КР-газоанализатор
RAMAN GAS ANALYZER

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам, позволяющим проводить анализ многокомпонентных газовых сред.
Спектроскопия комбинационного рассеяния (КР) является универсальным методом за счет своих преимуществ, среди которых отсутствие расходных материалов, высокая скорость анализа, а также возможность одновременного контроля всех типов молекул, концентрация которых превышает порог чувствительности аппаратуры. Суть данного метода заключается в неупругом рассеянии оптического излучения на молекулах среды, сопровождающееся изменением его частоты, при этом интенсивность рассеянных сигналов прямо пропорциональна концентрации молекул. Основным недостатком данного метода является сравнительно низкая интенсивность сигналов КР, ввиду чего для повышения их метрологических характеристик необходимы новые технические решения, направленные на увеличение интенсивности регистрируемых сигналов.
Задача получения интенсивного сигнала КР может быть решена посредством увеличения интенсивности лазерного излучения в локальной точке пространства, являющейся рассеивающим объемом, увеличением плотности молекул в рассеивающем объеме, минимизации потерь на оптических элементах. Важно отметить, что одновременное использование данных методов приведет к мультипликативному эффекту.
Известен анализатор состава выдыхаемого воздуха [Патент РФ №2555507, 2015 г., G01N 21/65], основанном на методе КР спектроскопии. Устройство имеет в своей конструкции твердотельный лазер с длиной волны 532 нм, работающий в непрерывном режиме, многопроходную оптическую систему, состоящую из двух сферических зеркал, имеющими общий центр кривизны, газовую кювету, объектив для сбора рассеянного излучения, голографический фильтр, светосильный полихроматор, ПЗС матрицу, блок управления и ПК. Основным недостатком данного анализатора является низкая интенсивность регистрируемых сигналов, несмотря на то, что в системе обеспечивается многократное прохождение лазерного излучения сквозь кювету, интенсивность рассеянного света, собираемая объективом, низкая. Это объясняется тем, что свет собирается из одной точки. В связи с чем, для увеличения интенсивности КР в данной точке необходимо обеспечить высокую интенсивность лазерного излучения. В данном анализаторе этого не происходит, поскольку внутрь кюветы, оснащенной двумя сферическими зеркалами, направляется параллельное излучение, т.е. лазерное излучение не фокусируется в центре кюветы и, как следствие, значительного увеличения сигнала КР не будет, учитывая, что также будут потери лазерного излучения на окнах кюветы.
Известен КР-газоанализатор [Патент РФ №2672187, 2018 г., G01N 21/65], основанный на спектроскопии КР. В отличие от устройства, указанного выше, в данном устройстве лазерное излучение направляется поворотной призмой сквозь кювету и фокусируется линзой в центре нее. Посредством определенной настройки взаимной ориентации зеркал и поворотной призмы, между зеркалами сквозь кювету обеспечивается многократное прохождение лазерных лучей, которые фокусируются и пересекаются в двух точках расположенных на оптической оси объектива, осуществляющим сбор рассеянного излучения. В результате в двух данных точках пересечения интенсивность лазерного излучения будет возрастать, и, посредством сбора рассеянного излучения из одной из них, интенсивность зарегистрированных сигналов КР будет также возрастать. Основным недостатком данного газоанализатора является то, что кювета оснащена одним окном для вывода КР, на котором возникают потери рассеянного света. Интенсивность лазерного излучения также уменьшается ввиду возникновения потерь на поворотной призме и двух окнах газовой кюветы.
Наиболее близким по принципу действия к патентуемому устройству является Раман спектрометр, описанный в работе [Sebastian Schliiter, Frederick Krischke, Nadejda Popovska-Leipertz, Thomas Seeger, Georg Breuer, Christian Jeleazcov, Jurgen Schiittlerd and Alfred Leipertza//J. Raman Spectrosc. 2015. Vol. 46, №8. P. 708 715] Указанное устройство имеет в своем составе лазерный источник, поворотное зеркало, газовую кювету, многопроходную оптическую систему, состоящую из четырех зеркал, двух линз и ловушки лазерного излучения, систему сбора рассеянного излучения, включающую в себя, с одной стороны от кюветы, линзу и плоское зеркало для возврата сигнала КР, с другой линзу коллимирующую рассеянное излучение, фильтр и линзу, фокусирующую рассеянное излучение, оптическое волокно, спектрометр и анализатор данных. В отличие от двух указанных выше анализаторов в данном приборе система многократного отражения лазерного излучения формирует одну точку пересечения по центру газовой кюветы, с которой ведется сбор рассеянного света. Газовая кювета имеет два окна для вывода КР, что позволяет вести сбор рассеянного света с двух сторон. Основным недостатком данного газоанализатора является низкая интенсивность сигналов КР, обусловленная большими оптическими потерями как интенсивности лазерного излучения, так и рассеянного света на окнах газовой кюветы, а также малое количество проходов лазерного излучения сквозь кювету.
