Измерительная газовая ячейка для абсорбционной терагерцовой спектроскопии газовых проб Российский патент 2024 года по МПК G01J3/02 

Одно- и многопроходные измерительные газовые ячейки, в состав которых входят герметичный контейнер, входное и выходное окна, а также другие элементы, широко используются для локального газоанализа, в частности, для абсорбционной терагерцовой спектроскопии газовых проб. Однако, переотражение тергерцовой волны на входном и выходном окнах измерительной ячейки приводит к искажению регистрируемого спектра поглощения пробы за счет интерференции падающей терагерцовой волны и многократно отраженных терагерцовых волн (эффект Фабри-Перо).

Известен подход к подавлению эффекта Фабри-Перо на основе использования просветляющих покрытий входных и выходных окон измерительной газовой ячейки [1,2]. Однако, такие покрытия обладают узким рабочим спектральным диапазоном, что ограничивает их применимость в широкополосных системах.

Окна измерительной газовой ячейки, изготовленные с использованием наноструктур [3,4], композитных материалов [5-7], многослойных полупроводниковых структур [8-10], обеспечивающих уменьшение переотражений, сложны и дороги в производстве.

Подавление эффектов Фабри-Перо в широком спектральном диапазоне может достигаться размещением окон измерительной газовой ячейки под углом Брюстера [11]. Однако, характерные значения углов Брюстера для используемых в ТГц области материалов достаточно велики (57° - для полиэтилена высокой плотности [12], 73° - для высокоомного кремния [13]), что приводит к сильному астигматизму пучка. Компенсация астигматизма осуществляется за счет применения линз сложной формы, состоящих из сферической и цилиндрической поверхностей. Обеспечение широкой рабочей спектральной полосы пропускания требует точности изготовления профиля линзы до сотых долей мм [14].

В качестве прототипа выбран метод подавления эффекта Фабри-Перо в измерительной газовой ячейке, который заключается в том, что эта ячейка состоит из герметичного контейнера с двумя окнами, расположенного на пути пучка оптического излучения (как минимум входное окно является оптически прозрачным), при этом выходное окно соединено с пьезоэлектрическим преобразователем и совершает периодические колебания с амплитудой, не менее 1/8 от длины волны излучения [15]. Для подавления эффекта Фабри-Перо, измерение величины ослабления оптического излучения газовой пробой на заданной длине волны проводят во временном интервале, не менее периода колебаний выходного окна, а затем зарегистрированные значениявеличины ослабления усредняют. На практике, выходное окно перемещается на расстояние, равное нескольким длинам волн. Данный метод реализован в ИК диапазоне (длина волны лазера - около 8 мкм), амплитуда колебаний выходного окна составляла 20 мкм, частота - 23 Гц.

Недостатком метода является техническая сложность его реализации с использованием пьезоэлектрического преобразователя в терагерцом диапазон длин волн, где длина волны может составлять несколько мм. Так для пьезоэлементов, изготовленных по пленочной технологии величина перемещения не превышает 1 мкм на 1 мм полезной длины линейного пьезодвигателя. Это приводит к тому, что практически осуществимый диапазон перемещений в одноканальных электроприводах с линейными пьезодвигателями не превышает 150…200 мкм [16].

Технический результат: подавление эффектов Фабри-Перо в измерительной газовой ячейке в терагерцовом спектральном диапазоне.

Технический результат в предлагаемой измерительной газовой ячейке достигается за счет того, что она так же, как и прототип, состоит из герметичного контейнера с двумя окнами, изготовленными из оптически прозрачного материала, расположенного на пути пучка терагерцового излучения, отличающейся тем, что для подавления эффекта Фабри-Перо снаружи измерительной ячейки на пути пучка терагерцового излучения помещается дополнительное окно, изготовленное из оптически прозрачного материала, которое в процессе измерения перемещается в направлении, совпадающем с направлением распространения пучка терагерцового излучения, на расстояние, не менее 0.5 длины волны терагерцового излучения; в процессе перемещения дополнительного окна находят максимум коэффициента пропускания измерительной газовой ячейки с исследуемой газовой пробой на заданной длине волны, значение этого максимального коэффициента пропускания используют для нахождения коэффициента поглощения пробы на заданной длине волны.

