ВНУТРИРЕЗОНАТОРНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКТРОМЕТР

Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к лазерной спектроскопии высокого разрешения и может быть использована в технологических процессах разделения изотопов, при контроле чистоты химических продуктов, в измерительных оптических системах высокого разрешения и т.д.
Предшествующий уровень техники
В технике и науке существует проблема контроля спектральными методами малых концентраций химических веществ (например, изотопов), приемлемое техническое решение которой появилось с появлением устройств внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛ). Другой важной проблемой является исследование тонкой структуры спектров (например, вращательных спектров молекул) с высоким разрешением методами ВРЛ. Среди методов абсорбционного анализа внутрирезонаторная лазерная спектроскопия по чувствительности, универсальности и быстродействию не имеет себе равных. Высокая чувствительность ВРЛ-спектрометров по концентрации позволяет регистрировать чрезвычайно слабые линии поглощения, обусловленные как малым сечением поглощения соответствующих переходов, так и небольшой концентрацией исследуемых веществ в различных агрегатных состояниях [1].
Поскольку при внутрирезонаторной спектроскопии, спектральные характеристики лазера должны быть точно согласованы со спектральными характеристиками исследуемой среды, то желательно иметь возможность изменять в заданных пределах частоту лазерной генерации. В лазерной физике существуют разные причины для смещения частоты лазера и разные способы осуществить такое смещение частоты. Например, в патенте США [2] SU3549256 M.J. Brienza и др. для сжатия лазерного импульса используется разнонаправленное смещение частоты на 100-200 МГц двух лазеров при отражении луча каждого из лазеров от вращающегося зеркала. Эффект смещения частоты в этом случае обусловлен эффектом Доплера и линейно зависит от скорости вращения зеркала. Для предлагаемого спектрометра данный метод не вполне удобен, поскольку смещение частоты не вполне контролируемо и зависит от точки отражения вращающегося зеркала и модового состава излучения лазера.
В патенте США [3] SU4817101 от 28 мая 1989 г. R.W. Wyeth и др. смещение частоты используется в системе лазерной спектроскопии паров изотопов. В патенте не раскрыто, как конструктивно выполнена модуляция излучения с частотой до 200 МГц, что и обеспечивает смещение двух частот лазеров. Главное внимание авторы уделяют системе гетеродинной регистрации спектров. По сравнению с системой внутрирезонаторной спектроскопии заявленная система более сложна, менее надежна и трудно реализуема.
И подобные примеры систем со смещением частоты можно продолжать.
В патенте США [4] SU4176950 от 4 дек. 1979 г. J.M. Franke, где Доплеровское смещение частоты лазера происходило за счет вращения прозрачной оптической пластины, помещенной внутрь резонатора, выполняющей роль симулятора Доплеровского смещения частоты, поскольку смещение частоты происходит за счет изменения оптической длины резонатора лазера. Данное устройство используется для калибровки и поверки приборов измерения скорости, основанных на Доплеровском смещении частоты. Недостатком предложенной оптической системы является нелинейная зависимость частоты смещения от угла поворота пластинки, хотя и по известному закону. Кроме того, в данной конкретной схеме происходит пространственное смещения луча лазера на выходе лазера после прохождения сквозь стеклянную пластинку, что не всегда допустимо при практическом использовании подобных устройств.
-1
2
2
Наиболее близким техническим решением является устройство, описанное в публикации [5], выбранное в качестве прототипа. Это лазер на F центрах с длиной волны 1,5 мкм и с шириной полосы излучения около 100 см, а также с охлаждаемой до минус 40°С ячейкой. Хотя данное устройство использовалось в научных исследованиях, оно содержит основные узлы устройства внутрирезонаторной спектроскопии и способно измерять концентрации разных веществ с поглощением вблизи 1,5 мкм (CO, HO и др.). Это стандартное устройство ВРЛ-спектрометра, но с криогенной ячейкой для поглощающего вещества. Понижение температуры используется для уменьшения Доплеровского уширения линий. Для измерений необходима точная привязка спектра активной среды к спектру поглощающей ячейки, а ширина лазерной генерации должна превышать ширину области поглощения исследуемого вещества. В подобных схемах лазер с монохроматическим излучением вообще не работает из-за несовпадения спектров (кроме единичных случаев случайного совпадения частот).
