[0001] Данное изобретение относится к анализу газов с помощью рамановской спектрометрии. Рамановская спектрометрия основана на рамановском эффекте, возникающем в результате неупругого взаимодействия фотона со средой (молекулой или кристаллическим телом). Такое неупругое взаимодействие называется «рамановским рассеянием». Существование такого неупругого взаимодействия подразумевает, что среда, с которой сталкивается фотон, поглощает или передает энергию фотону. Такая передача энергии проявляется в частотном сдвиге между падающим и рассеянным фотоном вследствие указанного взаимодействия. Когда среда поглощает энергию фотона рамановское рассеяние приводит к так называемому «стоксовскому сдвигу». Когда среда передает энергию фотону рамановское рассеяние приводит к так называемому «антистоксовскому сдвигу». Оказывается, что такие частотные сдвиги являются характеристикой химического состава среды (кристаллического тела, жидкости или газа). Вследствие этого рамановская спектрометрия заключается в фокусировании монохроматического светового пучка на исследуемом образце с формированием рамановского спектра, содержащего спектральные линии или рамановские линии, возникающие в результате рамановского рассеяния и определяющие составные элементы образца и их концентрацию посредством сравнения рамановских спектральных линий спектра с теоретическими и экспериментальными данными. Фактически интенсивность рамановских спектральных линий является пропорциональной количеству молекул, с которыми сталкивается падающий пучок, и способности сталкивающихся с ним молекул вызывать рамановское рассеяние, а также интенсивности возбуждающего пучка. В результате для получения надлежащего спектрального разрешения рамановская спектрометрия требует наличия монохроматического пучка лазерного излучения с достаточной мощностью, учитывая тот факт, что интенсивность рамановских линий значительно ниже, чем интенсивность падающего пучка. В практических применениях требуемая мощность лазерного источника достигает нескольких сотен милливатт или даже несколько десятков ватт, что требует применения мощных и, следовательно, дорогих и крупногабаритных лазеров.
[0002] Рамановская спектрометрия получила значительное развитие с момента появления лазерной технологии благодаря преимуществам, которые она обеспечивает, в особенности ее способности определять природу очень большого количества различных молекул, присутствующих в анализируемой среде, в отличие от поглощающей спектрометрии не требуя замены лазерного источника. Вскоре после появления первых рамановских спектрометров было предложено размещать анализируемую среду в оптическом резонаторе, в котором может аккумулироваться мощность пучка лазерного излучения ("наращивание мощности").
[0003] В публикации [1] описывается рамановский спектрометр для обнаружения газа, в котором образец помещают в оптический резонатор, возбуждаемый аргоновым ионным лазером с выходной мощностью 0,5 Вт, содержащий оптический резонатор, генерирующий мощность возбуждения образца 160 Вт. Такая система характеризуется пределом обнаружения химических веществ порядка нескольких десятков ppm (частей на миллион). В то же время аргоновые ионные лазеры остаются слишком крупногабаритными для многих применений, требующих использования достаточно компактных газоанализаторов.
[0004] Вследствие этого в последнее время при разработке рамановских спектрометров предметом активных исследований стало получение их в компактном размере. Последние достижения в области применения оптической обратной связи для синхронизации лазерных диодов малой мощности с высокодбротными оптическими резонаторами позволили генерировать в таких резонаторах пучки лазерного излучения высокой интенсивности. В качестве примера в публикации [2] описывается оптический резонатор, возбуждаемый лазерным диодом. Небольшая часть пучка лазерного излучения, генерируемого лазерным диодом, вводится в оптический резонатор через одно из зеркал резонатора и подвергается многократному отражению между зеркалами резонатора, приводя к аккумулированию мощности. Спектральная ширина полосы излучения в пучке, генерируемом лазерным диодом, изначально является на несколько порядков величины большей, чем ширина моды резонатора. В этом случае эффективность взаимодействия пучка, генерируемого лазерным диодом, как правило, со спектральной шириной от 1 МГц до 10 МГц, с резонансной модой резонатора со спектральной шириной, составляющей 10 кГц, может быть меньшей, чем доля процента. Вследствие этого непосредственная инжекция излучения лазерного диода в резонатор для аккумулирования мощности является очень неэффективной. В то же время в этой публикации-небольшая часть резонирующего пучка, циркулирующего в резонаторе, и по этой причине обладающего спектральной шириной резонансной моды оптического резонатора, выводится из резонатора с помощью одного из зеркал резонатора и отправляется назад на лазерный диод, где за счет вынужденного излучения происходит ее усиление более чем в тысячу раз. Затем такой пучок с узкой спектральной полосой повторно инжектируется в резонатор с гораздо более высоким коэффициентом передачи оптической мощности и так далее. После нескольких циклов спектральная ширина пучка, излучаемого лазерным диодом, уменьшается до значительно более узкой спектральной полосы резонансной моды оптического резонатора. В предыдущем примере спектральная ширина испускаемого пучка лазерного излучения изменяется от около 10 МГц до нескольких герц. В результате энергия, генерируемая лазерным диодом, может передаваться в резонатор с высоким коэффициентом передачи, до тех пор, пока частота пучка лазерного излучения будет оставаться достаточно близкой к частоте резонансной моды резонатора. Затем пучок, генерируемый лазерным диодом, может быть синхронизирован по частоте с такой резонансной модой оптического резонатора и в результате поддерживать синхронизацию до тех пор, пока собственная частота лазерного диода не выйдет за пределы полосы частот синхронизации, содержащей частоту резонансной моды резонатора. Такой эффект уменьшения спектральной ширины и синхронизации называется «синхронизацией с помощью оптической обратной связи». Ширина полосы частот синхронизации зависит от той части световой энергии, которая может быть выведена из резонатора в виде пучка оптической обратной связи. Как правило, для коэффициента обратной связи, составляющего лишь -30 дБ или менее полоса частот синхронизации может характеризоваться такой же шириной, как и частотный интервал между двумя соседними продольными резонансными модами резонатора, причем такой интервал называется «свободным спектральным диапазоном» (FSR) оптического резонатора.
[0005] Для достижения синхронизации с помощью оптической обратной связи необходимо выполнять согласование фазы пучка обратной связи с фазой пучка, проходящего в оптическом резонаторе. Также необходимо, чтобы собственная оптическая частота лазерного диода попадала в полосу синхронизации моды резонатора. Было предложено несколько более простых технических решений для сохранения такого согласования фазы и частоты (см., например, публикацию [3]). В то же время при потере согласования фазы и частоты автоматическое их восстановление является затруднительным. В действительности такие потери согласования происходят часто, в особенности в производственных условиях с наличием механических, термических и электрических помех, что делает процесс получения результатов измерений сложным.
[0006] В патенте US5432610, а также в производных от него патентах US5642375, US5684623, US5835522 и US6222860 раскрываются рамановские спектрометры, использующие лазерный диод, связанный с оптическим резонатором. В то же время видно, что такие системы сталкиваются с проблемой частых потерь оптической обратной связи, что приводит к периодическим потерям оптического сигнала. В общем случае в таких патентах не указывается, каким образом можно генерировать рамановский сигнал, который бы являлся стабильным и воспроизводимым для получения надежных и точных результатов измерения.
[0007] В недавних публикациях [4] и [5] раскрывается рамановский спектрометр, содержащий линейный резонатор, связанный с комплексной конфигурацией, содержащей много компонентов. Сохранение возбуждения оптического резонатора на одной моде достигается за счет воздействия на питающее напряжение лазерного диода пилообразным сигналом с малой амплитудой таким образом, что частота пучка лазерного излучения, генерируемого диодом, перестраивается в некотором диапазоне частот вблизи частоты единственной резонансной моды оптического резонатора. В результате пучок лазерного излучения все время сохраняет частотную синхронизацию с единственной резонансной модой и остается монохроматическим. Поэтому для подтверждения активации одной и той же резонансной моды достаточно выполнить проверку того факта, что пик коэффициента пропускания резонатора, соответствующий данной резонансной моде, остается в центре каждого нарастающего и спадающего линейного участка пилообразного токового сигнала, и настроить ток питания диода для выполнения этого условия. В таком способе также предлагается методика настройки фазы оптической обратной связи посредством наблюдения за симметрией пика коэффициента пропускания.
[0008] Такой способ выглядит пригодным для создания постоянного и повторяемого возбуждения оптического резонатора на резонансной моде. В то же время в таком способе сохраняется чувствительность к механическим помехам: вибрация может вызывать потерю согласования фаз, что приводит к потере резонанса в резонаторе до тех пор, пока не произойдет достаточное приближение фазы оптической обратной связи к своей оптимальной величине. В течение данного времени, естественно, получать результаты измерения невозможно. Другая проблема возникает в результате использования пилообразного сигнала, содержащего нарастающие и ниспадающие линейные участки равной длительности. Фактически такой сигнал препятствует получению коэффициента заполнения (соотношения между временем, в течение которого существует синхронизация резонансной моды оптического резонатора, и всем использованным временем), большего чем 50 %. Это происходит вследствие того факта, что синхронизация лазерного диода с резонансной модой существует не только в течение длительности нарастающего линейного участка тока питания диода, но также в течение длительности более короткого ниспадающего линейного участка. В практических применениях свойства оптической обратной связи не позволяют достигать в оптическом резонаторе максимальной длительности существования пика коэффициента пропускания в течение длительности каждого из двух нарастающего и ниспадающего линейных участков, сохраняя при этом симметрию пиков коэффициента пропускания и не изменяя настроек по фазе. Вследствие этого необходимо создавать допустимый припуск по амплитуде изменения тока питания. Такой припуск приводит к ограничению коэффициента заполнения до около 50% или менее, и, вследствие этого, к ограничению полезной энергии, подаваемой лазерным диодом.
[0009] Поэтому требуется создание системы анализа газов с помощью рамановской спектрометрии, которая являлась бы компактной, стабильной, надежной и способной выполнять измерения с высокой чувствительностью. Кроме того, требуется более эффективно использовать энергию, генерируемую лазерным источником.
[0010] В патентных заявках WO 03/031949 и WO 2018/060285 раскрываются системы на основе оптических резонаторов, применяемые в области поглощающей спектрометрии. В таких системах оптический резонатор возбуждается лазерным диодом, с последовательным согласованием с помощью оптической обратной связи с несколькими резонансными модами оптического резонатора. Такие системы стремятся свести к минимуму мощность оптического излучения в резонаторе, чтобы избежать насыщения линий поглощения. Такие системы обеспечивают преимущество, которое заключается в обеспечении очень высокой эксплуатационной надежности и быстром восстановлении оптической мощности в резонаторе в случае воздействия существенных помех. В то же время такие системы не представляются пригодными для рамановской спектрометрии, поскольку они основаны на последовательном возбуждении нескольких мод в резонаторе. В результате, световое излучение, аккумулируемое в резонаторе, не является полностью монохроматическим, но характеризуется периодически изменяющейся частотой.
