ЛАЗЕРНЫЙ ЛОКАТОР УТЕЧЕК ГАЗА

Полезная модель относится к дистанционным приборам для обнаружения утечек газа из объектов на земле, например, из магистральных газопроводов (МГ).
1
2
Известен локатор утечек газа «ЛУГ», содержащий два непрерывных инфракрасных He-Ne лазера (ИК-лазера) с близкими длинами волн излучения со своими модуляторами, коллиматорами, а также сопряженные с ними два лазера красного луча, общую передающую оптическую систему, нацеленный на обследуемый объект телескоп с установленным в его фокусе приемником излучения и электронный блок (RU 51745, опубл. 27.02.2006 г.). В данном устройстве, один He-Ne лазер излучает длину волны λ=3,3922 мкм, совпадающую с линией поглощения газа, а другой He-Ne лазер излучает длину волны близкую, но не совпадающую с линией поглощения газа, так называемую «вспомогательную» линию (λ=3.3912 мкм).
Таким образом, каждый ИК-лазер содержит собственный внешний модулятор, лазер красного луча, зеркало красного луча и лазерное зеркало. Лазер красного луча позволяет сделать видимым след луча ЛУГ на земле, что дает возможность пилоту вертолета корректировать трассу полета над газопроводом так, чтобы не вывести луч ЛУГ за пределы изучаемого объекта, а для оператора это позволяет зафиксировать исследуемый участок при появлении сигнала на электронном приборе, а значит, установить место утечки газа из газопровода, обеспечив привязку его к местности (например, с помощью устройства спутниковой ориентации).
Для существенного снижения стоимости локатора, описанного в патенте [1], и повышения его надежности, нами предлагается использовать в нем вместо четырех лазеров - два (один He-Ne, a другой для подсветки - полупроводниковый). Это возможно, если в He-Ne лазере создать режим одновременной независимой друг от друга генерации «рабочей» линии с длиной волны 3,3922 мкм и «вспомогательной» линии с длиной волны 3,3912 мкм. [2]. Полупроводниковый лазер, генерирующий в видимом участке спектра, позволяет пилоту корректировать трассу полета над газопроводом.
Возможность создания режима одновременной генерации двух волн в He-Ne лазере действительно существует.
Рассмотрим эту возможность более подробно. Как известно, лазерное излучение получено на большом числе активных веществ, при этом на одном и том же активном веществе может быть получена генерация на многих длинах волн. В ряде случаев при генерации на нескольких длинах волн в одном и том же веществе используются разные переходы, один из уровней которых является общим, то есть, возможны варианты, когда при излучении двух линий используется один и тот же верхний уровень энергии при разных нижних и наоборот. Все указанные переходы называются связанными [2]. Наиболее сильно они выражены в He-Ne активной среде, в которой обнаружено более ста линий генерации.
2
4
2
2
1
2
В предлагаемой полезной модели локатора для создания лазера, одновременно и независимо одна от другой генерирующего на «рабочей» и «вспомогательной» линиях, используются два перехода в He-Ne среде 3s→3p, (λ=3,3922 мкм) и 3s→3p(λ=3.3912 мкм), имеющих общий верхний уровень 3s. Упрощенная энергетическая схема Не-Ne лазера для уровней неона, участвующих в формировании указанных излучений, показана на фиг.1.
На фиг.1 номера уровней обозначены как 1, 2, 3. (Здесь не показан переход для накачки, а также не приведены пути разрушения населенностей уровней).
Таким образом, для реализации данной заявки на полезную модель нами предлагается в локаторе вместо четырех лазеров, как в патенте [1], использовать лишь два, один из них является He-Ne, a другой полупроводниковым не только с сохранением всех функциональных возможностей, которыми обладает устройство, защищенное патентом [1], но и с существенным улучшением ряда его характеристик и параметров.
1
2
Для этого необходимо, в первую очередь, сконструировать двухволновый He-Ne лазер так, чтобы он работал одновременно и независимо друг от друга на линиях λ и λ и, во вторую очередь, ввести в локатор ряд новых элементов, обеспечивающих правильную работу его функциональных узлов и улучшающих технические характеристики.
Рассмотрение проведем в предположении, что указанные волны генерируют на центрах соответствующих линий.
Проблема создания двухволновых лазеров с близкими линиями давно занимала умы ученых и многие исследователи пытались создать необходимые условия в лазере, чтобы обеспечить одновременную и независимую генерацию указанных линий для использования их в различного рода газоанализаторах [2].
