Способ определения относительного спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса

 

Изобретение относится к лазерной спектроскопии. Целью изобретения является повышение точности. В многоходовую кювету вдоль оптической оси вводят лазерное излучение, которое преобразуется по частоте в нелинейном кристалле, помещенном внутрь кюветы. Преобразованное по частоте излучение является зондирующим для находящегося внутри кюветы исследуемого объекта. Отражатели кюветы образуют оптический резонатор, высокодобротный на частоте зондирующего излучения и низкодобротный на частоте излучения лазера. При этом регистрируемый сигнал вторичного процесса, возникающий в результате возбуждения исследуемого объекта, нормируют на энергию преобразованного по частоте излучения, вышедшего из многоходовой кюветы через один из ее отражателей за счет времени взаимодействия со средой. Преобразование частоты осуществляют с помощью двух предварительно сформированных пучков лазерного излучения, неколинеарных оси кюветы и один другому, посредством нелинейного преобразователя , выполненного для преобразования частоты при векторном фазовом синхронизме таким образом, что волновой вектор преобразованного по частоте излучения совпадает с оптической осью многоходовой кюветы. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. ON VJ Ю GJ О сл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ Е СКИХ

РЕСПУБЛИК (5))5 G 01 N 21/63

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

llO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4636291/25 (22) 12.01.89 (46) 23.09.91. Бюл, № 35

- (71) Институт физики им. Б,И.Степанова и

Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем им, А,Н.Севченко (72) Е.С.Воропай, Н.С.Казак, А.С,Лугина, А.В.Надененко, В.К,Павленко, Ю.А.Санников и П.А.Торпачев (53) 771.534.528 (088,8) (56) Crotdon P.D., Groto К. An acoustically

resonant system for detection of low-level

infrared absorption ln atmosphere polluxants. — J.Appl. Phys, 1974, ч, 45, ¹ 10, р. 4350 — 4355.

Santavicca А. А high energy, long pulse.

Nd: YAG laser multipass cell for Raman . scattering diagnostics. — Optic Commun, 1979, ч, 30, N 3, р. 423-425. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ

ВТОРИЧНОГО ПРОЦЕССА (57) Изобретение относится к лазерной спектроскопии. Целью изобретения является повышение точности. В многоходовую кювету вдоль оптической оси вводят лазерИзобретение относится к лазерной спектроскопии и может быть использовано для измерений эффективности слабых взаимодействий излучения с веществом, в частности интенсивности вторичных процессов распада поглощенной объектом энергии излучения (например, излучения люминисценции или комбинационного рассеяния и др.).

„„SU „, 1679305 А1 ное излучение, которое преобразуется по частоте в нелинейном кристалле, помещенном внутрь кюветы. Преобразованное по частоте излучение является зондирующим для находящегося внутри кюветы исследуемого объекта. Отражатели кюветы образуют оптический резонатор, высокодобротный на, частоте зондирующего излучения и низкодобротный на частоте излучения лазера, При этом регистрируемый. сигнал вторичного процесса, возникающий в результате возбуждения исследуемого объекта, нормируют на энергию преобразованного по частоте излучения, вышедшего из многоходовой кюветы через один из ее отражателей за счет времени взаимодействия со средой. Преобразование частоты осуществляют с помощью двух предварительно сформированных пучков лазерного излучения, неколинеарных оси кюветы и один другому, посредством нелинейного преобразователя, выполненного для преобразования частоты при векторном фазовом синхронизме таким образом, что волновой вектор преобразованного по частоте излучения совпадает с оптической осью многоходовой кюветы.

1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Способ определения относительного спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса осуществляется следующим образом.

В многоходовую кювету вдоль оптической оси вводят лазерное излучение, кото1679305 рое преобразуется по частоте в нелинейном кристалле, помещенном внутрь кюветы.

Преобразованное на частоте излучение служит зондирующим для находящегося внутри кюветы исследуемого объекта, Отражатели кюветы образуют оптический резонатор, высокодобротный на частоте зондирующего излучения и низкодобротный на частоте излучения лазера, При этом регистриуемый сигнал вторичного процесса, являющегося следствием возбуждения объекта зондирующим излучением нормируют на энергию преобразованного по частоте излучения, вышедшего из многоходовой кюветы (MK) через один из ее отражателей за все время-взаимодействия со средой, Преобразование осуществляется с помощью двух предварительно сформированн ых пучков лазерного излучения, неколинеарных оси кюветы и один другому, посредством нелинейного преобразователя, выполненного для преобразования частоты при векторном фазовом. синхронизме так, что волновой вектор преобразованного по частоте излучения совпадает с оптической осью многоходовой кюветы, Излучение вводится в МК вдоль ее оси со стороны первого отражателя с коэффициентом отражения R3 и коэффициентом пропускания Тз. Через второй отражатель с коэффициентом отражения R4 и коэффициентом пропускания Т4 излучение частично выходит из MK и поступает на фотоприемник, сигнал которого S. Введенный в МК световой импульс имеет энергию. Считают, что выполняются условия R4+ Т4 = 1; R3+ Тз

