Исследование методов улучшения лидарных лазерных систем для применения в экологическом мониторинге атмосферы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Желтухин, Александр Александрович

• Желтухин, Александр Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Желтухин, Александр Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ПРИМЕНЕНИЕ ВНУТРИРЕЗОНАТОРНОЙ ТЕХНИКИ 10 ДЛЯ АНАЛИТИЧЕСКИХ ЦЕЛЕЙ.

§1.1. Лазерная внутрирезонаторная техника определения 10 концентрации вещества.

§ 1.2. Выводы и постановка задачи.

§ 1.3. Анализ эффективности использования серийных 27 непрерывных лазеров на красителях в двухмодовом режиме генерации.

Глава И. ДВУХМОДОВАЯ ГЕНЕРАЦИЯ В ЛАЗЕРАХ 44 НА КРАСИТЕЛЯХ.

§2.1. Теоретическое описание двухмодового режима работы 45 лазера с широкой однородной линией усиления.

§ 2.2. Экспериментальное исследование двухмодовой 68 генерации в непрерывных лазерах на красителях.

Глава III. ЧАСТОТНЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В 80 ДВУХМОДОВОМ НЕПРЕРЫВНОМ ЛАЗЕРЕ НА КРАСИТЕЛЕ С ВНУТРЕННЕЙ ПОГЛОЩАЮЩЕЙ ЯЧЕЙКОЙ.

§3.1. Теоретическое описание двухмодового непрерывного 81 лазера на красителе с внутренней поглощающей ячейкой

§ 3.2.Экспериментальное исследование взаимодействия 110 мод в непрерывном лазере на красителе с внутренней поглощающей ячейкой.

Глава IV. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ РЕЗОНАНСОВ 123 ЛИНЕЙНОЙ ДИСПЕРСИИ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ.

§ 4.1. Описание прототипа аналитического лазерного 124 спектрометра на основе двухмодового непрерывного лазера на красителе.

§ 4.2. Экспериментальное определение содержания натрия 129 в объектах естественного происхождения.

• § 4.3. Анализ источников частотных шумов лазерного спектрометра и методы их подавления.

ГЛАВА 5. ЛИДАР НА БАЗЕ NH3 - С02 ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМЫ

§5.1. Обзор литературы.

§ 5.2. Оценка чувствительности двухчастотного лидара 163 в ИК-диапазоне спектра.

§ 5.3. Приемо-передающие системы для систем лазерного 167 дистанционного зондирования.

§ 5.4. NH3 — СО2 лазер в качестве источника зондирующего 174 излучения

5.4.1. Оптическая схема СО2 лазера для двухчастотного 176 лидара.

5.4.2. Оптическая схема NH3 лазера для двухчастотного 181 лидара.

§ 5.5. Основные технические характеристики NH3 — СО лидара

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование методов улучшения лидарных лазерных систем для применения в экологическом мониторинге атмосферы»

Проведение исследований в различных областях науки и техники, повышение эффективности технологических процессов, осуществление экологического мониторинга последствий вмешательства человека в природные процессы предполагают непрерывное совершенство традиционных и развитие новых методов анализа. Основные технические требования, предъявляемые к этим разработкам, заключаются в повышении чувствительности и избирательности анализа, расширении диапазона определяемых концентраций вещества и повышении экспрессности метода. Следует принимать во внимание и стоимость соответствующего устройства, его технический уровень и удобство при работе с ним.

Наиболее полно отвечают всем указанным требованиям оптические методы анализа, использующие высокостабильные эффекты атомного масштаба, что обеспечивает любую заданную точность и воспроизводимость измерений. Оптические методы легко реализовать в инженерных решениях, и они позволяют создать аналитическую аппаратуру, работающую в масштабе реального времени. Однако, как и всем инструментальным методам анализа, им присуще ограниченный линейный диапазон измеренных концентраций для концентрированной пробы и принципиальное ограничение фоточувствительности в амплитудной методике измерений, а также определенные ограничения по определению дальности типов и концентрации интересующих веществ [1].

