Устройство с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере Российский патент 2017 года по МПК G01N21/31 G01J3/18 

Изобретение относится к устройствам для обнаружения предельно-малых концентрации опасных и вредных для здоровья человека веществ в газовой фазе спектральными методами. Оно может быть использовано для обнаружения метана в атмосфере, природных газах и газовых смесях в реальном масштабе времени. Особенностью устройства является применение многолучевой оптической системы для регистрации оптического сигнала поглощения газообразным метаном одновременно на совокупности всех или большинства линий полосы колебательно-вращательного спектра в инфракрасном (ИК) диапазоне. Изобретение позволяет обнаруживать метан в следовых концентрациях с чувствительностью, превосходящей более чем на порядок существующие спектральные методы. При соответствующем изменении геометрических параметров изобретение может быть использовано для обнаружения и измерения концентрации иных молекул, опасных для экологии среды обитания и здоровья человека, в газовых смесях и атмосфере в реальном масштабе времени. В связи с широким использованием природного газа, основным компонентом которого является метан, в быту и промышленности, а также повышенной опасностью его выделения в условиях добычи в шахтах обнаружение следов метана рассматривается как одна из самых актуальных проблем.

Высокая эффективность спектроскопических методов поиска и обнаружения различных молекулярных газов в естественных условиях (как наземных, так и внеземных), на производстве и в быту хорошо известна. При создании устройства для обнаружения и измерения содержания молекул на основе спектральных методов основная задача сводится к созданию источника света, линии излучения которого совпадают с линиями поглощения молекулы, формированию светового пучка и измерению доли поглощенной его энергии при распространении по трассе, в том числе, искусственно ограниченной специальными кюветами.

Важность решения задачи определения содержания в атмосфере именно метана подтверждается существованием большого числа устройств и множественностью предложений по методам ее решения. Актуальность проблемы повышения надежности и чувствительности таких устройств определяет и обилие подтвержденных патентами соответствующих устройств. Однако существующие мониторы содержания метана в атмосфере, как правило, обладают несколькими недостатками: низкой чувствительностью, значительным дрейфом параметров и необходимостью регулярной калибровки.

Чаще всего для обнаружения и измерения концентрации метана по поглощению излучения в спектральных линиях молекулярных полос используются источники со сплошным спектром в ближней ИК области. Чтобы повысить чувствительность спектрального метода, из сплошного спектра этих источников выделяют узкий участок, близкий к полосе или линии поглощения метана. Для этого применяются разнообразные фильтры, например, интерференционные [1], однако отношение суммарной спектральной ширины линий полосы поглощения метана к ширине выделенного участка спектра очень мало, поэтому реальная чувствительность большинства оптических методов невысока. Устройства, основанные на применении перестраиваемых универсальных спектрометров высокого разрешения, выделяющих одну или две линии из всей полосы, можно применять лишь в стационарных установках и в лабораторных условиях.

Для решения основной задачи измерения концентрации метана по поглощению в колебательно-вращательной полосе предложены различные устройства. Все они имею общую схему: источник излучения, область, в которой это излучение селективно поглощается молекулами метана, и приемная часть. Основное различие кроется именно в источнике и его свойствах, в то время как две последующие повторяются. Задача повышения чувствительности и «обнаружительной» способности устройств, настроенных на метан, состоит, главным образом, в создании специальных источников излучения, оптимизированных по спектральному составу на поиск молекул метана.

Одним из путей повышения надежности измерения концентрации метана, является увеличение числа спектральных компонентов молекулярной полосы, на которых производятся измерения. Другим направлением - увеличение яркости источников с применением перестраиваемого по частоте квазимонохроматического излучения, либо одновременная работа группы нескольких источников, работающих на разных частотах, в частности, полупроводниковых светодиодов и лазеров. Все известные устройства, использующие светодиоды (например, работа [2]), лазеры и излучатели со сплошным спектром в комбинации с узкополосным фильтром, либо концентрируют излучение на частоте одной линии поглощения из полосы, либо регистрируют поглощение в очень широком участке спектра. Оба варианта предопределяют низкую чувствительность метода в сравнении с предельно-возможной, так как игнорируется множество остальных компонентов полосы, содержащей много десятков линий.

Известно портативное устройство [3], предназначенное для детектирования метана по поглощению, содержащее в качестве источника излучения лазер, настроенный только на одну линию поглощения молекулярной полосы. Аналогичным недостатком обладает и устройство [4], в котором применяется перестраиваемый полупроводниковый лазер.

Известно устройство [5], в котором для измерения поглощения применен инфракрасный излучающий диод. Спектральная полоса излучения светодиодов, как известно, имеет ширину, намного превосходящую ширину всей молекулярной полосы поглощения исследуемого газа, а поскольку интегральное поглощение в полосе определяется отношением суммарной ширины линий поглощения к ширине полосы излучения источника, чувствительность подобной системы весьма невелика и может быть увеличена только путем увеличения длины трассы поглощения, например, путем применения многоходовой кюветы, резко снижающей механическую стабильность системы в целом.

Известно устройство [6], в котором для измерения концентрации сложных молекул применяется комбинация нескольких независимых источников света, каждый из которых имеет фиксированную частоту излучения. Внешняя универсальность такого метода и основанного на нем устройства не отвечает требованиям реальных, не лабораторных, систем измерения в силу своей громоздкости и невозможности устойчивого согласования спектра источника со спектром метана.

Известно и устройство [7], обладающее аналогичным недостатком, в котором применена линейка светодиодов, каждый из которых имеет очень широкую полосу излучения, что предопределяет низкую чувствительность всей системы.

Известны устройства для обнаружения утечек метана, использующие различные методы, основанные на поглощении излучения специально созданных лазеров. Примером может служить изобретение [8], в котором используется поглощение лазерного излучения на одной из линий слабой полосы метана в области 1,66 мкм. Очевидным недостатком этого устройства является применение узко-специального лазера и малая чувствительность метода, так как соответствующая полоса относится к очень слабым.