Для учета ослабления проходящего излучения самой измерительной газовой ячейкой, в процессе перемещения дополнительного окна, находят максимум интенсивности терагерцовой волны на выходе из измерительной газовой ячейки с исследуемой пробой на заданной длине волны, а также максимум интенсивности терагерцовой волны на выходе из измерительной газовой ячейки на той же длине волны, когда в ней находится непоглощающий газ. Коэффициент пропускания газовой пробы на заданной длине волны находят в виде отношения максимальных значений интенсивности терагерцовой волны на заданной длине волны на выходе из измерительной газовой ячейки, заполненной газовой пробой, и интенсивности этой же терагерцовой волны на тойже длине волны на выходе из измерительной газовой ячейки, заполненной непоглощающим газом.

Как правило, в калибровочных смесях используется азот как непоглощающий газ, однако, в зависимости от спектрального диапазона, в котором регистрируется спектр поглощения газовой пробы, могут использоваться и другие газы, включая воздух, не имеющие линий поглощения в данном спектральном диапазоне.

Пример реализации

1. Конструкция измерительной газовой ячейки

Рассмотрим измерительную газовую ячейку для абсорбционной терагерцовой спектроскопии газовых проб, конструкция которой показана на Фиг. 1. Измерительная газовая ячейка (1) с двумя оптически прозрачными окнами через стойки (2), жестко крепится к основанию (3), Измерительная газовая ячейка (1) снабжена входным (4) и выходным (5) штуцерами с клапанами, через которые осуществляют закачку исследуемой пробы в измерительную газовую ячейку (1) и ее продувку. На основании (3) закреплен линейный двигатель (6), к его подвижной части прикреплена стойка (2) с оптически прозрачным окном (7).

2, Модель расчета распространения терагерцовой волны

Для описания распространения электромагнитного излучения используем волновое уравнение для напряженности электрического поля Е:

где Δ - оператор Лапласа, n=n'+in'' - комплексный показатель преломления, с -скорость света в вакууме. Для диэлектрических материалов, в том числе газовых сред можно считать, что магнитная проницаемость равна единице. Представим вектор напряженности электрического пола в виде суммы двух волн, распространяющихся навстречу друг другу:

где ω - циклическая частота терагерцовой волны, - соответствующие волновые вектора. Подставив (2.2) в (2.1), получим следующую систему уравнений:

где символ × означает векторное произведение, ∇ - оператор набла.

Рассмотрим пример волны терагерцового излучения, имеющей на входе в измерительную газовую ячейку поперечный профиль интенсивности следующего вида:

где l₀ - интенсивность падающего излучения на оси пучка терагерцового излучения, r₀ -радиус пучка по уровню интенсивности 1/ехр(2). Будем считать, что на выходе отсутствует отраженная волна, а на боковой поверхности измерительной газовой ячейки тангенциальная составляющая напряженности электрического поля равна нулю. Введем следующие обозначения:

Здесь Т₀ - коэффициент пропускания, а₀ - коэффициент поглощения, l_out -интенсивность волны на выходе измерительной газовой кюветы, l - длина кюветы,

3. Пример оценки подавления эффекта Фабри-Перро Пусть в измерительной газовой ячейке находится газовая смесь 0.1% диоксида серы (SO₂) и азота (N₂). Рассмотрим линию поглощения SO₂ в диапазоне 0.64-0.68 ТГц, когда смесь находится при температуре 296 K и атмосферном давлении (Фиг. 2). Профиль данной линии поглощения рассчитан с использованием спектральных параметров из базы HITRAN [17].

Результаты моделирования измерения профиля данной линии поглощения на основе системы уравнений (2,3) с учетом условия (2.4) с использованием стандартной измерительной газовой ячейки и той же измерительной газовой ячейки, дополненной подвижным оптически прозрачным окном, представлены на Фиг. 3, Для учет ослабления проходящего излучения самой измерительной газовой ячейкой, интенсивность терагерцового излучения на заданной длине волны l_out, прошедшего через измерительную газовую ячейку с исследуемой смесью, делилась на интенсивность этого же терагерцового излучения на этой же длине волны, прошедшего через измерительную газовую ячейку, заполненную непоглощающим газом - l_reƒ

Расчеты проведены для измерительной газовой ячейки длиной 890 мм, с окнами из фторопласта (показатель преломления n'=1.46) толщиной 3 мм, радиус пучка r₀ -8 мм, радиус кюветы - 10 мм.

