Способ определения относительного спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса Советский патент 1992 года по МПК G01N21/63 

сл

с

Сущность: осуществляют возбуждение среды в многопроходной кювете, содержащей нелинейный преобразователь частоты лазерного излучения. Роль возбуждающего излучения играет преобразованный на частоте лазерный импульс. Регистрируют отношение амплитуд вторичного пэоцесса (оптоакустического, люминесцентного и т.д.) и возбуждающего излучения, выходящего через один из отражателей кюветы. 1 ил.

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 люминесценции или комбинационного рассеяния и др.), возникающих после первичного процесса светопоглощения.

Известен способ определения сигнала, генерируемого средой после взаимодействия с лазерным излучением, основанный на зондировании среды, помещенной в осевую многоходовую кювету (МК). Зондирующим излучением является преобразованное во вторую гармонику излучение лазера. Датчиком регистрируется сигнал вторичного процесса 1.

В известном способе отсутствует нормировка сигнала вторичного процесса. Традиционно используемая нормировка на энергию импульса лазера устраняет только влияние флуктуации энергии импульса лазера, не снижая флуктуации и дрейфов из-за флуктуации и дрейфов длины оптического пути в МК (изменения температуры, влажности, вибрации и т.п.), коэффициентов отражения и пропускания входящих в нее элементов, расходимости и длительности излучения лазера от импульса к импульсу, и т.п. Это обусловлено тем, что в отличие от одноходового метода величина генерируемого в МК сигнала вторичного процесса определяется эффективной плотностью мощности излучения в МК за все время взаимодействия с объектом, которая зависит не только от интенсивности излучения лазера но и от его длительности и расходимости а

XI

3

100

сл сл

также от добротности МК. Отсутствие нормировки, учитывающей изменение этих величин от импульса к импульсу, увеличивает погрешностьеизмерений.

Известен способ определения относительного спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса, в котором регистрируемый сигнал вторичного процесса являющегося следствием возбуждения объекта зондирующим излучением, нормируют на энергию преобразованного по частоте излучения, вышедшего из многоходовой кюветы через один из ее отражателей за все время взаимодействия со средой: .

Евп b i . (1 - Тх) (1 + VRi R2 Тз Т4 Tx)f

Еобщ КТа Та Тх

(1)

где ЕВП отклик детектора вторичного процесса на общую энергию вторичного процесса, возникающего после взаимодействия зондирующего излучения с объектом за все время нахождения зондирующего излучения в МК:

Еобщ общая энергия зондирующего излучения, выходящая из МК через один из ее отражателей за все время взаимодействия зондирующего излучения с объектом в МК;

b - коэффициент чувствительности измерителя Еобщ;

k - коэффициент чувствительности измерителя Евп.

rj - квантовый выход вторичного процесса;

Тх - пропускание исследуемой среды;

RI - коэффициент отражения первого зеркала, через которое излучение входит в МК;

R2 и Т2 - соответственно коэффициент отражения и пропускания второго зеркала, за которым расположен измеритель выходящего из МК зондирующего излучения;

Тз и ТА - пропускание элементов МК, расположенных между первым зеркалом и исследуемой средой и вторым зеркалом и исследуемой средой соответствен но 2.

Однако в известном способе не устраняется полностью влияние флуктуации добротности МК, поскольку в выражение О) входит общее пропускание МК Т

Ri RZ ТзТдТх. характеризующее собой все потери излучения на один проход МК (пропускание первого Ti и второго Т2 отражателей определяют собой часть энергии, покидающей МК при одном проходе). Эффективные значения RI и Яз определяются не только величиной отражаемой соответствующими зеркалами энергии излучения, но

также и параметрами лазерного пучка, в частности его расходимостью в различных точках сечения пучка, Появление такого параметра осложняет количественные измерения в МК. В частности, при измерениях эффективности вторичного процесса (квантового выхода) сложно определить число фотонов, израсходованных на взаимодействие с объектом. При измерениях же относи0 тельного спектрального распределения интенсивности вторичного процесса сложно учесть изменение числа фотонов зондирующего излучения от импульса к импульсу для различных длин волн вторичного про5 цесса. Такой проблемы не возникает в обыч- ных одноходовых измерениях, когда оптической системой легко охватить и измерить приемником энергию всех фотонов до и после взаимодействия с объектом, что при

0 известной длине волны лазерного излучения позволяет найти число фотонов, израсходованных на взаимодействие с объектом, Если процесс взаимодействия с объектом линеен, в одноходовых измерениях учиты5 вать пространственное распределение излучения лазера и его расходимость нет необходимости.

