: осуществляют изменение длительности возбуждающего импульса тока/напряжения.8. Способ по п.1, содержащий следующую операцию: осуществляют изменение температуры вышеупомянутого полупроводникового диодного лазера.9. Способ по п.1, в котором выходное излучение вышеупомянутого полупроводникового диодного лазера имеет длину волны в диапазоне от 1 до 14 мкм.10. Способ по п.1, в котором вышеупомянутым полупроводниковым лазером является квантово-каскадный лазер.11. Способ по п.1, в котором вышеупомянутой ячейкой является ячейка Эррио (Herriot cell).12. Способ по п.1, в котором величину поглощенного излучения определяют путем измерения амплитуды излучения, прошедшего через пробу, и измерения амплитуды опорного импульса.13. Спектрометр на основе полупроводникового диодного лазера, которым в предпочтительном варианте является спектрометр на основе квантово-каскадного лазера, для измерения поглощения излучения пробой, при этом вышеупомянутый спектрометр содержит: полупроводниковый диодный лазер; нерезонансную оптическую ячейку, содержащую вышеупомянутую пробу газа и имеющую отражающие элементы с обоих ее концов; генератор электрических импульсов, выполненный таким образом, что обеспечивает подачу в вышеупомянутый лазер электрического импульса, представляющего собой, по существу, ступенчатую функцию, который приводит к тому, что вышеупомянутый лазер осуществляет ввод импульса с непрерывной линейной модуляцией длины волны в вышеупомянутую ячейку с пробой; и приемник, служащий для регистрации светового излучения на выходе вышеупомянутой ячейки, и выполнен таким образом, что в нем используют изменение длины волны вышеупомянутого импульса с линейной модуляцией длины волны для сканирования по длине волны, при этом используемая скорость линейного изменения частоты является такой, что обеспечивает наличие такой временной задержки между световыми пятнами на отражающих элементах, которая является достаточной для предотвращения возникновения интерференции света в вышеупомянутой оптической ячейке.14. Спектрометр по п.13, в котором длительность вышеупомянутого электрического импульса не превышает 1 мкс.15. Спектрометр по п.13 или 14, в котором предусмотрено наличие средства варьирования скорости изменения длины волны вышеупомянутого импульса с линейной модуляцией за единицу времени.16. Спектрометр по п.15, в котором вышеупомянутое средство варьирования скорости изменения длины волны действует таким образом, что изменяет амплитуду возбуждающего импульса тока/напряжения.17. Спектрометр по п.13, в котором предусмотрено наличие средства регулировки протяженности сканирования по длине волны.18. Спектрометр по п.17, в котором вышеупомянутое средство регулировки протяженности сканирования по длине волны действует таким образом, что изменяет длительность вышеупомянутого электрического импульса.19. Спектрометр по п.13, в котором предусмотрено наличие средства изменения начальной длины волны, представляющей собой начальную точку сканирования по длине волны.20. Спектрометр по п.19, в котором вышеупомянутое средство изменения начальной длины волны действует таким образом, что изменяет температуру подложки полупроводникового диодного лазера.21. Спектрометр по п.20, в котором вышеупомянутое средство изменения температуры полупроводникового диодного лазера содержит термоэлектрический нагреватель/охладитель или средство регулировки коэффициента заполнения или частоты повторения повторяющихся возбуждающих импульсов тока/напряжения, подаваемых на электрические контакты лазерного диода, или средство регулировки амплитуды возбуждающих импульсов тока/напряжения, или средство регулировки постоянного опорного уровня возбуждающих импульсов тока/напряжения, подаваемых на электрические контакты лазерного диода.22. Спектрометр по п.13, в котором предусмотрено наличие светоделителя или иного аналогичного элемента для разделения выходного излучения лазера на две составляющие: на первую составляющую, проходящую через пробу, и на вторую составляющую, не проходящую через вышеупомянутую пробу.23. Спектрометр по п.13, в котором вышеупомянутый полупроводниковый диодный лазер испускает излучение, имеющее длину волны в диапазоне от 1 до 14 мкм.24. Спектрометр по п.13, в котором вышеупомянутой оптической ячейкой является ячейка Эррио (Herriot cell).25. Спектрометр по п.13, в котором вышеупомянутый импульс с линейной частотной модуляцией имеет изменение частоты, равное, приблизительно, 60 ГГц.26. Спектрометр по п.13, в котором длительность вышеупомянутого подаваемого импульса является большей, чем 150 нс, в частности, большей, чем 200 нс.27. Спектрометр по п.13, в котором вышеупомянутый подаваемый импульс имеет длительность в интервале от 150 до 300 нс, в предпочтительное варианте - от 200 до 300 нс.