Способ внутрирезонаторной лазерной спектроскопии Советский патент 1993 года по МПК G01N21/39 

Чзобретсняе относится к спектральному анализу веществ и может быть использонано при измерении спектров поглощения веществ в твердой, жидкой и газовой фазах для определения содержания загрязняющих веществ в исследуемых образцах, а также для определения малого ослабления средой.

Целью изобретения является увеличение чувствительности внутрирезона- торной лазерной спектроскопии к неселективному ослаблению.

На фиг 1 изображена блок-схема установки, функционирующей по предлагаемому способу, на фиг. 2 и 3 - диаграммы сигналов, поясняющие осу- . ществление способа.

Установка содержит спектральный прибор 1, анализирующий спектр излучения лазера, выходное зеркало 2 резонатора лазера,активную среду 3 лазера, делительное зеркало 4, кювета 5 с исследуемым веществом, глухие зеркала 6 и 7 иуравнивающий фильтр 8.

Исследуемое вещество, например . NjH, в жидкой фазе, имеющее поглощение в полосе 200 см- , пойещают в кювету 5, установленную в резонаторе многоходового лазера на неодим вом стекле с полной щириной полосы усиления X 500 ем- и однородной шириной л 35 см . Широкополосное изДля лазера на неодимовом стекле типичные значения параметров lo/pTo- , J5/P lO-, что для Г/г -12лучение лазера внутри резонатора де- 35 приводит к значению А из (), равно-ч

лится на два канала делительным зеркалом, в качестве которого можно использовать зеркало со специальным образом, рассчитанным диэлектрическим покрытием, обеспечивающим пропускание в узком ( 3 см) спектральном диапазоне и отражение всего остального излучения. Ширина вьщеленного участка спектра в 12 раз меньше однородной щирины контура усиления и в 30-100 раз меныпе полной ширины спектра генерации, составляющей для разных уровней накачки 90-300 см.

Обе части излучения (прошедшая и отраженная) остаются в резонаторе, для чего на пути каждой из них устанавливают зеркало перпендикулярно направлению распространения излучения. Фильтр 8 ослабляет отраженное излучение точно так же, как пустая кювета прошедшее.

При отсутствии ослабления (фиг.2) в исследуемом веществе вьщеленного

излучения (эпюра 9) и излучения, генерируемое внутри резонатора (эпюра 10), совмещаясь, дают излучение с гладким спектральным распределением (эпюра 11). При наличии ослабления (фиг. 3) происходит небольшое умень- щение интенсивности вьщеленного излучения.

Взаимодействие вьщеленного излучения с излучением, генерируемым внутри резонатора в активной среде лазера, приводит к усилению изменения спектральной картины и в спектре ре- зультирующего излучения появляются резкие провалы, величина которых определяется величиной неселективного эслабления -исследуемого вещества.

Так как спектры отражения и пропускания дополняют друг друга, то в отсутствии исследуемого вещества в кювете 5, в спектре генерации лазера не будет никакой структуры. Когда в кювету 5 помещают , то вследствие ослабления излучения в нем в спектре генерации лазера имеет место провал на частоте излучения, пропущенного через вещество. Спектр регистрируют спектральным прибором 1 и по величине провала судят о коэф- фициенте ослабления исследуемого вещества.

Для лазера на неодимовом стекле типичные значения параметров lo/pTo- , J5/P lO-, что для

приводит к значению А из (), равноприводит к значению А из (), равно-ч

J-Q способа.

му 1+2-10, т.е. в рассмотренном Примере чувствительность предлагаемого способа не хуже, чем чувствительность традиционного широкополосноJ-Q способа.

Отношение пороговой чувствительности предлагаемого способа к известному определяется величиной

соба.