Задачами, на решение которой направлено изобретение, является увеличение количества проходов в системе многократного отражения и минимизация оптических потерь.
Технический результат повышение интенсивности регистрируемых сигналов.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве, содержащем непрерывный лазер, газовую кювету, спектральный прибор, систему, состоящую из двух линз и четырех плоских зеркал, предназначенную для многократного пропускания лазерного излучения через центр газовой кюветы, светофильтр, ослабляющий излучение на длине волны лазера, а также систему из трех линз и плоского зеркала, которые выполняют функцию сбора и направления рассеянного света внутрь спектрального прибора, линзы, предназначенные для фокусирования многократных отражений лазерного излучения в центре кюветы и сбора рассеянного света, также выполняют функцию окон газовой кюветы.
Кроме того, на пути многократно отраженного лазерного излучения, установлено плоское зеркало таким образом, что излучение после отражения идет в обратном направлении.
Необходимо отметить, что в известном устройстве линзы, предназначены исключительно для фокусирования лазерного излучения в центре кюветы и сбора рассеянного света, а сама кювета снабжена окнами, которые вызывают дополнительные потери и соответственно снижают уровень сигнала. Также на пути многократного отражения установлена ловушка, которая ограничивает распространение лазерного излучения по оптической системе в одном направлении.
В свою очередь в патентуемом устройстве линзы совмещены с газовой кюветой и позволяют не только осуществлять фокусирование лазерного излучения и сбор рассеянного света, но и выполняют функцию окон газовой кюветы, что позволяет минимизировать потери сигнала. А дополнительно установленное зеркало на пути многократного отражения лазерного излучения позволяет увеличить число проходов лазерного излучения сквозь кювету, что увеличивает интенсивность излучения в локальной точке и, как следствие, повышает уровень сигнала комбинационного рассеяния.
На чертеже приведена блок-схема предлагаемого устройства. КР-газоанализатор содержит непрерывный лазер 1, пять плоских зеркал 2, 3, 7, 8, 9, газовую кювету 4, две линзы 5, 6, фокусирующие лазерное излучение, две линзы 10, 12, собирающие КР света, плоское зеркало 11, отражающее КР света обратно в кювету, светофильтр 13, блокирующий излучение в области длины волны лазера, линзу 14, фокусирующую сигнал КР на входную щель спектрального прибора, спектральный прибор 15.
Предлагаемый KP-газоанализатор работает следующим образом.
Излучение от непрерывного лазера 1 проходит между двух плоских зеркал 2, 3. Далее проходя через линзу 5, излучение фокусируется в центре газовой кюветы 4. После чего излучение коллимируется второй линзой 6. Коллимированное лазерное излучение отражается от двух плоских зеркал 7, 8, установленных таким образом, что регулируя их смещение можно задать количество проходов лазерного излучения сквозь газовую кювету 4. Плоское зеркало 9, позволяет вернуть многократно отраженное лазерное излучение в обратном направлении. Этот процесс позволяет повысить интенсивность возбуждающего излучения в локальной точке расположенной в центре газовой кюветы 4. Сбор комбинационного рассеяния ведется с помощью линз 12 и 10. Установленное плоское зеркало 11 позволяет отразить КР света в центр газовой кюветы 4, что позволяет линзе 12 собрать больше сигнала. При этом линзы 5, 6, 10, 12 являются окнами газовой кюветы 4. Данная конфигурация позволяет минимизировать потери как лазерного излучения так и КР света. Сформированный линзой 12 параллельный пучок света направляется на линзу 14, проходя сквозь светофильтр 13, блокирующий излучение на длине волны лазера. Линза 14 фокусирует рассеянное излучение на входную щель спектрального прибора 15. Важно учесть, что в данном устройстве целесообразно использовать зеркала именно с диэлектрическим покрытием, в связи с тем, что они обеспечивают высокий коэффициент отражения лазерного излучения.