Построение калибровочных графиков или процедура предварительного концентрирования, отбор пробы в соответствующих местах на местности ведут к ухудшению экспрессности анализа, возрастают погрешности измерений [2]. Например, когда федеральные и региональные управления по охране окружающей среды или заводские лаборатории горно-обогатительных или химических комбинатов проводят до миллиона регламентных процедур в год каждая, то эти факторы приобретают важное экономическое значение. Кроме того, номенклатура химических материалов и веществ, подлежащих аналитическому контролю, содержит более 215000 наименований с измеряемым диапазоном их содержания от 100% до 10*5 — 10"б% масс. [3]. При растущей дороговизне ручного труда рутинные процедуры химического анализа потребуют значительного расхода средств и времени, даже используя современные оптико-аналитические приборы с обычными источниками света [4,5]. Не улучшает положение и использование лазеров в качестве источника света. Радикальное повышение чувствительности, достигнутое, например, с помощью лазерно-флуоресцентного или лазерно-ионизационного спектрометров [6,7] — вплоть до детектирования единичных атомов и молекул, — является демонстрацией возможностей уникальных устройств, которые сами по себе весьма громоздки, сложны и обслуживаются высококвалифицированным персоналом. Их стоимость приближается к стоимости 10-15 серийных атомно-абсорбционных спектрометров обычного типа. С подобными проблемами сталкивается и тенденция развития лазерных систем для зондирования атмосферы с аналитическими целями. Так широко известные лидары на основе комбинационного рассеяния света характеризуются высокой дороговизной и малым ресурсом работы. Поэтому задача совмещения преимуществ лазерных методов с невысокой стоимостью их инженерного решения актуальна для распространения лазерных технологий в области аналитики. Для этих целей лазерные комплексы должны развиваться в двух направлениях — разработка новых систем для дистанционного обнаружения источников выбросов вредных веществ в атмосферу (лидары) в новых более широких спектральных диапазонах и использование методов на основе внутрирезонаторной спектроскопии для обнаружения очень малых концентрация примесей; в том числе, в применении метода частотного детектирования [8], поскольку техника частотных измерений является наиболее чувствительной, недорогой и простой в обращении. Что касается последнего, то наиболее перспективным в этом отношении является использование лазера с внутренней поглощающей ячейкой [9,10]. В этом случае, лазер рассматривается не только как уникальный источник света, но — при использовании эффекта взаимодействия мод — и как потенциально весьма совершенный измерительный прибор [11]. Разумеется, целесообразно реализовать метод на квантовых генераторах с широкой линией усиления [12].

В развитии недорогих и эффективных лазерных лидарных систем следует руководствоваться свойством избирательного поглощения зондирующего лазерного излучения молекулами газовых примесей, которое при использовании методики измерения коэффициента поглощения лазера на двух различных длинах волн, способно привести к созданию прибора с высокой чувствительностью определения веществ, имеющих линии поглощения в окнах прозрачности атмосферы. Такой двухчастотный лидар весьма перспективен для целей метрологического обеспечения экологического мониторинга [13, 14, 15].

Данная работа посвящена исследованию методов улучшения лидарных систем для применения в экологическом мониторинге атмосферы, включая теоретическую разработку лазерного аналитического метода с частотным детектированием аналитического сигнала, его экспериментальную проверку и создание на его основе прототипа лазерного спектрометра, использующего эффект взаимодействия мод в области ненасыщенной аномальной дисперсии газообразной поглощающей среды, помещаемой внутри лазерного резонатора, а также использования лидара на основе двухчастотного перестраиваемого аммиачного лазера, генерирующего в диапазоне от 9 до 13,5 мкм, который возбуждается излучением СО2 лазера с длиной волны 9,22 мкм.

В первой главе дается краткий обзор и сравнительный анализ лазерной внутрирезонаторной техники, применяемой для аналитических измерений в настоящее время. Здесь же обосновывается вывод о необходимости распространения высокочувствительного метода регистрации частотных резонансов в область линейной дисперсии показателя преломления поглощающего вещества. Отмечаются уникальные возможности в этом отношении непрерывных лазеров на красителях (HJ1K), намечается круг вопросов, подлежащих исследованию. Далее приводится анализ эффективности использования рутинной (серийной) лазерной и частотно-измерительной техники для экспериментальной реализации метода.