Известно также устройство [9], предназначенное для спектральных измерений путем последовательной перестройки специально разработанного лазера между компонентами колебательно-вращательного спектра метана и других молекул. Таким образом, реально в каждый конкретный момент времени измерения производятся по только одной спектральной линии. Необходимость наличия самого лазера, представляющего собой сложную прецизионную оптико-механическую систему, комбинации дополнительных эталонов и прокачки исследуемого газа через измерительную кювету лишают эту систему возможности реального применения в полевых (шахтных) условиях, ограничивая диапазон лабораторными условиями.

Известны способ и устройство [10], в котором используется сравнение величин поглощения излучения системы лазеров на нескольких длинах волн. В данном устройстве измерение каждого из тестируемых газов основано на поглощении только одной линии полосы поглощения молекулы и сравнении результата измерения с рассеянием излучения на нескольких линиях вне полосы. Необходимость системы нескольких специальных лазеров, настраиваемых на необходимые частоты, резко ограничивает возможности применения данного устройства. Оговоренный в патенте тип лазера в настоящее время требует высоковольтного источника питания, что исключает его применение в условиях повышенной опасности эксплуатации.

Показано [11], что если измерять сигнал одновременно на множестве линий, принадлежащих данной молекуле, то чувствительность методов обнаружения возрастает прямо пропорционально числу используемых линий, поэтому наиболее перспективны устройства, в которых для измерений одновременно используется большое число линий поглощения.

Известен патент на источник полихромного излучения [12], содержащий светоизлучающие элементы, микрооптическую сборку и комбинацию двух дифракционных элементов, объединяющих систему световых пучков, идущих от светоизлучающих элементов, в общий пучок. При всей привлекательности системы, она обладает малой чувствительностью по отношению к измерению поглощения в молекулярных полосах, так как источники света (светодиоды), используемые в ней имеют широкий спектр излучения, каждый из которых перекрывает всю молекулярную полосу. Устройство сложно в настройке и не обладает достаточно вибростойкостью, чтобы его можно было применять в сложных условиях эксплуатации, в том числе - полевых и шахтных. Применение двойной дифракции излучения в этом устройстве резко снижает энергетическую эффективность использования излучения источников.

Задача заключается, таким образом, в создании устройства, содержащего источник, генерирующий полихромное стабильное по спектральному составу и интенсивности излучение, состоящее из узких спектральных линий, совпадающих со всеми линиями поглощения колебательно-вращательного спектра молекулы одновременно, и оптически суммирующее сигналы всех линий на одном фотоприемнике с целью пропорционального увеличения интенсивности сигнала. Устройство должно обеспечивать высокую чувствительность, стабильность параметров, простоту и надежность конструкции. Одновременно такое устройство позволит решить проблему уменьшения роли мешающих компонентов спектров иных молекул, которые могу оказаться вблизи используемой полосы, или внутри нее.

Известен универсальный источник полихромного оптического излучения [14], принятый нами за прототип изобретения, в котором применена линейка светоизлучающих элементов, свойства которых, правда, не оговорены, оптические элементы для управления геометрическими характеристиками пучка, дифракционный элемент и средства позиционирования. Указанные средства позиционирования каждого из излучателей имеют три степени свободы. Устройство предназначено для формирования направленного оптического излучения с заданными спектральными, энергетическими, пространственными, поляризационными и временными характеристиками. Стремление авторов изобретения [13] к абсолютной универсальности источника излучения приводит к тому, что суммарное количество механических степеней свободы излучателей, необходимое для применения его в анализе сколько-нибудь сложных атомных и, тем более, молекулярных систем становится невообразимо большим, и соответственно, как настройка, так и устойчивая эксплуатация его даже в лабораторных условиях маловероятна. К тому же предложенный способ решение задачи в [13] требует прецизионного пространственного согласования пучков во множестве излучающих и оптических компонентах относительно одного общего дифракционного элемента, обеспечивающего сложение пучков. Соответственно, возрастают потери мощности излучения, обусловленные необходимым уменьшением телесного угла, в котором распространяется излучение каждого из первичных источников.

Задачи промышленной и полевой эксплуатации спектроанализатора, регистрирующего метан, требует создания простого по конструкции, стабильного устройства, не требующего высоких напряжений питания и удобного в использовании. На решение этой задачи направлено предлагаемое изобретение. Непосредственная цель представленного изобретения заключается в разработке устройства многократно повышающего чувствительность обнаружения метана спектральными методами путем использования многолучевого спектрального фильтра, свойства которого согласованы со спектром поглощения метана.

Техническим результатом заявленного изобретения «Устройство с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере» является многократное увеличение чувствительности обнаружения метана в атмосфере и соответствующее повышение точности измерения концентрации за счет реализации, во-первых, высокой спектральной селективности и, во-вторых, одновременного использования абсолютного большинства линий молекулярного спектра. Реализация технического результата осуществляется путем согласованной фильтрации излучения источника сплошного спектра.

Указанный технический результат достигается созданием источника излучения, спектр которого состоит из совокупности большого числа узких линий, частоты которых совпадают с частотами большинства линий поглощения полосы молекулы метана в ближней ИК области спектра. В отличие от перечисленных выше и иных известных устройств, предлагаемое устройство учитывает особенности структуры молекулярного колебательно-вращательного спектра метана, а именно: постоянство разности частот Δσ между отдельными компонентами (Фиг. 1). (Здесь и далее знаком σ обозначена частота, выраженная в обратных сантиметрах, как это принято в молекулярной спектроскопии.) Эффект достигается путем многократного повторения во времени с фиксированным периодом исходного сигнала источника со сплошным спектром излучения. В простейшем случае двукратного повторения это приводит к косинусоидальному распределению интенсивности в спектре частот I(σ), этот эффект хорошо известен как образование «канавчатого» спектра [14, 15]:

Огибающая I₀(σ) совпадает с исходным спектром излучателя сплошного спектра. Однако, хотя устройства с таким спектром и обладают максимумами, совпадающими с линиями поглощения метана, они имеют очень низкую эффективность, так как ширина максимумов равна приблизительно половине расстояния между линиями, т.е. они обладают недостатками, свойственными всем описанными выше устройствам.

