Устройство для измерения концентрации атомов и молекул в плазме Советский патент 1987 года по МПК G01N21/21 

I Изобретение относится к оптико-ин терференционным средствам измерения . и диагностики плазмы и может быть ис пользовано при исследовании импульсной плазмы низкой концентрации в установках УТС, МГД-преобразователях энергии, плазмотронах и т.п. Известны устройства для измерения концентрации атомов в плазме, содержащие перестраиваемый квазимонохро-матический лазер и двухплечевой инте ферометр Маха-Цандера, состоящий из двух глухих и двух полупрозрачных зе кал. В одном из плеч интерферометра помещена ячейка с исследуемой плазмой На выходе интерферометра установлен фотоаппарат для регистрации интерференционной картины. Концентрация ато мов определяется из соотношения: N 6,25 - fp, где К - сдвиг интерференционных поло в присутствии плазмы в интерферометр относительно положения интерференцио ных полос в отсутствие плазмы; S/ - ширина исследуемой спектраль ной линии; 1 - расстояние, проходимое лазер ным излучением в плазме; f - сила осциллятора. Недостатком известных устройств я ляется их низкая чувствительность, обусловленная минимально регистрируе мой величиной сдвига интерференционных полос К, а также сложностью и йизкой точностью необходимых измерений ширины исследуемой спектральной линии 5Д . Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения ко центрации атомов и молекул в плазме, содержащее лазер с двуплечим резонатором Майкельсона с оптическими длинами плеч L,, и L и установленную в одном из плеч ячейку с исследуемой плазмой. В известном устройстве резонатор Майкельсона состоит из четырех зеркал, три из которых вьтолнены оптически глухими, а четвертое - полупрозрачным с коэффициентом отражения 50%о На выходе резонатора установлен анализатор спектра - спектрограф,-ос ществляющий регистрацию на фотоматериале спектре излучения лазера. Регистрируемый спектр представляет собой эквидистантно расположенные груп 82 . пы спектральных составляющих, так назьтааемые квазимоды, расстояние между которыми определяется разностью оптических путей в двух плечах резонатора Майкельсона. Помещение исследуемого вещества в резонатор приводит к спектральному сдвигу (сближению) квазимод в силу того, что вблизи линии поглощения исследуемого вещества вследс вие аномальной дисперсии оптическая разность хода сильно зависит от длины волны излучения. По регистрируемым сдвигам К определяется концентрация N атомов и молекул плазмы и,з соотношения: I, 6,)K (2) длина волны, соответствующая центру линии поглощения; А - длина волны просвечивающего плазму излучения ( - 600 нм). Недостатком устройства является его малая чувствительность, поскольку с его помощью могут быть измерены лишь сдвиги, сравниваемые с расстоя- . ниями между квазимодами. Это не обе- спечивает возможности измерения малых концентраций плазмы. Кроме того, в устройстве необходимо использовать анализаторы спектра с большим разрешением. (Аппаратная ширина должна быть много меньше ширины квазимоды). Наконец, определение концентрации атомов и молекул в плазме с помощью этого устройства требует значительных затрат времени из-за необходимости обработки фотоматериалов. Целью изобретения является повьш1е- ние чувствительности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения концентрации атомов и молекул в плазме, содержащем лазер с двуплечим резонатором Майкельсона с оптическими длинами плеч L, и L и установленную в одном из плеч ячейку с исследуемой плазмой, в другое плечо резонатора введен оптический элемент с селективными потерями, и тем, что элемент с селективными потерями вьтолнен в виде установленных последовательно поляризатора и двулучепреломляющей пластинки, оптические оси которых ориентированы под углом друг к другу, при этом оптические длины плеч резонатора Майкельсона L, и L связаны соотношением L, - L &nd, где Лп 3. 1 разность показателя преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, а d - толщина пластины, а также тем, что элемент с селективными потерями выполнен в виде интерферометра ФабриПеро, при этом оптические длины плеч резонатора Майкельсона L и L связаны соотношением L, - L nt, где п - коэффициент преломления среды в интерферометре Фабри-Перо, at- его толщина. В вариантах вьшолнения устройства повьшение его чувствительности достигается введением в резонатор Майкельсона селективных потерь, величина которых связана с длиной волны излучёния лазера. Выбор оптических длин L, и L плеч резонатора обеспечивает срвпадение спектрального расположения минимумов потерь, обусловленных интерференцией в обоих плечах рёзонатора в отсутствие плазмы со спектральным расположением минимумов се- лективных потерь. Это позволяет создать условия, при которых малые спектральные сдвиги квазимод, обусловленные-внесением плазмы, можно регистрировать в виде измеримого изменения интенсивности этих квазимод по сравнению с их интенсивностью в отсутствие плазмы или с интенсивностью квази мод вдали от линии поглощения плазмы. .