Устройство для лазерно-спектроскопического абсорбционного анализа Советский патент 1982 года по МПК G01J3/18 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНО-СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОГО АБСОРБЦИОННОГО АНАЛИЗА

Изобретение относится к лазерной технике и может быть применено в лазерной спектроскопии для исследования веществ, благодаря чему повышается чувствительность анализа атомов и молекул.

Известны устройства для проведе- : ния спектроскопического анализа в резЙнаторе. При этом кювет.а с поглощающим веществом помещается в резонатор лазера, вследствие чего обеспечивается многократное прохождение луча лазера через кювету и, тем самым, по- вышение чувствительности анализа.

Известен также резонатор, который образован зеркалом полупроводникового лазера, в частности инжекционного лазера, на одной стороне и дифракционной решеткой на другой стороне. Таким образом, создана резонаторная система, состоящая из активного резонатора, ограниченного зеркалами полупроводникового лазера, и пadcивнoгo резонатора, ограниченного зеркалом с непрозрачным отражающим покрытием и дифракционной решеткой.

tl.A. Rossi u.a., High-power narrow-line vnth operation of Gaas diode lasers , Lett, Vol. 23 No 1, 1 July, 19731.

С помощью такого резонатора в зависимости от числа высвечиваемых штрихов решетки можно выделять определеннуй спектральнуй область и настраивать в широкой спектральной области оптического усиления полупроводникового лазера.

10

Вследствие незначительной добротности такого резонатора он непригоден для абсорбционной спектроскопии в резонаторе-,- так как практически

15 достижимое удлинение кюветы весьма незначительно, а поэтому не имеет значения для повышения чувствительности анализа.

Применение такого настраиваемого

20 резонатора в абсорбционной спектроскопии неизвестно, так как вследствие незначительной добротности резонатора полуширина резонансных мод велика и, тем ::амым, исключает использование в лазерной спектроскопии, например для спектроскопии с предельным разрешением .

Цель изобретения заключается в применении полупроводникового лазе- /

30 ра, в частности для спектроскопии в

резонаторе, и тем самым в повышепни чувствительности анализа.

Задача изобретения состоит в том чтобы создать устройство, пригодное ДЛЯ1 использования полупроводникового лазера, в абсорбционной спектроскопия в резонаторе.

Согласно изобретению в устройстве дгш лазерно-спектроскопического аб сорбционного анализа с полупроводниковым лазером в качестве источника возбуждающего света, резонаторная система которого состоит из оптически активного резонатора7 которьШ с 1обеих сторон ограничен зеркгшом, и (граничащего с активным резонатором пассивного резонатора, который с одной стороны ограничен зеркалом ак: тивного резо1 атора, а с другой стороны - дифракционной решеткой, задача решается тем, что коэффициент отражения зеркала, ограничивающего ре4 зонаторную систему, R коэффициент отражения зеркала, ограничивающего пассивный резонатор, R. j О, коэффициент отражения дифракционной решетки 2. поглощающая среда размещается в пассивном резонаторе или вне резонаторной системы, детектор располагается либо за оптически активным резонатором и является комбинацией спектрометра и регистрирующего устройства, либо за пассивным резонатором и представляет собой регистрирующее устройство без спектрометра.

Путем выделения узкой спектральной области с помощью дифракционной решетки можно устанавливать длину волны на соответствующую линию поглощения в спектральной области оптического усиления иу подбирая длину пассивного резонатора и число высвечиваемых штрихов решетки, отрегулировать на более широкий или узкий диапазон, чем соответствующий диапазон поглощения.

Вследствие определенных потерь на поглощение, которые по абсолютной величине равны потерям на поглощение, обусловленным поглощающей средой, или складываются из последних и дополнительных потерь на поглощение, добротность резонатора с коэффициентом отражения R и Я понимается настолько, что оптического активного резонатора с коэффициен. тами отраженияЯ и Я, нарастают и, вследствие конкуренции мод интенсивность спектрально выделенных мод ( моды) нелинейно уменьшается, за счет чего сут ественно повышается чувствительность анализа, причем диапазон поглощения должен быть ШИ ре, чем выделенная спектральная область. В том случае, когда диапазон поглощения уже, чем выделенная спектральная область, вследствие конкуренции мод интенсивность понижается, и вьщеленная спектральная область расширяется, что приводит к повышению чувствительности анализа, и достигаются определенные потери н поглощение, так что дополнительно возникает нелинейное уменьшение интенсивности, которое повышает чувствительность анализа.