Кроме того, в известном способе измеряется энергия вторичного процесса и

0 энергия выходящих из МК фотонов зондирующего излучения, т.е. в обоих случаях измеряется заряд импульсов тока. Между тем, интеграторы редкоповторяющихся импульсов наносекундной длительности отличают5 ся высокой стоимостью и труднодоступны, поскольку отечественной промышленностью не выпускаются.

Устройства измерений мгновенного значения импульса напряжения (устройства

0 выборки и хранения) типа стробвольтмет- ров (например, В9-5) имеют меньшую случайную и систематическую погрешность, более дешевы и доступны по сравнению со стробинтеграторами с временем интегриро5 вания в наносекундном диапазоне,

Целью настоящего изобретения является повышение точности измерений при од- новременном сокращении времени измерений.

0 Поставленная цель достигается гем, что в способе определения относительного спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса, включающем ввод лазерного излучения в

5 многоходовую кювету вдоль ее оптической оси, преобразование лазерного излучения по частоте в помещенном между отражателями кюветы нелинейном кристалле, регистрацию сигнала вторичного процесса, возникающего в обьекте, помещенном также внутрь многоходовой кюветы, под действием преобразованного по частоте излучения, при этом многоходовая кювета имеет низкую добротность на длине волны преобразованного по частоте излучения, являю- щегося зондирующим, а сигнал вторичного процесса нормируют на параметр преобразованного по частоте излучения, вышедшего из многоходовой кюветы через один из ее отражателей за все время взаимодействия со средой, - в качестве сигнала вторичного процесса используют его амплитуду, в качестве нормировочного параметра используют амплитуду преобразованного по частоте излучения, вышедшего из многоходовой кю- веты через один из ее отражателей, причем длину многоходовой кюветы выбирают не более С -At А/2,3 , где С - скорость света в многоходовой кювете: А - относительная величина потерь света на один проход мно- гоходовой кюветы, не содержащей исследуемой среды. At- длительность импульса лазера.

Авторам не известна операция выбора такой длины МК, при которой обеспечивает- ся возможность амплитудного детектирования вторичного процесса и нормировочного сигнала, а также посредством нормировки обеспечивается полное устранение влияния флуктуации параметров лазера и МК на по- грешность измерений относительного спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критериям новизна и существенные отличия.

Способ осуществляется следующим образом.

С помощью двух зеркал формируют осевую многоходовую кювету, причем расстоя- ние между зеркалами выбирают не более С At А/2,3 , где С - скорость света в МК, А - относительная величина потерь света на один проход МК не содержащей исследуемой среды. At - длительность импульса ла- зера, В МК вдоль оптической оси вводят лазерное излучение, которое преобразуется по частоте в нелинейном кристалле, помещенном внутрь МК. Преобразованное по частоте излучение служит зондирующим для находящегося внутри МК исследуемого объекта, Отражатели МК образуют опти- ческий резонатор, высокодобротный на частоте зондирующего излучения и низкодобротный на частоте излучения лазера. При этом регистрируемая амплитуда сигнала вторичного процесса, являющегося следствием возбуждения обьекта зондирующим излучением, нормируют на амплитуду преобразованного по частоте излучения, вышедшего из МК через один из ее отражателей за все время взаимодействия со средой.

Сущность изобретения можно проиллюстрировать следующими расчетными соотношениями.

