Способ определения относительного спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса Советский патент 1991 года по МПК G01N21/63 

Изобретение относится к лазерной спектроскопии и может быть использовано для измерений эффективности слабых взаимодействий излучения с веществом, в частности интенсивности вторичных процессов распада поглощенной объектом энергии излучения (например, излучения люминисцен- ции или комбинационного рассеяния и др.).

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Способ определения относительного спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса осуществляется следующим образом.

В многоходовую кювету вдоль оптической оси вводят лазерное излучение, которое преобразуется по частоте в нелинейном кристалле, помещенном внутрь кюветы. Преобразованное на частоте излучение служит зондирующим для находящегося внутри кюветы исследуемого объекта. Отражатели кюветы образуют оптический резонатор, высокодобротный на частоте зондирующего излучения и низкодобротный на частоте излучения лазера. При этом регистриуемый сигнал вторичного процесса, являющегося следствием возбуждения объекта зондирующим излучением нормируют на энергию преобразованного по частоте излучения, вышедшего из многоходовой кюветы (МК) через один из ее отражателей за все время взаимодействия со средой.

Преобразование осуществляется с помощью двух предварительно сформирован- ных пучков лазерного излучения, неколинеарных оси кюветы и один другому, посредством нелинейного преобразователя, выполненного для преобразования частоты при векторном фазовом синхронизме так, что волновой вектор преобразованного по частоте излучения совпадает с оптической осью многоходовой кюветы.

Излучение вводится в МК вдоль ее оси со стороны первого отражателя с коэффициентом отражения Нз и коэффициентом пропускания Тз. Через второй отражатель с коэффициентом отражения R4 и коэффициентом пропускания Т4 излучение частично выходит из МК и поступает на фотоприемник, сигнал которого S. Введенный в МК световой импульс имеет энергию. Считают, что выполняются условия R4 + Т4 1; Рз + Тз 1, пропускание исследуемой среды Тх, пропускание находящихся в МК элементов между первым отражателем и образцом Ту, между образцом и вторым отражателем Те. Энергия излучения перед первым проходом образца

Е Е Т7.(1)

а после первого прохода

Е ЕТ7Тх.(2)

Отклик фотоприемника на первый вышедший из МК импульс света

51 ЕТ7 Т8 Тх Е .ТхЛв-Т, (3) где к - коэффициент, зависящий от параметров фотоприемника и измеряемого параметра выходящих из МК импульсов света.

Аналогично получают для второго вышедшего из МК импульса

52 Si(VrbR7T7T8Tx)2(A) и для п-го

Sn SinVTxz)

2Лп-1

(В)

где То VR3R4 Т Та - общие потери в МК, измеряемые при отсутствии в МК исследуемой среды (Т 1).

Суммарная энергия всех выходящих из МК через одно из зеркал импульсов согласно выражению для суммы членов убывающей геометрической прогрессии равна

10

15

20

25

35

40

45

50

55

(6)

(7)

FK -$ s - i-nfr2:)1

Еобщ.-25п-51 .

Отклик детектора вторичного процесса на поглощенную энергию Л Е обозначим за U. Тогда при первом проходе среды введенным импульсом света с учетом (2) получают (1-Тх) .„ Si (1-fTx) Тх где Ui - отклик детектора вторичного процесса на поглощенную энергию АЕ1 при первом проходе исследуемой среды;

b - коэффициент чувствительности этого детектора;

rj - квантовый выход вторичного процесса.

Отразившись от второго отражателя МК, излучение снова проходит исследуемую среду.

U2 b А Еа - bJ/ Е А Т| Тх(1 - Тх) - UiT28R4Tx.(8)

После отражения от первого отражателя и третьего прохода светом среды возникает сигнал

из b А Ез - U iT28R3R4T27T2x.(9)

Считая Т Те; Нз Mfy. для 1-го прохода можно записать

Ut Ui(VR3R4 Т7Т8Тх)и Ui(ToTx)M, (10) причем I 2п-1, где п - число вышедших из МК импульсов. Тогда с помощью выражения для суммы членов убывающей геометрической прогрессии

Zn-2

(11)

(12)

(13)

и Ж -у Ц ЙЁИз (6), (7) и (11) следует, что Црбщ И.О -Тх)(1 +ТхТо) Еобщ КТ8Т4ТХ

или иначе

-bJ-CW).

