Спектрометр насыщенного поглощения на основе CO2-лазера низкого давления

УДК 535.33 И. Р. Крылов

СПЕКТРОМЕТР НАСЫЩЕННОГО ПОГЛОЩЕНИЯ НА ОСНОВЕ ОЭг-ЛАЗЕРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Спектроскопия насыщения поглощения. Спектроскопия насыщения поглощения [1-5] (или спектроскопии обращённого провала Лэмба) позволяет получать спектры газов, свободные от доплеровского уширения спектральных линий. Спектр состоит из резонансов, которые образуются в результате просветления среды друг для друга двумя световыми волнами. Традиционно через кювету с исследуемым газом пропускают встречные световые волны одинаковой частоты. Давление газа подбирают так, чтобы неоднородное уширение спектральной линии, обусловленное эффектом Доплера, было гораздо больше однородного уширения, обусловленного частотой столкновений молекул друг с другом.

С учётом продольного эффекта Доплера каждая световая волна взаимодействует со своим набором молекул газа. Молекулы эффективно поглощают свет, если сдвинутая эффектом Доплера частота света в системе отсчёта молекулы совпадает с частотой поглощающего перехода. Встречные световые волны с одинаковой частотой в общем случае поглощаются двумя разными наборами молекул и не взаимодействуют друг с другом. Если частота света совпадает с частотой перехода с точностью до однородной ширины спектральной линии, то обе встречные волны поглощаются одним и тем же набором молекул с нулевой лучевой скоростью и просветляют среду друг для друга.

На рис. 1 представлена простейшая оптическая схема опыта по наблюдению резонансов насыщения поглощения.

Зависимость мощности света на приёмнике от частоты света содержит широкий доплеровский провал контура линии поглощения исследуемого газа и на его фоне узкий пик просветления среды встречными световыми волнами. Этот пик и называют резонансом насыщения поглощения [1].

Молекулярные спектры содержат много спектральных линий. Каждая линия формирует свой резонанс насыщения поглощения при точном совпадении частоты лазерного излучения с центром соответствующей спектральной линии. Совокупность этих резонансов образует спектр насыщения поглощения.

В качестве объекта исследования нами выбрана молекула SiF4. Молекула обладает высокой симметрией, что стимулирует интерес к исследованию её спектра методами нелинейной лазерной спектроскопии [6-9].

Пример полученной нами экспериментальной зависимости интенсивности света на приёмнике от частоты генерации лазера приведён на рис. 3.

© И. Р. Крылов, 2009

Рис. 1. Оптическая схема наблюдения резонансов насыщения поглощения:

1 — лазер, 2 — кювета с исследуемым газом, 3 — приёмник излучения

Рис. 2. Ожидаемая зависимость мощности света от частоты для световой волны, прошедшей кювету с газом в прямом и обратном направлениях

Рис. 3. Фрагмент спектра насыщенного поглощения SiF4 в пределах частотной перестройки генерации Ш2-лазера на линии Г(30) полосы 9,4 мкм:

1, 2, 3, 4 _ резонансы насыщения поглощения

V

1 - С02- лазер

Л

V

11

2 - С02- лазер

12

1\

ЛІ

18

4 - 81Б4

17

I

їх

10

21

X

13 19 1,8 кГц X

^ 20

9

5

8

Рис. 4. Принципиальная схема экспериментальной установки

Давление газа SiF4 в кювете составляет примерно 15 мТорр. Изменение частоты генерации осуществляется небольшим изменением длины резонатора лазера с помощью пьезокерамики, на которой укреплена дифракционная решётка, играющая роль выходного зеркала. Для сканирования частоты генерации лазера на пьезокерамику подается синусоидальное напряжение с частотой 35 Гц. Сигнал с фотоприёмника регистрируется на линейном участке синусоиды. Такой режим быстрой регистрации использовался нами только для настройки оптической схемы. Основные измерения проводились в режиме накопления сигнала при медленной регистрации.

Принципиальная схема экспериментальной установки. Экспериментальная установка была существенно модернизирована по сравнению с предыдущим вариантом [10]. Схема установки изображена на рис. 4.