Один из вариантов устройства характеризуется тем, что поглощающая среда находится в оптически пассивном резонаторе, зеркало, ограничивающее резонаторную систеглу, имеет коэффициент отражения R;, 1 и детектор, состоящий, из спектрометра и регистрирующего устройства, для интенсивности поглощения располагается за оптически активным резонатором,

В другом варианте устройства согласно изобретению поглощающая срда находится также в оптически пассивном резонаторе, зеркало, ограничивающее резонаторную систему, имеет коэффициент отражения R 1, в качестве детектора за калиброванной выделяющей спектральную область и согласующей дифракционной решеткой расположено регистрирующее устройство. Таким образом, возможен анализ развязанного вследствие другого порядка спектра лазерного луча без спектрометра,

Абсорбционный спектроскопический анализ возможен с помощью настраиваемого полупроводникового лазера без спектрометра также и в том случае, если поглощающая среда размещается за дифракционной решеткой вне резонаторной системы, и детектор поглощения в виде регистрирующего устройства, располагается за поглощающе средой, причем ограничивающее резонаторную систему зеркало имеет коэффициент отран ения R 1.

Устройство для применения в абсорбционной спектроскопии с предельной разрешающей способностью характеризуется .Тем, что ограничивающее резонаторную систему зеркало имеет коэффициент отражения R 1, поглощающая среда находится внутри или вне резонаторной системы, и детектор в виде регистрирующего устройства располагается за пассивным резонатором.

Вследствие непрозрачного отражающего покрытия зеркала, ограничивающего резонаторную систему, добротность резонаторной системы и, тем самым, полуширина,настраиваемой и выделяемой моды (мод; существенно уменьшается, что обеспечивает возможность применения, например, в абсорбционной спектроскопии с предельной разрешающей способностью вне и внутри резонатора.

В другом варианте предлагаемой ре зонаторной системы, когда полупроводниковый лазер, одно зеркало которого имеет непрозрачное отражающее покрытие, а второе зеркало - частично прозрачное отражающее покрытие, находится в барокамере, оптическое усиление полупроводникового лазера настраивается в широкой спектральной области.

Точная настройка этой предлагаемой резонаторной системы осуществляется в этом случае, дифракционной решеткой, и таким образом возможно проводить абсорбционный спектроскопический анализ в пределах и вне пределов резонатора с предельным разрешением, высокой чувствительностью анализа в большом диапазоне настройки без каких-либо спектрометрических вспомогательных средств,

На фиг.1 представлено устройство с поглощающей средой, находящейся внутри резонаторной системы полупроводникового лазера, и детектором, расположенным за оптически активным резонатором на фиг.2 - устройство с поглощающей средой, находящейся внутри резонаторной системы, и детектором, расположенным за дифракционной решеткой оптически пассивного резонатора регистрирующего устройства без спектрометра на фиг.З - устройство, в котором за дифракционной решеткой оптически рассивного резонатора располагается устройство без спектрометра на фиг.4 - устройство, в котором зеркало, ограничивающее оптически актавный резонатор, имеет нецрозрач(ное отражающее покрытие, поглощающая среда находится внутри или вне резонаторной системы, а регулирующее устройство без спектрометра рас полагается за пассивным резонатором на фиг.5 - предлагаемое, устройство согласно фиг.4, в котором активный оптический резонатор дополнительно помещен в барокамеру.

В устройстве по фиг.1 резонаторная система С полупроводникового лазера L образована оптически активг ным резонатором С с зеркалами 5, и S, которые имеют коэффициенты отражения В;, и RT., и оптически пассивным резонатором с коэффициентами отражения R для зеркала лазера S и выделяющим спектральную область и настраивагацей дифракционной решеткой S,, с коэффициентом отражения R ,

причем требуется R

R R.

Поглощающая среда находится в пассивном резонаторе Cj.. Потеряное. поглощение, на которое оказывает влияние конкуренция мод, анализируется спектрометром М и регистрирующим устройством R .