На Фиг. 3 представлены: (а) - профиль линии поглощения смеси 0.1% диоксида серы (SO₂) и 99.9% азота (N₂) при температуре 296 K и при атмосферном давлении, рассчитанный с использованием из базы HITRAN [17]; (b) - результаты моделирования измерения профиля этой линии поглощения с использованием стандартной измерительной газовой ячейки, (с) - результаты моделирования измерения профиля этойлинии поглощения с использованием той же измерительной газовой ячейки, но дополненной подвижным оптически прозрачным окном.

При моделировании измерительной газовой ячейки, дополненной подвижным оптически прозрачным окном, положение последнего менялось в пределах 4-4,46 мм по отношению к входному окну измерительной газовой ячейки с шагом перемещения 0,01 мм; в процессе перемещения дополнительного окна находился максимум интенсивности l_out терагерцовой волны на выходе из измерительной газовой ячейки с исследуемой пробой на заданной длине волны, а также максимум интенсивности l_reƒ терагерцовой волны на выходе из измерительной газовой ячейки, когда в ячейке находится непоглощающий газ, на той же длине волны; значение этих интенсивностей использовали для нахождения коэффициента поглощения пробы на заданной длине волны, в соответствии с (2.6).

Для представленного примера, дисперсия флуктуаций профиля линии поглощения, зарегистрированная с использованием стандартной измерительной газовой ячейки, составила 3%, с использованием измерительной газовой ячейки, дополненной подвижным оптически прозрачным окном, - 0.8%. Литература

1. Dobrowolski, J.A., Poitras, D., Ma, P., Vakil, К, & Acree, M. (2002). Toward perfect antireflection coatings: numerical investigation. Applied Optics, 41(16), 3075. doi:10.1364/ao.41.003075

2. Schallenberg, U.B. (2006). Antireflection design concepts with equivalent layers. Applied Optics, 45(7), 1507. doi:10.1364/ao.45.001507

3. Huang, Y. F,, Chattopadhyay, S,, Jen, Y.-J., Peng, C.-Y., Liu, T.-A„ Hsu, Y.-K.,… Chen, L.-C. (2007). Improved broadband and quasi-omnidirectional anti-reflection properties with biomimetic silicon nanostructures. Nature Nanotechnology, 2(12), 770-774, doi: 10.1038/nnano,2007.389

4. Xi, J.-Q„ Schubert, M. F„ Kim, J. K„ Schubert, E, F„ Chen, M„ Lin, S.-Y… Smart, J, A, (2007). Optical thin-film materials with low refractive index for broadband elimination of Fresnel reflection. Nature Photonics, 1(3), 176-179, doi: 10.1038/nphoton,2007,26

5. Gian Paolo Papari, Anna Lucia Pellegrino, Graziella Malandrino, and Antonello Andreone, “Sensing enhancement of a Fabry-Perot THz cavity using switchable V02 mirrors,” Opt. Express 30, 19402-19415 (2022)

6. Cai, B, Chen, H., Xu, G, Zhao, H., & Sugihara, O. (2017). Ultra-Broadband THz Antireflective Coating with Polymer Composites. Polymers, 9(11), 574. doi:10.3390/polym9110574

7. Soeda J., Kawada Y., Satozono H., Takahashi H., Chokai M. & Ikeda Y. Broadband Anti-Reflection coating for THz waves developed with Si nanoparticle-polymer composite material, 45th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Buffalo, NY, USA, 2020, pp.1-1, doi: 10.1109/IRMMW-THz46771.2020.9370466.