Опорный лазер 1 частотно стабилизируется электронной схемой по одному из резонансов насыщения поглощения, наблюдаемому в исследуемом газе кюветы 3. Излучение этого лазера служит частотным репером для спектров насыщенного поглощения, которые регистрируются в режиме накопления сигнала в излучении сигнального лазера 2 при прохождении излучения через кювету с исследуемым газом 4.

Экспериментальная установка состоит из трёх более или менее независимых частей: система стабилизации частоты генерации опорного лазера, система частотной привязки сигнального лазера, система медленной регистрации с накоплением спектров насыщенного поглощения в излучении сигнального лазера.

Система стабилизации частоты генерации опорного лазера. Обсудим подробнее первую часть схемы - систему стабилизации частоты генерации опорного 002-лазера. Оптическая часть системы стабилизации состоит из лазера 1 (рис. 4), излучение которого проходит через кювету 3 с исследуемым газом SiF4, отражается зеркалом 5 в обратном направлении, проходит кювету с газом во встречном направлении, отражается от полупрозрачной германиевой пластины 6 и попадает на приёмник излучения 7. В режиме быстрой регистрации сигналов напряжение с приёмника 7 имеет вид, изображённый на рис. 3.

Для стабилизации частоты генерации лазера по резонансу насыщения поглощения на пьезокерамику лазера подаётся вместо синусоиды 35 Гц, как при быстрой регистрации сигналов, синусоида 1,8 кГц с генератора 8 (рис. 4). Частота генерации лазера при этом испытывает колебания - девиацию. Амплитуда девиации подобрана гораздо меньшей, чем амплитуда девиации с частотой 35 Гц. При частоте девиации 1,8 кГц амплитуда девиации (30 кГц) составляет небольшую часть полуширины (200 кГц) резонансов насыщения поглощения.

Колебания частоты генерации лазера 1 (рис. 4) приводят к колебаниям интенсивности света на приёмнике 7. Фаза колебаний интенсивности зависит от значения средней частоты генерации лазера. Так, на левом и на правом склонах резонанса фазы колебаний интенсивности противоположны. Значение фазы определяет, в какую сторону нужно изменить частоту генерации лазера, чтобы установить частоту генерации равной частоте центра резонанса. Эта информация формируется и используется электронной схемой системы стабилизации частоты генерации лазера.

Определение фазы колебаний интенсивности осуществляется с помощью фазового, или синхронного, детектора. Синхронный детектор собран на основе микросхемы аналогового перемножителя 9 (рис. 4). На один из входов перемножителя подаётся переменная составляющая сигнала с приёмника 7, на другой вход подаётся напряжение с генератора 8. Если оба напряжения изменяются синфазно, то напряжение на выходе

перемножителя положительно. Если напряжения на входах перемножителя противо-фазны, то напряжение на выходе отрицательное.

Напряжение с перемножителя 9 после сглаживания проходит усилитель І0 и подаётся на пьезокерамику лазера І для автоматической подстройки частоты генерации лазера на центр резонанса насыщения поглощения.

Важной характеристикой системы стабилизации частоты генерации является её быстродействие, которое, в основном, определяется частотой механического резонанса пьезокерамики (1,2 кГц). Любая система стабилизации образует петлю с отрицательной обратной связью. Распространяясь по петле, сигнал компенсации отслеживаемых флуктуаций испытывает некоторый поворот фазы различный на разных частотах. Во избежание возбуждения системы стабилизации нужно, чтобы на частоте, на которой сдвиг фазы равен п (обратная связь становится положительной вместо отрицательной) и чтобы на этой частоте коэффициент передачи в петле обратной связи был меньше единицы по модулю. С этой целью в петле обратной связи создаётся зависимость коэффициента передачи от частоты вида 1//, где / - частота отслеживаемых флуктуаций. Такой вид амплитудной характеристики сопровождается поворотом фазы на п/2. При перестройке частоты в узкой области механического резонанса пьезокерамики в петле обратной связи происходит добавочный поворот фазы на п, поэтому суммарный поворот фазы на п оказывается на частоте близкой к частоте механического резонанса. На этой частоте трудно избежать возбуждения петли обратной связи, так как в резонансе коэффициент передачи пьезокерамики велик. Чтобы избежать возбуждения системы стабилизации на частоте, близкой к частоте механического резонанса пьезокерамики, усилитель І0 содержит в себе двойной Т-образный фильтр, который настроен не пропускать частоту 1,2 кГц.

