Лазерный сенсор для определения наличия углекислого газа Российский патент 2023 года по МПК G01N21/63 H01S3/213 

Изобретение относится к области оптики, в частности оптическим датчикам и может быть использовано в целях мониторинга экологической безопасности промышленных и биомедицинских объектов.

Среди множества различных датчиков в последнее время все большее распространение получают так называемые интегрально-оптические химические сенсоры. В них в свою очередь используются различные физические принципы: абсорбционные, люминесцентные и др. Приборы такого типа предназначены определять наличие и детектирование химических соединений в окружающей среде.

Известны устройства описанные в [1]. В работе предложено три варианта конструкций люминесцентных сенсорных датчиков, где в качестве аналитов (определяемого вещества) выступают пары динитротолуола и тринитротолуола. В одном из них Описан вариант вывода усиленного спонтанного излучения через торец волновода, содержащий чувствительный тонкопленочный слой. Второй вариант предлагает использование распределенной обратной связи (РОС), на который нанесен чувствительный тонкопленочный слой. Третий вариант содержит кольцевой волновод, состоящий из чувствительного тонкопленочного слоя, без устройства вывода излучения. Предложенные конструкции относятся к люминесцентным сенсорам, поскольку механизм детектирования основан на взаимодействии электрондефицитных ароматических соединений с электрондонорными полимерами и тушению флуоресценции полимера по механизму образования комплексов с переносом энергии. Авторы различными методами пытаются реализовать надежные методы регистрации полезного сигнала, увеличить фотостабильность полимерной пленки и понизить порог генерации. При этом возбуждать, ввиду особых физических и химических особенностей, соединения приходится излучением ультрафиолетового азотного лазера (λ = 337 нм), которое разрушительным образом действует на компоненты сенсора, уменьшая ресурс работы. Не во всех вариантах авторам удалось достичь лазерной генерации из-за использования химических соединений с различными оптическими свойствами, поскольку приходится согласовывать волноводные свойства разнородных материалов по показателю преломления.

Наиболее близким аналогом взятым за прототип является конструкция сенсора описанная в [2]. Создание планарных волноводов технологически дешевле и проще, чем создание РОС в тонкопленочных структурах, требующих применения высокотехнологичных условий с использованием электронно-лучевой литографии. Для создания планарного волновода необходимо соблюсти всего два условия - соотношения показателей преломления воздуха, подложки и активного слоя (показатель преломления активного слоя больше показателя преломления подложки и воздуха, т.е. n_акт.сл. > n_{подложки} (1) и n_акт.сл. > n_{воздуха} (2)), при этом реализуется режим бегущей волны благодаря явлению полного внутреннего отражения (ПВО). В [3] показан положительный эффект (снижение порога генерации и увеличение КПД) от нанесения дополнительного слоя из гидрализованного тетраэтоксисилана показатель преломления которого n=1,44. В представленной работе демонстрируется детектирование паров нитротолуола в среде аргона. В качестве сенсорной среды использовались полифлуорены. В основе работы рассмотренных сенсоров лежит специфическое взаимодействие лазерно-активной среды с аналитом, а именно тушение люминесценции за счет образования комплексов с переносом энергии. К недостаткам прототипа является то, что возбуждение структур производится излучением ультрафиолетового азотного лазера (λ = 337 нм) или третьей гармоникой АИГ лазера (λ = 355 нм), которое разрушительным образом действует на компоненты сенсора, уменьшая ресурс работы.

Технической задачей является поиск химического соединения реагирующего на СО₂, создание оптического сенсорного устройства, способного определять наличие СО₂ в окружающей среде, длина волны источника накачки и длина волны излучения сенсора должны лежать в видимом диапазоне спектра, расширение методов определения СО₂.

Технический результат: обеспечение дистанционной бесконтактной передачи информации о присутствии СО₂, расширение ряда чувствительных химических соединений к СО₂.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом лазерном сенсоре на СО₂, который состоит из источника накачки, прозрачной подложки, тонкопленочной лазерно-активной среды, представляющей собой пленку полиметилметакрилата (ПММА), допированного лазерно-активным химическим веществом, между лазерно-активной средой и прозрачной подложкой располагается адгезионный слой, обеспечивающий волноводный режим распространения излучения генерации и адгезию полиметилметакрилата к прозрачной подложке, в качестве лазерно-активного химического вещества используется краситель Нильский красный (НК), а в качестве аналита используется углекислый газ (СО₂), присутствующий в анализируемой среде. В результате взаимодействия СО₂ с чувствительным слоем сенсора спонтанное излучение переходит в лазерную генерацию, для которой характерно направленное возрастание интенсивности излучения при одновременном сужении ширины спектральной линии.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

Фиг. 1 - Схематическое изображение конструкции лазерного сенсора на СО₂, где: 1 - прозрачная подложка; 2 - адгезионный слой; 3 - тонкопленочная лазерно-активная среда; 4 - источник накачки; 5 - анализируемая среда, 6 - спонтанное излучение; 7 - лазерная генерация.

Фиг. 2 - Спектры излучения, где: 1 - спектральная линия спонтанного излучения тонкопленочной лазерно-активной среды в отсутствии СО₂, ширина линии на полувысоте – 30 нм; 2 - спектральная линия лазерного излучения в присутствии СО₂, ширина спектральной линии на полувысоте 15 нм; 3 - спектральная линия излучения 532 нм накачки второй гармоники АИГ-лазера.