[0011] В данном изобретении предлагается модифицировать схемы исполнения таких систем оптических резонаторов в соответствии с ограничениями рамановской спектрометрии, в частности посредством ограничения диапазона перестройки мод оптического резонатора до величин, более низких, чем спектральное разрешение рамановского спектрометра, и увеличения насколько возможно оптической энергии, аккумулируемой в оптическом резонаторе.
[0012] Варианты реализации изобретения относятся к способу анализа газов с помощью рамановской спектрометрии, включающему этапы: воздействия на лазерный источник управляющим сигналом для генерирования пучка лазерного излучения с перестройкой частоты генерации в диапазоне частот, содержащем частоты различных резонансных мод оптического резонатора, удерживающего анализируемый газ, причем ширина указанного частотного диапазона является меньшей, чем разрешающая способность рамановского спектрометра; подачи пучка лазерного излучения на вход оптического резонатора; выведения из оптического резонатора пучка обратной связи; настройки фазы и амплитуды пучка обратной связи; отправления пучка обратной связи с настроенной фазой и амплитудой на лазерный источник; во время перестройки частоты генерации в указанном частотном диапазоне выполнение измерения изменений световой интенсивности пучка лазерного излучения в оптическом резонаторе и обнаружения пиков световой интенсивности на кривых изменения световой интенсивности, причем каждый пик световой интенсивности соответствует резонансной моде оптического резонатора, при этом фазу пучка обратной связи настраивают для уменьшения отклонения между медианным временем и временем появления вершины одного из пиков световой интенсивности, притом что амплитуду пучка обратной связи настраивают, чтобы сократить по меньшей мере один интервал с нулевой интенсивностью между пиками световой интенсивности; и получения с помощью датчика спектрометра результатов измерения спектра неупруго рассеиваемого света под действием лазерного пучка в оптическом резонаторе для определения природы и/или концентрации газов в оптическом резонаторе.
[0013] В соответствии с вариантом реализации изобретения управляющий сигнал лазерного источника обладает периодической формой, и датчик спектрометра, содержащий совокупность фоточувствительных элементов, принимает часть неупруго рассеиваемого света и находится под управлением с возможностью работы в режимах экспонирования в чередовании с режимами считывания, во время выполнения которых фоточувствительные элементы генерируют результаты измерения спектра; при этом во время выполнения каждого режима экспонирования способ включает следующие этапы: получение интегральной величины значений измерений световой интенсивности пучка лазерного излучения в оптическом резонаторе и/или световой интенсивности части упруго рассеиваемого света под действием лазерного луча в оптическом резонаторе; и нормирование каждого из результатов измерения спектра, получаемых в конце действия режима экспонирования в виде функции интегральной величины для генерирования нормированного спектра.
[0014] В соответствии с вариантом реализации изобретения режимы экспонирования характеризуются длительностью, равной целому числу периодов управляющего сигнала лазерного источника, суммируемому с частью такого периода, причем начало выполнения каждого режима экспонирования синхронизовано управляющим сигналом лазерного источника.
[0015] В соответствии с вариантом реализации изобретения выполнение каждого режима экспонирования начинается и прерывается в течение таких интервалов времени, когда в оптическом резонаторе свет отсутствует.
[0016] В соответствии с вариантом реализации изобретения способ включает этапы: периодического прерывания подачи электропитания на лазерный источник для измерения темнового тока в фотодетекторе, предоставляющем результаты измерения изменений световой интенсивности пучка лазерного излучения в оптическом резонаторе; и коррекции результатов измерения изменений световой интенсивности пучка лазерного излучения в оптическом резонаторе с использованием среднего значения результатов измерения темнового тока.
[0017] В соответствии с вариантом реализации изобретения прерывания подачи электропитания на лазерный источник осуществляются за пределами интервалов выполнения режимов экспонирования.
[0018] В соответствии с вариантом реализации изобретения способ включает этапы: выключения электропитания на лазерном источнике во время выполнения режима прерывания, длящегося в течение по меньшей мере одного последующего режима экспонирования; и для каждого фоточувствительного элемента датчика спектрометра: измерения темнового тока во время выполнения указанного режима прерывания, коррекции сохраненной величины среднего темнового тока для фоточувствительного элемента на основании результата измерения темнового тока, получаемого для фоточувствительного элемента, и коррекции каждого результата измерения спектра, предоставляемого фоточувствительным элементом, в соответствии с сохраненной величиной среднего темнового тока для фоточувствительного элемента, причем для очистки записей фоточувствительных элементов результату измерения темнового тока могут предшествовать несколько результатов измерений, которые не учитываются при расчете.
[0019] В соответствии с вариантом реализации изобретения пучок лазерного излучения, предоставляемый на входе оптического резонатора, и пучок обратной связи передаются по одному и тому же оптическому пути между лазерным источником и входом оптического резонатора.
[0020] В соответствии с вариантом реализации изобретения амплитуду пучка обратной связи настраивают с помощью настраиваемого модуля фарадеевского вращателя, установленного на оптическом пути между лазерным источником и входом оптического резонатора, причем модуль фарадеевского вращателя ослабляет амплитуду пучка обратной связи и пропускает пучок лазерного излучения от лазерного источника.
[0021] В соответствии с вариантом реализации изобретения модуль фарадеевского вращателя управляется с помощью сервопривода в соответствии с результатами измерения световой интенсивности пучка лазерного излучения в оптическом резонаторе для сведения к минимуму интервалов с нулевой интенсивностью между пиками световой интенсивности, причем управление с помощью сервопривода модулем фарадеевского вращателя может достигаться посредством воздействия на его температуру.
[0022] Варианты реализации изобретения также могут относиться к устройству для анализа газа с помощью рамановской спектрометрии, содержащему оптический резонатор, в который вводится пучок лазерного излучения, генерируемый лазерным источником, причем устройство выполнено с возможностью осуществления описываемого выше способа.
[0023] В соответствии с вариантом реализации изобретения лазерный источник выполнен с возможностью перестройки частоты генерации без перескока мод.
[0024] В соответствии с вариантом реализации изобретения оптический резонатор характеризуется «V»-образной формой и содержит зеркало связи, образующее вход в оптический резонатор, и два торцевых зеркала резонатора, причем торцевые зеркала резонатора характеризуются большей отражательной способностью, чем у зеркала связи или аналогичной ему.
[0025] В соответствии с вариантом реализации изобретения зеркала, образующие оптический резонатор, характеризуются радиусом кривизны, выполненным с возможностью настройки формы профиля интенсивности пучка внутри оптического резонатора в области улавливания света, рассеиваемого в резонаторе под действием пучка лазерного излучения.
[0026] В соответствии с вариантом реализации изобретения рассеиваемый в оптическом резонаторе свет наблюдается через одно из торцевых зеркал резонатора, причем торцевые зеркала резонатора содержат покрытие, характеризующееся максимальным коэффициентом отражения для отражаемого пучка на каждой из резонансных мод оптического резонатора и характеризуются максимальным коэффициентом пропускания для по меньшей мере одной стоксовской линии из рамановских линий.
[0027] В соответствии с вариантом реализации изобретения лазерный источник представляет собой один из следующих типов: лазерный диод с распределенной обратной связью, лазерный диод с распределенным брэгговским отражателем, диод типа Фабри-Перо, стабилизированный объемной или голографической брэгговской решеткой или узкополосным фильтром, лазер, связанный с устройством для настройки частоты генерации; лазер с поверхностным излучением и вертикальным резонатором, соединенным с диэлектрическим мембранным зеркалом.
[0028] В соответствии с вариантом реализации изобретения указанное устройство содержит исполнительный механизм, соединенный с зеркалом для изменения длины оптического пути между лазерным источником и входом в оптический резонатор для настройки фазы пучка обратной связи.
[0029] Типовые неограничивающие варианты реализации изобретения описываются далее применительно к прилагаемым графическим материалам, среди которых:
[0030] [фиг. 1] на фиг.1 схематически представлена система анализа газов с помощью рамановской спектрометрии в соответствии с вариантом реализации изобретения,
[0031] [фиг. 2]
[0032] [фиг. 3]
[0033] [фиг. 4]
[0034] [фиг. 5]
[0035] на фиг. 2-5 представлены временные характеристики сигналов, наблюдаемых в системе анализа газов по фиг. 1.
[0036] На фиг. 1 представлена система анализа газов с помощью рамановской спектрометрии в соответствии с вариантом реализации изобретения. Система анализа газов содержит лазерный источник 100, оптический модуль 120 для формирования профиля интенсивности пучка лазерного излучения, генерируемого лазерным источником, оптический модуль 130 для согласования резонансных мод, оптический модуль 160 для ослабления оптической обратной связи, оптический резонатор 180, фотодетектор 190 и оптическое устройство 50 для улавливания части света, рассеиваемого в оптическом резонаторе под действием пучка лазерного излучения на газах, присутствующих в оптическом резонаторе 180, причем оптическое устройство 50 соединено со входом 310 рамановского спектрометра 300.
[0037] Оптический резонатор 180 с «V»-образной формой и двумя плечами содержит корпус 181 резонатора, ограничивающий резонатор 180, вход или зеркало 182 связи и два торцевых зеркала 184, 186, причем все три зеркала прикреплены к корпусу 181 резонатора. Корпус 181 резонатора выполнен с возможностью принятия потока анализируемого газа и прохождения света между зеркалами 182, 184, 186. Корпус 181 резонатора может быть изготовлен, например, из нержавеющей стали.
[0038] Лазерный источник 100 выполнен с возможностью генерирования светового пучка на единственной продольной моде, в ультрафиолетовом диапазоне, в видимом диапазоне ближней инфракрасной области. Лазерный источник 100 также выполнен с возможностью изменения частоты испускаемого пучка лазерного излучения, например, без перескока мод, при изменении одного из его управляющих параметров, например, его тока питания или температуры или других параметров в зависимости от конструкции лазерного источника. Кроме того, диапазон изменения частоты генерации лазерного источника 100 занимает более чем ширину нескольких свободных спектральных диапазонов FSR резонатора 180. Пучок излучения от лазерного источника 100 испускается в направлении Z. Фиг. 1 размещена в плоскости XZ с направлением Y, перпендикулярным плоскости XZ.
[0039] Лазерный источник 100 может представлять собой, например, лазерный диод типа лазерного диода с распределенной обратной связью типа (DFB). Могут применяться и другие лазерные источники, например, лазерный диод с распределенным брэгговским отражателем (DBR). Лазерный источник может также представлять собой диод Фабри-Перо, стабилизированным внешним частотно-избирательным элементом, таким как объемная брэгговская решетка (VBG), дифракционная решетка или узкополосный фильтр. Лазерный источник может также представлять собой лазер, связанный с комплексным устройством настройки частоты генерации, или лазер с поверхностным излучением и вертикальным резонатором (VCSEL), соединенный с диэлектрическим мембранным зеркалом, частота генерации которого может настраиваться с помощью напряжения, подаваемого на подложку лазера и зеркало.