00q
Вначале разработчики пытались создать стабильные двухволновые лазеры, используя два соседних колебания генерации низшей моды {ТЕМ) линии усиления активного вещества (их называли двумя продольными модами). Наибольших успехов добились авторы работы [3], установив динамику их поведения, и введя понятие константы связи С. В газовых лазерах с брюстеровскими окнами (сильно анизотропный резонатор) эта константа больше единицы. Для лазера с квази-изотропным резонатором (трубка герметизирована окнами, установленными перпендикулярно оптической оси) расчет и эксперимент показывают, что в нем существуют два собственных вырожденных ортогональных состояния, имеющих одинаковые частоты, одно из них поляризовано вдоль оси x, другое поляризовано вдоль оси y. При внесении в резонатор лазера фазового элемента вырождение по частоте снимается, т.е., теперь в нем существуют два собственных состояния с разными частотами, интенсивностями и поляризациями [3]. Авторы [3] установили, что если оба состояния стабильны и константа связи С больше единицы, то имеет место поляризационная бистабильность, т.е. сильная связь между указанными колебаниями. Если С меньше единицы, то собственные состояния генерируют одновременно и независимо друг от друга. Как видно, во всех этих случаях константа связи определяет динамику собственных состояний. Таким образом, обеспечение вполне определенной константы связи позволит создавать двухмодовые лазеры, колебания которых могут, например, генерировать одновременно и независимо друг от друга. Действительно, авторы работы [4] разработали и изготовили такой лазер. Приведенные здесь сведения относятся к модам, принадлежащим одной и той же линии усиления активного вещества.
2
4
1
2
2
2
В данной заявке мы предлагаем использовать такой же подход к анализу динамики поведения двух волн, генерируемых двумя разными линиями усиления вещества, а именно волн, генерируемых на двух разных переходах в He-Ne среде, например, 3s→3p (λ=3,3922 мкм) и 3s→3p(λ=3.3912 мкм), имеющих общий верхний уровень 3s. (Подчеркнем, что природа константы связи С в данном случае имеет другой характер в отличие от константы связи для двух соседних мод одной линии усиления активного вещества).
1
2
1
2
Как известно, эти лазерные переходы относятся к одной спектральной группе и, как указывалось, имеют общий верхний уровень. В связи с этим между ними существует очень сильная конкуренция, что не позволило многим авторам использовать один лазер без дополнительных элементов, в котором бы одновременно генерировались волны с λ и λ (как правило, излучение более сильной линии, именно с λ, подавляло излучение линии с λ).
1
2
Анализируя работу [4], можно установить, что радикальным способом, позволяющим генерировать одновременно и независимо друг от друга линии λ и λ, является возможность обеспечить разные оптические пути этих волн в активной среде.
Учитывая сказанное, нами предложен двухволновый He-Ne лазер, конструкция которого изображена на фиг.2.
1
2
2
1
1
2
Резонатор, состоящий из плоского 1 и сферического 2 зеркал, имел длину 0.8 м. Отражающие интерференционные покрытия зеркал соответствовали длине волны 3,39 мкм. Плоское зеркало 1 использовалось в качестве выходного. Подложка его 3 была изготовлена из магнитного монокристалла железоиттриевого граната, которая благодаря катушке из 10 витков провода, питаемой от генератора модулирующего сигнала (на фиг.2. не показаны), выполняла роль внутрирезонаторного модулятора излучений лазера с длинами волн λ и λ. Внутренняя поверхность подложки была просветлена для волны 3,39 мкм, а наружная имела интерференционное покрытие с коэффициентом отражения 40%. Радиус кривизны сферического зеркала был равен 2 м, коэффициент отражения его был близок к единице. Газоразрядная трубка 4 герметизированная нормальными окнами, имела длину 50 см и внутренний диаметр 8 мм. В резонаторе справа от активной среды размещалась двоякопреломляющая призма Волластона из кальцита 5. Лицевые поверхности призмы были просветлены для λ=3,39 мкм. Длина призмы была 20 мм, что обеспечивало расстояние между оптическими осями для обыкновенного и необыкновенного лучей Δy=2,6 мм. Селекция низшей моды осуществлялась с помощью диафрагмы 6 диаметром 2.5 мм, локализованной вблизи сферического зеркала. Для установления длины волны λ, отстоящей от λ на 1 нм, в плече необыкновенного луча размещался кварцевый эталон Фабри-Перо 7. Толщина эталона была равна 2 мм, показатель преломления 1,45, коэффициент отражения покрытий эталона был равен 35%, угол между его нормалью и оптической осью был равен 22.15 мрад (для выбранных параметрах эталона необходимая длина волны необыкновенного луча устанавливалась при размещении следующего за центральным порядка интерференции на оси луча). Декартова система координат показана символом 8. Ходы лучей соответственно обыкновенного (излучение с длиной волны λ) и необыкновенного (излучение с длиной волны λ) помечены стрелками 9 и 10.
Длина резонатора подстраивалась с помощью пьезоэлектрического преобразователя, укрепленного на сферическом зеркале (на фиг.2. не показан). Для анализа состояния поляризации выходных лучей использовался кальцитовый анализатор дихроичного типа (пластинка толщиной 1 мм, на Фиг.2 не показан).
Схема МЛЛУГ с учетом предложенного нами двухволнового лазера (Фиг.2) поясняется чертежом (Фиг.3).