Для создания спектра, состоящего из множества узких равноотстоящих друг от друга линий используется особенность интерференции излучения множества идентичных пучков с широкополосным спектром, при которой многократное повторение во времени одной и той же реализации световой волны, в том числе обычного теплового источника, приводит к преобразованию ее спектра, выражающемуся в появлении максимумов и минимумов, характеристики которых зависят от числа повторений [16]. Реализующее этот процесс устройство является многолучевым спектральным фильтром.

Использованием в устройстве с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере источника сформированного излучения с множеством равноотстоящих узких линий излучения достигается многократное повышение чувствительности измерения концентрации метана по поглощению излучения по двум причинам.

- Во-первых, линии излучения совпадают по частоте со всеми или большинством соответствующих линий поглощения колебательно-вращательного спектра метана. Расчеты, приведенные в [11], показывают, что суммарный выигрыш чувствительности обнаружения при одновременной регистрации множества линий примерно пропорционален числу линий. В случае метана он может составить более 20 раз.

- Во-вторых, при многолучевой интерференции образованных пучков резко возрастает контраст линий по отношению к промежуткам между ними, при этом происходит подавление спектров молекул, которые могут перекрываться со спектром метана.

Задачей заявленного устройства является реализация подобного выигрыша при обеспечении высокой стабильности, простоты конструкции и настройки системы, устойчивого в эксплуатации. Для решения этой задачи необходимо технически реализовать многократное повторение исходного сигнала и обеспечить сложение полученных его копий. Подробная теория формирования спектра дана в Приложении 1.

Построенное на этих принципах устройство должно включать в себя следующие элементы:

- корпус, в котором размещаются элементы устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере (далее - устройства с многолучевым фильтром),

- излучатель со сплошным спектром, создающий первичный сигнал ϕ(t),

- устройство задержки во времени копий сигнала, содержащее набор оптических линий задержки, выполняющее функции преобразователя первичного сигнала ϕ(t) в набор копий, сдвинутых во времени одна относительно другой на фиксированный интервал τ, равный обратной величине постоянного расстояния Δσ между колебательно-вращательными компонентами избранной для измерений полосы молекулы метана (τ=1/Δσ),

- оптические элементы, формирующие распространяющийся в общем направлении общий пучок из пучков, полученных на выходе из устройства задержки и взаимодействующий с молекулами метана (далее - формирователь параллельного пучка),

- объем среды, например, прозрачная газонаполненная кювета, в которой содержатся молекулы метана, поглощающие излучение,

- оптический сумматор, обеспечивающий сложение амплитуд всех пучков, прошедших через поглощающую среду и направляющий суммарное излучение на фотоприемник,

- фотоприемник,

- устройство для измерения и регистрации сформированного фотоприемником сигнала (далее - система обработки сигнала),

- устройство электропитания и управления.

Общая принципиальная схема предлагаемого устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере приведена на Фиг. 2. Она включает в себя размещенные в общем корпусе и оптически связанные: излучатель расходящегося светового пучка 1 со сплошным спектром и дифракционный элемент 2, преобразующий расходящийся световой пучок излучатель со сплошным спектром 1 в набор N одинаковых по зависимости от времени пучков, число которых N задается отношением ширины Δσ спектрального интервала между линиями колебательно-вращательного спектра метана к ширине этих линий; формирователь параллельного пучка 3, создающий общий параллельный пучок излучения, освещающий кювету 4 с прозрачными окнами, снабженную системой прокачки атмосферного газа, содержащего метан; оптические элементы 5, передающие прошедший через кювету параллельный пучок на объектив 6, фокусирующий прошедший пучок на фотоприемник 7; систему регистрации и обработки полученного электрического сигнала 8, а также устройство электропитания и управления 10, причем дифракционный элемент 2 выполнен в виде линзы Френеля, состоящей из N концентрических софокусных кольцевых линз переменной ширины, а между дифракционным элементом 2 и формирователем параллельного пучка 3 размещено специальное оптическое устройство 9 управления амплитудами световых сигналов, выполненное в виде пространственно-неоднородного транспаранта с пропусканием различным для каждого из кольцевых компонентов линзы Френеля.

Работа устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере на основе линзы Френеля происходит следующим образом. Волна от излучателя со сплошным спектром 1, помещенным в общем фокусе кольцевых компонентов, из которых состоит линза Френеля, выполняющая функции дифракционного элемента 2, освещает сферической волной линзу. Каждое кольцо линзы создает на выходе плоскую кольцевую волну, фронты таких волн показаны на Фиг. 3. Зависимость сигнала от времени в этих волнах совпадает с зависимостью от времени ϕ(t) волны источника с некоторым сдвигом во времени. Величина такого сдвига определяется расстоянием от источника 1 до соответствующего кольца линзы. Затем сформированный каждой кольцевой линзой пучок с плоским фронтом проходит через соответствующий данному кольцу участок специального оптического устройства 9 управления амплитудой волны для осуществления аподизации, и попадает на вход оптических элементов 3, формирующих общий параллельный пучок излучения, освещающий кювету 4, где происходит селективное поглощение излучения на одновременно на всех линиях колебательно-вращательной спектральной полосы метана. Выходящее из кюветы 4 излучение с помощью вспомогательных оптических элементов 5 направляется на объектив 6, фокусирующий прошедший пучок на фотоприемник 7 и далее сигнал фотоприемника поступает на устройство 7 усиления, обработки и регистрации сигнала. Устройство электропитания и управления 10 в рассматриваемой схеме может вырабатывать сигнал модуляции величины яркости излучателя сплошного спектра, допустим, периодически или по некоторому кодовому правилу изменяя силу тока через него.