[0040] Пучок, генерируемый лазерным источником 100, проходит через коллимационный оптический модуль 110, позволяющий уменьшать расходимость генерируемого пучка одновременно в двух направлениях, перпендикулярных направлению распространения пучка. В спектрометрии традиционно осуществляют коллимацию генерируемого пучка лазерного излучения с использованием лазерного диода для облегчения передачи пучка лазерного излучения на поглощающий элемент и на фотодетектор на выходе элемента. В рамановской спектрометрии, основанной на применении оптического резонатора, согласование пучка лазерного излучения выполняют более точно. Фактически для получения эффективного переноса световой энергии пучок лазерного излучения согласовывают с основной резонансной модой резонатора, для чего требуется настройка распределения амплитуд и фаз пучка лазерного излучения для их максимально возможного приближения к параметрам основной резонансной модой резонатора. В варианте реализации изобретения, показанном на фиг. 1, согласование мод осуществляется оптическими модулями 110, 120 и 130.
[0041] Модуль 110 может представлять собой отдельную линзу, которая может являться асферической или двойной ацилиндрической линзой. Модуль 110 может также представлять собой комбинацию нескольких линз с более или менее сложным профилем или других оптических компонентов.
[0042] Многие лазерные диоды генерируют пучки, характеризующиеся эллиптической формой профиля интенсивности с высоким эксцентриситетом и/или большим астигматизмом. Коллимированный пучок лазерного излучения 121 на выходе модуля 110 может в результате характеризоваться сильно отличающимися значениями ширины и расхождения в зависимости от рассматриваемого направления. Затем коллимированный пучок лазерного излучения 121 на выходе модуля 110 обрабатывается с помощью оптического модуля 120 формирования профиля интенсивности, выполненного с возможностью генерации пучка, характеризующегося по сути круглой формой профиля интенсивности. В соответствии с вариантом реализации изобретения формирующий профиль интенсивности оптический модуль 120 содержит пару анаморфотных линз 124, 127, которые расширяют пучок 121 в одном направлении. В соответствии с ориентацией показанных на фиг. 1 призм 124, 125 пучок 121 на выходе оптического модуля 110 характеризуется эллиптической формой поперечного разреза профиля интенсивности (в плоскости XY) с ориентацией главной оси в направлении Y. Две призмы 124 127 расширяют пучок в направлении X для того, чтобы в максимально возможной степени приблизить друг к другу значения ширины пучка в направлениях X и Y. В качестве примера, эксцентриситет пучка лазерного излучения, генерируемого лазерным источником, равен 2,8. В то же время лазерные диоды в видимом диапазоне могут генерировать пучок лазерного излучения с эксцентриситетом, равным 4.
[0043] Согласно другому варианту реализации изобретения оптический модуль 120 может быть изготовлен с применением цилиндрических линз.
[0044] Профилированный по интенсивности пучок лазерного излучения 129 на выходе оптического модуля 120 затем проходит обработку в оптическом модуле 130 согласования резонансных мод. Модуль 130 выполнен с возможностью настройки пространственных параметров пучка 129 для их приближения к пространственным параметрам пучка с основной модой оптического резонатора 180 (согласование мод). Условия для такого согласования мод режима могут быть получены в случае, когда распределение амплитуд и фаз в направлениях X и Y пучка 171 на входном зеркале 182 совпадает или является достаточно близким к характеристикам пучка 172, соответствующего основной моде резонатора. Оптический модуль 130 может содержать одну или несколько линз или комбинацию различных оптических компонентов. В примере, показанном на фиг. 1, оптический модуль 130 содержит две сферические линзы 134, 137.
[0045] Пучок 138 на выходе оптического модуля 130 направлен в сторону входного зеркала 182 оптического резонатора 180 с помощью двух зеркал 150, 153 таким образом, что пучок 171, отражаемый зеркалом 153, является коллинеарным с изображением пучка 172 с основной модой, присутствующего в резонаторе 180. Зеркало 153 установлено на исполнительном механизме 154, таком как пьезоэлектрический преобразователь, для настройки длины оптического пути между выходом лазерного источника 100 и зеркалом 182 связи на входе в оптический резонатор 180, и, в результате, для настройки фазы пучка обратной связи из резонатора 180, выходящего от торцевого зеркала 184 резонатора. Вследствие этого могут быть выполнены условия синхронизации оптической обратной связи.
[0046] Между зеркалами 150 и 153 оптический модуль 160 выполняет настройку ослабления интенсивности сигнала оптической обратной связи. Функция модуля 160 заключается в настройке соотношения интенсивности между пучком обратной связи и падающим пучком из лазерного источника 100 с получением его оптимальной величины, которую выполняют до тех пор, пока ширина полосы сигнала синхронизации обратной связи является близкой к величине свободного спектрального диапазона FSR, но не большей чем она. Оптимальная величина интенсивности пучка обратной связи зависит от характеристик зеркал 182, 184, 186, образующих оптический резонатор 180, характеристик лазерного источника 100 и эффективности взаимодействия между лазерным источником и оптическим резонатором. Величина коэффициента ослабления, требуемая для достижения этого оптимального значения, как правило, находится между 25 и 35 дБ. Оказывается, что оптимальная величина интенсивности пучка обратной связи реагирует на малые изменения до такой степени, что оно изменяется в пределах одной выпущенной партии. Эта оптимальная величина также изменяется с течением времени, в особенности в результате износа компонентов системы газового анализа и потерь внутри резонатора, вызываемых присутствием определенных газов.
[0047] Теоретически, может применяться любой аттенюатор с настройкой коэффициента пропускания. Модуль 160 аттенюатора может представлять собой, например, неселективный светофильтр или даже пару по сути скрещенных поляризаторов. В то же время такие поляризаторы могут вызывать значительную потерю мощности пучка, инжектируемого в резонатор, что является нежелательным в системе рамановской спектрометрии. Для практических применений предпочтительным является не только настраивать диапазон синхронизации оптической обратной связи. но также инжектировать в резонатор максимально возможное количество световой энергии, что не наблюдается в системах предшествующего уровня техники (например, раскрываемых в патентной заявке WO 03/031949).
[0048] Пучок 172, получающийся в результате пропускания пучка 171 зеркалом 182 связи отражается первым зеркалом 184 из торцевых зеркал резонатора. Пучок 173, отражаемый зеркалом 184, отражается на зеркале 182 связи. Пучок 174, отражаемый от зеркала 182 связи отражается назад на второе зеркало 186, которое отражает пучок 175 назад в сторону зеркала 182 связи. Часть пучка 173 резонатора, выходящего от зеркала 184 и проходящего через зеркало 182 связи, составляет пучок обратной связи. Часть 176 пучка 175, выходящая от зеркала 186 и проходящая через зеркало 182 связи, характеризуется тем же направлением, что и часть 177 падающего пучка 171, который выходит от лазерного источника 100 и отражается непосредственно зеркалом 182 связи, не заходя в резонатор.
[0049] Пучок 172, заходящий в оптический резонатор 180, возбуждает одну из систем мод резонатора. Одна из систем мод резонатора поляризована в плоскости падения (XZ) зеркала 182 связи, а другая из этих систем мод резонатора поляризована перпендикулярно плоскости падения YZ. В результате для возбуждения одной из этих систем мод резонатора ось передачи выходного поляризатора 168 модуля 160 аттенюатора ориентируют параллельно оси Х или Y. Вследствие этого ось передачи входного поляризатора 162 ориентируют приблизительно под углом 45° относительно плоскости XZ. Это не совпадает с поляризацией падающего пучка 138 от модуля 130. В результате поляризация пучка 138 повернута на угол около 45°, например, посредством волновой пластинки 140, расположенной между модулями 130 и 160. Вследствие этого пучок на выходе волновой пластинки 140 характеризуется поляризацией, соответствующей ориентации входного поляризатора 162.
[0050] Пучок внутри оптического резонатора 180 наблюдают с помощью фотодетектора 190 через торцевое зеркало 184 резонатора. Фотодетектор 190 представляет собой, например, фотодиод. Сигналы от фотодетектора 190 обрабатываются и анализируются процессором СР, выполненным с возможностью генерации сигналов ATT и CDA для управления исполнительным механизмом 154 и модулем 160 аттенюатора.
[0051] Пучок лазерного излучения, проходящий в оптическом резонаторе, содержащий части 172-175, используется в качестве источника, создающего рамановское рассеяние. Рассеиваемый свет улавливается оптическим модулем 50, содержащим две линзы 54, 56 с большой числовой апертурой, который передает изображение рассеиваемого света из корпуса 181 резонатора в область 52 для улавливания рассеиваемого света из резонатора. Оптический модуль 50 соединен со входом рамановского спектрометра, либо непосредственно, либо через оптическую линию 305 связи. Оптическая линия 305 связи может представлять собой оптоволокно с пригодным диаметром или оптоволоконный жгут.
[0052] Рамановский спектрометр может классически содержать входную щель 310, связанную с коллимирующей линзой 314, характеризующейся большой числовой апертурой, дифракционную решетку 320, линзу 316 и датчик 330 спектрометра для формирования спектра выходящего из дифракционной решетки 320 света. Световой пучок, входящий через щель 310, передается на дифракционную решетку 320 через линзу 314. Световой пучок от дифракционной решетки 320 передается на датчик 330 через линзу 316. Датчик 330 содержит массив из нескольких сотен фоточувствительных элементов, которые принимают свет, передаваемый линзой 316 через фильтр, распределяющий принимаемые длины волн по фоточувствительным элементам датчика 330 таким образом, что каждый элемент датчика принимает только ограниченный диапазон длин волн, принадлежащий спектральной полосе длин волн, которая соответствует формируемому спектру. Фильтр может представлять собой, например, фильтр Фабри-Перо или регулируемый линейный фильтр. С помощью такого фильтра длины волн, передаваемые на фоточувствительные элементы датчика 330, могут не включать спектральную полосу длин волн пучка лазерного излучения в оптическом резонаторе, в результате чего фоточувствительные элементы принимают только неупруго рассеиваемый свет в резонаторе, то есть рамановский спектр.
[0053] Спектр, генерируемый датчиком 330, может быть проанализирован с использованием способов спектрального анализа, известных в рамановской спектрометрии, для определения природы и/или концентрации газов, присутствующих в оптическом резонаторе. Такие способы спектрального анализа могут включать обнаружение и измерение в формируемом спектре частот и амплитуд рамановских линий, из которых могут быть сделаны выводы относительно природы и, возможно, концентрации газов, присутствующих в оптическом резонаторе.
[0054] Зеркало 182 связи содержит на своей поверхности, обращенной внутрь резонатора 180, диэлектрическое покрытие 183, характеризующееся высоким коэффициентом отражения R (близким к 1). Поверхность зеркала 182, обращенная к внешней стороне резонатора, может быть покрыта просветляющим покрытием 183а. Как правило, величину 1-R выбирают в диапазоне от нескольких ppm до нескольких сотен ppm. В некоторых вариантах реализации изобретения величина 1-R может составлять даже несколько процентов.
