Абсорбционный спектрометр Советский патент 1986 года по МПК G01N21/39 

Изобретение относится к абсорбционному атомному и молекулярному спектральному анализу и может быть использовано в различных отраслях науки, техники и производства, где требуется высркал чувствительность спектральных измерений.

Целью изобретения является повышение чувствительности анализа.

На чертеже приведена оптическая схема абсорбционного спектрометра.

Абсорбционный cneKTpoMiETp содержи лазер-гетеродин с активньш элементом 1 и дополнительно введенный ла- |зер с активным элементом 2. На общем участке резонаторов обоих лазеров последовательно ho ходу .излучения со стороны актгивных злементов 1 и 2 размещены светрделитель 3 нелиней- ный преобразователь 4 частоты, фазовая пластинка 5 и светоделитель 6. За светоделителем 6 на пути зондирующего излучения, сформированного нели нейным преобразователем 4, расположена рабочая кювета 7 и отражатель 8 с максимальным коэффициентом отражения на частотах зондирующего излучения . Отражатель 9 установлен за светоделителем 6 на пути излзгчения обоих лазеров. Отражатели tO и IT ограничивают резонаторы Лазера-гетеродина и дополнительно введенного лазера со стороны активных элементов 1 и 2. Средство регистрации и анализа излучения по спектру (не показано) расположено за выходным зеркалом дополнительно введенного лазера.

Устройство работает следуннцда образом.

Излучения на .частотах лазера| гете родина Vf и дополнительно введенного лазера У генерируются s активных элементах 1 и 2 соответственно и затем совмещаются с помощью светоделителя 3 внутри нелинейного гфеобраэо- вателя ,4 частоты. В нелинейном преобразователе 4 осзпчествляется преобразование излучения допол1штельно . введенного лазера в зондируящее излучение с частотами v, . Пройдя, далее через фазовую пластинку 5, все три излучения попадают на светоделитель 6, который направляет зондирующее излучение в рабочую кювету 7.

Зондирующее.излучение проходит через рабочую кювету 7, отражается от отражателя 8 и возвращается в нели-г нейный преобразователь 4 частоты.

где с помощью светоделителя 6 совмещается с отраженными от отражателя 9 излучениями обоих лазеров. Фазовая пластинка 5, через которую

в прямом и обратном направлении- про- . ходят все три излучения, обеспечивает изменение обобщенной фазы процесса нелинейного преобразования для обратного прохода через преобразователь 4 по сравнению1с прямым проходом HartiTT , где нечетное, так что при обратном проходе происходит преобразование зондирующего излучения в излучение на частотах до-;

полнительно введенного лазера.

Таким образом, -зондирующее излучение генерируется за счет смещения излучений дополнительно введенного лазера и лазера-гетеродина в нелинейном преобразователе 4 частоты, а затем обратно преобразуется в излучение на частоте дополнительно введенного лазера. Если при этом в рабочей кювете 7 на какой-то насто те зондирукицего излучения имеет место поглощение, то интенсивность излучения на соответствзтеицей частоте дополнительно введенного лазера, : возвращающегося в его активный элемент, будет уменьшена по.сравненшо с интенсивностью излучения на частотах, где зондирующее излучение проходит через кювету 7 без поглощения. Таким образом, излучение дополнительно введенного лазера имеет на частотах, соответствукящх линиям поглощения, большие потери, что приводит к тому, что в спектре

генера(ии дополнительно введенного лазера, регистрируемом Средством регистрации и анализа излучения по спектру, на частотах, соответствующих линиям поглощения, образуются

„ За -3( а)

провалы глубиной

где

5. о - интенсивность в окрестности провала; 3(Vg) - интенсивность на частоте -ig дополнительно введенного лазера, соответствукмцей. линии поглощения. Зависимость глубины провала от коэффициента поглощения определяется типом дополнительно введенного лазера (с неоднородно или однородно уширенной полосой усиления, импульсный или непрерьшного действия). Например, для лазера с однородно уши- ренным контуром усиления, работающего в стационарном режиме, глубина провала

1

.0 )Д )Д

Jo

(л) 2/3

(1)

1239558 , 4

спектра усиления активной среды; Хд - величина накачки, вьфаженная в числе порогов; Ро - коэффициент не- селективных потерь в резонаторе; 5 f ((j) коэффициент селективных, обусловленных поглощением потерь на

где Г/(1-1/х„) , h- показа-частоте Vj дополнительно введенного

тёль преломления, усредненный полазера; Р (V,, ) связан с коэффициентом

длине L , где L - расстояние между ;поглощения .«„.(з) на соответствующей

отражателем 11 и нелинейным преобра- 0частоте Vj зондирующего излучения

зователем 4 частоты; Г - полуширина .следующим образом

ni )- г г р;°° д: - -р; F- 1, J5;.sle,i-.,,.