Устройство работает следующим образом: при накачке тонкопленочной лазерно-активной среды 3 излучением от источника накачки 4 возникает спонтанное излучение 6. Если в анализируемой среде 5 появляется углекислый газ, то результатом взаимодействия с ним является переход спонтанного излучения 6 в лазерную генерацию 7, которое распространяется в планарном волноводе, образованном адгезионным слоем 2, тонкопленочной лазерно-активной средой 3, представляющей собой пленку полиметилметакрилата (ПММА), допированного лазерно-активным химическим веществом, в качестве которого используется краситель Нильский красный (НК), и анализируемой средой 5, состоящей из воздуха и аналита - углекислый газ. Вывод лазерной генерации 7 осуществляется с торца планарного волновода и может регистрироваться фотоприемником, имеющим чувствительность в видимом диапазоне спектра.

Пример реализации лазерного сенсора.

Лазерный сенсор на СО₂ состоит из источника накачки 4, который может быть лазерным и не лазерным, излучающим в видимом диапазоне спектра и способным накачать тонкопленочную лазерно-активную среду 3 до уровня лазерной генерации. В нашем случае использовалось излучение второй гармоники АИГ лазера 532 нм, энергия излучения накачки составляла 180 мкДж, длительностью 15 нс. Прозрачная подложка 1 выполнена из прозрачного стекла и не требует прецизионной оптической обработки. Адгезионный слой 2 выполнен из гидрализованного тетраэтоксисилана [3]. В качестве тонкопленочной лазерно-активной среды 3 применялась пленка ПММА допированная лазерным красителем Нильский красный.

При взаимодействии тонкопленочной лазерно-активной среды (ПММА+НК) с углекислым газом из спонтанного излучения возникает направленная лазерная генерация 7 с узким спектром излучения. На фигуре 2 демонстрируются спектры спонтанного излучения в отсутствии СО₂ и в присутствии СО₂ в анализируемой среде 5. Кривая 1 - спектральная линия спонтанного излучения тонкопленочной лазерно-активной среды в отсутствии СО₂, энергия накачки составляет 180 мкДж, длительность 15 нс, при этом ширина спектральной линии 30 нм; кривая 2 - спектральная линия лазерного излучения по амплитуде возросла более чем в три раза, при этом ширина спектральной линии генерации на полувысоте сузилась до 15 нм.

Таким образом возможно дистанционно бесконтактно в пространстве передавать информацию о наличии СО₂ в среде. В качестве фотоприемника может выступать любой имеющий чувствительность в видимом диапазоне спектра, в том числе и человеческий глаз. В качестве фотоприемника может выступать как спектральный приемник, так и амплитудный. Амплитудный приемник позволяет определить наличие амплитудного сигнала, а спектральный - характерного сужения спектральной ширины линии лазерной генерации. Найдено химическое соединение, которое генерирует лазерное излучение и чувствительное к присутствию СО₂, реализован макет лазерного сенсора на СО₂, длина волны накачки и излучение самого оптического сенсора лежат в видимом диапазоне спектра, возросло количество методов детектирования СО₂ в средах. Разработка макета лазерного сенсора на СО₂ проводилась с использованием оборудования Томского регионального центра коллективного пользования ТГУ (ТРЦКП).

Литература:

1. A. Rose, Z. Zhu, C.F. Madigan, T.M. Swager, V. Bulovic Sensitivity gains in chemosensing by lasing action in organic polymers // / NATURE. - Vol 434. - 2005. - P. 876-879.

2. Berdybaeva Sh.T., Telminov E.N., Solodova T.A., Nikonova E.N., Samsonova L.G., Kopylova T.N. Spontaneous and stimulated emission of thin-film polymer structures in the presence of nitrotoluene vapour // Quantum Electronics. - 2021. - Vol. 51. - № 3. - P. 206-210; doi.org/10.1070/QEL17491

3. Тельминов Е. Н. и др. патент на изобретение RU 2666181 C2 Номер заявки: 2016150444 Патентообладатели: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Тонкопленочный фотовозбуждаемый органический лазер на основе полиметилметакрилата. - 2018.

Изобретение относится к области оптических датчиков. В предлагаемом лазерном сенсоре для определения наличия углекислого газа (СО₂), который состоит из источника накачки, прозрачной подложки, тонкопленочной лазерно-активной среды, представляющей собой пленку полиметилметакрилата (ПММА), допированного лазерно-активным химическим веществом, между лазерно-активной средой и прозрачной подложкой располагается адгезионный слой, обеспечивающий волноводный режим распространения излучения генерации и адгезию полиметилметакрилата к прозрачной подложке, в качестве лазерно-активного химического вещества используется краситель Нильский красный (НК), а в качестве аналита используется углекислый газ (СО₂), присутствующий в анализируемой среде. Технический результат - обеспечение дистанционной бесконтактной передачи информации о присутствии СО₂, расширение ряда чувствительных химических соединений к СО₂. 2 ил.

Лазерный сенсор для определения наличия углекислого газа (СО₂), состоящий из источника накачки, прозрачной подложки, тонкопленочной лазерно-активной среды, представляющей собой пленку полиметилметакрилата, допированного лазерно-активным химическим веществом, между лазерно-активной средой и прозрачной подложкой располагается адгезионный слой, обеспечивающий волноводный режим распространения излучения генерации и адгезию полиметилметакрилата к прозрачной подложке, отличающийся тем, что в качестве лазерно-активного химического вещества используется краситель Нильский красный, а в качестве аналита используется углекислый газ, присутствующий в анализируемой среде, при взаимодействии с которым спонтанное излучение переходит в лазерную генерацию.