[0055] В соответствии с вариантом реализации изобретения торцевые зеркала 184, 186 резонатора являются идентичными зеркалу 182 связи. В результате при пиковых значениях световой интенсивности, наблюдаемых в резонаторе, пучок лазерного излучения, проходящий в резонаторе, выходит из резонатора в четырех направлениях, каждый раз, когда он сталкивается с одним из зеркал 182, 184, 186.
[0056] В соответствии с другим вариантом реализации изобретения торцевые зеркала 184, 186 резонатора характеризуются значительно более высокой отражательной способностью, чем зеркало 182. Такая схема исполнения позволяет уменьшать потери энергии, связанные с передачей пучка лазерного излучения, проходящего через резонатор, с помощью торцевых зеркал 184, 186, а также увеличивать аккумуляцию световой энергии в оптическом резонаторе 180 до 4-х раз и, соответственно, повышать интенсивность рамановского сигнала.
[0057] Прирост световой энергии, аккумулированной в резонаторе, может достигать четырех раз за счет устранения существенных потерь световой энергии, связанных с поглощающей способностью газов, заполняющих резонатор 180, и за счет того, что торцевые зеркала 184, 186 резонатора характеризуются очень высокими коэффициентами отражения, которые намного выше, чем их коэффициенты пропускания. Только в таком случае небольшая часть световой энергии выходит из резонатора с помощью зеркал 184, 186, и аккумуляция световой энергии в резонаторе такова, что пучок 176, выходящий из резонатора через зеркало 182 связи, и пучок 177, непосредственно им отражаемый, являются коллинеарными и обладают по сути равной мощностью. Поскольку пучки 176 и 177 характеризуются противоположными фазами, их суммарная мощность близка к нулю. В результате вся мощность, передаваемая лазерным источником в резонатор, выходит из него в одном направлении вместо четырех, причем три других пучка, выходящих из резонатора, характеризуются незначительной интенсивностью. Такую схему исполнения, позволяющую инжектировать в оптический резонатор всю имеющуюся энергию, подаваемую лазерным источником, при этом избегая потерь, в теории оптических резонаторов называют «с согласованием импедансов».
[0058] За счет улучшения взаимодействия между светом, рассеиваемым в оптическом резонаторе 180, и входной щелью 310 рамановского спектрометра может быть получено преимущество, которое заключается в получении пригодных для использования рамановских сигналов. Входная щель традиционного рамановского спектрометра характеризуется шириной от 25 мкм до 100 мкм и высотой в несколько миллиметров. Такая входная щель расположена в фокальной плоскости коллимирующей линзы с низкой аберрацией и числовой апертурой, составляющей около 0,4. Поэтому может потребоваться пучок лазерного излучения, обладающий таким диаметром в улавливающей области 52, при котором его изображение, получаемое с помощью оптического устройства 50, соответствовало бы входной щели 310 спектрометра 300. Или наоборот, для оптимизации улавливания рассеиваемого света может потребоваться, чтобы диаметр пучка лазерного излучения в улавливающей области 52 соответствовал изображению входной щели 310, получаемому с помощью оптического устройства 50.
[0059] В соответствии с вариантом реализации изобретения совпадение диаметра пучка в улавливающей области 52 в оптическом резонаторе 180 c шириной входной щели 310 спектрометра достигается с помощью надлежащего выбора радиуса кривизны зеркал 182, 184, 186 резонатора. Как известно, для заданной высоты входной щели и заданной числовой апертуре входной оптики спектрометра может быть определен коэффициент увеличения оптического устройства 50 и могут быть рассчитаны оптимальные параметры фокусировки пучка лазерного излучения в резонаторе (см., например, работу [1]). Например, если рассматривать параметры традиционного компактного рамановского спектрометра, такого как спектрометр серии WP 785L, выполненный с возможностью работы на возбуждающей длине волны 785 нм, характеризующийся числовой апертурой, равной 0,38, и высотой входной щели 0,6 мм, то оптимальный диаметр возбуждающего пучка лазерного излучения в резонаторе составляет 24,5 мкм. Выбор такого диаметра позволяет получать максимальную интенсивность рассеянного рамановского света и, следовательно, рамановского сигнала. Это означает, что если ширина входной щели спектрометра составляет 25 мкм, а возбуждающий пучок лазерного излучения с длиной волны 785 нм фокусируется до диаметра 24,5 мкм, то рамановский сигнал, который можно наблюдать, обладает наиболее возможной высокой интенсивностью. В то же время в традиционной спектрометрической системе с оптической обратной связью, синхронизируемой по «V»-образному оптическому резонатору с тремя зеркалами резонатора, характеризующимися одинаковым радиусом кривизны 400 мм, и плечами оптического резонатора длиной 200 мм, диаметр пучка лазерного излучения в резонаторе частично достигает по меньшей мере 418 мкм, что соответствует 16,7-кратной оптимальной ширине. Это предполагает 10-кратные потери по сравнению с тем, что может быть получено в случае оптимального взаимодействия. Если радиус кривизны зеркал 182, 184, 186 резонатора уменьшать, например, до 20 мм, то при их размещении таким образом, чтобы плечи резонатора уменьшились до 30 мм, диаметр пучка лазерного излучения в оптическом резонаторе, видимый с помощью оптического устройства 50, частично увеличивается до минимального значения 94 мкм, что соответствует 4-кратной оптимальной ширине. Теоретически можно было бы уменьшать радиус кривизны зеркал резонатора с тем, чтобы частично уменьшить диаметр пучка лазерного излучения в резонаторе до оптимальной величины 24,5 мкм, но это может предполагать наличие нереальных величин радиуса кривизны зеркал резонатора (0,7 мм) и длины резонатора (1,05 мм).
[0060] В соответствии с вариантом реализации изобретения диаметр возбуждающего пучка лазерного излучения в резонаторе частично уменьшается при выборе трех зеркал с отличающимися радиусами кривизны и разными длинами плеч «V»-образного резонатора. В соответствии с типовым вариантом реализации изобретения зеркала 182 и 184 характеризуются фиксированным радиусом кривизны 20 мм и находятся на расстоянии 30,3 мм друг от друга, а зеркало 186 является плоским и удаленным на 160 мм от входного зеркала 182. Такая конфигурация позволяет получать возбуждающий пучок лазерного излучения в резонаторе, характеризующийся частичным сужением диаметра до 26 мкм. Сужение возбуждающего пучка лазерного излучения в резонаторе находится на расстоянии 20 мм от зеркала 184. В такой конфигурации достигается намного лучшее взаимодействие рассеиваемого света на входе спектрометра и, следовательно, гораздо более высокая чувствительность измерений.
[0061] Для иллюстрации работы системы анализа по фиг. 1, на фиг. 2-4 изображены в одном временном масштабе временные характеристики огибающей 200 управляющего сигнала, подаваемого на лазерный источник 100, сигнала 220 от фотодетектора 190 (представляющий световую интенсивность излучения, аккумулируемого в оптическом резонаторе 180) и сигнала 240 для управления датчиком 330.
[0062] В следующем описании предполагается, что частотой генерации лазерного источника управляют с помощью его тока питания. Конечно, если используемый лазерный источник управляется другим параметром, то положения, описанные ниже, также применимы к такому управляющему параметру.
[0063] В соответствии с вариантом реализации изобретения управляющий сигнал 200 лазерного источника 100 представляет собой ток 200 питания, содержащий компонент 202 постоянного тока и переменный компонент 204, например, пилообразный компонент, который добавлен к компоненту 202 постоянного тока. Компонент 202 постоянного тока устанавливают равным величине I0, близкой к номинальному току для генерации пучка лазерного излучения 121, характеризующегося мощностью, близкой к номинальной величине для лазерного источника 100. Переменный компонент 204 характеризуется амплитудой изменения ΔI и нарастающими интервалами или линейными участками 205, разделенными ниспадающими интервалами или линейными участками 206 более короткой длительности. В течение нарастающих интервалов 205 собственная длина волны пучка 121 лазерного излучения, генерируемого лазерным источником 100 (в отсутствие обратной связи) возрастает от минимальной величины λ0, соответствующей току I0. В течение ниспадающих интервалов 206 собственная длина волны пучка 121 лазерного излучения уменьшается до минимальной величины λ0.
[0064] В соответствии с вариантом реализации изобретения продолжительность ниспадающих интервалов 206 уменьшают, чтобы частота генерации лазерного источника изменялась достаточно быстро в течение таких интервалов, вследствие чего отсутствует время, необходимое для какого-либо аккумулирования световой энергии в оптическом резонаторе 180.
[0065] В соответствии с вариантом реализации изобретения амплитуду ΔI изменения тока питания лазерного источника 100 выбирают таким образом, чтобы поочередно получать несколько последовательных резонансных мод оптического резонатора 180. Вследствие этого сигнал 220, который получают в случае, когда пучок обратной связи характеризуется требуемой амплитудой и фазой, демонстрирует несколько пиков 221, 222-229 световой интенсивности в течение каждого из нарастающих интервалов 205 тока 200 питания. Кроме того, можно увидеть, что оптическая мощность, аккумулируемая в резонаторе, возрастает с увеличением тока питания. Существование таких пиков 221-229 показывает, что лазерный источник 100 поочередно синхронизируется на нескольких резонансных модах резонатора 180. За счет создания такого тока питания для лазерного источника 100, дающего возможность перестраивать частоту генерации по меньшей мер двум модам резонатора, пики световой интенсивности появляются независимо от величины первой собственной длины волны, генерируемой лазерным диодом, и по сути независимо от фазы пучка оптической обратной связи, за исключением небольшой области возле точки, в которой фаза противоположна оптимальной фазе. В результате после внезапной потери фазовой синхронизации имеется возможность осуществления следующего способа восстановления.
[0066] Когда фаза пучка обратной связи установлена не корректно, максимальная амплитуда пиков световой интенсивности в резонаторе остается ниже той максимальной величины, которая достигается при настройке оптимальной величины фазы. Когда наблюдаемая максимальная амплитуда пиков световой интенсивности опускается ниже пороговой величины, установленной на уровне ниже той максимальной величины, которая достигается при настройке оптимальной величины фазы, процессор CP выполняет запуск линейного участка, охватывающего интервал фаз, составляющий по меньшей мере 4π, и осуществляет наблюдение за пучком лазерного излучения в резонаторе до момента повторного обнаружения условий для согласования по фазе. В практических применениях восстановление согласования по фазе, как правило, длится в течение нескольких периодов изменения переменного компонента 204, и рамановский сигнал может быть получен без прерывания.
[0067] Как только один из пиков 221-229 наблюдается с помощью фотодетектора 190, фаза пучка обратной связи может быть точно согласована, причем оптимальная величина фазы достигается, когда время появления вершины по меньшей мере одного из пиков 221-229 находится в центральной части интервала между временем начала и конца пика. Точное согласование по фазе пучка обратной связи может выполняться с помощью анализа производной сигнала 220, при этом время появления вершин соответствует тем моментам времени, в которых производная сигнала 220 равна нулю, притом, что время начала и конца пиков соответствует тем моментам времени, в которых производная сигнала 220 принимает максимальные значения.