В нашей установке коэффициент стабилизации спадает с увеличением частоты / как І//, начиная с очень низких частот и достигая единичного значения на частоте примерно 500 Гц. Начало спада частотной характеристики определяется неконтролируемыми связями каскадов усилителя по цепям питания и по общему проводу схемы. В результате, воспроизводимость стабилизированной частоты оказалась равной 50 кГц. Воспроизводимость частоты генерации, в основном, определяется шириной (400 кГц) реперного резонанса насыщения поглощения и ограничена по двум причинам. Первая - тепловые дрейфы нуля усилителя І0 (рис. 4). Вторая - неконтролируемые изменения формы подложки, на которой расположен резонанс. Дело в том, что описанный метод стабилизации удерживает частоту генерации лазера не на центре резонанса, а на нуле первой производной зависимости мощности излучения на приёмнике от частоты. При изменении формы подложки нуль первой производной сдвигается.

Динамический диапазон системы стабилизации частоты генерации лазера при отслеживании ухода частоты генерации составляет ±100 МГц. Для сравнения заметим, что длина резонатора лазера 1,5 м соответствует частотному интервалу между продольными модами 100 МГц.

Система частотной привязки сигнального CO2-лазера. Вторая часть экспериментальной установки - система привязки частоты генерации сигнального С02-ла-зера 2 (рис. 4) к частоте генерации опорного С02-лазера І.

Излучение двух лазеров І и 2, отражаясь от соответствующих полупрозрачных германиевых пластинок ІІ и І2, попадает на приёмник излучения ІЗ. В результате интерференции интенсивность света на приёмнике испытывает биения на разностной частоте. Преобразователь частота-напряжение І4 формирует постоянное напряжение пропорциональное частоте биений. Это напряжение поступает на один из входов

дифференциального усилителя 15, на другой вход которого подаётся напряжение сравнения с компьютера 16. Напряжение с выхода дифференциального усилителя поступает на пьезокерамику сигнального лазера 2 для управления частотой его генерации.

Сигналом ошибки системы привязки служит разность напряжений на двух входах дифференциального усилителя 15. Система привязки удерживает частоту генерации сигнального лазера 2 на таком значении, чтобы частота биений двух лазеров, преобразованная в напряжение, совпадала по величине с напряжением сравнения, поступающим с компьютера. Изменение напряжения, поступающего с компьютера, сдвигает частоту генерации сигнального лазера так, чтобы удержать нулевое значение разности напряжений на входах дифференциального усилителя. В результате частота генерации сигнального лазера 2 оказывается активно стабилизированной и одновременно допускает медленную перестройку при изменении напряжения, подаваемого компьютером.

Преобразователь частота-напряжение представляет собой электронную схему оригинальной разработки. Схема состоит из нескольких микросхем. Первая микросхема - компаратор, который преобразует синусоидальный сигнал с приёмника биений в сигнал прямоугольной формы с логическими уровнями напряжения 0 и +5 В. С компаратора сигнал поступает на микросхему счётчика, которая делит частоту сигнала на 4, позволяя надёжно работать следующим менее быстродействующим микросхемам. Сигнал с выхода счётчика подаётся на два входа логической микросхемы «2И». На один из входов сигнал подаётся непосредственно, а на другой вход сигнал поступает через три последовательно включенных логических инвертора. При идеальной работе логических инверторов, напряжения на двух входах микросхемы «2И» изменяются в противо-фазе, а напряжение на выходе постоянно остается нулевым. Реальные микросхемы логических инверторов создают временную задержку сигнала, и на время этой задержки на выходе микросхемы «2И» кратковременно появляется напряжение +5 В при каждом перепаде вверх напряжения на выходе счётчика. Частота импульсов на выходе микросхемы «2И» оказывается равной четверти частоты биений двух С02-лазеров, а длительность и амплитуда импульсов не зависят от частоты биений. Сглаживая эти импульсы ИС-цепочкой, получаем напряжение пропорциональное частоте биений двух лазеров.