В опытах с преобразованием линзой Френеля фемтосекундного ультракороткого импульса [17] было показано, что на большом расстоянии от линзы получается последовательность одинаковых по амплитуде фемтосекундных импульсных пучков с плоским фронтом волны, задержанных на некоторый фиксированный интервал один относительно другого. Величина задержки обусловлена увеличением расстояния от общего фокуса до отдельных ее кольцевых компонентов по мере увеличения угла между лучом в направлении кольца и осью симметрии. Каждый из пучков на выходе линзы Френеля имеет зависимость амплитуды от времени точно такую же, как у падающего на линзу колебания ϕ(t). Для того чтобы обеспечить постоянство временного интервала τ в серии полученных волн, должно выполняться очевидное соотношение между длинами лучей , проходящих через внутренний радиус кольцевых линз:

,

откуда при частоте, выраженной в обратных сантиметрах, следует формула:

, где k=0, 1, 2… и (фокусное расстояние линзы)

Все длины здесь выражаются в сантиметрах, а Δσ - в обратных сантиметрах.

Полученное соотношение позволяет рассчитать радиусы колец линзы, находящейся в воздухе, задав ее фокусное расстояние ƒ, по формуле:

, k=1, 2, 3…N

В работе [17] указано, что при выполнении этого условия получающиеся импульсы не только эквидистантны во времени, но и имеют одинаковую амплитуду, т.е. копии излученной источником волны ϕ(t) входят в результат последующего переложения (интерференции) отдельных кольцевых волн с равным весом. Изменяя пропускание самих кольцевых линз, или используя специальное оптическое устройство 9, можно улучшить форму распределения амплитуд в спектральных компонентах, реализовав ее аподизацию. Отметим, что линза Френеля использует весь световой поток, освещающий ее входную поверхность, т.е. она является весьма эффективным преобразователем спектра. В Приложении 2 приведены результаты расчета параметров линзы Френеля для полосы метана 3,3 мкм.

Пространство между источником со сплошным спектром 1 и линзой Френеля 2 может быть заполнено прозрачным веществом с показателем преломления n, составляющим одно целое с линзой. При расчетах в этом случае все линейные величины в формулах должны быть заменены на соответствующие оптические длины . Подобное исполнение конструкции линзы позволяет уменьшить ее размеры в n раз и обеспечивает увеличение вибростойкости конструкции.

Расчет кольцевых компонентов линзы Френеля может предусматривать одновременное выполнение функций формирования серии сдвинутых во времени копий сигнала излучателя расходящегося светового пучка 1 со сплошным спектром и входного объектива системы оптических элементов 3, формирующих общий параллельный пучок излучения, такое решение показано на Фиг. 4. Это позволяет сократить число независимо юстируемых оптических элементов, уменьшить внутренние потери светового потока при отражениях от поверхностей и повысить механическую устойчивость устройство с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере. Имеющийся оптический интервал между линзой Френеля и специальным оптическим устройством (9) управления амплитудами пучков с целью аподизации контуров линий также заполняется прозрачным веществом, например оптическим клеем, что приводит к образованию жесткого блока. Толщина и показатель преломления прозрачного вещества должны учитываться при расчете геометрических параметров линзы Френеля.

Излучатель расходящегося светового пучка 1 со сплошным спектром в показанной на Фиг. 2 схеме конструкции может содержать стандартный для осветительных систем оптический элемент - вогнутое зеркало, обеспечивающее удвоение величины светового потока.

Аналогичным схеме Фиг. 2 образом может быть организован зеркальный вариант, выполняющий те же функции, что и линза Френеля (Фиг. 5), и состоящий из системы софокусных концентрических кольцевых зеркал 11, геометрические параметры которых рассчитываются так же, как параметры кольцевых компонентов линзы Френеля. На Фиг. 5 двойной кривой показана волна, идущая от излучателя сплошного спектра 1, а двойными отрезками прямых - сечения кольцевых волн, образующихся после отражения. Преимуществом такого варианта является большая компактность устройства и широкий круг веществ (например, металлов), из которых может быть выполнено соответствующее зеркало. Некоторым недостатком, является перекрытие центральной области зеркала самим излучателем сплошного спектра 1 и механическими приспособлениями для его фиксации, что потребует небольшого увеличения внешнего диаметра зеркала.

Как в линзовом, так и в зеркальном варианте с целью удобства настройки общей системы с линзой Френеля для измерения поглощения, в которой общий световой пучок фокусируется на фотоприемник, центральная часть линзы (зеркала) может содержать малое отверстие для прохода вспомогательного пучка видимого излучения, так как компоненты источника полихромного излучения могут быть выполнены из вещества непрозрачного в видимой области. Ось этого пучка совпадает с оптической осью полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере. Для современного технологического уровня изготовление подобных линз и зеркал не представляет проблем, однако, применение такого вспомогательного пучка потребует введения в конструкцию дополнительных оптических элементов для бокового расположения вспомогательного источника по методам, применяемым, например, в конструкциях телескопов.

Помимо регулярной или кодовой амплитудной модуляции интенсивности светового потока от излучателя расходящегося светового пучка 1 со сплошным спектром, с целью дополнительного повышения отношения сигнал/фон могут применяться методы модуляционной спектроскопии [19], в которых модулируется - периодически изменяется - сама частота линий устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере. Для этого длину волны излучения, проходящего через прозрачную кювету 4, содержащую метан, периодически с заданной частотой модуляции перестраивают от точного совпадения с линиями поглощения на промежуток между линиями. В предлагаемом устройстве с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере такая перестройка может осуществляться периодическим смещением излучателя сплошного спектра 1 из точки фокуса вдоль оптической оси. При этом весь набор расстояний от излучателя сплошного спектра до компонентов линзы (зеркала) Френеля изменяется, и свойства резонансности спектра выходящего излучения и спектра поглощения нарушаются. Смещение может осуществляться как механическим перемещением излучателя вдоль оптической оси системы, так и продольным перемещением его изображения, например, с помощью колеблющейся прозрачной плоскопараллельной пластинки, введенной между излучателем сплошного спектра и линзой (зеркалом) Френеля, соответствующий управляющий сигнал задается устройством электропитания и управления 10. Одновременно оно создает сигнал управления детектором электрического сигнала приемно-усилительного устройства (например, синхронным детектором). Вместо поворачивающейся прозрачной плоскопараллельной пластинки может применяться пластинка с фиксированным положением, но с управляемым показателем преломления, например, вследствие электрооптического эффекта. Смещение самого излучателя сплошного спектра вдоль оси может осуществляться как механическими средствами, так и с использованием различных физических эффектов, изменяющих геометрические размеры крепящих приспособлений (например, магнитострикционного).