[0068] Затем может быть настроено центрирование пиков 221-229 по отношению к нарастающим интервалам 205 тока 200 за счет воздействия на величину постоянного компонента I0, или на температуру лазерного источника 100 и на амплитуду ΔI изменения тока 200. Отсутствие одного из пиков 221-229 (в то время, когда мощность в резонаторе равна нулю) фактически может приводить к некоторой нестабильности световой энергии, аккумулируемой в резонаторе. На фиг. 2 указанное центрирование является оптимальным, поскольку начало первого пика 221 совпадает с началом нарастающего интервала 205, тогда как конец последнего пика 229 совпадает с концом данного периода и, следовательно, когда в течение нарастающего интервала 205 достигается максимальное количество пиков. Изменение величины компонента постоянного тока I0 (202) оказывает влияние на время начала первого пика 221, а изменение амплитуды ΔI оказывает влияние на степень соответствия между временем конца последнего пика и концом нарастающего интервала 205. В любом случае такие корректировки могут быть действительно необходимы, в особенности, по причине изнашивания лазерного источника, которое приводит к изменениям его характеристик (длины волны генерируемого пучка в зависимости от тока питания или параметров, характеризующих обратную связь).
[0069] В течение ниспадающих интервалов 206 тока 200 питания возникает последовательность 230, в которой резонансные моды быстро перестраиваются в результате более короткой длительности ниспадающих интервалов. Поэтому мощность, аккумулируемая на каждой моде, является меньшей, чем в течение нарастающих интервалов. На фиг. 2 видно, что протяженность ниспадающих интервалов 206 была увеличена для упрощения понимания. с тем чтобы показать, что в течение этих периодов лазерный источник 100 последовательно синхронизируется с теми же модами резонатора, что и в течение нарастающего интервала 205, но в обратном порядке. В соответствии с вариантом реализации изобретения ниспадающие интервалы 206 укорачивают до такой степени, что перестройка частоты генерации по модам резонатора выполняется слишком быстро для синхронизации лазерного источника на модах резонатора. Такая конфигурация позволяет избежать загрязнения рамановского сигнала сигналами переходных процессов, которые могут появляться в результате синхронизации мод в течение ниспадающих интервалов 206 и которые могли бы оказывать влияние на процесс синхронизации в течение нарастающих интервалов 205.
[0070] В отличие от технических решений предшествующего уровня техники, использующих ток питания лазерного источника с амплитудой изменения, выбираемой таким образом, чтобы получить единственную резонансную моду резонатора, отсутствует необходимость центрировать нарастающий интервал тока питания на резонансной моде, поскольку амплитуда ΔI изменения тока питания лазерного источника систематически позволяет получать несколько мод резонатора. Также очевидно, что этот способ возбуждения оптического резонатора является слабо чувствительным к механическим помехам, поскольку синхронизация на разных модах резонатора является очень устойчивой. В действительности синхронизация лазерного источника 100 с модой оптического резонатора может быть утрачена только в том случае, когда фотодетектор 190 не обнаруживает сигнал в резонаторе при большом фазовом сдвиге пучка обратной связи. Когда интенсивность пиков, измеряемая фотодетектором 190, находится ниже определенной пороговой величины, фазу пучка обратной связи регулируют с возможностью выполнения быстрой перестройки от минимальной до максимальной величины фазы, до тех пор, пока начало пиков не становиться видимым. Затем может выполняться процесс синхронизации. По этой причине в случаях, когда происходит потеря синхронизации, восстановление синхронизации является быстрым и легким.
[0071] Следует отметить, что настройка фазы пучка обратной связи может быть выполнена посредством изменения длины оптического пути между лазерным источником и зеркалом 182 связи, например, за счет регулирования малого смещения зеркала 153 с помощью преобразователя 154. Могут применяться также другие также известные средства для настройки длины оптического пути, например, электрооптический модулятор, описываемый в документе WO 2018/060285.
[0072] Оптимальная величина амплитуды ΔI изменения тока питания лазерного источника 100 может быть определено из отклонения δI тока, необходимого для переключения от одной резонансной моды к другой, и требуемого количества возбуждаемых мод Nm. В результате амплитуда ΔI может быть получена с использованием следующего уравнения:
ΔI = Nm x δI + δIs, (1)
в котором δIs представляет собой дополнительный ток стабильности, для которого:
0 < δIs < δI.
[0073] Также можно увидеть, что ранее описываемый способ возбуждения оптического резонатора 180, заключающийся в перестройке частоты генерации по более чем одной резонансной моде резонатора, по всей видимости противоречит тому факту, что рамановская спектрометрия требует наличия монохроматического пучка лазерного излучения. Если это условие не выполняется, то ухудшается разрешающая способность при измерении. Фактически, в случае возбуждения нескольких резонансных мод в течение каждого интервала 205, 206 тока 200 питания лазерного источника возбуждение резонатора 180 не является монохроматическим, а принимает вид пакета импульсов с различными длинами волн. Например, при использовании в качестве датчика 330 для рамановского спектрометра матрицу ПЗС (приборов с зарядовой связью) с количеством фоточувствительных элементов (пикселей) от 1024 до 2048. Такой датчик может охватывать рамановский диапазон частот, например, от 2000 см-1 до 4000 см-1. Элемент изображения спектра должен быть выполнен по меньшей мере тремя пикселями датчика 330. В крайнем случае, когда элемент изображения спектра соответствует отдельному пикселю, спектральная ширина элемента спектра не может превышать от 2 см-1 до 4 см-1. Кроме того, разность частот по двум резонансными модам в «V»-образном резонаторе, характеризующемся плечами в 20 см, соответствует 0,0125 см-1. Это значит, что в течение длительности одного линейного участка 205 переменного компонента 204 тока 200 питания лазерного источника 100 может выполняться перестройка частоты генерации по десяткам резонансных мод резонатора, с учетом того факта, что такие резонансные моды не могут быть различимы со спектральным разрешением, составляющем в лучшем случае 2 см-1. В результате пучок лазерного излучения, присутствующий в резонаторе 180 в течение длительности нарастающего линейного участка 205, возбуждает те моды резонатора, которые остаются в частотном диапазоне с шириной значительно ниже разрешающей способности датчика (то есть 4 см-1).
[0074] Система анализа газов, описываемая выше, обладает высокой стабильностью и способна сохранять условия синхронизации в течение неограниченного времени за исключением случая очень сильной механической помехи. В случае такой помехи восстановление синхронизации происходит очень быстро (менее чем за одну секунду) Благодаря высокой мощности, которая может аккумулироваться в оптическом резонаторе, спектрометр обладает высокой чувствительностью и, следовательно, характеризуется высокой точностью определения концентраций газов, присутствующих в оптическом резонаторе.
[0075] В контексте рамановского спектрометра предпочтительным является использование аттенюатора, который передает всю мощность пучка от лазерного источника 100, при этом осуществляя ослабление пучка обратной связи с коэффициентом ослабления, настроенным на оптимальную величину. В соответствии с вариантом реализации изобретения модуль 160 аттенюатора содержит модуль фарадеевского вращателя, содержащий входной поляризатор 162, фарадеевскую оптическую среду 164 и выходной поляризатор 168. Фарадеевскую оптическую среду 164 помещают в магнитное поле, например, образованное с помощью постоянного магнита 166, коллинеарное с направлением распространения пучка от лазерного источника 100. Когда угол фарадеевского вращения 164, сообщаемого оптической средой 164 падающему пучку от входного поляризатора 162, является равным 45° и соответствует ориентации выходного поляризатора 168, в падающем пучке происходит слабая потеря мощности. С другой стороны, пучок обратной связи, проходящий через модуль 160 в обратном направлении, поляризован перпендикулярно оси пропускания входного поляризатора 162. Вследствие этого, если оптическая среда 164 не вызывает деполяризацию и если поляризаторы являются идеальными, то пучок обратной связи полностью гасится. Иначе говоря, коэффициент ослабления равен нулю. Величину коэффициента ослабления настраивают посредством настройки разности между углами поляризации двух поляризаторов 162, 168. Такая настройка нацелена на приведение ширины пиков 221-229 к оптимальной величине для сокращения интервалов с нулевой интенсивностью между пиками световой интенсивности или по меньшей мере одного из таких интервалов.
[0076] Обычно такую настройку интенсивности пучка обратной связи выполняют время от времени, например, в течение периода запуска системы. Фактически свойства резонатора и лазерного источника могут изменяться медленно с течением времени, что приводит к отклонению интенсивности пучка обратной связи от своей оптимальной величины. В то же время может потребоваться динамическая настройка интенсивности пучка обратной связи.
[0077] Кроме того, оказывается, что магнитные свойства фарадеевских вращателей, такие как магнитное поле и постоянная Вердэ изменяются в зависимости от температуры. Внутренняя температура рамановского спектрометра может поддерживаться постоянной. В помехонасыщенном окружении на спектрометр также могут воздействовать изменения температуры окружающей среды, которые могут влиять на распределение температуры внутри спектрометра даже если температура внутри резонатора 180 остается неизменной. В действительности температура модуля 160 аттенюатора может изменяться, что также может влиять на интенсивность пучка обратной связи, которая может отклоняться от своего оптимальной величины. Вследствие этого уменьшение интенсивности пучка обратной связи может приводить к потерям чувствительности спектрометра. С другой стороны, увеличение интенсивности пучка обратной связи может приводить к уширению пиков 221-229 до степени превышения расстояния между соседними модами резонатора и по этой причине вызывать остановку работы спектрометра в результате потери моды резонатора. Запас по безопасности может быть введен посредством установки интенсивности пучка обратной связи на величину, меньшую, чем оптимальная величина. В то же время такое техническое решение приводит к эффекту снижения мощности, аккумулируемой в резонаторе, и, вследствие этого, чувствительности спектрометра.
[0078] В соответствии с вариантом реализации изобретения с модулем 160 аттенюатора соединено нагревающее устройство для компенсации нежелательных изменений температуры модуля 160 в зависимости от ширины пиков световой интенсивности в резонаторе. Нагревающее устройство может представлять собой, например, элемент Пельтье или нагревательную полосу, обернутую вокруг модуля 160. Кроме того, начальную оптимальную интенсивность пучка обратной связи устанавливают равной величине, соответствующей температуре модуля 160, которая выше, чем температура, установленная для внутренней области спектрометра. Кроме того, модуль 160 выполнен с возможностью достижения максимально возможной термоизоляции при более высокой температуре. В такой исходной конфигурации ширину пиков 221-229 световой интенсивности в резонаторе отслеживают с использованием сигнала 220, предоставляемого фотодетектором 190. Если требуется уменьшить ширину этих пиков 221-229, температуру модуля 160 снижают за счет понижения напряжения питания нагревателя, увеличивая тем самым интенсивность пучка обратной связи, и наоборот. В результате нагревателем можно управлять с помощью сервопривода для поддержания оптимальной величины ширины пиков 221-229, для сокращения по меньшей мере одного, а предпочтительно всех интервалов с нулевой интенсивностью между максимумами световой интенсивности.