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Желтухин, Александр Александрович

Основные результаты сводятся к следующему:

1. Рассчитаны основные параметры дисперсионного резонатора двухмодового непрерывного лазера на красителе с полосой пропускания до 8 ГГц и областью свободной дисперсии ~ 60 нм и соответствующей системы регистрации лазерного излучения. Полученные данные позволяют дать рекомендации по организации двухмодового режима на рутинных лазерах на красителях.

2. Впервые проведены теоретические и экспериментальные исследования явления конкуренции аксиальных мод в непрерывном лазере на красителе. Определены условия, при которых осуществляется устойчивый двухмодовый режим генерации. Показано, что межмодовая связь в таком лазере не зависит от спектроскопических характеристик среды. Полученные данные позволяют произвести инженерный расчет оптимальных параметров лазера в зависимости от конкретных условий измерения.

3. Впервые наблюдались и экспериментально измерены частотные резо-нансы линейной (ненасыщенной) дисперсии в лазерах на красителях с внутренней поглощающей ячейкой. Измерена крутизна фотоотклика для разных типов и давлений посторонннего газа. Показано, что при определенных условиях фотоотклик не зависит от интенсивности внутрирезонаторного поля.

4. Исследованы причины флуктуаций ширины биений аксиальных мод в выходном излучении непрерывного лазера на красителе с оптической накачкой излучением аргонового ионного лазера. Показано, что наложением более жестких требований к виброустойчивости резонатора, изолированности оптической схемы от окружающей атмосферы, системе формирования струи красителя и стабилизации выходной мощности лазера накачки можно снизить уровень частотных шумов излучения более чем на полтора порядка и довести ширину спектра биений до 2 кГц и менее.

5. Предложен новый метод линейной лазерной спектроскопии для целей атомно-абсорбционного анализа. Показана независимость аналитического сигнала от уровня и длительности импульса генерации, относительного уровня генерации в индивидуальной моде. Это позволяет проводить определение концентрации элементов в сильно диспергирующих средах. Зафиксирована высокая избирательность метода.

6. Разработан прототип нового лазерного спектрометра на основе двухмодового непрерывного лазера на красителе с электротермической атомизаци-ей пробы и частотной регистрацией информативного сигнала. Лазерный спектрометр применен для определения концентрации натрия в реальных объектах - водных растворах поваренной соли. При вакуумной атомизации пробы объективно достигнута чувствительность 1 -1011 Гц/% масс.

7. Разработана оптическая схема двухчастотного NH3 - С02 лидара с автоматическим совмещением опорного и измерительного пучков во всем спектральном диапазоне генерации СОг и NH3 лазеров, позволившая отказаться от сложной оптической схемы совмещения пучков.

8. Создан макет двухчастотного лидара на основе NH3 и С02 лазеров в спектральном диапазоне 9-13,5 мкм без применения дорогостоящего спек-троанализатора для получения спектров поглощения исследуемой примеси.

9. Произведена оценка концентрационной чувствительности NH3 - С02 лидара для ряда важных атмосферных загрязнителей.

В заключении я выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю доктору физико-математических наук Б.И. Васильеву, за проявленное ко мне внимание и поддержку, серьезную помощь в организации и направления хода исследований. Я очень благодарен доктору физико-математических наук, профессору Е.Д.Проценко за стимулирующие консультации и содействие в постановке экспериментов; доктору физикоматематических наук, ведущему научному сотруднику ФИАН [А.Ф.Сучкову| , кандидату физико-математических наук, заведующему лабораторией ГИАП В.А.Петрищеву и всем сотрудникам ГИАП и ФИАН, способствовавших выполнению данной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Желтухин, Александр Александрович, 2004 год

1. Юинг Г. Инструментальные методы химического анализа. М., Мир, 1989 -608 с.

2. Коростылев П.П. Приготовление растворов для химико-аналитических работ. М., Наука, 1964 390 с.

3. Коренман И.М. Аналитическая химия малых концентраций. М., Химия, 1967 319 с.

4. Спектральный анализ чистых веществ / Под ред. Х.И.Зильбершейна. Л., Химия, 1971 -230 с.

5. Аналитический контроль в азотной промышленности. Труды ГИАП, М., 1978-92 с.