где А - величина общих потерь в МК на проход, включающих потери на пропускание зеркал, поглощение и рассеяние излучения входящими в МК элементами;

Ах - доля поглощаемой исследуемой средой энергии излучения.

Для сравнения получают выражение отклика детектора вторичного процесса при отсутствии нормировки на энергию им пульса зондирующего излучения за время взаимодействия со средой.

Если в МК введена интенсивность 1Л, то ее изменение со временем описывается выражением

l(t) l e-t/&i,(14)

где - время жизни фотона в МК, равное

L I to

rm

(15)

о| В случае известного способа Afo -

В качестве единицы времени берется время прохода МК to L/C. Считают, что в течение этого времени энергия излучения в МК по- стоянна, а импульс лазера имеет длительность Atfl.

После первого прохода объектом излучения измеряется заряд

0|. 2 к1лМе 1о/Гт(16)

Тогда общий заряд, измеренный датчиком вторичного процесса после п проходов, составляет

Qn 2kJ7AxtoJ ле ito/Tm . (17)

i - л

Поскольку

A,tn /гi й /Г|

0/Гт е -,,/г„

т т

1 11-е °/т™

(используют формулу для суммы членов убывающей геометрической прогрессии), а -to m ф/Тт д|И при большем л

е пю /Гт « 1.

Qn2k 1/й)1,,(д)Ас

(18)

В известном 2to Atn и (18) записывается в виде

Qn klnAtJ,)A.(19)

Сравнивая (19) с формулой для обычных однопроходовых измерений

Q klnAtn /Ах ,

можно сделать вывод, что повышение чувствительности при помещении среды в МК составляет 1 /А при одной и той же воздействующей на среду энергии лазера.

Сравнение (13) и (19) показывает, что введение нормировки сигнала датчика вторичного процесса на энергию вышедшего через второй отражатель М К зондирующего излучения позволяет устранить не только влияние флюктуации интенсивности и дли- тельности импульса лазера, но также значительно уменьшить влияние флюктуации времени жизни фотона в МК. Например, согласно (13) и (19) изменение А в пределах

заи, то вы5

(14)

ав(15)

10

о| -

прониепо- 15 льзлу(16) 20

чиов,

(17) 25

30

нов ), а л

(18)

35

40

ва19)

ых

45

стМКейчто 0 тоегоего ько ли- 5 чиииер, ах

0,025-0,0275, т.е. на 0,25 %, изменяет отклик детектора вторичного процесса на 10% см (19), а отношение U/E - на 0,1% см (13) Следовательно, введение нормировки энергии генерируемого обьектом импульса на энергию вышедшего из МК импульса снижает влияние флюктуации А почти в 100 раз и устраняет влияние л, Aiji и расходимости лазера.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - оптическая схема устройства для измерения сигнала вторичного процесса с v преобразованием частоты лазерного излучения в условиях неколинеарного фазового синхронизма.

Схема (фиг. 1) использует для зондирования генерацию второй гармоники излучения лазера, Устройство включает лазер I, осевую МК, выполненную из двух высокоотражающих зеркал 2 и 3, причем зеркало 2 имеет максимальный коэффициент пропускания на частоте ш и максимальный коэффициент отражения на частоте 2ш . Между зеркалами 2 и 3 размещена исследуемая среда 4 и нелинейный преобразователь 5 частоты излучения, выполненный для коли- неарной генерации второй гармоники, С исследуемой средой 4 оптически связан детектор б сигнала вторичного процесса. На выходе МК размещен фотоприемник 7 к система 8 регистрации отношения сигналов детекторов 6 и фотоприемника 7.

На схеме (фиг. 2) дополнительно введена система 9 формирования двух пучков одинаковой интенсивности, нелинейный преобразователь 5 частоты излучения.

Способ реализуется следующим образом.