[0079] Традиционно датчик 330 управляется с возможностью работы в режимах экспонирования в чередовании с режимами считывания, во время выполнения которых фоточувствительные элементы датчика получают результаты измерения спектра. За счет синхронизации управляющего сигнала лазерного источника с спектрометром может быть получено преимущество, которое заключается в предотвращения явления биения.
[0080] В соответствии с вариантом реализации изобретения режим экспонирования датчика 330, то есть режим интеграции фотонов, заходящих в датчик 330, согласован во времени с целым числом интервалов 205-206 тока 200 питания лазерного источника 100. Начало режима экспонирования синхронизировано с током 200 питания, например, с началом нарастающего линейного участка 205 тока питания. На фиг. 2 показан управляющий сигнал 240 для датчика 330. Импульсы 241 и 242 сигнала 240 управляют соответственно началом и концом режима экспонирования датчика 330. Нарастающий фронт импульсов 241, 242 согласован во времени с началом нарастающего линейного участка 205 тока 200 питания, а ниспадающий фронт импульсов 241, 242 согласован во времени с концом другого нарастающего линейного участка 205 тока питания.
[0081] В конце режима экспонирования сигналы, аккумулируемые в датчике 330, пропорциональны интегральной величине интенсивности всех пиков 221-229 световой интенсивности, наблюдаемых в течение этого режима (между нарастающим фронтом 241 и ниспадающим фронтом 242 управляющего сигнала, 240), в том числе более коротких пиков 230, появляющихся в течение длительности ниспадающих линейных участков 206 тока 200 питания.
[0082] В качестве примера оптический резонатор 180 характеризуется наличием плеч длиной 20 см. В результате расстояние между модами резонатора составляет 0.0125 см-1. Переменный компонент 204 может составлять 15 % от компонента 202 постоянного тока от источника тока питания лазерного источника 100, что позволяет перестраивать частоту генерации по около 40 модам резонатора. Спектрометр 330 может содержать 1024 пикселей и охватывать частотный диапазон от 250 см-1 до 2500 см-1. Вследствие этого его спектральное разрешение равно 10 см-1. В результате сорок или около того мод резонатора при перестройке частоты генерации охватывают менее четверти спектральной ширины на пиксель. Вследствие этого тот факт, что возбуждающий источник является немонохроматическим, оказывает пренебрежительно слабое влияние на работу рамановского спектрометра по сравнению с полностью монохроматическим возбуждающим источником. Можно увидеть, что устойчивость системы не изменяется, даже если перестройку генерации проводят по менее чем десяти модам резонатора. Длительность периода переменного компонента 204 может составлять от 0,05 с до 0,2 с, причем минимальная величина достигается, когда скорость перестройки частоты генерации становится слишком высокой и воздействует на амплитуду пиков световой интенсивности в резонаторе. Продолжительность режимов экспонирования датчика 330 может составлять от 10 до нескольких сотен периодов переменного компонента 204, то есть от долей секунды до нескольких десятков секунд в зависимости от интенсивности рамановского сигнала. Если длину плеч оптического резонатора 180 уменьшить до 10 см, то переменный компонент 204, составляющий 15 % от компонента 202 постоянного тока от источника тока питания лазерного источника 100, позволяет перестраивать частоту генерации по около двадцати модам резонатора. В то же время влияние такой перестройки частоты генерации на спектральное разрешение спектрометра остается неизменным.
[0083] В соответствии с вариантом реализации изобретения ток 200 питания отключают в конце режима экспонирования датчика 330, что соответствует ниспадающему фронту 242 сигнала 240. В результате, как показано на фиг. 3, ток 200 питания устанавливают равным нулю в течение периода 208 между фронтами 207 и 209. В течение длительности нарастающего фронта 209 ток питания восстанавливает величину I0 (202).
[0084] Рассмотрим случай, когда конец режима экспонирования датчика 330 включается в конце нарастающего линейного участка. В течение времени 208, когда лазерный источник выключен, часть 232 между фронтами 207 и 209 сигнала 220, предоставляемого фотодетектором 190, соответствует результату измерения в отсутствие света. Такой результат измерения сохраняют для последующего вычитания из всех результатов измерения сигнала 220, предоставляемого фотодетектором 190. В результате на фиг. 3 скорректированный сигнал 220 равен нулю в течение периода 232 после пика 231, соответствующего периоду 208, когда лазерный источник 100 выключен. Такая схема исполнения позволяет выполнять коррекцию дрейфа фотодетектора 190, который предоставляет результаты измерения темнового сигнала (темнового тока) в отсутствие света, поскольку такой результат измерения может изменяться как функция от времени.
[0085] С момента 209 времени, когда ток питания лазерного источника 100 восстанавливается до величины I0, мощность пучка в резонаторе 180 требует некоторого времени для наращивания, что показано на огибающей 234 сигнала 220. Это происходит по причине падения температуры перехода лазерного источника 100 на несколько градусов ниже его номинальной рабочей температуры в результате отключения его питания. Вследствие этого лазерный источник 100 начинает генерировать длину волны, более короткую, чем длина волны первого пика 221 световой интенсивности, а затем длина генерируемой волны увеличивается, пока не достигнет длины волны, соответствующей первому пику 221 световой интенсивности, генерируя огибающую 234 сигнала, содержащего поочередные возбуждения резонансных мод резонатора на длинах волн, более коротких, чем длины волн в полосе перестройки частоты генерации. Оказывается, что такие возбуждения могут «загрязнять» результаты измерений, выполняемых спектрометром.
[0086] В соответствии с вариантом реализации изобретения такое явление загрязнения, возникающее в результате отключения питания лазерного источника 200 в связи с обновлением результата измерения темнового сигнала фотодетектора 190, предотвращают посредством задержки начала 241 режима экспонирования датчика 330 до начала появления первого пика 221 (или 221a), то есть до момента 241a времени. Разумеется, частота следования режимов 208 отключения тока питания лазерного источника 100 выбрана с возможностью соответствия скорости изменения темнового сигнала фотодетектора 190.
[0087] Режим 208 отключения тока 200 питания лазерного источника 100 может проходить в то время, когда пучок лазерного излучения определенной интенсивности присутствует в резонаторе 180. Такой случай показан на фиг. 4. Аккумулируемая мощность в резонаторе 180 не может исчезнуть мгновенно, даже если лазерный источник 100 больше не передает сигнал. На самом деле аккумулируемая мощность пучка в резонаторе 180 экспоненциально уменьшается, пока не исчезает, что видно из формы сигнала 236, с постоянной τ времени спада, которая зависит от потерь на зеркалах 182, 184, 186 резонатора и степени поглощения газов в резонаторе. Когда зеркала обладают очень высокой отражательной способностью, постоянная τ времени может составлять от долей микросекунды до нескольких сотен микросекунд.
[0088] В соответствии с вариантом реализации изобретения питание лазерного источника 100 отключается в тот момент, когда последний пик 231 сигнала 220 достигает своей максимальной величины, причем этот последний пик появляется в конце нарастающего линейного участка 205 тока 200 питания. Такое действие позволяет получать информацию о состоянии резонатора 180. Фактически в условиях применения для анализа газов, пыль или продукты коррозии могут влиять на отражательную способность зеркал 182, 184, 186 резонатора. Фактически оказывается, что время спада сигнала 220 после отключения тока 200 питания является показателем потерь в резонаторе и, следовательно, состояния зеркал резонатора. Если в процессе измерения время спада получается слишком большим, может быть включен сигнал тревоги, указывающий на необходимость очистки зеркал резонатора. После времени ожидания, достаточного для завершения спада, могут быть получены несколько результатов измерений сигнала 220 от фотодетектора 190, а затем темновой ток может быть определен путем усреднения этих измерений.
[0089] Кроме того, пиксельные модули датчиков спектрометра, таких как ПЗС, также генерируют темновые сигналы, которые могут изменяться во времени и при переходе от одного пиксельного модуля к другому. Эти сигналы вызывают шум, который ограничивает разрешающую способность и чувствительность рамановского спектрометра. Темновой сигнал от каждого пиксельного модуля содержит случайный компонент, который изменяется с каждым режимом экспонирования датчика 330. Такой случайный компонент обусловлен в основном тепловым шумом, возникающим в фоточувствительных элементах пиксельных модулей и в схемах считывания RDC датчика 330. В то же время такой случайный компонент остается довольно незначительным и может быть уменьшен при усреднении пропорционально квадратному корню из числа усредненных экспонирований. Пиксельные модули всех датчиков спектрометра характеризуются темновым током с фиксированным компонентом, который изменяется от пикселя к пикселю и связан с процессом изготовления датчика 330. Такой фиксированный компонент может достигать значительных величин. Фиксированные компоненты темновых токов всех пиксельных модулей датчика спектрометра создают шум с фиксированным профилем или FPN, который значительно ухудшает чувствительность системы. Традиционно FPN для датчика спектрометра заранее определен и заархивирован, и его значение вычитается из сигналов пикселей, предоставляемых датчиком 330. В то же время оказывается, что FPN датчика меняется со временем, в частности, по причине износа компонентов датчика 330, поэтому для вычисления средних значений следует периодически делать несколько экспонирований в отсутствие света. Как правило, FPN следует обновлять с периодичностью в несколько часов в зависимости от стабильности системы. В рамановской спектрометрии, применяемой к газообразным средам и требующей регистрации слабых рассеянных световых сигналов, время экспонирования, как правило, является длительным, порядка нескольких десятков секунд, а иногда и больше, особенно при усреднении результатов измерения от нескольких экспонирований. Нежелательно, особенно в системах управления технологическими процессами, прерывать получение результатов измерений на несколько минут для обновления FPN.
[0090] В соответствии с вариантом реализации изобретения начальное значение FPN определяется во время выполнения операций запуска спектрометра на основе достаточного количества экспонирований в отсутствие света. Во время работы спектрометра производится меньшее количество измерений темнового сигнала при отключенном лазере, которые объединяют с начальным или предшествующими значениями FPN, например, путем расчета скользящего среднего. Например, определение темнового сигнала может выполняться периодически, после нескольких десятков последовательных режимов экспонирования для измерения рамановского сигнала. Измерение темнового сигнала может включать отключение питания лазерного источника 100 во время режима остановки работы, продолжающегося в течение одного или нескольких последовательных режимов экспонирования. Во время этого режима остановки работы для каждого фоточувствительного элемента датчика спектрометра 330 получают результат измерения темнового тока путем считывания указанного элемента. Каждый результат измерения используется для корректировки сохраненного среднего значения темнового тока для соответствующего фоточувствительной элемента, например, путем расчета скользящего среднего. Среднее значение темнового тока каждого фоточувствительного элемента используется для коррекции каждого результата измерения спектра, предоставляемого фоточувствительным элементом.