6. Большаков М.А., Дашин С.А., Зыбин А.В. и др. Лазерный атомно-флуоресцентный спектрометр. Журнал аналитической химии, 1986, т. 48, вып. 10, с. 1862- 1870.

7. Зайдель Л.Н. Атомно-флуоресцентный анализ. Л., Химия, 1983 123 с.

8. Винокуров В.И., Каплин С.И., Петелин И.Р. Электрорадиоизмерения. М., Высшая школа, 1986-с. 141-160.

9. Сучков А.Ф. Линейная структура спектров генерации ОКГ с неоднородно уширенной линией усиления. Препринт № 12, М., изд. ФИАН. СССР, 1970- 16 с.

10. Васьков В.А., Гончуков С.А., Ермаченко В.М. и др. Газовый лазер с внутренней поглощающей ячейкой. Квантовая электроника, 1973, № 2(14), с. 107-109.

11. Басов Н.Г., Губин М.А., Никитин В.В. и др. Высокочувствительный метод выделения сверхузких спектральных линий, основанный на частотных особенностях двухмодового газового лазера с нелинейным поглощением. Препринт ФИАН, № 183, М., 1981 - 24 с.

12. Лазерная аналитическая спектроскопия / Отв. редактор В.С.Летохов. М., Наука, 1986-318 с.

13. Демтредер В. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техникаэксперимента. М., Наука, 1985 608 с.

14. Аналитическая лазерная спектроскопия / Под редакцией Н.Оменетто. Пер. с англ. Н.Б.Зорова, М., Мир, 1982 608 с.

15. Приезжев JI.B. Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине. М., Наука, 1989 с. 146-149.

16. Гандурин А.Л., Герасимов С.Б., Желтухин А.А. и др. Опто-акустический газоанализатор примесей NO, N02, NH3, С2Н4 и предельных углеводородов. -Журн. прикл. спектроскопии, 1986, т. 45, № 2, с. 337-343.

17. Васильев В.П. Аналитическая химия. 4.2. Физико-химические методы химического анализа. М., Высшая школа, 1989 384 с.

18. Измерения в промышленности. Справочник / Под ред. П.Профоса. Пер. с нем. под редакцией Д.И.Агейкина. М., Мир, 1988, т. 1-3.

19. Зайдель Л.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М., Наука, 1972 486 с.

20. Лазеры на красителях / Под ред. Ф.П.Шефера. Пер. с англ. под ред. Л.Д.Деркачевой. М., Мир, 1976, с. 6-8.

21. Chebotaev V.P., Beterov I.M., and Lisitsin V.N. Selection and self locking of modes in a He-Ne laser with non linear absorption - IEEE. J.Quant. Electronics, 1986, v. 4, № 11, p. 788-790.

22. Пахомычева Л.Л., Свириденков Э.А., Сучков А.Ф. и др. Линейная структура спектров генерации ОКГ с неоднородным уширением линии усиления. Письма в ЖЭТФ, 1970, т. 12, № 2, с. 60-63.

23. Летохов B.C., Чеботаев В.П. Принципы нелинейной лазерной спектроскопии. М., Наука, 1975 280 с.

24. Желтухин А.А. Михеев Ю.Е., Никулин Е.С. и др. Лазерный интерферометр для измерения электронной плотности в плазмохимических аппаратах. М., Труды ГИАП, 1982, с. 61-68.

25. Бураков B.C., Мисаков П.Я., Науменков П.А. и др. Флуоресцентная регистрация узких линий поглощения в методе внутрирезонаторной атомной спектроскопии. Журн. прикл. спектроскопии, 1978, т. 28, № 3, с. 413416.

26. Мэйтланд А., Данн М. Введение в физику лазеров / Пер с англ. под ред. С.И.Анисимова. М., Наука, 1978, с. 206-208.

27. Хавезов И., Цалев Д. Атомно-абсорбционный анализ / Пер. с болг. по ред. С.Э.Яковлевой. J1., Химия, 1983 141 с.

28. Лукьяненко С.Ф., Макогон М.М., Синица JI.H. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия. Основы метода и применения. Новосибирск, Наука, 1985 120 с.