1
2
1
2
Устройство содержит He-Ne лазер, работающий на двух линиях: сильно поглощаемой природным газом (λ) и практически не взаимодействующей с ним (λ), 1, внутрирезонаторный магнитооптический модулятор 2,, полупроводниковый лазер с зеленой линией излучения 3, плоские зеркала 4, 5 и 6, позволяющие выводить излучения трех длин волн на ось телескопа и направлять их по одному и тому же оптическому пути на подстилающую поверхность трубопровода 7 через газовое облако 8. Отраженные от подстилающей поверхности излучения с длинами волн λ и λ попадают на телескоп 9, призму Волластона 10, два фотоприемника 11 и 12, дифференциальный усилитель 13, электронный блок 14 и ЭВМ с монитором 15.
Использование зеленого излучения для визуального наблюдения пятна на поверхности Земли имеет преимущество, заключающееся в том, что чувствительность человеческого глаза максимальна именно в зеленом участке спектра и превосходит таковую для красного излучения в два раза, что позволяет существенно снизить генерируемую полупроводниковым лазером мощность излучения, тем самым, снизить его стоимость, габариты и массу.
1
2
Устройство работает следующим образом. ИК-лазер 1 одновременно излучает колебания на двух длинах волн: на длине волны λ=3,3922 мкм, достаточно сильно поглощаемой газом, и на длине волны λ=3.3912 мкм, практически не поглощаемой газом. Модуляция обоих линий осуществляется одновременно с использованием магнитного плоского зеркала, как выходного зеркала резонатора лазера (см. Фиг.2), который также выполняет роль внутрирезонаторного модулятора фарадеевского типа 2 (Фиг.3.).
Указанные линии благодаря внутрирезонаторному модулятору изменяются по закону колебаний модулирующего генератора (генератор на схеме не показан). После модуляции оба луча, проходя через зеркала 4, 5 и 6, попадают в газовое облако 8, образуемого при истечении газа из объектов на земле (трубопровода 7). Отраженные от земли сигналы лазеров вновь проходят через газовое облако 8 и попадают на приемное зеркало телескопа 9, фокусируясь на призме Волластона 10, где происходит пространственное разделение обоих лучей. Далее оба луча поступают на соответствующие фотоприемники 11 и 12, которые преобразуют ортогональные оптические сигналы в электрические, поступающие соответственно на входы дифференциального усилителя 13, разностный сигнал с нагрузки которого поступает в электронный прибор 14, производящий обработку сигнала и выдачу результата на монитор ЭВМ 15. Кроме того, электронный блок 14 также управляет работой лазеров 1, 3 и внутрирезонаторным модулятором 2. «Пятно» зеленого цвета на земле от полупроводникового лазера 3 дает возможность пилоту вертолета или самолета правильно следовать по трассе газопровода. Но, главное - это «пятно» позволяет точно идентифицировать место утечки газа, так как при поступлении сигнала от электронного блока 14 о наличии течи из газопровода 7 это место, благодаря спутниковой ориентации, отмечается на карте трассы газопровода и осуществляется его "привязка" к характерным признакам местности или на технологической схеме МГ, что позволяет наземным ремонтным службам точно определить место утечки.
Как известно реализации высокой чувствительности на практике мешают различного рода фоны и шумы, а также небольшая мощность излучения Не-Ne лазера. Поэтому с целью существенного увеличения чувствительности локатора нами и использован дифференциальный метод локации и приема сигналов, для реализации которого одновременно с помощью призмы Волластона, двух детекторов и дифференциального усилителя принимаются и усиливаются полезные сигналы, соответствующие обыкновенному и необыкновенному лучам и, наоборот, существенно уменьшаются помехи и шумы.
1
2
Проведенные нами испытания локатора показали, что мощности Не-Ne лазера на линиях λ и λ соответственно равны 8 и 5 мВт. Этих мощностей вполне достаточно для обнаружения утечек с высоты 80-100 м, что легко реализуется при размещении локатора на вертолете. Полупроводниковый лазер зеленого излучения, использующийся нами для привязки утечки к карте местности, имел массу 150 г в отличие от Не-Ne лазера, применяемого для такой же цели в патенте [1], масса которого была около 6 кг, генерировал мощность 3 мВт, что позволило уверенно наблюдать «пятно» зеленого луча на подстилающей поверхности трубопровода.
Благодаря предлагаемому техническому решению удалось втрое снизить стоимость изготовления локатора, его настройку, юстировку и существенно повысить надежность всей конструкции локатора.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. RU 51745, опубл. 27.02.2006, бюл. №6.
2. Лазерный абсорбционный анализ и его приложения в геологии, геофизике и экологии. Сб. статей / Под редакцией А.И.Попова. М.: Энергоиздат, 1982, 60 с.
3. F.Bretenaker and A. Le Floch, The Dynamics of spatially-Resolved Laser Eingenstates // IEEE Journal of quantum electronics. 1990. vol. 26. No.9. p.1451-1454.
4. М.Alouini, М.Vallet, М Brunel, F.Bretenaker, and A. Le Floch, Tunable absolute-frequency laser at 1.5 µm // Electron. Lett. 2000, Vol. 36, p.1780-1782.