СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВА Советский патент 1995 года по МПК G01N21/61 G01N21/39 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано при создании чувствительных лазерных анализаторов состава вещества с высокой точностью измерения.

Целью изобретения является увеличение точности и чувствительности анализа состава веществ.

На чертеже приведена схема лазерного газоанализатора, реализующего способ.

Газоанализатор содержит газоразрядную Не-Ne трубку 1, поглощающую ячейку 2, наполненную СН₄ при давлении 1 Торр, четыре зеркала 3, одно из которых помещено на пьезокорректор 4. Эти элементы образуют первый кольцевой лазер. В состав газоанализатора также входят внешний интерферометр 5, где смешиваются встречные волны лазера I₁, I₂, двухплощадочный фотоприемник 6 типа ФУЛ 611, система АПЧ 7, смеситель 8, который состоит из зеркал, смешивающих излучение сильной волны, выходящее через различные зеркала 3 кольцевого лазера, рабочей кюветы 9 и модулятора 10, коммутирующего рабочий и опорный каналы; дополнительное зеркало 11, второй стабилизированный по частоте лазер 12, фотоприемник 13, усилитель 14, счетчики 15, 16 рабочего и опорного каналов, датчик 17 положения модулятора, формирователь 18, система регистрации 19, индикатор 20, источник 21 напряжения смещения.

Газоанализатор работает следующим образом.

Излучение первого кольцевого лазера поступает во внешний интерферометр 5, где смешиваются встречные волны I₁, I₂. Биения этих волн детектируются с помощью двухплощадочного фотоприемника 6 типа ФУЛ-611. Система АПЧ 7 отрабатывает уход частоты генерации лазера от центра линии усиления ω_о(+) или поглощения ω_o(-), где частота биений встречных волн равна нулю и площадки фотоприемника 6 освещены одинаково. При этом корректирующее напряжение АПЧ подается на пьезокорректор 4. В смесителе 8, куда направляется излучение более сильной волны, выходящее через различные зеркала 3 кольцевого резонатора, установлена кювета 9, через которую прокачивается анализируемая газовая смесь. Модулятор 10 поочередно перекрывает излучение, прошедшее кювету 9, и излучение, направляемое мимо нее. Световой поток, вышедший из смесителя 8, отражается от зеркала 11, установленного на пьезокорректоре 4 для регулировки фазы отраженного излучения с помощью источника 21, и поступает снова в резонатор лазера через кювету 9 или мимо нее в зависимости от положения диска модулятора 10. Излучение, прошедшее кювету 9, дважды претерпевает:
поглощение анализируемым газом (например, СН₄), присутствующим в пробе, что уменьшает модуль коэффициента связи встречных волн до величины m'₁ m₁e^хkl и приводит к сдвигу частоты кольцевого лазера
ΔΩ 2ГI₂(0)/I^sin(ϕ₁-ϕ₂),
(1) где Г ширина резонанса;
I₂(0) интенсивность слабой волны в центре резонанса при совпадении центральных частот резонансов пассивной и активной среды; I I₁ + I₂ суммарная интенсивность встречных волн; m_1,2 модули коэффициентов связи, которые равны
m_1,2= 2c/L(1-R)
(2) где R коэффициент отражения зеркала, за которым установлены дополнительные зеркала с коэффициентами отражений R₁, R₂, возвращающие часть излучения в резонатор; ϕ₁, ϕ₂ фазы отраженных сильной и слабой волн; k коэффициент поглощения анализируемого газа; с скорость света; L длина резонатора лазера;
изменение фазы отраженной волны на величину
Δϕ 2 πλ (nCН₄ n_в) ХI, (3) где nCH₄, n_в показатели преломления метана и воздуха; λ длина волны излучения лазера.

