Лазер для спектрометра высокой чувствительности в инфракрасном диапазоне Советский патент 1986 года по МПК G01N21/25 

Изобретение относится к области инфракрасных абсорбционных устройств и может быть использовано для обнаружения малых примесей в атмосфере, анализа газовых смесей, обнаружения новых линий поглощения и усиления, а также дня поиска новых активных сред для лазеров. Известен лазер для спектрометра высокой чувствительности на стекле .-, з-ь с Nd с длительностью генерации 1 мс и бесселективным резонатором. Чувствительность этого устройства ограничена временем генерации и составляет 10 . Недостатком этого устройства является малая длительность импульса генерации, не позволяющая достигнуть максимальной чувствительности метода внутрирезонаторной лазерной спект роскопии (ВРЛС) и узкий спектральный диапазон (9360 - 9480 ). Наиболее близким техническим реше нием является лазер для спектрометра высокой чувствительности в инфракра ном диапазоне с ламповой накачкой, содержащий бесселективный резонатор в котором размещены активный элемен и ячейка с исследуемым веществом. систему питания. Спектральный диапа зон этого спектрометра 9360-9480 см Недостатком известного спектрометра является, узкий спектральный диапазо лазера и малая длительность импульса его генерации, не позволяющие до стичь максимальной концентрационной чувствительности спектрометра. Цель изобретения - увеличение концентрационной чувствительности спектрометра путем выбора спектрального диапазона и длительности генерации лазера. Поставленная цель достигается тем что резонатор образован дихроичными зеркалами с переменным по диаметру зеркала коэффициентом отражения, вы полненными с возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси резонатора, активный элемент выполнен из стекла с примесями одного или нескольких редкоземельных элеме тов или из щелочно-галоидных кристаллов с центрами окраски, а систем питания лазера состоит из сетевого трехфазного тиристорного выпрямителя с регулируемой длительностью и пульса питания. Применение дихроичных зеркал с переменным по диамет32ру коэсйициентом отражения позволяет обеспечить плавную широкополосную перестройку спектра генерации лазера без введения в резонатор лазера дополнительных элементов, что особенно важно для достижения максимальной чувствительности. Кроме того, используемая перестройка позволяет получить одновременно генерируемый широкий спектр генерации, значительно превьшаающий ширину линий поглощения в газах, что также является существенным в методе внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. Применение дихроичных зеркал позволяет, например, при использовании в качестве активного элемента стекла с примесями Nd исследовать спектр в диапазонах 0,92; 1,06 и 1,35 мкм. Использование в качестве активного элемента стекла с примесями различных редкоземельных элементов и щелочно-галоидных кристаллов с центрами окраски расширяет спектральный диапазон спектрометра от 0,7 до 3,2 мкм. Система питания лазера, со стоящая из трехфазного тиристорного выпрямителя с регулируемой длитель(ностью импульса питания, обеспечивает длительность генерации необходимую для получения максимальной чувствительности спектрометра. Одновременный подбор спектра генерации лазера и его длительности позволяет достичь максимальной концентрационной чувствительности спектрометра. Спектр генерации лазера для достижения максимальной концентрационной чувствительности выбирается отдельно для каждого анализируемого вещества так, чтобы в полосу генерации лазера попали наиболее сильные линии анализируемого вещества. Длительность генерации при этом подбирается в зависимости от используемого активного элемента и геометрии резонатора. На фиг.1 представлена оптическая схема спектрометра высокой чувствительности; на фиг.2 - структурная схема системы питания. Лазер содержит активный элемент .1 , торцы которого скошены под углом Брюстера, дихроичные зеркала 2 с переменным по диаметру коэффициентом отражения, выполненные с возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси резонатора. Толщи40 мм, иа подложки зеркал не менее угол скоса задней грани 10 . Кювета 3 для исследуемого газа, ограничендля исследуемого ная с одного конца активным элементом 1, а с другого конца зеркалами резонатора. Регистрирующая система, состоящая из автоколлимадионной камеры 4, например УФ-90, дифракционной решетки 5 и плоского металлического зеркала, позволяющего реали зовать многократную дисперсию излучения лазера па этой решетке. Такой спектрограф -имеет разрешающую силу более 10 , необходимую для достижения максимальной чувствительности. Система питания лазера обеспечивает необходимую длительность генерации лазера. В нее входят импульсная лампа накачки 6, блок поджига импульсных ламп 7, работающий от сети и состоящий из схемы удвоения и импульсного повышающего трансформатора, балластное сопротивление R, с помощью которого можно регулирова величину тока импульсной лампы и та ким образом менять уровень накачки, конденсатор С, предназначенный для сглаживания сетевых пульсаций тока накачки, тиристорный блок 8, в кото ром происходит преобразование трехфазного переменного напряжения в f постоянное напряжение, содержащий 6 мощных тиристоров, управляемых