Излучение лазера 1, пройдя оптическую линию задержки (не показана), поступает на селективный отражатель 2. Интенсивность лазера, прошедшая с малыми потерями селективный отражатель 2, удваивается по частоте в нелинейном преобразователе 5 частоты, В исследуемой среде 4 вследствие взаимодействия с ней излучения 2(о генерируется сигнал,который пропорционален

О//)

интенсивности I и детектируется детектором 6. Система 8 регистрации измеряет отношение энергии генерируемого средой 4 и детектируемого датчиком 6 импульса к энергии вышедшего из МК импульса излучения преобразованной частоты, частично вышедшего через зеркало 2, детектируемого фотоприемником.

При неколинеарном вводе излучения два пучка одинаковой интенсивности, пересекаясь в кристалле под углом А, генерируют внутри МК излучение второй гармоники. Это позволяет устранить из МК излучение основной частоты, превышающее по интенсивности зондирующее излучение.

Ориентация нелинейного кристалла и направления волновых векторов взаимодействующих волн выбираются таким образом, что волновой вектор преобразованного излучения совпадает с осью МК. Угол между от ической осью кристалла и направлением нормали к рабочим граням определяется типом нелинейного взаимодействия и углом схождения в кристалле пучков основной частоты ш v

Ввод излучения в МК при использова- ним неколинеарного взаимодействия может быть осуществлен не только посредством генерации второй гармоники, но и с помощью генерации суммарных и разностных частот, что позволяет исследовать процессы в УФ- м ИК-облаетях спектра.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет по сравнению с известным почти в 10 раз уменьшить погрешность измерений генерируемого объектом сигнала, обусловленную флкжтуациямм интенсивности, длительности и расходимости излучения лазера, а также флюктуацмями добротности МК.

Замена колинеарного взаимодействия при удвоении частоты неколинеарным позволяет развязать лазер и высокоотражающее зеркало МК без использования оптической линии задержки с большой базой, также устраняет из объема объекта, с которым взаимодействует излучение второй гармоники, значительно более мощное излучение основной частоты.

Формула изобретения

1.Способ определения относительного спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса, включающий ввод лазерного излучения в многоходовую кювету вдоль ее оптической оси, преобразование лазерного излучения по частоте в помещенном между отражающей кюветой нелинейном кристалле, регистрацию сигнала вторичного процесса, возникающего в объекте, помещенном также внутрь многоходовой кюветы под действием преобразованного по частоте излучения, при этом многоходовая кювета имеет низкую добротность на длине волны лазерного излучения и высокую добротность на длине волны преобразованного по частоте излучения, являющегося зондирующим, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, сигнал вторичного процесса нормируют на энергию преобразованного по частоте излучения, вышедшего из многоходовой кюветы через один из ее отражателей за все время взаимодействия со средой.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что преобразование частоты осуществляют с помощью двух предварительно сформированных пучков лазерного излучения, неколинеарных оси многоходовой кюветы и друг другу, в нелинейном преобразователе частоты, выполненном для преобразования частоты при векторном фазовом синхронизме так, что волновой вектор преобразованного по частоте излучения совпадает с оптической осью многоходовой кюветы.

Изобретение относится к лазерной спектроскопии. Целью изобретения является повышение точности. В многоходовую кювету вдоль оптической оси вводят лазерное излучение, которое преобразуется по частоте в нелинейном кристалле, помещенном внутрь кюветы. Преобразованное по частоте излучение является зондирующим для находящегося внутри кюветы исследуемого объекта. Отражатели кюветы образуют оптический резонатор, высокодобротный на частоте зондирующего излучения и низкодобротный на частоте излучения лазера. При этом регистрируемый сигнал вторичного процесса, возникающий в результате воз- буждения исследуемого объекта, нормируют на энергию преобразованного по частоте излучения, вышедшего из многоходовой кюветы через один из ее отражателей за счет времени взаимодействия со средой. Преобразование частоты осуществляют с помощью двух предварительно сформированных пучков лазерного излучения, неколинеарных оси кюветы и один другому, посредством нелинейного преобразователя, выполненного для преобразования частоты при векторном фазовом синхронизме таким образом, что волновой вектор преобразованного по частоте излучения совпадает с оптической осью многоходовой кюветы. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. ON VJ Ю GJ О сл

СИЗ

8

фиг.1

9 2

1

фиг. 2