8. Biber, S., Schneiderbanger, D., Schmidt, L.-P., Walther, M., Fischer, B,, Schwarzer, M., & Jepsen, P, U. (n.d.). Low loss silicon window material for submillimeter waves using micromachined artificial dielectrics for anti-reflection coating. Infrared and Millimeter Waves, Conference Digest of the 2004 Joint 29th International Conference on 2004 and 12th International Conference on Terahertz Electronics, 2004. doi: 10,1109/icimw.2004,1421975

9. Chen, Y, W., Han, P, Y,, & Zhang, X.-C. (2009). Tunable broadband antireflection structures for silicon at terahertz frequency. Applied Physics Letters, 94(4), 041106. doi: 10.1063/1.3075059

10. Awasthi, S. K., Srivastava, A., Malaviya, U, & Ojha, S. P. (2008). Wide-angle, broadband plate polarizer in Terahertz frequency region. Solid State Communications, 146(11 -12), 506-509. doi:10,1016/j,ssc,2008,03,016

11. Vales, V. L., Khodos, V. V., & Spivak, E, V. (1999), A nonstationary microwave spectrometer. Review of Scientific Instruments, 70(8), 3447-3453. doi: 10,1063/1,1 149935

12. Y,-S. Jin, G.-J. Kim, and S.-G. Jeon, “Terahertz dielectric properties of polymers,” J, Kor, Phys, Soc, 49, 513-5 17 (2006),

13. Wojdyla, A., & Gallot, G. (2011). Brewster's angle silicon wafer terahertz linear polarizer. Optics Express, 19(15), 14099. doi:10.1364/oe,19.014099

14. Wichmann, M., Scherger, В., Schumann, S., Lippert, S,, Scheller, M., Busch, S, F. Koch, M, (2011). Terahertz Brewster lenses. Optics Express, 19(25), 25151, doi: 10.1364/oe. 19.025151

15. Joel A. Silver and Alan C. Stanton. Optical interference fringe reduction in laser absorption experiments. APPLIED OPTICS / Vol. 27, No. 10/15 May 1988. 1914- 1916

16. Приводы мехатронных систем [Электронный ресурс], // Studfiles: файловый архив студентов, https://studfi1e.net/preview/9743378/page: 12/ (дата обращения 27.09.2023)

17. Hitran on the web. Avalliable online: https://hitran.org/

Изобретение относится к области измерительной техники и касается измерительной газовой ячейки для абсорбционной терагерцовой спектроскопии газовых проб. Измерительная ячейка состоит из герметичного контейнера с двумя прозрачными окнами, расположенного на пути пучка терагерцового излучения. Кроме того, снаружи измерительной ячейки на пути пучка терагерцового излучения помещено дополнительное окно, изготовленное из оптически прозрачного материала, которое в процессе измерения перемещают в направлении, совпадающем с направлением распространения пучка терагерцового излучения, на расстояние не менее 0.5 длины волны терагерцового излучения. В процессе перемещения дополнительного окна находят максимум коэффициента пропускания измерительной газовой ячейки с исследуемой газовой пробой на заданной длине волны и используют это значение для нахождения коэффициента поглощения пробы на заданной длине волны. Технический результат заключается в обеспечении возможности подавления эффектов Фабри-Перо в измерительной газовой ячейке и повышении точности измерений. 3 ил.

Измерительная газовая ячейка для абсорбционной терагерцовой спектроскопии газовых проб, состоящая из герметичного контейнера с двумя окнами, изготовленными из оптически прозрачного материала, расположенная на пути пучка терагерцового излучения, отличающаяся тем, что снаружи на пути пучка терагерцового излучения помещают дополнительное окно из оптически прозрачного материала, которое в процессе измерения перемещают в направлении, совпадающем с направлением распространения пучка терагерцового излучения, на расстояние не менее 0.5 длины волны терагерцового излучения, в процессе перемещения дополнительного окна из оптически прозрачного материала находят максимум коэффициента пропускания измерительной газовой ячейки с исследуемой газовой пробой на заданной длине волны, который используют для нахождения коэффициента поглощения газовой пробы на заданной длине волны, находят максимум интенсивности терагерцовой волны на выходе из измерительной газовой ячейки с газовой пробой на заданной длине волны, а также максимум интенсивности этой же терагерцовой волны на выходе из измерительной газовой ячейки, заполненной непоглощающим газом, на той же длине волны, коэффициент пропускания газовой пробы на заданной длине волны находят в виде отношения максимальных значений интенсивности терагерцовой волны на выходе из измерительной газовой ячейки, заполненной газовой пробой, на заданной длине волны и интенсивности этой же терагерцовой волны на той же длине волны на выходе из измерительной газовой ячейки, заполненной непоглощающим газом.