Считаем, что длительность импульса лазера Atfl значительно больше времени to прохода излучением МК, равного to L/C, где L - длина МК; С - скорость излучения в ней. Считаем также, что импульс лазера прямоугольный и разбит на п частей, протяженность каждой из которых to, а вошедшая в МК интенсивность каждой из п частей равна 1я. Тогда после входа в МК первой из п частей интенсивность излучения в МК составит И 1л. К моменту входа второй части интенсивность находящейся в МК первой части уменьшится вследствие потерь величиной А на один проход МК до величины , и

суммарная интенсивность в МК будет равна h 1л + 1ле . К моменту входа третьей

части находящаяся в МК первая часть уменьшится уже до значения , т.к. к зтсму времени она совершила два прохода МК, а интенсивность находящейся в МК второй части уменьшится до величины , и общая интенсивность в МК составит 1з 1л + + + . Следовательно, после входа в МК последней n-ной части лазерного импульса интенсивность излучения в ней достигнет величины

tmax + в

+ ... 1

пА + е-(п - 1)А + е-(п - 2)А -пА

.-А

1 -(2)

1 -е

Тогда датчик вторичного процесса выдаст сигнал с амплитудой

VBn DA Imax Щ Ах ,(3)

где ЬА коэффициент чувствительности измерителя амплитуды датчика вторичного процесса, а из МК через зеркало 2 выйдет часть зондирующего излучения, которое обеспечит генерацию датчиком нормировочного сигнала импульса напряжения с амплитудой

VH KAlmax ,(4)

,где кд - коэффициент чувствительности измерителя амплитуды нормировочного сигнала;

Тх - пропускание исследуемой среды;

- пропускание элементов МК, находящихся между исследуемой средой и зеркалом 2;

Та - пропускание зеркала 2. Спедова- тельно, из (3} и (4) следует:

Van Ьд . 1 - Тх,

V« КА (

Сравнение (5) с (1) показывает, что при измерениях по предлагаемому способу д(кти

гается полное исключение флуктуации общих потерь в МК в промежутках между импульсами лазера, характеризуемых величиной VRiRz Тз То Тх, и с точки зрения неисключаемых нормировкой коэффициентов достигается идентичность с обычными одноходовыми измерениями без использования МК. Действительно, в одноходовой схеме сигнал датчика вторичного процесса Увп также описывается выражением (3). где Imex - интенсивность лазерного импульса в максимуме. Тогда, если в одноходовом методе VH - сигнал измерителя лазерного излучения, расположенного после исследуемой среды и используемого для нормировки, Т2 - пропускание ослабителей, расположенных перед фотоприемником этого измерителя, Т4 - пропускание элементов, расположенных между исследуемой средой и ослабителями фотоприемника измерителя VH, Tx - пропускание исследуемой среды, КА - чувствительность измерителя VH, то для VH получим выражение, совпадающее с (4). Следовательно, поскольку в обоих методах совпадают выражения для VBn и VH, совпадут и их отношения,

Сравним чувствительности предлагаемого и известного способов. Для предлагаемого способа амплитуду сигнала вторичного процесса с помощью (2) и (3) представим как

V,

1 -е

-пА

еп

--А

VI,

{6)

1 -е

где Vi Ьд1л Ц Ах - отклик датчика вторичного процесса на вошедшую в МК первую из п частей разбиения часть лазерного импульса. Для прототипа общая энергия импульсов на выходе датчика вторичного процесса записывается в виде

:вп

1 R1 R2 Тз Т4 Тх

(Т)

где п - число проходов обьекта введенным в МК импульсом излучения;

EI - энергия, измеренная датчиком вторичного процесса после первого прохода исследуемой среды введенным в МК импульсом излучения. Поскольку величину общих потерь в МК обеспечивают на уровне Аг-Ј 10 . п велико, и (VRi Ra ТзТдТхг 2« . Учтем также, что 1 - Rt 82 ТзТдТ ш А по определению. Следовательно, (7) примет следующую форму:

еп

Ei

(8)

По причине малости А в (6) - е А. т.е.

1 -ё

,

Vi.