= 1, пропускание исследуемой среды Тх, пропускание находящихся в МК элементов между первым отражателем и образцом Т7, между образцом и вторым отражателем Тв, Энергия излучения перед первым проходом образца

Е =Е ° Т7, (1) а после первого прохода

Е = ЕТ7Тх, (2)

Отклик фотоприемника на первый вышедший иэ MK импульс света

$1 = ЕТ7 TS Tx T4 k = E e Tx.Тв T4 Ê (3) где k — коэффициент, зависящий от параметров фотоприемника и измеряемого параметра выходящих иэ MK импульсов света.

Аналогично получают для второго вышедшего из MK импульса

$т = 61(R3R4 Тт Тв Txj (4) и для n-ro

$„= $1(ТО Tx2)п-1 (5) тдв To - ReR< T7 Te — o6 ee ввтврв e MK, измеряемые п ри отсутствии в М К исследуемой среды (T = 1).

Суммарная энергия всех выходящих из

5 МК через одно из зеркал импульсов согласно выражению для суммы членов убывающей геометрической прогрессии равна

10 Еобщ. = Sn = S1 (6) и =1 1 — (Т3Т )

Отклик детектора вторичного процесса на поглощенную энергию Ь Е обозначим за

U. Тогда при первом проходе среды введенным импульсом света с учетом (2) получают

01= ЬЛ Е1= by Е "(1 - Тх) =

S1 1 — Tx тТвТвK (7) где 01 — отклик детектора вторичного про20 цесса на поглощенную энергию Л Е1 при первом проходе исследуемой среды, b — коэффициент чувствительности этого детектора; д — квантовый выход вторичного flpo25 цесса.

Отразившись от второго отражателя

МК, излучение снова проходит исследуемую среду.

02 = Ь Л E2 = br Е R 4 Т Тх(1 — Тх) =

01Т SR4TX. (8)

После отражения от первого отражателя и третьего прохода светом среды возникает сигнал

03 = bA E3 = 01Т вйзй4Т 7Т х. (9)

35 Считая т7 = тв; Яз =84. для 1-го прохода можно запис ть

Ul = 0 1(fbR4 Т7ТвТх) = 01(Г0Тх), (10) причем I = 2n-1, где n — число вышедших из

МК импульсов. Тогда с помощью выражения

40 для суммы членов убывающей геометрической прогрессии

2п — 1 1 -Т- -Т- и-2

""щ X 1-ТТ ! — 1

45 Из (6), p) и (11) следует, что

0общ ЬЦ 1 — Тх 1 + ТхТ0

Еобщ )(Т8Т4Тх или иначе

"", =ф тТтВ 1, <тЗ1 где А — величина общих потерь в МК на проход, включающих потери на пропускание зеркал, поглощение и рассеяние излучения входящими в MK элементами;

55 Ах — доля поглощаемой исследуемой средой энергии излучения.

Для сравнения получают выражение отклика детектора вторичного процесса при отсутствии нормировки на энергию импуль(12) 1679305 са зондирующего излучения за время взаимодействия со. средой.

Если в МК введена интенсивность In, то ее изменение со временем описывается выражением

I(t) - 4е" (14) — время жизни фотона в МК, равгде ное

-=-Д=1.! t. с.А А (15)

В случае известного способа Atn =—

2L

С

В качестве единицы времени берется время прохода MK to = L/Ñ, Считают, что в течение этого времени энергия излучения в МК постоянна, а импульс лазера имеет длительность Ьл.

После первого прохода объектом излучения измеряется заряд

QL= 2kIntoye г " (16)

Тогда общий заряд, измеренный датчиком вторичного процесса после и проходов, составляет

О„= И,ЛЬ у(— )А». ("9)

Сравнивая (19) с формулой для обычных однопроходовых измерений

Q =kl.At,f можно сделать вывод, что повышение чувствительности при помещении среды в МК составляет 1/А при одной и той же всздействующей на среду энергии лазера.

Сравнение (13) и (19) покаэывае, что введение нормировки сигнала датчика вторичного процесса на энергию вышедшего через второй отражатель MK зондирующего излучения позволяет устранить не только влияние флюктуаций интенсивности и длительности импульса лазера, но также значительно уменьшить влияние флюктуаций времени жизни фотона в МК, Например, согласно (13) и (19) изменение А в пределах

Qn = 2k gAxtOg („е D "и, (17)

i o

Поскольку

Х вЂ” to/т 1 — e " О та л е = In

l = 1 1 е о (используют формулу для суммы членов убывающей геометрической прогрессии), а

1 — е

- о бй

=1оl п =А,и при большем и е nto Tm «1

Q„2k rpoI.(ä)à (18)

В известном 2to = — = Atn и (18) записыва2L ется в виде

0,025 — 0,0275, т.е. на 0,25, изменяет отклик детектора вторичного процесса на 10 см (19}, а отношение U/E — на 0,1 см {13), Следовательно, введение нормировки энер5 гии генерируемого объектом импульса на энергию вышедшего из МК импульса снижает влияние флюктуаций А почти в 100 раз и устраняет влияние In, Atn и расходимости лазера, 10 На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг, 2 — оптическая схема устройства для измерения сигнала вторичного процесса с, преобразованием частоты лазерного излу15 чения в условиях неколинеарного фазового синхрониэма.