С целью повышения компактности полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере на основе линзы Френеля с сохранением всех его свойств в устройстве могут применяться известные методы изменения линейных размеров путем ведения дополнительных оптических элементов, формирующих удаленное на расстояние ƒ мнимое изображение источника сплошного спектра (Фиг. 6, а, б, в), например, с помощью вогнутого 12, плоского 13 зеркала, или линзы 14. Дополнительные линза и зеркало могут быть также использованы для модуляции частоты как подвижный элемент, изменяющий положение мнимого изображения излучателя сплошного спектра для смещения частоты настройки спектральных максимумов линий относительно линий поглощения. Потеря центральной части пучка в случае осевого положения источника сплошного спектра легко компенсируется соответствующим изменением ширины кольцевых компонентов линзы Френеля.

Уменьшение радиусов кольцевых линз и соответствующее уменьшение габаритов источника полихромного излучения может быть достигнуто также путем комбинирования линзы Френеля с системой прозрачных коаксиальных цилиндров 15 (Фиг. 7а), реализующих дополнительную задержку волн. В зеркальном варианте (Фиг. 7, б) эффект достигается путем смещения отражающей поверхности вогнутых кольцевых зеркал 11 вдоль оптической оси с соответствующим изменением радиуса кривизны зеркал, оставляя их софокусными. Несовпадение амплитуд волн, прошедших через разные компоненты ликвидируется установкой аподизирующего устройства 9 в виде набора концентрических фильтров различной оптической длины, осуществляющего одновременно функцию аподизации. В качестве примера размещение этого устройства показано на Фиг. 7, б. Аналогичная система кольцевых фильтров может применяться и в других вариантах конструкции полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере на основе линзы (зеркала) Френеля.

Современные технологии массового изготовления линз (зеркал) Френеля ориентированы на устройства с постоянной шириной кольцевых линз. В подобной линзе (зеркале) создается система пучков, в которых полная доля энергии светового потока излучателя со сплошным спектром 1 растет с ростом радиуса кольца. Дополнив такую упрощенную линзу (зеркало) Френеля системой концентрически расположенных плоских кольцевых фильтров с центром, совпадающим с осью симметрии линзы, и имеющих пропускание, компенсирующее изменение интенсивности пучков, можно добиться выравнивания амплитуд. Задержка волн, прошедших разные кольцевые линзы, меняется в подобной системе от кольца к кольцу. Оптическая длина каждого из цилиндров должна рассчитываться с учетом требований к длине оптического пути, чтобы обеспечить равенство интервалов задержки входящего сигнала в выходных пучках.

Конструкция полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере с линзой Френеля отличается простотой и надежностью, большой светосилой и устойчивостью к ударам и вибрациям. Недостатком являются относительно большие габариты и потеря светового потока при выравнивании интенсивностей за счет поглощения.

Как следует из принципа работы источника излучения в устройстве с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере, представленного в Приложении 1, наряду с описанными конструкциями возможно применение иных многолучевых интерференционных систем. Периферическая область линзы Френеля является, приближенно, фазовой дифракционной решеткой. Рассмотрим схему устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере, содержащего дифракционную решетку-эшелле (Фиг. 8) в автоколлимационном варианте, имеющем наименьшее число оптических компонентов. Сферическая волна от излучателя со сплошным спектром 1 с помощью поворотного полупрозрачного зеркала 16 и зеркального или линзового оптического элемента-коллиматора 17 превращается в параллельный пучок, проходит через специальное оптическое устройство 7 для осуществления аподизации контуров линий и, по-разному задерживаясь на пути к штрихам решетки, имеющим обычно форму тонких плоских зеркал-«профилированных штрихов», падает на их поверхности 18. Отраженное решеткой-эшелле излучение вновь проходит аподизирующее устройство 9, фокусирующий оптический элемент 17, полупрозрачное зеркало 16, выходную апертуру 19, которая выделяет дифракционные порядки (например, щель) распространяющиеся только вдоль оптической оси, и оптическим элементом-объективом 20 направляется через прозрачную кювету 4 с устройством прокачки атмосферы, содержащей метан, на оптические элементы 5 и, с их помощью, на объектив 6, фокусирующий прошедший пучок на фотоприемник 7. Далее электрический сигнал фотоприемника поступает на обработки полученного сигнала 8.

Обратим внимание на то, что оптическая система, состоящая из оптических элементов 17 и 20 представляет собой телескопическую систему типа Кеплера и может использоваться как единое целое при установке решетки-эшелле не в автоколлимационном режиме.

Условие образования максимума пропускания излучения от излучателя сплошного спектра для угла падения света на решетку α в автоколлимационном режиме имеет вид [14, 18]:

2bsinα=kλ,

или в частотах:

2bσsinα=k.

В этих формулах b - ширина штриха решетки, α - угол падения излучения на решетку, отсчитанный от нормали к ее поверхности, λ - длина волны излучения, σ - частота, выраженная в обратных сантиметрах, k - целое число (порядок дифракции), не равное нулю. Последняя формула показывает, что в шкале частот σ сформированные линии излучения, прошедшего через выходную апертуру 19, расположены на равных расстояниях. Ширина линий зависит от размеров проекции ширины решетки на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения. Наиболее известной является следующая формула для разрешающей силы решетки, т.е. отношения частоты линии к ее ширине:

,

где N - число штрихов решетки и k - номер порядка дифракции.

Зная центральную частоту молекулярной полосы σ₀ и необходимое расстояние между максимумами пропускания фильтра, находим необходимый номер порядка - дифракции:

.

Работа решетки в таких высоких порядках используется в современных спектральных приборах для видимого излучения со скрещенной дисперсией [20].

Необходимое число штрихов найдем, зная необходимую ширину линии δσ=0,5 см^-1 (смотри Приложение 2):

.