Быстродействие системы привязки сигнального С02-лазера, так же как и быстродействие системы стабилизации опорного СО2 лазера, определяется частотой (1,2 кГц) механического резонанса пьезокерамики лазера. Усилитель 15 (рис. 4) содержит двойной Т-образный фильтр, настроенный на непропускание частоты 1,2 кГц. Коэффициент стабилизации системы привязки спадает как 1//, начиная с очень низких частот, и достигает единичного значения на частоте примерно 700 Гц. Динамический диапазон стабилизации составляет ±100 МГц. Интервал между продольными модами лазера 100 МГц.

Система медленной регистрации сигналов в режиме накопления. Третья часть экспериментальной установки - система регистрации спектров насыщенного поглощения в режиме накопления сигналов.

Напряжение синусоидального генератора 8 (рис. 4) с частотой 1,8 кГц подаётся на пьезокерамику сигнального С02-лазера 2 для частотной модуляции частоты генерации лазера. Излучение сигнального С02-лазера 2 проходит кювету 4 с исследуемым газом, отражается зеркалом 17, проходит кювету в обратном направлении, отражается от германиевой полупрозрачной пластинки 18 и попадает на сигнальный приёмник 19. Электрический сигнал с приёмника синхронно детектируется на удвоенной частоте девиации (3,6 кГц) на перемножителе 20. Опорный сигнал синусоиды с частотой 3,6 кГц

Рис. 5. Вид лоренцевского контура

Рис. 6. Резонансы насыщения поглощения в газе SiF4 на линии Р(30) полосы 9,4 мкм генерации С02-лазера

подаётся на второй вход перемножителя 20 с выхода перемножителя 21, на оба входа которого подаётся синусоида 1,8 кГц с генератора 8.

При синхронном детектировании на удвоенной частоте девиации форма сигнала на выходе синхронного детектора представляет собой вторую производную зависимости мощности света на приёмнике 19 от частоты генерации 002-лазера. Резонанс насыщения поглощения имеет вид лоренцевского контура Ь(х) = 1^2, что

вполне соответствует эксперименту, как видно из рис. 3. Рассчитанный вид лоренцевского контура и его второй производной представлены на рис. 5.

Для наглядности удобно сигнал в виде второй производной умножить на минус единицу, чтобы каждый резонанс выглядел как пик, а не как провал. Пример экспериментальной зависимости при медленной регистрации сигнала для пары резонансов представлен на рис. 6.

Эти же резонансы на рис. 3 при быстрой регистрации спектра насыщенного поглощения отмечены как резонансы 2 и 3. Давление SiF4 составляло примерно 15 мТорр.

На рис. 7 представлен панорамный спектр насыщенного поглощения SiF4 в частотной области перестройки С02-лазера в пределах линии усиления Р(30) полосы 9,4 мкм.

20

10

0

10

20

МГц

Рис. 7. Панорамный спектр насыщенного поглощения SiF4 в частотной области перестройки 002-лазера в пределах линии усиления Р(30) полосы 9,4 мкм

+

400

+

200

0

10

20

30

Рис. 8. Зависимость ширины резонансов насыщения поглощения

Частота по оси абсцисс (рис. 7) отсчитывается от наибольшего резонанса SiF4, расположенного вблизи центра линии усиления С02-лазера. Этот резонанс идентифицирован в работе [11] как переход Fl (9) вращательной линии Щ53) колебания молекулы SiF4 с частотой V = 1037, 4341 см-1. Два ближайших резонанса слева от него представлены отдельно на предыдущем рис. 6. Триплет справа от центрального резонанса F1 (9) представляет собой AFE-мультиплет супертонкой [12] структуры спектра, связанной с туннельными переходами между состояниями вращения вокруг эквивалентных осей симметрии молекулы SiF4, что следует из соотношения амплитуд резонансов 5:3:2 и интервалов между ними 2:1.

Спектр насыщенного поглощения изображён на рис. 7 в виде трёх фрагментов. Левый и правый фрагменты получены при стабилизации опорного лазера по центральному резонансу F1 (9). Центральный фрагмент получен при стабилизации опорного лазера по ближайшему резонансу слева от резонанса F1 (9).