(-|)aexp(-2p,

()

способа.

f, и I(j - мощность спонтанного шума, накачки и генерации

TO - величина потерь в резонаторе лазера, не связанных с исследуемым веществом;

Г ширина однородного

контура усиления активной среды;

- ширина пика F спектре излучение, про5

W

пускаемого черея нс- слелуемое вешестно. Для широкого класса лазеров (лазеры на рубине, неодимовом стекле, цетрах окраских крясителях) 0- ляя разных уровней накачки. При Г/ j- 10, А « 1 + 510--1 «- 5-10 2% т.е. пороговые чувствительности практически совпадают.

Вид выражения () таков, что при увеличении Г/ пороговая чувствительность практически не меняется и остается на уровне чувствительности широкополосной ВРЛС. Уменьшение Г/j- при- 15 водит к увеличению пороговой чувствительности, т.е. к ухудшению рабо- тоспособности предлагаемого способа. Так при Г/у 5 exp(-2://r/j-)-2-3-10генерации многомодопсм о лазера, помещения внутрь резонатора того лазера исследуемого вещестпл и срлпкс;- ния спектров излучения лаз.фа в отсутствии исследуемого вещества в резонаторе лазера и в присутстнми исследуемого вещества там тке отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности к неселективному ослаблению, из генерируемого лазером излучения внутри резонатора выделяют часть, спектр которой имеет вид одной или нескольких полос, спектральная пирина которых в десять и более раз меньше всей спектральной ширины излучения лазераj однородной пшрины усиления активной среды этого же лазера, спектрального интервала междУ полосам, вьщеленную

и А 2-3-Ю - + 2-10, т.е. при не-20 часть излучения направляют по собст- которых значениях параметров f, Р к венному каналу, оставляя ее внутри LO чувствительность уже более чем в резонатора лазера и соблюдая при этом 10 раз отличается от чувствительности широкополосной BPJTC. Уменьшение

25

Г/ ведет к еще большему ухудшению чувствительности.

Проведенные оценки показывают, что отношение Г/г должно быть более десяти. 4)ормула изобретения

Способ внутрирезонаторной лазерной спектроскопии путем возбуждения

30

условие, чтобы в отсутствие исследуемого вещества спектр излучения лазера был бесструктурньм, вьщеленную часть излучения пропускают через исследуемое веществе и по величине провалов в спектре генерадт-си лазера на частотах пропущенного через ; сследуемое вещество пзл т 1екия судят о величине неселективного ослабления.

часть излучения направляют по собст- венному каналу, оставляя ее внутри резонатора лазера и соблюдая при этом

условие, чтобы в отсутствие исследуемого вещества спектр излучения лазера был бесструктурньм, вьщеленную часть излучения пропускают через исследуемое веществе и по величине провалов в спектре генерадт-си лазера на частотах пропущенного через ; сследуемое вещество пзл т 1екия судят о величине неселективного ослабления.

Изобретение относится к области квантовой электроники и спектроско ПИИ, а именно к внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. Цель изобретения заключается в увеличении чувствительности к неселективному ослаблению. Исследуемое вещество помещают внутрь многомодового лазера и регистрируют спектр излучения в при- сутстврш и отсутствии исследуемого вещества. Из генерируемого лазером излучения внутри резонатора выделяют часть, спектр которой имеет вид одной 1ШИ нескольких полос, спектральная ширина которьгх в десять и более раз меньше всей спектральной ширины излучения лазера, однородной ширины усиления активной среды этого же лазера, спектрального интервала между полосами. Выделенную чясть излучегнтйа направляют по собственному каналу, оставляя ее внутрь резонатора лазера. При этом соблюдается условие, чтобы в отсутствии исследуемого de- . щества спектр излучения лазера был бесструктурным. Выцвлен гую часть излучения пропускают через исследуемое вещество и по величине провалов в спектре генерации лазера на частотах пропущенного через исслсэдуемое вещество излучения судят о величине неселективного ослаблетшя. 3 ил. с ю о S4

-1

ff

гз;

Составитель Б.Широков Редактор Т.Горячева Техред М.Ходанич Корректор М.Пожо

Заказ 1958 ; ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектняя, А

«

441