Зададим угол падения излучения со сплошным спектром на решетку равным 30°, тогда sinα=0,5, и ширина штриха должна быть равна

что легко может быть реализовано современными технологиями обработки металлов.

Общая длина решетки при этом составит L=2⋅20=40 мм.

Столь малые размеры решетки можно использовать для создания небольшого по размерам устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере, имеющего сечение пучка от излучателя со сплошным спектром всего 40×40 мм². В полевом варианте такое устройство может состоять из двух частей, размещенных в двух раздельных корпусах. Первая включает в себя компоненты от излучателя со сплошным спектром 1 до оптических элементов 20, формирующих общий параллельный пучок излучения, а вторая - от оптического элементов 5 и 6, фокусирующий прошедший пучок на фотоприемник 7, а также систему регистрации и обработки полученного электрического сигнала 8. Устройство электропитания и управления 10 должно объединять обе части.

Увеличив размеры решетки в 2 раза в направлении перпендикулярном штрихам, получим сужение контура сверх значения, необходимого чтобы включить во взаимодействие максимальное число линий поглощения (см. Приложение 2). Такое изменение размеров позволяет увеличить контраст максимумов за счет аподизации формы распределения интенсивности в максимумах дифракции путем изменения контура решетки [21]. Надев на решетку 18 вместо аподизирующего устройства просто апертурную диафрагму с отверстием 21, например, в виде ромба (Фиг. 9), получим тот же эффект: увеличение ширины контура и одновременно в несколько раз увеличение контраста распределения максимумов пропускания, т.е. отношения интенсивности в максимуме пропускания к интенсивности в середине интервала между соседними максимумами.

Применение решетки-эшелле с профилированными штрихами позволяет до 80% дифрагированного светового потока направить в нужную сторону, резко ослабив при этом потери вследствие дифракции в остальные порядки. Помимо приведенной нами схемы могут использоваться иные, не в автоколлимационном режиме, обеспечивающие меньшие потери излучения [18], в том числе вогнутые и «нетрадиционные» решетки с изогнутыми штрихами.

С технической точки зрения, вероятно, наиболее удобным является применение вместо решетки эшелона 22 Майкельсона [14] в его отражательном варианте (Фиг. 10). Анализ показывает, что наиболее перспективной является система с наклонным падением излучения на эшелон в условиях зеркального отражения, т.е. при - α=β на Фиг. 10. Число ступенек эшелона должно равняться величине N, полученной при расчете решетки, т.е. в нашем случае - 20, высота ступенек d может быть вычислена из условия d=1/Δσ и в нашем случае равна 0,5 мм при нормальном падении. Такое устройство легко может быть изготовлено современными техническими средствами, причем регулируя ширину ступенек b можно варьировать амплитуды отраженных волн и, соответственно, осуществлять аподизацию. Модуляция излучения по частоте в описанных выше устройствах осуществляется любым из известных методов [19].

В условиях нормального падения, (т.е. в условиях автоколлимации), эшелон Майкельсона можно изготовить не как традиционную решетку с прямыми штрихами, а в форме набора сложенных вместе коаксиально отражающих дисков постоянной толщины. Условие постоянства амплитуд отраженных пучков при этом требует, чтобы радиусы соответствующих ступенек удовлетворяли тому же условию, что и радиусы компонентов линзы Френеля, описанных выше:

Такая реализация устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере на основе эшелона Майкельсона обеспечивает дополнительны выигрыш в светосиле всей системы за счет применения селектирующей диафрагмы 19 круглой формы (так называемый «выигрыш Жакино»). Расчет показывает, что выигрыш в величине светового потока может достигать величины не менее 10 раз. Техническим результатом применения дифракционной решетки-эшелле и эшелона Майкельсона является возможность исполнения устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере с применением стандартных оптических элементов повышенной жесткости, что позволит использовать такое устройство в самых неблагоприятных условиях, в том числе системах с повышенной вибрацией.

Описанные устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере не исчерпывают возможности применения интерференционных систем для кардинального повышения чувствительности. Важным положительным свойством интерферометров служит большая эффективность использования светового потока излучателя сплошного спектра. Применение вместо интерферометра Майкельсона интерферометра Фабри-Перо (ИФП) позволяет решить противоречивую задачу получения высокой эффективности использования светового потока и узких равноотстоящих в шкале частот линий. Одновременно может быть решена проблема механической устойчивости, если применить ИФП в виде плоскопараллельной пластины с нанесенными на ее поверхности отражающими покрытиями. Изменение частот линий излучения с целью модуляции по частоте может осуществляться изменением показателя преломления заполняющего ИФП вещества. Формирование серии многократных повторений исходного сигнала происходит в результате последовательных отражений от двух зеркал. В отличие от описанных выше систем эта серия содержит бесконечное число повторений, причем площадь световых волн, образующихся при этом, равна площади зеркал интерферометра. Амплитуды волн монотонно убывают с номером отражения, что позволяет говорить [14, 18] о конечном «эффективном» числе пучков. Отметим, что при наличии клина между зеркалами, число пучков реально становится конечным, но форма контура линий при этом не совпадает с рассмотренными выше случаями.

Распределение интенсивности в линиях полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере, содержащего ИФП, отличается от всех описанных выше, и показано на Фиг. 11. Оно характеризуется двумя основными параметрами: интервалом между пиками (интервалом, свободным от переложений или «постоянной интерферометра»), равным Δσ=1/2bn, где b - толщина промежутка между зеркалами, а n - показатель преломления вещества, заполняющего этот промежуток, и шириной полосы пропускания δσ, которая зависит от коэффициента отражения зеркал r и может быть рассчитана, согласно [18], по формуле:

Зная величины Δσ и δσ, необходимый коэффициент отражения зеркал находим из уравнения

С учетом параметров линий метана, приведенных в Приложении 2, это уравнение дает значение необходимого коэффициента отражения зеркал r=0,85, что легко реализуется современными технологиями нанесения покрытий в ИК области спектра.