Кроме измерения спектра, установка позволяет детально исследовать ширину и форму резонансов насыщения поглощения. Ширина резонанса насыщения поглощения, при стремлении мощности лазерного поля к нулю, стремится к однородной ширине спектральной линии [1]. Мы провели серию измерений резонансов мультиплета AFE при разных давлениях SiF4 и разных значениях мощности лазерного луча. Каждую экспериментальную кривую мы аппроксимировали суммой трёх контуров, каждый из которых представлял собой вторую производную от лоренцевского контура. При аппроксимации мы предполагали, что ширины трёх резонансов одинаковы. Методом наименьших квадратов по оригинальной программе мы подбирали параметры аппроксимирующей зависимости. В результате аппроксимации каждая кривая хорошо проходила через точки экспериментальной кривой, что говорит о правильном выборе модельной функции. Следовательно, форма резонансов с высокой точностью совпадает с лоренцевской, а ширины трёх резонансов мультиплета одинаковы. Результаты зависимости ширины резонанса от давления газа SiF4 представлены на рис. 8.

По результатам измерения зависимости ширины резонансов мультиплета AFE от давления газа SiF4 мы получили значение уширения спектральных линий давлением собственного газа (11, 0 ± 0, 6) МГц/Торр, что несколько превышает ранее полученные значения (8, 8±0, б) МГц/Торр [13] и (8±3) МГц/Торр [14] для соседнего перехода F1 (9).

Ширина резонансов определена нами при разных давлениях газа и одинаковой мощности лазерной волны на входе в кювету. При этом узкие резонансы испытывают большее уширение мощностью световой волны, чем широкие, что ведёт к занижению значения уширения давлением. Большее значение уширения давлением газа получается, если проводить измерения с меньшей мощностью лазерного поля. Истинное значение получается при экстраполяции уширения давлением к нулевой мощности светового поля.

Параметры экспериментальной установки. Установка содержит два одинаковых С02-лазера с давлением активной среды 12 Торр. Состав смеси С02, N2, Не в соотношении 3:2:15 оптимизировался нами с целью подавления автоколебаний страт разряда. Длина резонатора лазера 1,5 м. Выходное зеркало лазера заменено отражательной дифракционной решёткой с профилированным штрихом. Период дифракционной решетки 10 мкм; угол блеска 30°. Для подавления поперечных мод внутри резонатора лазера помещена ирисовая диафрагма. Частотный интервал между продольными модами (100 МГц) несколько больше ширины линии усиления на уровне потерь (70 МГц), что позволяет не заботиться о селекции продольных мод для получения одночастотного режима генерации. Мощность луча в одночастотном режиме до 100 мВт. Диаметр луча 3 мм.

Внутрирезонаторная дифракционная решётка лазера работает в автоколлимаци-онном режиме. Луч, отражённый в минус первый порядок дифракции идёт обратно по оси резонатора лазера только для одной длины волны. Поворотом дифракционной решётки можно перестраивать генерацию лазера по вращательным компонентам двух колебательных полос усиления С02-лазера. Дифракционная решётка выделяет генерацию на одной вращательной компоненте спектра СО2.

Дифракционная решётка укреплена на пьезокерамике для управления частотой генерации лазера. Пьезокерамика позволяет перемещать решётку на ±5 мкм при управляющем электрическом напряжении ±200 В.

Излучение С02-лазера при необходимости ослабляется пластинками CaF2, при прохождении которых мощность лазерного луча уменьшается от 1,2 до 7 раз в зависимости от толщины пластинки.

Установка содержит две одинаковые кюветы с исследуемым газом. Кюветы стеклянные с окнами из BaF2. Длина каждой кюветы 3 м, диаметр кюветы 3 см. Каждая кювета соединена с вакуумной установкой. К кювете припаян стеклянный отросток, отсекаемый краном. В отростке хранится исследуемый газ SiF4. Газ из отростка напускается в кювету в избытке, а затем медленно вымораживается при надевании на отросток термоса с жидким азотом. Давление газа в кювете контролируется термопарным манометром. При достижении нужного давления газа в кювете, кран между кюветой и отростком перекрывается.

Прежде чем излучение С02-лазера попадает в кювету с газом, пучок лазерных лучей расширяется внеосевым зеркальным телескопическим расширителем, чтобы уменьшить пролётное уширение резонансов и уширение мощностью лазерного луча. Перед телескопическим расширителем инфракрасный луч С02-лазера совмещается с красным лучом полупроводникового лазера на германиевой пластинке, которая прозрачна для инфракрасного луча и хорошо отражает красный луч. Совмещение двух лучей позволяет настраивать положение остальных зеркал оптической схемы по красному лучу. Два телескопических расширителя, два полупроводниковых лазера и две германиевые пластинки для совмещения двух пар лучей не показаны на рис. 4, чтобы не загромождать его.