[0091] В соответствии с вариантом реализации изобретения результатам измерения темнового тока в фоточувствительных элементах предшествуют несколько последовательных результатов измерений, которые не учитываются при расчете, получаемых в начале режима остановки работы для очистки фоточувствительных элементов от электрического заряда, аккумулированного в них в течение режимов экспонирования, предшествующих режиму остановки работы.
[0092] В конфигурации, показанной на фиг. 1, свет, рассеиваемый в оптическом резонаторе, наблюдается с помощью оптического устройства 50 по сути перпендикулярно направлению распространения пучка 172, 173 в резонаторе 180. Схемы исполнения, описываемые выше с использованием фиг. 1, также применимы к случаю коаксиального наблюдения, когда свет, рассеиваемый в оптическом резонаторе, наблюдается вдоль оси пучка 172 или 174 через зеркало 184 или 186.
[0093] В соответствии с вариантом реализации изобретения наблюдение света, рассеиваемого в оптическом резонаторе 180, является коаксиальным, а два торцевых зеркала 184, 186 резонатора обладают максимальным коэффициентом отражения в полосе длин волн, содержащей длины волн возбуждаемых резонансных мод резонатора (пики 221-229), и максимальным коэффициентом пропускания за пределами этой полосы длин волн. Фактически существуют покрытия, называемые «нотч-фильтрами», обладающие таким свойством. Благодаря этому возбуждающие длины волн резонатора (возбуждающий свет и свет, упруго рассеиваемый в оптическом резонаторе) отражаются зеркалами 184, 186, в то время как свет, неупруго рассеиваемый в резонаторе (рамановские сигналы, в том числе стоксовские линии и антистоксовские линии), передается этими зеркалами в спектрометр. Существуют также покрытия, называемые «краевыми фильтрами», с максимальным коэффициентом отражения до определенной длины волны, начиная с которой коэффициент пропускания становится максимальным. С таким покрытием возбуждающие длины волн резонатора отражаются зеркалами 184, 186, а только стоксовские линии (или и антистоксовские линии) передаются этими зеркалами в спектрометр. Преимущество такого коаксиального режима улавливания состоит в том, что он предоставляет рамановский сигнал с более высокой интенсивностью. В то же время в системе с оптическим резонатором, возбуждаемым лазерным диодом, такой коаксиальный режим улавливания приводит к появлению усиленного спонтанного излучения (ASE), которое может маскировать рамановские сигналы, возникающего в результате применения лазерного диода. Применение таких зеркальных покрытий предотвращает резонанс усиленного спонтанного излучения.
[0094] Для получения количественно значимых результатов измерения спектра необходимо учитывать изменения в аккумулируемой оптической мощности в резонаторе, возникающие в результате изменений в композиции газов, присутствующих в резонаторе, загрязнения зеркал резонатора и рассогласования при инжекции пучка лазерного излучения в резонатор. Для этого выполняют нормирование результатов измерения спектра. Такое нормирование может быть выполнено в виде функции интегральной величины результатов измерения световой интенсивности, предоставляемых фотодетектором 190, например, посредством деления каждого из результатов измерения спектра, получаемых в конце режима экспонирования в виде функции интегральной величины результатов измерения световой интенсивности пучка лазерного излучения в оптическом резонаторе.
[0095] В соответствии с вариантом реализации изобретения часть рассеиваемого света в оптическом резонаторе, получаемого оптическим устройством 50, направляется на дополнительный фотодетектор для измерения изменений интенсивности рассеиваемого света. С учетом того, что интенсивность упруго рассеиваемого света очень высока по сравнению с интенсивностью неупруго рассеиваемого света, получаемые при этом результаты измерений отображают по сути упруго рассеиваемый свет. Затем определяют интегральную величину таких измерений, которая может быть использована для нормирования результатов измерения спектра, предоставляемых фоточувствительными элементами датчика 330, например, посредством деления каждого из таких результатов измерения на интегральную величину. В практических применениях свет, получаемый дополнительным фотодетектором, содержит компонент упругого (рэлеевского) рассеяния и компонент неупругого (рамановского) рассеяния. Компонент рамановского рассеяния на несколько порядков величины меньше, чем рэлеевский компонент, и поэтому им можно пренебречь. Поскольку рэлеевский и рамановский компоненты улавливаются в одном и том же объеме, можно определить величину суммарного потока фотонов на возбуждающей длине волны относительно калибровочной величины, получаемой во время калибровки системы, и в результате получить нормированный рамановский спектр, как независящий от изменений интенсивности возбуждающего пучка в резонаторе, так и независящий от возможных рассогласований между устройством улавливания рассеиваемого света и возбуждающим пучком в резонаторе. Связь между рэлеевским компонентом и композицией газов в резонаторе учитывается с помощью сравнивания относительных концентраций газов, определяемых из рамановского спектра. Следует отметить, что вклад рамановского компонента в измеряемый рассеиваемый свет может быть компенсирован за счет воздействия на суммарную величину измеряемой световой интенсивности с помощью поправочного коэффициента, рассчитанного в соответствии с известным соотношением между рэлеевским и рамановским сечениями.
[0096] Часть рассеиваемого света, передаваемого на дополнительный фотодетектор, может быть выделена из рассеиваемого света, передаваемого на датчик 330, с помощью тройникового разветвителя (в случае перпендикулярного или коаксиального наблюдения) или с помощью специального оптического волокна, соединенного с выходом оптического устройства 50 (в случае перпендикулярного наблюдения).
[0097] В соответствии с вариантом реализации изобретения интегральные величины, получаемые для фотодиода 190 и дополнительного фотодетектора, сравниваются, например, посредством вычисления соотношения между этими двумя интегральными величинами, чтобы определить какое-либо рассогласование оптического устройства 50 с пучком лазерного излучения в оптическом резонаторе. Сравнивая это соотношение с пороговой величиной можно определить, является ли такое рассогласование чрезмерным.
[0098] В результате можно непрерывно контролировать изменение рабочих параметров системы, корректировать дрейфы в режиме реального времени, не прерывая измерения газа в резонаторе, и подавать сигнал, когда надежные результаты измерений уже невозможно получать. В результате описываемая выше система анализа газов может применяться в критических условиях, таких как контроль промышленных процессов, особенно в нефтяной индустрии, и контроль анестезирующих газов в области медицины, или в окружающих средах с высоким уровнем помех (вибрации, колебания температуры окружающей среды).
[0099] Как правило, получением сигнала датчиком 330 управляет отдельный процессор с собственными сигналами синхронизации. В результате начало и конец фаз экспонирования могут происходить в произвольные моменты времени в управляющем сигнале 200. Отсутствие синхронизации может приводить к несоответствию между интегральным опорным сигналом, предоставляемым фотодетектором 190, и количеством рассеиваемого света, аккумулируемого датчиком 33 в течение режимов экспонирования. Такие несоответствия могут существенно повлиять на качество нормирования рамановского сигнала. Этого ухудшения качества нормирования можно избежать, установив связь между режимами экспонирования и нарастающими и ниспадающими интервалами управляющего сигнала 200, и выполнив следующий порядок операций, показанный на фиг. 5. Согласно этому порядку операций длительность фазы экспонирования датчика 330 устанавливают равной целому числу Nrp периодов управляющего сигнала 200 плюс доля этого периода. Перед началом фазы экспонирования (аккумуляции рамановского света в датчике 330) управляющий сигнал 200 сохраняют равным нулю. Это гарантирует отсутствие света в резонаторе 180. В начале этапа S1 сигнал 241 о начале режима экспонирования посылается на блок управления датчиком 330. Этап S2 запускается после определенной задержки, чтобы гарантировать начало экспонирования для датчика 330. На этапе S2 лазерный источник 100 включают посредством подачи на него периодического управляющего сигнала 200. На этапе S3 на лазерный источник подают Nrp количество периодов управляющего сигнала 200. Затем датчик 330 принимает рамановский сигнал. Конец периода Nrp управляющего сигнала 200 отмечает конец этапа S3 и начало этапа S4. На этапе S4 управляющий сигнал 200 устанавливают равным нулю. Режим экспонирования датчика 330 продолжается в течение доли периода управляющего сигнала 200 до начала этапа S5, пока в резонаторе отсутствует рамановский свет. На этапах от S1 по S5 сигнал от фотодетектора 190 интегрируется до тех пор, пока не будет получен сигнал о конце режима экспонирования датчика 330. Такой порядок операций гарантирует, что рамановский сигнал, аккумулируемый в датчике 330, является пропорциональным интегрированному сигналу от фотодетектора 190 и нормирован без ошибки. Получение сигнала 242, указывающего на конец режима экспонирования на этапе S5 запускает новый этап S1.
[0100] Специалисту в данной области техники будет понятно, что данное изобретение допускает различные альтернативные варианты реализации и различные области применения. В частности, различные оптические компоненты, описываемые выше, были представлены в качестве примера и зависят в основном от характеристик пучка лазерного излучения, генерируемого лазерным источником, и, следовательно, от выбора лазерного источника. Очевидно, что если характеристики такого пучка будут отличаться, то некоторые из описываемых оптических компонентов могут оказаться ненужными или даже непригодными, а другие оптические компоненты могут оказаться необходимыми. Важным является то, чтобы характеристики пучка лазерного излучения на входе в оптический резонатор являлись насколько возможно близкими к идеальным характеристикам, а именно: круглому сечению (нулевой эксцентриситет) и расходимости во всех направлениях, соответствующей основной моде оптического резонатора. Фактически определение средств достижения таких характеристик полностью относится к области традиционных способов проектирования оптических систем. Кроме того, лазерный источник может быть выполнен с возможностью генерации пучка лазерного излучения с характеристиками, близкими или соответствующими идеальным характеристикам, так что те или иные, или даже все оптические модули 110, 120 и 130 не потребуются.
[0101] Аналогичным образом, другие устройства, применяемые для настройки фазы и интенсивности светового пучка, могут применяться для настройки фазы и интенсивности пучка обратной связи.
Кроме того, можно предусмотреть передачу лазерного луча, выходящего из лазерного источника, и луча обратной связи по разным оптическим путям между лазерным источником и входом в резонатор. Такая схема исполнения упрощает устройство для настройки интенсивности пучка обратной связи, который не должен пересекаться с пучком лазерного излучения от лазерного источника, оказывая на него воздействие.
[0102] Кроме того, специалисту будет ясно, что применение «V»-образного резонатора не является необходимым. Например, линейный резонатор с двумя зеркалами в сочетании со схемами исполнения, описываемыми в работах [4] и [5] для реализации оптической обратной связи или оптической обратной связи, синхронизированной пространственным смещением лазерного диода, как описывается в патенте США 5,835,522, может быть осуществлен в рамках объема данного изобретения.