29. Баев В.Н., Беликова Т.П., Свириденков Э.А. и Сучков А.Ф. Внутрирезонаторная спектроскопия с использованием лазеров непрерывного и квазинепрерывного действия. ЖЭТФ, 1978, т. 74, № 1, с. 43-56.

30. Information Catalogue on the ОМА sistem. Princeton, N.Y., Princeton appl. Res. Corp., 1977 - 21 p.

31. Демтредер В. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техника эксперимента. М. Наука, 1985, с. 192-195.

32. Горелик Д.О., Эцин И.Ш. Контроль молекулярных микрокомпонентов атмосферы методами лазерной спектроскопии. Журнал аналитич. химии, 1984, т. 39, вып. 1, с. 1925-1944.

33. Ярив А. Введение в оптическую электронику / Пер. с англ. под ред. О.В. Богданкевича. М. Высшая школа, 1983, с. 298-306.

34. Рааб 3., Гоффман К., Бруннер В., Пауль Г. О применении полупроводникового лазера для внутрирезонаторной абсорбционной спектроскопии. -Квантовая электроника. 1977, т. 4, № 12, с. 2605-2608.

35. Данилейко В.М., Фаль A.M., Федин В.П. и др. Частотно-модуляционные резонансы в He-Ne/CHi лазерах и их использование для стабилизации частоты. - Квантовая электроника. 1986, т. 13, № 3, с. 523-530.

36. Brunner W., and Paul Н. Theory of intracavity absorption spectroscopy, Opt. Commun., 1978, № 10, p. 139-151,

37. Brunner W., and Paul H. Competition between selected and non-selected modes in a multi-mode laser, Opt. Commun., 1978, v. 24, № l,p. 11-15.

38. Brunner W., and Paul H. Coexistens and non coexistens of modes in a multi-mode laser, Opt. Commun., 1978, v. 24, № 1, p. 16-20.

39. Brunner W., and Paul H. Mode competition effects in CW dye lasers, Opt. Commun., 1978, v. 25, № 1, p. 83-86.

40. Brunner W., and Paul H. Mode competition and frequency locking, Opt. Com-mun., 1979, v. 31, №2, p. 137-139.

41. Саркисов O.M., Свириденков O.A. и Сучков А.Ф. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия и ее применение в химической физике. Химическая физика, 1982, № 9, с. 1155-1169.

42. Демтредер В. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техника эксперимента. М., Наука, 1985, с. 347-349, 352-353, 446-458.

43. Багаев С.Н., Бакланов Е.В., Титов Е.А. и Чеботаев В.П. Воспроизводимость частоты He-Ne лазера с метановой поглощающей ячейкой. Письма в ЖЭТФ, 1974, т. 20, с. 292.

44. Басов Н.Г., Губин М.А., Никитин В.В. и Проценко Е.Д. Двухмодовые газовые лазеры и их применение в спектроскопии и оптических стандартах частоты. Квантовая электроника, 1984, т. 11, № 6, с. 1084-1105.

45. Гончуков С.А., Киреев С.В. и Проценко Е.Д. Контрастные резонансы мощности в линейном двухмодовом He-Ne/J2 лазере. Квантовая электроника, 1982, т. 9, № 2, с. 372-374.

46. Львов Б.В. Атомно-абсорбционный спектральный анализ. М., Наука, 1966-386 с.

47. Witteman W.T. Mode competition in laser with Homogenous line broadening, IEEE. J. of Quant. Electronics, 1969, v. 5, № 2, p. 92-94.

48. Danielmeyer H.G. Effects of drift and diffusion of excited states on spatial hole burning and laser oscillation. J. of Applied Physics, v. 42, № 8 (1971), p. 3125-3132.

49. Pike C.T. Spatial hole burning in cw-dye lasers. Opt. Commun., 1974, v. 10, № 1, p. 14-17.

50. Hertel I.V. and Stamatovic A.S. Spatial hole burning and oligo-mode distance control in cw-dye lasers. IEEE J of Quant. Electronics, 1975, v. 11, № 5, p. 210-212.

51. Heltel I.V., Muller W. and Stoll W. A kinematic model for the oligo-mode action of a cw-dye lasers. IEEE J. of Quant. Electronics, 1977, v. 13, № 1, p. 6-952