Схема (фиг. 1) использует для зондирования генерацию второй гармоники излучения лазера. Устройство включает лазер 1.

20 осевую МК, выполненную из двух высокоотражающих зеркал 2 и 3, причем зеркало 2 имеет максимальный коэффициент пропускания на частоте и и максимальный коэффициент отражения на частоте 2м . Между

25 зер алами 2 и 3 размещена исследуемая среда 4 и нелинейный преобразователь 5 частоты излучения, выполненный для колинеарной генерации второй гармоники, С исследуемой средой 4 оптически связан

30 детектор 6 сигнала вторичного процесса. На выходе МК размещен фотоприемник 7 v система 8 регистрации отношения сигналов детекторов 6 и фотоприемника 7.

На схеме (фиг. 2} дополнительно введе35 на система 9 формирования двух пучков одинаковой интенсивности, нелинейный преобразователь 5 частоты излучения, Способ реализуется следующим образом.

40 Излучение лазера 1, пройдя оптическую линию задержки(не показана), поступает на селективный отражатель 2. Интенсивность лазера, прошедшая с малыми потерями селективный отражатель 2, удваивается по ча45 стоте в нелинейном преобразователе 5 частоты. В исследуемой среде 4 вследствие взаимодействия с ней излучения bc@ гекерируется сигнал„который пропорционален интенсивности 1 и детектируется детекто2В

50 ром 6. Система 8 регистрации измеряет отношение энергии генерируемого средой 4 и детектируемого датчиком 6 импульса к энергии вышедшего из MK импульса излучения преобразованной частоты, частично вышедшего через зеркало 2, детектируемого фотоприемником7.

При неколинеарном вводе излучения два пучка одинаковой интенсивности, пересекаясь в кристалле под углом Л, генериру1679305 ют внутри MK излучение второй гармоники.

Это позволяет устранить из МК излучение основной частоты, превышающее по интенсивности зондирующее излучение.

Ориентация нелинейного кристалла и направления волновых векторов взаимодействующих волн выбираются таким образом, что волновой вектор преобразованного излучения совпадает с осью МК. Угол между оптической осью кристалла и направлением нормали к рабочим граням определяется типом нелинейного взаимодействия и углом схождения в кристалле пучков основной частоты а „

Ввод излучения в МК при использовании неколинеарного взаимодействия может быть осуществлен не только посредством генерации второй гармоники, но и с помощью генерации суммарных и разностных частот, что позволяет исследовать процессы в УФ- и ИК-областях спектра.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет по сравнению с известным почти в 10 раз уменьшить погрешность измерений генерируемого объектом сигнала, обусловленную флюктуациями интенсивности, длительности и расходимости излучения лазера, а также флюктуациями добротности

МК.

Замена колинеарного взаимодействия при удвоении частоты неколинеарным позволяет развязать лазер и высокоотражающее зеркало МК без использования оптической линии задержки с большой базой, также устраняет из объема объекта, с которым взаимодействует излучение второй гармоники, значительно более мощное излучение основной частоты.

Формула изобретения

1. Способ определения относительного

5 спектрального распределения интенсивности излучения вторичного процесса, включающий ввод лазерного излучения в многоходовую кювету вдоль ее оптической оси, преобразование лазерного излучения

10 по частоте в помещенном между отражающей кюветой нелинейном кристалле, регистрацию сигнала вторичного процесса, возникающего в объекте, помещенном также внутрь многоходовой кюветы под дейст15 вием преобразованного по частоте излучения, при этом многоходовая кювета имеет низкую добротность на длине волны лазерного излучения и высокую добротность на длине волны преобразованного по

20 частоте излучения, являющегося зондирующим, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, сигнал вторичного процесса нормируют на энергию преобразованного по частоте излучения, вышедше-

25 ro иэ многоходовой кюветы через один из ее отражателей за все время взаимодействия со средой.

2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что преобразование частоты осуществ30 ляют с помощью двух предварительно сформированных пучков лазерного излучения, неколинеарных оси многоходовой кюветы и друг другу, в нелинейном преобразователе частоты, выполненном для преобразования

35 частоты при векторном фазовом синхронизме так, что волновой вектор преобразованного по частоте излучения совпадает с оптической осью многоходовой кюветы.

1679305

Pl 8. Z

Составитель Т.Владимирова

Техред М.Моргентал Корректор M.Пожо

Редактор И.Шулла

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3206 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5