Предложенное устройство решает техническую задачу расширения функциональных возможностей ВРЛ-спектрометра за счет расширения класса исследуемых веществ путем смещения частоты лазера в методе внутрирезонаторной спектроскопии при помощи эффекта Доплера от вращающегося зеркала. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет осуществить линейную развертку по координате исследуемого спектра, что положительно влияет на повышение чувствительности спектрометра.
Для решения поставленной задачи во внутрирезонаторном лазерном спектрометре, содержащем последовательно установленные на одной оптической оси по направлению излучения зеркало (1), активную среду лазера (2), исследуемое вещество (4), выходное зеркало (7), согласно полезной модели, для согласования частот лазера и исследуемого вещества между активной средой (2) и исследуемым веществом (4) дополнительно установлено глухое поворотное вращающееся плоское зеркало (3).
Кроме того, выше описанный внутрирезонаторный лазерный спектрометр содержит на оптической оси перед выходным зеркалом (7) выходную щель (5).
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена оптическая схема предлагаемой полезной модели, где
1 - глухое зеркало резонатора, 2 - активная среда лазера, 3 - вращающееся плоское зеркало, 4 - исследуемое вещество, 5 - выходная поворачивающаяся относительно оптической оси щель, 6 - луч внутри резонатора, 7 - выходное зеркало, 8 -. луч на выходе из лазера с внутрирезонаторной спектроскопией.
За счет конструктивного решения предложенной полезной модели (фиг.1), а именно, новой взаимосвязи известных и новых оптических элементов внутрирезонаторного лазерного спектрометра достигается улучшение технических характеристик за счет следующих процессов. Смещение частоты (длины волны) происходит дважды, как в строну увеличения/уменьшения (или уменьшения/увеличения) частоты/длины волны (если луч движется от глухого зеркала (1) до выходного зеркала (7), так и в обратную сторону (от 7 к 1), причем, на одинаковую величину. Увеличение или уменьшение частоты при движении от зеркала (1) к исследуемому веществу (4) (фиг.1), зависит от направления вращения поворотного зеркала (3). Для луча (6), изображенного на фиг.1, частота возрастает при вращении против часовой стрелки зеркала (3) и уменьшается при вращении в противоположную сторону. При этом, происходит точная компенсация смещения частоты излучения активной среды после двух последовательных отражений луча от зеркала (3) на проходах внутри резонатора туда и обратно (при плоских зеркалах резонатора). Величина смешения зависит от точки отражения и скорости вращения поворотного зеркала и рассчитывается по формуле
где: λ - длина волны излучения, ω - частота вращения зеркала, R - расстояние до точки вращения от центра, φ - угол падения света на вращающееся зеркало, θ - положение точки на зеркале в полярных координатах (ноль угла - это вертикаль) и C - скорость света.
Поскольку каждая точка зеркала (3) вращается со скоростью, линейно зависящей от расстояния до оси вращения зеркала (3), то каждой точке соответствует свое смещение частоты, которое не зависит от времени и предопределено ее положением в полярных координатах, задаваемых углом 6 и расстоянием R.
Описание предпочтительной реализации устройства
2+
Данная оптическая схема резонатора лазера в внутрирезонаторном лазерном спектрометре приводит к существенному упрощению устройства и расширению области применимости метода внутрирезонаторной спектроскопии, как по веществам поглощения, так и по активным средам лазера. Отметим, что для согласования частот излучения лазера и поглощения исследуемого вещества данная схема устройства и принцип его работы пригодны как для монохроматических лазеров, так и для лазеров с широким спектром излучения, например, лазер на кристалле Fe в матрице ZnTe с широкой областью перестройки вблизи 5 мкм и др.