выхо ными импульсами задающего блока 9, задающий блок 9, представляющий собой ждущий мультивибратор, в которо постоянная времени RC-цепочки,опред ляющей длительность выходного импул са, меняется ступенями и плавно, и блокинг - генератор для запуска мул тивибратора, пульт управления 10, к торый обеспечивает одновременную по дачу импульса поджига и питающего импульса на лампу накачки 6. Указанный спектрометр работает следующий образом. При срабатывании поджига система питания обеспечивает создание инверсной населенности в активном эле менте 1. В результате этого в резонаторе, образуемом зеркалами 2, возникает генерация, длительность которой определяется выходными импульсами задающего блока 9. Генерируемое излучение многократно проходит через кювету 3 с исследуемым веществом. Так как спектр используе мого лазера обладает широкой полосо 34 усиления ( большие пгирины исследуемой линии) , в спектре генерации появляются провалы, глубина которых стпределяется коэффициентом поглощения исследуемой линии и длительностью генерации по формуле I I. коэффициент поглощения; скорость света; t - длительность импульса генерации. Предельная чувствительность определяется спонтанными шумами и равна 5 k - см , что соответствует длительности генерации 0,1 1 с. Спектрометр позволяет получить . максимальную чувствительность в инфракрасном диапазоне при использовании в качестве активных элементов стекла с примесями различных редкоземельных элементов или щелочно-галоидных кристаллов с центрами окраски в области 0,7 - 3,2 мкм. Перестройка длины волны генерации осуществляется перемещением зеркал резонатора в плоскости, перпендикулярной оптической ОСИ лазера. Максимум коэффициента .отражения зеркал реализуется при таком перемещении для различных длин волн от Д , /иохс определяемьми параметрами активной среды. Использование узкополосных зеркал, максимум коэффициента отражения которых расположен на различных длинах волн, в зависимости от их поперечного перемещения дает возможность осуществить перестройку длины волны генерации без ухудшения качестве резонатора, поскольку при этом отпадает необходимость введения в резонатор дополнительных элементов. Любой дополнительный элемент, вставленный в резонатор, ухудшает чувствительность спектрометра из-за появления паразитной селекции. Предложенное устройство позволяет реализовать максимальную чувствительность внутрирезонаторного лазерного спектрометра при наличии перестройки длины волны генерации. Осуществление максимальной чувствительности по коэффициенту поглощения при наличии перестройки длины волны позволяет достигнуть максимальной концентрационной чувствительности подстройкой длины волны генерации под максимум . коэффициента поглощения исследуемого вещества. Регистрация излучения лазера осуществляется спектрографом и детектором. После многократной дисперсии на решетке 5 спектр попадает на различные элементы детектора (фотопластинка, фотопленка, электрооптический приемник, фотоприемник или оптический многоканальный анализатор). Отношение сигнала в центре исследуемой линии к величине сигнала генерации без поглощения (уснпетякя ) , позволяет определить коэффициент поглощения (усиления) исследуемой линии и таким образом концентрацию исследуемо. го вещества при известном сечении поглощения (усиления) анализируемой линии. Концентрация вещества может . быть определена также по градуировоч ному графику, построенному при больших концентрациях, измеренных обычны ми методами, и малых длительностях генерации. Это оказьшается возможым благодаря тому, что глубина ровала в спектре генерации зависит от произведения концентрации на длительность, как это следует из приведенной выше формулы. Минимальное количество определяемого вещества обусловлено его сечением поглощения (усиления) в реализуемом спектральном диапазоне. Использование в предлагаемом спектро-. метре широкого спектрального интервала позволяет обеспечить его высокую концентрационную чувствительность. Предельная концентрационная, чувствительность этого устройства составляет 1 атом в см . Спектрометр является чрезвычайно полезным при обнаружении малых примесей в атмосфере, определении ее загрязненности, анализе газовых смесей, спектроскопии комбинационного рассеяния, короткоживущих процессов, поиска новых активных сред для лазеров и т.д.

ЛАЗЕР ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРА ВЫСОКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ с ламповой накачкой, содержапщй бесселективный резонатор, в котором размещены активный элемент и ячейка с исследуемым веществом, систему питания, о тличающийся тем, что, с целью увеличения концентрационной чувствительности спектрометра путем выбора спектрального диапазона и длительности генерации лазера, резонатор образован дихроичными диэлгктрическими зеркалами с переменным по диаметру зеркала коэффициентом отражения, выполненными с. возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси резонатора, активС « ный элемент выполнен из стекла с при(Л месями одного или нескольких редкоземельных элементов или щелочногалоидных кристаллов с центрами .окраски, а система питания лазера состоит из трехфазного тиристорного выпрямителя, с регулируемой длитель ностью импульса питания. оо 4нд w tfaft