[0104] Цитируемые литературные источники
[0105] [1] «An Efficient Intracavity Laser Raman Spectrometer», M. Hercher et. al, Applied Spectroscopy 32, No 3, pp 298-301 (1978) ;
[0106] [2] «Frequency Stabilization of Semi-conductor lasers by resonant optical feedback», Dahmani et al, Opt. Lett. 12, pp. 876-878 (1987);
[0107] [3] «Optically Self-Locked Semiconductor Laser with Servo Control for Feedback Phase and Laser Current», Peter Buch et al, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 27 (7), pp. 1863-1868 (1991);
[0108] [4] «Cavity-enhanced resonant photoacoustic spectroscopy with optical feedback cw diode lasers: A novel technique for ultratrace gas analysis and high-resolution spectroscopy», M. Hippler, C. Mohr, K. A. Keen, E. D. McNaghten, The Journal of Chemical Physics 133, 044308 (2010);
[0109] [5] «Cavity-Enhanced Raman Spectroscopy of Natural Gas with Optical Feedback cw-Diode Lasers», M. Hippler, Anal. Chem. 87, 7803-7809 (2015).
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАЦИИ СВЕРХКОРОТКИХ ОПТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАМАНОВСКОГО РЕЗОНАТОРА | 2000 |
|
RU2237957C2 |
| СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ СПЕКЛОВ В ОПТИЧЕСКИХ СКАНИРУЮЩИХ ДИСПЛЕЯХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 2005 |
|
RU2282228C1 |
| Способ записи оптической информации на фототермопластический носитель | 1982 |
|
SU1053061A1 |
| Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор с длиной волны излучения в области 1,6 мкм (2 варианта), способ его осуществления и оптоволоконный рамановский усилитель для дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора с длиной волны излучения в области 1,6 мкм | 2018 |
|
RU2694461C1 |
| КОМПАКТНОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ИСТОЧНИКА ДВОЙНЫХ ГРЕБЁНОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТИЧЕСКИХ МИКРОРЕЗОНАТОРОВ И СПОСОБ ГЕТЕРОДИННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ В МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЯХ | 2017 |
|
RU2684937C2 |
| УСТРОЙСТВА, СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ТРЕХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ | 2014 |
|
RU2641945C2 |
| ЭЛЛИПСОМЕТР | 2008 |
|
RU2384835C1 |
| БЕЗОПАСНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЙ ОПТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ | 2016 |
|
RU2712939C2 |
| Флуктуационный оптический магнитометр | 2019 |
|
RU2744814C1 |
| ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР ФАБРИ - ПЕРО | 1992 |
|
RU2054639C1 |
Изобретение относится к способу анализа газов с помощью рамановской спектрометрии, включающему этапы генерирования лазерным источником (100) пучка лазерного излучения с перестройкой частоты генерации в диапазоне частот, содержащем совокупность резонансных мод оптического резонатора (180), удерживающего анализируемые газы; доставки пучка лазерного излучения на вход резонатора; выведения из резонатора пучка обратной связи, который, настроенный по фазе и амплитуде, отправляют к источнику; во время перестройки частоты генерации обнаружения пиков (221-229) световой интенсивности в пучке лазерного излучения в резонаторе фазу пучка обратной связи настраивают с возможностью снижения асимметрии указанных пиков; амплитуду пучка обратной связи настраивают с возможностью сокращения интервалов с нулевой интенсивностью между указанными пиками; и выполнения спектрального анализа света, неупруго рассеиваемого в резонаторе для определения композиции анализируемых газов. Изобретение обеспечивает повышение компактности, стабильности, надежности и чувствительности системы анализа газов. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил.
1. Способ анализа газов с применением рамановской спектрометрии, включающий этапы:
воздействия на лазерный источник (100) управляющим сигналом для генерирования пучка лазерного излучения с перестройкой частоты генерации в диапазоне частот, содержащем частоты различных резонансных мод оптического резонатора (180), удерживающего анализируемые газы, причем ширина указанного частотного диапазона является меньшей, чем разрешающая способность рамановского спектрометра,
подачи пучка лазерного излучения на вход (182) оптического резонатора,
выведения из оптического резонатора пучка обратной связи,
настройки фазы и амплитуды пучка обратной связи,
отправления пучка обратной связи с настроенной фазой и амплитудой на лазерный источник,
выполнения измерения изменений световой интенсивности пучка лазерного излучения в оптическом резонаторе и обнаружения пиков (221-229) световой интенсивности на кривых изменения световой интенсивности во время перестройки частоты генерации в указанном частотном диапазоне, причем каждый пик световой интенсивности соответствует резонансной моде оптического резонатора, при этом настройку фазы пучка обратной связи выполняют для уменьшения отклонения между медианным временем и временем появления вершины одного из пиков световой интенсивности, притом что амплитуду пучка обратной связи настраивают, чтобы сократить по меньшей мере один интервал с нулевой интенсивностью между пиками световой интенсивности, и
получения с помощью датчика (330) спектрометра результатов измерения спектра неупруго рассеиваемого света под действием лазерного пучка в оптическом резонаторе для определения природы и/или концентрации газов в оптическом резонаторе.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что:
управляющий сигнал лазерного источника (100) обладает периодической формой, и
датчик (330) спектрометра, содержащий совокупность фоточувствительных элементов, принимает часть неупруго рассеиваемого света и находится под управлением с возможностью работы в режимах экспонирования в чередовании с режимами считывания, во время выполнения которых фоточувствительные элементы генерируют результаты измерения спектра,
при этом во время выполнения каждого режима экспонирования способ включает следующие этапы:
получение интегральной величины значений измерений световой интенсивности пучка лазерного излучения в оптическом резонаторе и/или световой интенсивности части упруго рассеиваемого света под действием лазерного луча в оптическом резонаторе, и
нормирование каждого из результатов измерения спектра, получаемых в конце действия режима экспонирования в виде функции интегральной величины для генерирования нормированного спектра.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что режимы экспонирования характеризуются длительностью, равной целому числу периодов управляющего сигнала лазерного источника, суммируемому с частью такого периода, причем начало выполнения каждого режима экспонирования синхронизировано с управляющим сигналом (200) лазерного источника (100).
4. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что каждый режим экспонирования начинается и прерывается в течение таких интервалов времени, когда в оптическом резонаторе (180) свет отсутствует.
5. Способ по любому из пп. 2-4, включающий этапы:
периодического прерывания подачи электропитания на лазерный источник для измерения темнового тока в фотодетекторе (190), предоставляющем результаты измерения изменений световой интенсивности пучка лазерного излучения в оптическом резонаторе, и
коррекции результатов измерения изменений световой интенсивности пучка лазерного излучения в оптическом резонаторе с использованием среднего значения результатов измерения темнового тока.
6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что прерывания подачи электропитания на лазерный источник осуществляются за пределами интервалов выполнения режимов экспонирования.
7. Способ по любому из пп. 2-6, включающий этапы:
выключения электропитания на лазерном источнике во время выполнения режима прерывания, длящегося в течение по меньшей мере одного последующего режима экспонирования, и
для каждого фоточувствительного элемента датчика (330) спектрометра:
измерения темнового тока во время выполнения режима прерывания,
коррекции сохраненной величины среднего темнового тока для фоточувствительного элемента на основании результата измерения темнового тока, получаемого для фоточувствительного элемента, и
коррекции каждого результата измерения спектра, предоставляемого фоточувствительным элементом, в соответствии с сохраненной величиной среднего темнового тока для фоточувствительного элемента,
причем для очистки фоточувствительных элементов результату измерения темнового тока могут предшествовать несколько результатов измерений, которые не учитываются при расчете.
8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что пучок лазерного излучения, предоставляемый на входе оптического резонатора (180), и пучок обратной связи передаются по одному и тому же оптическому пути между лазерным источником и входом оптического резонатора.
9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что амплитуду пучка обратной связи настраивают с помощью настраиваемого модуля (160) фарадеевского вращателя, установленного на оптическом пути между лазерным источником (100) и входом (182) оптического резонатора (180), причем модуль фарадеевского вращателя ослабляет амплитуду пучка обратной связи и пропускает пучок лазерного излучения от лазерного источника (100).
10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что модуль (160) фарадеевского вращателя управляется с помощью сервопривода в соответствии с результатами измерения световой интенсивности пучка лазерного излучения в оптическом резонаторе (180) для сведения к минимуму интервалов с нулевой интенсивностью между пиками (221-229) световой интенсивности, причем управление с помощью сервопривода модулем фарадеевского вращателя может достигаться посредством воздействия на его температуру.
11. Устройство для анализа газа с применением рамановской спектрометрии, содержащее оптический резонатор, в который вводят пучок лазерного излучения, генерируемый лазерным источником (100), которое выполнено с возможностью осуществления способа, заявленного по одному из пп. 1-10.
12. Устройство для анализа газа по п. 11, отличающееся тем, что лазерный источник (100) выполнен с возможностью перестройки частоты генерации без перескока мод.
13. Устройство для анализа газа по п. 12, отличающееся тем, что оптический резонатор характеризуется «V»-образной формой и содержит зеркало (182) связи, образующее вход в оптический резонатор, и два торцевых зеркала (184, 186) резонатора, причем торцевые зеркала резонатора характеризуются большей отражательной способностью, чем зеркало связи, или аналогичной ему.
14. Устройство для анализа газа по п. 11 или 13, отличающееся тем, что зеркала (182, 184, 186), образующие оптический резонатор (180), характеризуются радиусом кривизны, выполненным с возможностью настройки формы профиля интенсивности пучка внутри оптического резонатора в области (52) для улавливания света, рассеиваемого в резонаторе под действием пучка лазерного излучения.
15. Устройство для анализа газа по любому из пп. 12-14, отличающееся тем, что рассеиваемый в оптическом резонаторе свет наблюдается через одно из торцевых зеркал (184, 186) резонатора, причем торцевые зеркала (184, 186) резонатора содержат покрытие, обладающее максимальным коэффициентом отражения для отражаемого пучка на каждой из резонансных мод оптического резонатора, и характеризуются максимальным коэффициентом пропускания для по меньшей мере одной стоксовской линии из рамановских линий.
16. Устройство для анализа газа по любому из пп. 11-15, отличающееся тем, что лазерный источник (100) представляет собой один из следующих типов:
лазерный диод с распределенной обратной связью,
лазерный диод с распределенным брэгговским отражателем,
диод типа Фабри-Перо, стабилизированный объемной или голографической брэгговской решеткой или узкополосным фильтром,
лазер, связанный с устройством для настройки частоты генерации,
лазер с поверхностным излучением и вертикальным резонатором, соединенным с диэлектрическим мембранным зеркалом.
17. Устройство для анализа газа по любому из пп. 11-16, содержащее исполнительный механизм (154), соединенный с зеркалом (153) для изменения длины оптического пути между лазерным источником (100) и входом в оптический резонатор (180) для настройки фазы пучка обратной связи.
| CN 105987895 A, 04.10.2016 | |||
| US 2013083328 A1, 04.04.2013 | |||
| JP 2006337326 A, 14.12.2006. |