где tf, - длина рабочей кюветы;

Е, - длина нелинейного преобразователя 4 частоты

Г l llllltr l

; ,.-

где «1 - нелинейный коэффициент вто ро- го порядка;Р - внутрирезонаторная мощность излучения на частоте лазера-гетеродина; С - скорость света; J г коэффициенты отра- жения отражателя 9 на частотах дополнительно введенного лазера и лазера- гетеродина соответственно; R - коэффициент отражения отражателя 8 на частоте зондирующего излут1ения.

В наиболее простом варианте исполнения абсорбционного спектрометра лазер-гетеродин и дополнительно введенный лазер генерирзтот излуче- ние различных поляризаций ч в качестве светоделителя 3 служит поляризационная призма. Для того, чтобы светоделитель 6 отражал зондирующее излучение в направлении рабочей кюг веты 7 и пропускал излучения обоих лазеров в направлении отражателя 9, он должен быть выполнен в веде зеркала со.специальным покрытием. Если вещества, содержащиеся в рабочей кювете 7, не поглощают на частотах лазера-гетеродина и дополнительно введенного лазера, светоделитель 6 может быть выполнен в виде поляриза- 1ЩОННОЙ призмы. В этом случае светоделитель 6 нащ авляет излучение па зера-гетеродина на отражатель 8, а излучение дополнительно введенного лазера проходит в направлении отражателя 9. Если зондирующее излучение имеет ту же поляризацию, что и излучение

а

(1)

1239558 , 4

спектра усиления активной среды; Хд - величина накачки, вьфаженная в числе порогов; Ро - коэффициент не- селективных потерь в резонаторе; 5 f ((j) коэффициент селективных, обусловленных поглощением потерь на

каза-частоте Vj дополнительно введенного

2)

лазера-гетеродина, рабочая кювета 7 . долЕ|сна быть установлена между светоделителем б и отражателем 8, который имеет максимальный коэффициент отражения на частотах зондирующего излучения. Если поляризация зондирукщего излзгчения совпадает с . поляризацией дополнительно введенного лазера, отражателем с максимальным коэффициентом отражения на -частотах зондирующего излучения должен быть отражатель 9 и рабочая кювета 7 должна быть установлена между светоделителем 6 и отражателем 9.

Спектральный состав зондирующего излучения определяется спектром генерации, обоих лазеров и видом нелинейного преобразователя частоты, причем частота зондирукщего излучения может перестраиваться,если использовать в качестве дополнительно введенного, лазера перестраиваемый лазер, например лазер на красителе, и осуществлять перестройку синхронизма в нелинейном преобразователе частоты.

, Пример. Рассмотрим абсорбционный сйектрометр, в котором в качестве лазера-гетеродина служит рубиновый лазер (,694 мкм), рабо- такнций в режиме свободной генерации, и дополнительно введен лазер на красителе родамин 6Ж в этаноле с ламповой накачкой (диапазон перестройки ,57-0,62 мкм). Полоса усиления раствора органического красителя однородно уширена и для него справедливы формулы (1 и 2), Для осуществления высокочувствительных спектральных измерений в ИК-области спектра нелинейный преобразователь 4 частоты выполнен из кристалла LiJOj с углом

фазового синхронизма 0gj 21 , Изменяя путем поворота кристалла угол 9е- в пределах 22,6-20,15, имеем