Три приёмника излучения С02-лазера - полупроводниковые фотосопротивления трёх разных типов. Все они охлаждаются жидким азотом. Перед приёмником 19 (рис. 4) установлена собирающая германиевая линза, которая также не отображена на рисунке.

Электронная часть установки разработана на основе общепринятых принципов и изготовлена на стандартных микросхемах. Схема не содержит ни одного переменного резистора. Функции переменных сопротивлений выполняют полевые транзисторы, управляемые компьютером.

Общее управление электронной схемой осуществляется IBM-совместимым компьютером с помощью стандартной платы сбора данных, которая содержит 12-ти битовые аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и цифровые порты ввода-вывода. Компьютер работает под управлением операционной системы Free Dos. Для управления экспериментальной установкой разработана оригинальная компьютерная программа на языке программирования Borland Turbo С.

Автор приносит благодарность Владимиру Васильевичу Берцеву за предоставленный газ SiF4 и Лии Николаевне Аснис за приёмник лазерного излучения.

Литература

1. Летохов В. С., Чеботаев В. П. Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения. М., 1990. 512 с.

2. Раутиан С. Г., Смирнов Г. И., Шалагин A. M. Нелинейные резонансы в спектрах атомов и молекул. Новосибирск, 1979. 310 с.

3. Попов А. К. Введение в нелинейную спектроскопию. Новосибирск, 1983. 274 с.

4. Демтредер В. Лазерная спектроскопия, основные принципы и техника эксперимента / Пер. с англ. М., 1985. 607 с.

5. Шен И. Р. Принципы нелинейной оптики / Пер. с англ. М., 1989. 558 с.

6. Petersen F. R., Danielson B. L. Laser saturated molecular absorption in SiF4 // Bull. Am. Phys. Soc. 1970. Vol. 15. P. 1324-1324.

7. Nella J. Saturated resonance spectroscopy of SiF4 // Appl. Phys. Lett. 1973. Vol. 23. N 10. P. 568-570.

8. Бетеров И. М., Василенко Л. С., Гангардт В. А., Чеботаев В. П. Исследование узких резонансов при насыщении поглощения в четырёхфтористом кремнии на переходах 0001 — 0200 лазера на двуокиси углерода // Квант. электроника. 1974. Т. 1. № 4. С. 970-973.

9. Иванов Э. И., Крылов И. Р. Некоторые детали насыщения поглощения излучения CO2-лазера молекулой SiF4 // Опт. и спектроскопия. 1979. Т. 46. Вып. 6. С. 1214-1215.

10. Вершовский А. К., Иванов Э. И., Крылов И. Р., Филимонов Н. А. Высокоразрешающий лазерный спектрометр насыщенного поглощения // Вестн. ЛГУ. Сер. 4: Физика, химия. 1985. Вып. 4. № 25. С. 81-85.

11. McDowell R. S., Patterson C. W., Nereson N. G., Petersen F. R., Wells J. S. CO2 laser coincidences with v3 of SiF4 near 9.7 |lm // Opt. Lett. 1981. Vol. 6. N 9. P. 422-424.

12. Harter W. G., Layer H. P., Petersen F. R. Evidence of tumbling multiplets in saturation absorption spectra of SiF4 // Opt. Lett. 1979. Vol. 4. N 3. P. 90-92.

13. Балабас М. В., Иванов Э. И., Крылов И. Р. Уширение нелинейных резонансов насыщенного поглощения в SiF4 давлением собственного газа // Опт. и спектроскопия. 1982. Т. 52. Вып. 6. С. 963-965.

14. Бетеров И. М., Василенко Л. С., Гангардт В. А., Чеботаев В. П. Исследование узких резонансов при насыщении поглощения в четырехфтористом кремнии на переходах 00° 1 — 0200 лазера на двуокиси углерода // Квант. электроника. 1974. Т. 1. № 4. С. 970-973.

Принято к публикации 17 июля 2008 г.