Рассмотрим два случая, когда концентрация Х СН₄ в кювете равна Х₁ 10^-6 и Х₂= 10^-2. Длина L кюветы 9 равна 100 мм, кольцевой лазер стабилизирован по резонансам шириной 100 кГц, вне резонатора установлено одно возвратное зеркало, отражающее излучение сильной волны в резонатор лазера, т.е. m₁>>m₂, скажем m₁= 10m₂, контраст резонанса l₂(0)/I 0,2. Тогда в соответствии с (1) значения сдвига за счет изменения модуля коэффициента связи волн в первом случае составляют 0,76 кГц; во втором 394 кГц. Значения Δϕ для первого случая соответствует 0,032^о, для второго 16^о. Эти величины не оказывают существенного влияния на значение сдвига частоты, и изменение фазы отраженной волны в нашем примере можно не учитывать. Как видим, изменение сдвига частоты при наличии анализируемого компонента в кювете 9 весьма значительное даже при низких концентрациях анализируемого компонента (концентрация 10^-6CH₄ cоответствует фоновой концентрации метана в атмосферном воздухе). Для регистрации изменения сдвига частоты излучения кольцевого лазера оно смешивается с излучением другого стабилизированного по частоте Не-Ne лазера 12. Частота их биений детектируется фотоприемником 13 с малой постоянной времени, усиливается в широкополосном усилителе 14 и поступает на счетчики 15, 16 рабочего и опорного каналов. Счетчики запускаются импульсами, поступающими с датчика 17 положения модулятора через формирователь 18. В счетчике опорного канала 16 фиксируется частотный сдвиг ΔΩ_o при таком положении модулятора 10, когда лазерное излучение не проходит через кювету 9; в счетчике 15 рабочего канала фиксируется частотный сдвиг ΔΩ₁ с учетом поглощения излучения в кювете 9. В системе регистрации 19 происходит обработка частотных сигналов по определенному алгоритму (например и результат измерений поступает в индикатор 20.

Таким образом, переход к измерению частотных сдвигов (вместо непосредственного измерения пропускания) существенно повышает точность и чувствительность измерений (при абсолютной нестабильности частоты генерации ±10 Гц, точность измерения 1% СН₄ соответствует 2,5˙ 10^-5, 1 млн^-1 CH₄ 1-3 ˙10^-2).

Применение: изобретение может быть использовано при создании чувствительных лазерных анализаторов состава веществ с высокой точностью измерения. Сущность: способ заключается в том, что дополнительно устанавливают зеркало вне резонатора первого лазера, возвращающее часть его излучения более сильной волны назад в резонатор по рабочему или сравнительному каналу, получают с помощью этого зеркала фазовый резонанс в излучении первого лазера в области центральной частоты перехода его усиливающей или поглощающей среды, стабилизируют частоту генерации первого лазера по этому фазовому резонансу с помощью системы АПЧ, смешивают излучение первого и второго лазера, также стабилизированного по частоте того же перехода, что и первый и с уровнем нестабильности частоты не хуже, чем в первом, измеряют их разностную частоту в моменты открытия рабочего или опорного каналов, а о концентрации исследуемого вещества судят по величине изменения разностной частоты в эти моменты. 1 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВА, включающий разделение излучения первого лазера с кольцевым резонатором по рабочему и опорному каналам, помещение в рабочий канал анализируемого вещества, а в опорный эталонного, периодическую коммутацию этих каналов, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и точности определения, получают фазовый резонанс в излучении первого кольцевого лазера в области центральной частоты перехода его усиливающей или поглощающей среды путем возвращения части излучения более сильной волны первого лазера назад в резонатор с помощью дополнительного зеркала, установленного вне резонатора первого лазера, стабилизируют частоту первого лазера по фазовому резонансу, смешивают излучение первого лазера с излучением второго лазера, стабилизированного по частоте того же перехода, что и первый, измеряют их разностную частоту, а о концентрации анализируемого вещества судят по величине изменения этой резонансной частоты при коммутации каналов первого лазера.