Кроме того, если мы мысленно проведем вертикаль («виртуальная» щель) по зеркалу (7), проходящую через ось вращения зеркала (3), то каждой точке вертикали будет соответствовать свое смещение частоты (с линейной зависимостью от координаты R), что соответствует спектральной «развертке» по вертикали или дисперсии спектрального прибора. Величина спектрального смещения определяется формулой (1). А если воображаемую «щель» расположить горизонтально (проходит через ось вращения), то согласно формуле (1) смещение в каждой точке равно нулю. Строго говоря, это не вполне так. Небольшое смещение существует и здесь, но определяется релятивистским эффектом Доплера.
Но щель может быть и вполне реальной (5) на фиг.1, причем расположенной как внутри резонатора, так и вне его, но с возможностью вращения вокруг оптической оси. Данное вращение позволяет изменять дисперсию прибора и спектральную ширину исследуемого спектра.
Кроме того, вращающееся зеркало может быть полупрозрачным.
Расчет конкретной реализации спектрометра
Поясним вышесказанное на примере работы устройства.
Технический результат достигается за счет того, что для согласования частот излучения лазера и поглощения исследуемого вещества зеркало вращают с угловой скоростью, например, 600 рад/с (около 100 Гц). Тогда, при световом диаметре зеркала 20 мм максимальная линейная скорость составит 6 м/с, что при падении луча света на зеркало под углом 45 градусов (суммарный поворот луча на 90 градусов) на длине волны гелий-неонового лазера (633 нм) соответствует смещению на 6,5 МГц (как в плюс, так и в минус). Для сравнения: с межмодовое расстоянием (длина резонатора лазера 30 см) равным примерно 450 МГц и Доплеровская ширина того же порядка (при температурах вблизи комнатной).
Таким образом, устройство предназначено для внутрирезонаторной спектроскопии высокого разрешения. Предпочтительно использовать криогенные кюветы с исследуемым веществом для повышения чувствительности спектрометра. Данный положительный результат достигнут за счет изменения геометрии резонатора и добавления вращающегося зеркала в конструкцию полезной модели для согласования частот лазера и исследуемого вещества (фиг.1). Предлагается конструкция полезной модели, позволяющая сканировать поглощение по частотам/длинам волн за счет предложенного взаимного расположения вращающегося зеркала относительно исследуемого вещества (поглощающей ячейки) и активной среды лазера.
7
8
Основным преимуществом данного устройства является его высокое спектральное разрешение на уровне лучших приборов ВРЛ-спектрометров при возможности лучшего согласования спектральных диапазонов активной среды и исследуемого вещества. Так из приведенного примера следует, что теоретически спектральное разрешение может превышать значение 10-10. Конечно, на практике приблизиться к столь высокому спектральному разрешению не так просто для любого ВРЛ-спектрометра.. Кроме того, возможность спектральной развертки делает работу с таким прибором более удобной.
Промышленная применимость
Таким образом, приведенный расчет доказывает возможность практической реализации устройства внутрирезонаторной спектроскопии с Доплеровским смещением частоты. При увеличении скорости вращения зеркала, величина смещения может достигать 100 МГц в обычных резонаторах. Размер поворотного вращающегося зеркала должен составлять 20-30 мм в диаметре, а угловая скорость его вращения может превышать 100 Гц. Это вполне реальные значения для современного уровня техники. Данное устройство можно использовать в технологическом оборудовании, в научных исследования, в системах связи, в спектроскопии, в измерительных оптических системах, в волоконных линиях связи, оптических компьютерах.
Библиография:
1) Лукьяненко С.Ф., Макогон М.М., Синица Л.Н. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия: основы метода и применения. Новосибирск: Наука, 1985
2) Патент США US 3549256 M.J. Brienza et al, 22.12.1970
3) Патент США US 4817101 R.W. Wyeth et al, 28,05,1989
4) Патент США US 4176950 J.M. Franke, 04,12,1979
5) Распопов А.Н., Свириденков Э.А., Колеров А.Н., Ющук О.И. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия с использованием лазеров на центрах окраски в кристаллах NaCl:ОН. Квантовая электроника, 1999, т.26, стр.219-222