(9)

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Из (8) следует, что по сравнению с одноходовыми измерениями помещение объекта в МК увеличивает величину сигнала датчика вторичного процесса в 1/А раз. Из сравнения (8) и (9) можно заключить, что при пА 2,3 измерение энергии вторичного процесса обеспечивает лишь на 10% больший сигнал, чем при измерении амплитуды, а при пА 4,6 это различие снижается до 1 %.

Таким образом, при амплитудном детектировании чем короче длина МК L, тем ближе коэффициент повышения чувствительности по сравнению с одноходовыми измерениями к предельному значению, равному 1/А. Применение короткой МК позволяет не только сократить до минимума габариты МК, но также сокращает время Д t взаимодействия излучения с исследуемой средой. Действительно, At Дгл + тт, где тт L/CA - время жизни фотона в МК (после входа в МК всего лазерного импульса за время rm происходит распад введенной в МК энергии). Например, при L 3 см, А 0,025 увеличение At по сравнению с одним проходом составит Гт 4 не. Для прототипа At Atn (-) 40 ДТя .

г

На чертеже представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа, использующая для зондирования генерацию второй гармоники излучения лазера, включающего лазер 1, осевую многоходовую кювету, выполненную из двух высокоотражающих зеркал 2,3, причем зеркало 2 имеет максимальный коэффициент пропускания на частоте а) и максимальный коэффициент отражения на частоте 2 а). Между зеркалами 2 и 3 размещена исследуемая среда 4 и нелинейный преобразователь частоты излучения 5, выполненный для коллинеарной генерации второй гармоники. С исследуемой средой оптически связан детектор сигнала вторичного процесса 6. На выходе МК размещен фотоприемник 7 и система регистрации 8 отношения сигналов детектора 6 и фотоприемника 7.

Способ реализуется следующим образом.

Излучение лазера 1. пройдя оптическую линию задержки (на чертеже не показана), поступает на селективный отражатель 2. Интенсивность лазера, прошедшая с малыми потерями селективный отражатель 2, удваивается по частоте в нелинейном преобразователе частоты 5. В исследуемой соеде 4, вследствие взаимодействия с ней излучения гц. генерируется сигнал, который пропорционален интенсивности teu) и детектируется детектором 6. Система регистрации 8 измеряет отношение энергии генерируемого средой 4 и детектируемого датчиком 6 импульса к энергии вышедшего из МК импуль- са излучения преобразованной частоты, частично вышедшего через зеркало 3, детектируемого фотоприемником 7,

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет уст- ранить погрешность измерений генерируемого исследуемой средой сигнала, обусловленную флуктуациями расходимости излучения лазера и добротности МК в промежутках между импульсами. При этом длина МК не ограничена снизу и определяется размерами исследуемой среды либо апертурой сбора сигнала вторичного процесса, т.е. может составлять несколько сантиметров, что сокращает габариты МК и время измерений. Кроме того, в канале измерения вторичного процесса и в канале нормировки обеспечивается возможность замены зарядочувствительных измерителей на пиковые детекторы или устройства вы- борки и хранения, что повышает точность измерений и позволяет применить более дешевые и доступные приборы.

Формула изобретения Способ определения относительного спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса, включающий ввод лазерного излучения в

газор

многоходовую кювету вдоль ее оптической оси, преобразование лазерного излучения по частоте в помещенном между отражателями кюветы 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 преобразованного по частоте излучения, являющегося зондирующим, а сигнал вторичного процесса нормируют на параметр преобразованного по частоте излучения, вышедшего из многоходовой кюветы через один из ее отражателей за все время взаимодействия со средой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при одновременном сокращении времени измерений, в качестве сигнала вторичного процесса используют его амплитуду, в качестве нормировочного параметра используют амплитуду преобразованного по частоте излучения, вышедшего из многоходовой кюветы через один из ее отражателей, причем длину многоходовой кюветы выбирают не более С А t А/2,3 , где С - скорость света в многоходовой кювете, А -относительная величина потерь света на один проход многоходовой кюветы, не содержащей исследуемой среды, At - длительность импульса лазера.

измеритель отиоюонмл омплигу л cntiiaia WJTOKTOJVJ к амплп туде импульса фототека Фото- чриомника,