В устройстве, показанном на фиг.2 применяется та же резонаторная система Скак и в устройстве по

фиг.2, причем анализ потерь на поглощение в поглощающей среде К, находящейся в пассивном резонаторе С , осуществляется путем развязки ла:1ерного луча через калиброванную выделяющую спектральную область и настраивающую дифракционную решетку 5 вследствие другого порядка спектра с помощью регистрирующего устройства R без использования спектрометРа.

Устройство согласно фиг.З имеет изображенную на фиг,1 и охарактеризованную резонаторную систему С,.

Нри этом поглощающая среда К находится между калиброванной выделяющей спектр и н астр айв ашжей дифракционной решеткой S-j и анализирующим поглощение регистрирующим устройством R . Анализ поглощения осуществляется без использования спектрометра,

В устройстве по фиг.4 применяется резонаторная система С,, причем зеркало В имеет непрозрачное отражающее покрытие. Поглощающая среда К

находится к пассивном резонаторе Cj, или вне резонаторной системы С-,,. Анализ поглощения или поглощение и анализ поглощения осутлествляется путем развязки лазерного луча через

калибровавшую выделяющую область спектра и настраивающую дифракционную решетку So, вследствие другого порядка спектра с помощью регистрирующего устройства И,, без спектрометра.

40

Устройство по фиг,5 имеет ту же резонаторную систему Ст, что и устройство по фиг,3. Н в этом случае зеркало 5 имеет непрозрачное отражающее покрытие. Поглощающая среда

.45 находится к пассивном резонаторе С или вне резонаторной системы С,.

Анализ поглощения или поглощение и поглощения осуществляются /гутем развязки лазерного, луча через 50 калиброванную выделяющую область спекира и точно настраивающую дифракционную решетку S, вследствие другого порядка дифракции с помощью регистрирующего устройства без 55 спектрометра. Оптически активный ре. зонатор С помещен в барокамеру D. Путем изменения давления оптическое усилие полупроводникового лазера настраивается определенным образом в 60 соответствии с частотой.

Предлагаемое устройство BnepBbtej,. позволяет применять полупроводниковые лазеры в абсорционной спектроскопии в резонаторе при обеспечении 6 высокой чувствительности анализа.

настройку длинной волны в широкой спектр.альной области с высокой точностью, не зависящей от температуры и в абсорбционной спектроскопии с высокой и предельной разрешающей f способностью с помощью простых регистрирующих устройств без дополнительных спектроскопических вспомогательных средств.

Устройства обеспечивают анализ атомов и молекул и их электронных структур с помощью лазера прямого возбуждения путем простого возбуждения тока.

Решение задачи согласно изобретению позволяет простыми средствами обеспечить разнообразное применение абсорбционной спектроскопии, например в технике измерительного анализа с высокой чувствительностью и разрешающей способностью, при.контроле и при анализе химических процессов в проглышленности и для контроля и исследования окружающей ере ды.

Формула изобретения

5 3, Устройство по п. 1, отли;чающееся тем, что поглощающая среда находится в оптически пассивном резонаторе, зеркало, ограничивающее резонаторную систему, имеет коэффициент отражения R 1 и детектор потерь на поглощение в виде регистрирующего устройства располагается за калиброванной дифракционной решеткой.

5 4, Устройство по п. 1, о т л и чающееся Ter.i, что поглощающая среда находится за дифракционной решеткой вне резонаторной системы, зеркало, ограничивающее резона0 торную систему, имеет коэффициент отражения R 1 и детектор поглощения в виде регистрирующего устройства располагается за поглощающей средой.

5 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что зеркало, ограничивающее резонаторную систему, имеет коэффициент отражения R 1, поглощающая среда находится внутри

Q ИЛИ вне резонаторной системы, и детектор в виде регистрирующего устройства располагается за пассивным резонатором.

. б-. Устройство по пп. 1 и 5, о т личающееся тем, что оптически активный резонатор полупроводникового лазера располагается в барокамере.

Признано изобретением по результатам экспертизы, осуществленной ве- домством по изобретательству Герман/

Демократической Республики.

Sf5,