В первом варианте устройства, основанном на использовании эффекта дву лучепреломления, поляризатор и двулучепреломляющая пластина в совокупнести образуют элемент с селективными потерями V, , зависящими от длины волны излучения лазера Oi : V sin 26sin (3) А где & - угол между оптическими осями поляризатора и пластины. Величина потерь V, периодически зависит от дЛины волны h с периодом . 2 , „ Во втором варианте устройства, основанном на явлении многолучевой интерференции, элемент с селективными „ . потерями представляет собой интерфе - „ рометр Фабри-Перо. Величина потерь „ V, в нем определяется соотношением г (l-R) Т 4Rsin() - , где R - коэффициент отражения зеркал интерферометра Фабри-Перо. 684 Величина потерь V периодически зависит от длины волны с периодом Х Подбор величины коэффициента отражения R позволяет добиться более сильной (нежели V, (-х)) зависимости величины V отХ вблизи минимумов потерь. Это обеспечивает уменьшение по сравнению с первым вариантом спектральной ширины квазимод, что расширяет: диапазон экспериментальных усповий в области низких концентраций, На фиг.1 и 2 представлены различные варианты выполнения устройства, На фиг.1 - вариант с использованием поляризатора и дйулучепреломляющей пластины; на фиг.2 - вариант с использованием интерферометра Фабри-Перо. На фиг.3,4 представлен спектр регистрируемого лазерного излучения: на фиг.З - спектр в отсутствие плазмы, на фиг.4 - спектр при внесенной плазме. Устройство (см.фиг.1,2) содержит широкополосный лазер с резонатором Майкель сона, образованным глухими зеркалами 1, 2, 3 (коэффициенты отражения - 98%) и полупрозрачным зеркалом 4. Внутри резонатора расположены ячейка 5 с активным веществом, ячейка 6 с исследуемой плазмой и элемент . 7 с селективными потерями. За зерка- лом 2 расположена поворотная призма 8, оптически связывакицая его с анализатором спектра - спектрометром 9. На фиг.1 элемент 7 выполнен в виде оптически связанных поляризатора 10 и двулзгчепреломляющей пластины 11, оптические оси которой ориентированы ° углом О друг к другу. Поляризатор 10 установлен в оправе 12, обеспечивающей возможность поворота вокруг оси резонатора для плавного и контролируемого изменения угла в . Оптическая длина L, плеча, в котором установлены поляризатор 10 и пластина связана с оптической длиной L плеча, в котором установлена ячейка , т . j б, соотношением: L, - . где 2 АП - двулучепреломление материала ,, j пластины , а - ее толщина. „ , « На фиг.2 элемент 7 выполнен в ви.. А тт л. де интерферометра Фабри-Перо с коэф „ к f f Фициентом R отражения, величина ко торого определяется условием эксперимента. Оптическая длина плеча L , в котором установлен интерферометр Фабри-Перо, связана с оптической длиной плеча L, в котором установлена ячейка 6, соотношением L, - L nt, где п - показатель преломления интерферометра Фабри-Перо, t - его толщина. Поскольку работа указанных вариан тов основана на одном принципе - вве дение во второе плечо резонатора Май кельсона элемента с селективными потерями приводит к изменению интенсив ности квазимод вблизи линии поглощения в плазме вследствие их спектраль ных сдвигов, обусловленных аномально дисперсией в плазме. Работа устройст ва пояснена на примере первого вариа та (см.фиг.1). Устройство работает следующим образом. В резонаторе, образованном зеркалами 1-4, генерируется широкополосно лазерное излучение. Спектр этого излучения в отсутствие плазмы обусловлен суммой потерь, определяемой с од ной стороны потерями из-за интерференции в резонаторе Майкельсона, зависящими от оптических длин L, , резонатора, с другой стороны, селективными потерями V, . Эффективные пот ри V системы зеркал 1-4 с элементом 7,определяются соотношением: i,.29sin sir. где член sin 2n-(L,-L.)/- определяётся потерями, обусловленными интерференцией волн в резонаторе Майкельсона, а остальные сомножители - поте рями, обусловленными элементом 7 см соотношение (3)J . Поскольку размеры плеч резонатора выбраны так, что вьшолняется условие L, - 1 And, то спектральное расположение минимумов потерь, обусловленi ных интерференцией в обоих плечах L,, L резонатора в отсутствие плазмы ;совпадает с положением минимумов селективных потерь, .вводимых элементами 10, 11. Поэтому спектр лазерного излучения в отсутствие плазмы представляет собой набор эквидистантных .квазимод одинаковой интенсивности 1 (фиг.3). Спектральное расстояние X А, между этими квазимодами определяется геометрическими размерами плеч резонатора и параметрами двулучепреломляющей пластины 11. Центры этих областей генерации - квазимод - соответствуют селективным потерям, равным нулю, согласно уравнению (5). Внесение плазмь приводит к возникновению аномальной дисперсии лазерного излучения вблизи линий поглощения. Это обуславливает изменение оптической длины L плеча, содержащего ячейку 6. В этих условиях минимальные потери, определяемые интерференции и селективным поглотителем 7, становятся не равными нулю. Интенсивность I генерации квазимод, возникающих в спектральных .