Учитывая, что пропускание ИФП в максимумах для непоглощающих зеркал может быть равно единице независимо от величины коэффициента отражения, его применение позволяет очень эффективно использовать излучение излучателя сплошного спектра и одновременно уменьшить габариты системы. Общая схема устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере, содержащего ИФП, показана на Фиг. 12.

Волна от излучателя расходящегося светового пучка 1 со сплошным спектром проходит через зеркальный или линзовый оптический элемент 17, освещает ИФП, состоящий из двух зеркал 23 и промежутка между ними 24 толщиной b, содержащего прозрачную среду с показателем преломления n, проходит через кювету 4, с газом, содержащим метан, попадает на оптические элементы 5, направляющие излучение на фокусирующий объектив 6, проходит через малую диафрагму 19 круглой формы, диаметр которой рассчитывается по известным формулам [18], установленную перед фотоприемником 7 и выделяющую центральный максимум интерференционной картины, а затем в систему обработки сигнала 8. Устройство с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере, содержащее ИФП, снабжено узкополосным фильтром 25 (например, интерференционным [1]), позволяющим уменьшить общий уровень засветки ИФП излучением с сильно отстоящими от используемой полосы частотами. Модуляция частоты, т.е. одновременная перестройка всех линий пропускания с резонанса с линиями поглощения на промежуток между ними, осуществляется изменением оптической толщины bn промежутка 23 между зеркалами методами, хорошо известными в технике применения ИФП при решении задач спектрального анализа. При использовании линзового объектива 17 он может быть присоединен к входному зеркалу ИФП, что повышает механическую стабильность подобной конструкции устройства с многолучевым спектральным фильтром. Вместо линзового объектива 17, показанного на Фиг. 11, в ИК области спектра более эффективным является применение зеркального.

Очевидно, что системы, подобные заявленному устройству с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере, могут применяться для измерения содержания не только метана, но и иных молекул таких как NO, HCl, СО и СО₂, цианиды и пр. Рассмотренные принципы и схемы конструкций позволяют применить их и для чисто-вращательных спектров поглощения, лежащих в далеком ИК и миллиметровом диапазоне длин волн, а также и в УФ диапазоне (электронно-колебательно-вращательные спектры).

Принципиальная возможность создания полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере со свойствами, удовлетворяющими сформулированным нами требованиям, была проверена в трех независимых экспериментах.

Пример с интерферометром Фабри-Перо.

В этом опыте изучались возможности твердотельного интерферометра Фабри-Перо. Опыт проводился в лаборатории кафедры Молекулярной спектроскопии СПбГУ с использованием фурье-спектрометра. В качестве ИФП применялась пластина из германия, имеющего высокий показатель преломления в инфракрасной области спектра, что позволило использовать френелевское отражение излучения от поверхностей в качестве зеркал, а в качестве источника излучения со сплошным спектром - глобар, размеры излучающей поверхности которого были ограничены малой диафрагмой.

Результаты эксперимента показаны на Фиг. 13. Они подтвердили достижение главного технического результата: обеспечение в инфракрасной области спектра возможности одновременной селекции совокупности линий, находящихся на равных расстояниях по частоте в области частот 1000 см^-1. Как показали результаты апробации, спектры воспроизводились с высокой точностью в течение полусуток при существенных изменениях в температуре помещения и без применения каких-либо специальных средств уменьшения вибрационных помех. Аналогичный результат был получен с пластиной KRS.

Пример с линзой Френеля

Следующий опыт имел целью показать возможность применения линзы Френеля для создания полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере. Задача заключалась в демонстрации преобразования спектра источника со сплошным спектром в линейчатый, состоящий из набора эквидистантных (в шкале частот) линий. Эксперимент осуществлялся в лаборатории фемтосекундной оптики физического факультета СПбГУ. Установка содержала только два основных элемента: излучателя - фемтосекундного лазера, создающего исходный пучок света со сплошным спектром, и миниатюрной линзы Френеля, преобразующей исходную волну источника в набор кольцевых волн, являющихся повторением исходного сигнала. Совокупность кольцевых волн фокусировалась на вход световода спектрометра. Опыт производился в обратном ходе лучей: параллельный пучок широкого по спектру излучения с центральной длиной волны вблизи 800 нм направлялся на линзу. В фокус линзы помещался торец световода, передававшего излучение, прошедшее совокупность освещенных колец, на вход спектрометра. Фиг. 14 показывает, что исходный сплошной спектр (штриховая кривая) преобразуется в набор перекрывающихся линий. В данном случае они приближенно-эквидистантны в шкале длин волн, что для относительно узкого используемого участка спектра источника соответствует постоянству разности частот между линиями в шкале длин волн.

Таким образом, в результате экспериментов было подтверждено достижение важнейшего технического результата: преобразование сплошного спектра излучения в набор отдельных эквидистантных линий с помощью простейшего оптического элемента.

Пример с решеткой-эшелле

Следующий опыт, выполненный в лаборатории кафедры Молекулярной спектроскопии СПбГУ, заключался в преобразовании спектрально-широкополосного излучения глобара в набор узких спектральных линий с помощью решетки-эшелле с профилированными штрихами, работающей в очень высоких порядках дифракции.

Излучение источника со сплошным спектром направлялось на коллимирующий зеркальный объектив. Образованный параллельный пучок освещал дифракционную решетку эшелле с пространственным периодом 0,01 мм, установленную под углом α=15° к падающему пучку. Сформированные световые пучки, отраженные от компонентов решетки элементарными зеркалами-штрихами под углом блеска β направлялись на второй объектив и далее - на щель скоростного ИК спектрометра. Прошедшее через щель излучение состояло из отдельных линий с частотами, отвечавшим условию:

bσ_k(sinα+sinβ)=k,

где k - целое число.

Полученный в результате экспериментов спектр состоял из набора эквидистантных в шкале частот линий (Фиг. 14). Как показали результаты апробации, решетка-эшелле также позволяет эффективно преобразовывать исходный сплошной спектр источника в новый, состоящий из набора эквидистантных в пространстве частот линий. При соответствующем подборе параметров решетки и оптических элементов они могут быть согласованы с набором линий колебательно-вращательного спектра метана.