еоо

зондирующее излучение, перестраивае-

мое в диапазоне Л3 3,2-5,8 мкм. В этот диапазон по падает, в частности, ряд линий газов, загрязняющих атмосферу: СО (4,7 мкм), N0 (5,3 мкм), (3,6 мкм), СН (3,4 мем). Фазо- вая пластинка 5 изготовлена из BaF, прозрачного в области О,J5-15 мкм. При использовании фазовой пластинки 5 толщиной 5 мм изменение угла наклона пластинки от О до 8,7 обес- печивает- изменение обобщенной фазы в пластинке на произвольную величину в пределах от О доТГ . Положение, пластинки 5, при котором глубина провала в спектре максимальна, .соответствует изменению обобщенной фазы перед обратным проходом по сравнению с прямым.проходом на inTr, где нечетное, В качестве светоделителя 3 служит поляризационная призма Рлана изготовленная из CaCO.j (прозрачен в области 0,2-2 мкм), в качестве светод;елителя 6 - зеркало из германия с интерферейхщонным покрытием, пропускающее излзп1ение лазера на красителе и рубинового лазера и отражающее в направлении рабочей кюветы зондирующее излучение. Отралка- .тель 9 имеет максимальный коэффтда- ент отражения на частотах л4зера на кристалле и рубинового лазера, отра- жатель 8 - макс1едальный коэф шщент отражения на частотах зовдирующего излучения (Rg«l, ,997). Отражатель 10 отражает 99j7% излучений ру- бИнового лазера, отражатель. 11 cjiy- лит выходным зеркалом лазедайа краеител ей имеет коэффициент отражашш 45%

. П р и м е р 2. Для осуществления высокочувствительшлх спектральных измерений в УФ-области сиектра в дополнительно введенном лазере используется краситель - оксазян t в дйхлорметане (,74 мкм); а ае- линейный преобразователь. 4 частоты выполнен из кристалла КДР с углом фазового синхронизма ©ев« . При использовании в качестве лазера- гетеродина рубинового лазера длина волны зондирующего в этом случае А ,358 мкм,

В окрестности этой длины волны расположены, в частности, линии

атомарного 357,87 и 359,35 нм. Фазовую пластинку 5 изготавливают из плавленного кварца SiOj. Изменение обобщенной фазы в пластинке на произвольную величину от О до IT обеспечивается в этом случае при изменении угла наклона пластинки толщиной 5 мм от О до 3,3°.

Основным достоинством предлагаемого абсорбционного спектрометра по сравнению с известным является увели- чёние чувствительности к слабым поглощениям. В табл. 1 и 2 приведены значения относительной глубины провала в спектре дополнительно введе1йного лазера при оптической толщине рабочей к юветы на частоте линии, погло- щенияК„ (V )Г„ 10.для примеров 1 и 2 соответственно при длине,нелинейного кристалла 4 см и различных значениях мощности излучения лазера- гетеродина Р в резонаторе при следующих параметрах лазера на красителе: L 50 см, г 2000 см , 6 1, 1, ,1. .

С другой стороны, в известном устройстве согласно формуле (1) при оп- тической толп5ине рабочей кюветы K(V)6jj 10 относительная глубина

провала

3(V)

:а,

10-. Таким обра

зом, из табл. 1 и 2 видно, что ис- ; пользование предлагаемого изобретения позволяет повысить чувствительность, на 1-3 порядка. Меньпшй выигрьш в чувствительности в примере 2 обусловлен тем, что нелинейный коэффициент cj в кристалле КДР на-порядок ниже,, чем в LinOj, и, следовательно, в КЦР ниже КПД нелинейного преобразования. Нар.яду с повышением .чувствительности в предлагаемом абсорбционном спектрометре нелинейный преобразователь частоты оказывается размещен - ; ным в резонаторе лазера-гетеродина и за счет этого увеличивается КПД преобразования зондирующего излуче- ния в излучение дополнительно введенного лазера, непосредств.енно анализируемое с помощью средств регистрации и энализа по спектру. В результате в предлагаемом .спектрометре плотность мощности излучения, попадающего на средство регистрации и анализа излучения по спектру, в 10-100 раз вьше, чем в известном спектрометре, если в качестве источ7 1239558. 8

ника зондирукицего излучения в извест-ретение дает выиграш по мощности еще ном устройстве использовать источникв 100 раз. Повьшение мощности анали- типа лазерного например генераторзируемого излучения позволяет полуразностной частоты. Если в известномчать спектр с более высоким разреше- устройстве в качестве источника зон- нием и лучшим отношением сигнала к дирукнцего излучения используется тепловой источник, то предлагаемое изобшуму, чем ройства.

известного устретение дает выиграш по мощности еще в 100 раз. Повьшение мощности анали- зируемого излучения позволяет получать спектр с более высоким разреше- нием и лучшим отношением сигнала к

шуму, чем ройства.

известного устТ а блица 1

Таблица 2

ft

Редактор В. Иванова Заказ 3387/41

Составитель О. Матвеев

Техред И, Попович Корректор Г Решетник

Тираж. 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Ю