областях, соответствующих этим минимальным (но отличным от нуля) потерям, меньше интенсивности Ijj квазимод, отстоящих далеко от линии поглощения (см,фиг.4, гдеХ центр к-ой линии поглощения). Таким образом, спектрометр 9 регистрирует распределение интенсивности 1() квазимод, показанное на фиг.4. Измерение относительного уменьшения интенсивности I;/Ig i-ой моды позволяет определить величину &V, потерь, приводящих к этому уменьшению, по формуле: .. .. uV, где с - скорость света} - длительность импульса генерации ; L - длина резонатора лазера. Из равенства (3) видно, что тт у 2 „- . 4;Тй 1 2йЛ /тч ЛУ, 7sLn 2esin -д- (7) где ЛХ - спектральный сдвиг квазимоды. При малых сдвигах Ир. 47 f- 4irK где К - относительный сдвиг квазимоды, аналогичный сдвигу интерференционной полосы в уравнении (I). Величина потерь определяется соотношениемAV, 20 К (8) Поскольку сдвиг к квазимоды определяет концентрацию атомов см. (2) , то измерение К| и двух квазимод, лежащих по обе стороны от центра линии поглощения, позволяет определить значение N из соотношения 01 V . V N ft 7S -in fQ N Ь,2Ь 10 if(K,+K.) Аналогичным образом работает второй вариант устройства, использующий в качестве селективного поглотителя 7 интерферометр Фабри-Перо. В конкретном варианте устройство Ьодержит импульсный лазер на растворе родамина в этаноле с накачкой от двух импульсных газоразрядных ламп с широким, около 10 нм, спектром генерации вблизи А 600 нм. Длительность импульса генерации составляет 50 мкс, длина резонатора L равна 1 м. Для исключения паразитной селекции диэлектрические зеркала 1-4 нанесены на клиновидные стеклянные подложки с углом около 10°. В качестве поляризатора 10 используется призма из кальцита с преломляющим углом 8 , пластина 11 также выполнена из кальцита с двулучепреломлением ,172, толщиной ,5 см. Это соответствует периоду Л, 0,01 нм зависимости V, (7i Достижение положительного эффекта по ясняется на примере, когда в результате внесения плазмы интенсивности i-ой и i+1-ой квазимоД (ближайших квазимод, лежапщх по обе стороны цен тра линии поглощения 71 ок) уменьшилис до величины Ij,;,/ ° Формуле (6) определяют потери, вносимое селективным элементом 7 на фиг.I, на дпинах волнЛ;,, &V лУи, 1,2-Ю-, .а затем из равенства (7) рассчитываю значение величины относительного . Для рассматриваемого случая при 9 45° из (7) имеем , К; К;„ 1,23-10 (И по формуле (9) 68 N. ь-i Эти оценки показывают, что при стандартной широко распространенной спектральной аппаратуре и длительности импульса лазераf 50 мкс (эта величина определяет временную разрешающую способность устройства) чувствительность предлагаемого устройства более, чем в, 10 раз превышает чувствительность аналога и прототипа. Повьш1ение разрешахщей способности анализатора спектра к уменьшение требований к временной разрешакмцей спо собности устройства приводит к пропорциональному увеличению чувствительности. Достоинством устройства является простота его реализации: в отличие от известного устройства изобретение позволяет использовать стандартную, серийно выпускаемую спектральную аппаратуру. Другим важным достоинством устройства по сравнению с известным является оперативности получения результатов, возможность автоматизации процесса измерений и непосредственного соединения системы регистрации с ЭВМ для обработки экспериментальных результатов. Работоспособность предлагаемого устройства подтверждена зкспериментально при использовании лазера с длительностью импульса 2 мкс.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ В ПЛАЗ МЕ, содержащее лазер .с двуплечим резонатором Майкельсона с оптическими длинами плеч L, и L и установленную в одном из плеч ячейку с исследуемой плазмой, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности измерений, в другое плечо резонатора введен оптический элемент с селективными потерями. 2.Устройство по п.1, отличающееся тем, что, .элемент с селективными потерями выполнен в виде установленных последовательно поляризатора и двулучепреломляющей пластинки, оптические оси которых ориентированы под углом друг к другу, при этом оптические длины плеч резонатора Майкельсона L, L связаны соотношением L, - L « und, где &п - разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, ad- толщина пластины. 3.Устройство по п. 1, о т л я ч аю щ е е с я тем, что элемент с селектнвными потерями выполнен в вцде ни- : терферометра Фабри-Перо, при этом оптические дпшш плеч резонатора Майкельсона L и L связаны соотношением L, - L nt, где п - коэффициент преломления среды в интерферометре Фабри-Перо, at- его толвоша.

//////f/ Yf/ffff

I

Фиг.

3

J

О

ок Фиг.

0К tPt/g.