Таким образом, проведенные примеры подтверждают возможность создания полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере, содержащего источник излучения с эквидистантными линиями, частоты которых согласованы с частотами компонентов колебательно-вращательной структуры метана при соответствующем выборе геометрических параметров.

Технико-экономическая эффективность заявленного изобретения «Устройство с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере» состоит в повышении чувствительности обнаружения метана методом одновременного измерения поглощения на совокупности всех или большинства линий колебательно-вращательной полосы, что обеспечивает увеличение чувствительности не менее чем в 10-20 раз при прочих равных условиях. Возможность одновременной модуляции частоты всех линий обеспечивает надежность выделения сигнала метана и высокую селективность по отношению к молекулярным полосам других веществ. Приведенные примеры апробации заявленного изобретения показывают, что оно не требунт высоковольтных источников питания, потребляют энергию, в основном, в источнике излучения сплошного спектра, могут работать в самых разнообразных условиях изменения температуры и вибрации, обладают устойчивостью к внешним воздействиям, стабильностью параметров и простотой настройки. Значительным результатом заявленного устройства является его безопасность при эксплуатации в самых тяжелых и опасных условиях работы, а отсутствие механических элементов, требующих регулярной и точной настройки, открывают широкую сферу его применения, в частности, в подвижных лабораториях экологического мониторинга, в шахтах и карьерах, на кораблях поиска нефтяных месторождений, в научных исследованиях и даже в быту.

Использованная литература

1. http://www.elstandart.spb.ru/Core/300/300_2_filters.htm

2. Попов А.А., Шерстнев В.В., Яковлев Ю.П. 2.35 мкм светодиоды для измерения метана. // Письма в ЖТФ, 1998, Т. 24, №2, С. 72-75.

3. Camera system and camera mount (патент JP 2013128185)

4. Measuring low levels of methane in carbon dioxide (патент US 2007259440)

5. Газоанализатор и оптический блок, используемый в нем (патент RU 2451285)

6. Light sensor with modulated radiant polychromatic source (патент CA 2487115)

7. Polychromatic light emitter diode ray bright colored lantern signs a legal statement the construction (патент CN 203628508)

8. Lng (liquefied natural gas) detecting device and detecting method thereof (патент CN 103592254)

9. Способ и устройство для анализа газов с использованием интерференционного лазера (патент RU 2010141803)

10. Способ и устройство для обнаружения газов, частиц и/или жидкостей (патент RU 2461815)

11. Пермякова Е.С., Толмачев Ю.А. Применение методов оптимального приема сигналов и импульсного метода анализа работы оптических систем для развития нового метода спектрального анализа // Химическая физика, 2015, Т. 34, №8, с. 78-82.

12. Источник полихромного излучения с управляемым спектром (патент RU 2478871).

13. Универсальный источник полихромного оптического излучения (патент RU 2287736)

14. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. / Пер. с англ.; под ред. Г.П. Мотулевич, М.: Наука, 1970, 856 с. (прототип)

15. Лукин К.А., Татьянко Д.Н., Мачехин Ю.П. Создание сеток оптических частот на основе метода спектральной интерферометрии.

16. Харкевич А.А. Спектры и анализ

17. Permyakova ES., Statsenko Т.V., Tolmachev Yu A. Fresnel Lens for the Generator of Encoded Sequences of Ultrashort Pulses. The Spectral Evidence of Series of Pulses Formation. // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), 2012, Vol. 21, No. 2 pp. 63-69.

18. Тарасов К.И. Спектральные приборы. // Л.: Машиностроение. 1974. 368 с.

19. Кордона М. Модуляционная спектроскопия: Пер с англ. / Под ред. А.А. Каплянсого, М.: Мир, 1972.

20. http://www.rusnanonet.ru/download/equipment/ICPE9000.pdf

21. Толмачев Ю.А.. Принципы работы оптического спектрометра: новый взгляд на старые проблемы: учеб пособие. - СПб: Из-во С.-Петербургского ун-та, 2013. - 292 с.

Изобретение относится к области спектральных измерений и касается устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере. Устройство включает в себя размещенные в общем корпусе и оптически связанные излучатель расходящегося светового пучка со сплошным спектром, дифракционный элемент, формирующие параллельный пучок излучения оптические элементы, прозрачную кювету, оптические элементы, передающие прошедший параллельный пучок на объектив, фотоприемник, систему регистрации и обработки полученного электрического сигнала, устройство электропитания и управления. Дифракционный элемент выполнен в виде линзы Френеля с переменной шириной концентрических кольцевых софокусных линз, число которых определяется отношением ширины спектрального интервала между линиями колебательно-вращательного спектра метана к ширине этих линий. Между дифракционным элементом и формирующими параллельный пучок излучения оптическими элементами размещено оптическое устройство управления амплитудами световых сигналов, выполненное в виде пространственно-неоднородного фильтра с пропусканием, различным для каждого из кольцевых элементов линзы Френеля. Технический результат заключается в увеличении чувствительности и точности измерений. 14 ил.

Устройство с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере, включающее в себя размещенные в общем корпусе и оптически связанные: излучатель расходящегося светового пучка со сплошным спектром, дифракционный элемент, оптические элементы, формирующие общий параллельный пучок излучения; снабженную системой прокачки атмосферного газа прозрачную кювету, оптические элементы, передающие прошедший параллельный пучок на объектив, фокусирующий прошедший пучок на фотоприемник, систему регистрации и обработки полученного электрического сигнала, а также устройство электропитания и управления, отличающееся тем, что дифракционный элемент выполнен в виде линзы Френеля с переменной шириной концентрических кольцевых софокусных линз, число которых определяется отношением ширины спектрального интервала между линиями колебательно-вращательного спектра метана к ширине этих линий, а между дифракционным элементом и оптическими элементами, формирующими общий параллельный пучок излучения, размещено оптическое устройство управления амплитудами световых сигналов, выполненное в виде пространственно-неоднородного фильтра с пропусканием, различным для каждого из кольцевых элементов линзы Френеля.