[go: up one dir, main page]

SU730083A1 - Laser for high-sensitive spectrometer in infrared range - Google Patents

Laser for high-sensitive spectrometer in infrared range Download PDF

Info

Publication number
SU730083A1
SU730083A1 SU782679877A SU2679877A SU730083A1 SU 730083 A1 SU730083 A1 SU 730083A1 SU 782679877 A SU782679877 A SU 782679877A SU 2679877 A SU2679877 A SU 2679877A SU 730083 A1 SU730083 A1 SU 730083A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
spectrometer
laser
resonator
active element
sensitivity
Prior art date
Application number
SU782679877A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.М. Баев
В.П. Дубов
Э.А. Свириденков
А.Ф. Сучков
Original Assignee
Тюменский государственный университет
Ордена Ленина Физический Институт Ан Ссср Им.П.Н.Лебедева
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Тюменский государственный университет, Ордена Ленина Физический Институт Ан Ссср Им.П.Н.Лебедева filed Critical Тюменский государственный университет
Priority to SU782679877A priority Critical patent/SU730083A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU730083A1 publication Critical patent/SU730083A1/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

ЛАЗЕР ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРА ВЫСОКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ с ламповой накачкой, содержапщй бесселективный резонатор, в котором размещены активный элемент и  чейка с исследуемым веществом, систему питани , о тличающийс  тем, что, с целью увеличени  концентрационной чувствительности спектрометра путем выбора спектрального диапазона и длительности генерации лазера , резонатор образован дихроичными диэлгктрическими зеркалами с переменным по диаметру зеркала коэффициентом отражени , выполненными с. возможностью перемещени  перпендикул рно оптической оси резонатора, активС « ный элемент выполнен из стекла с при (Л мес ми одного или нескольких редкоземельных элементов или щелочногалоидных кристаллов с центрами .окраски , а система питани  лазера состоит из трехфазного тиристорного выпр мител , с регулируемой длитель ностью импульса питани . оо 4нд w tfaftA LASER FOR A HIGH SENSITIVITY SPECTROMETER IN THE INFRARED RANGE WITH TUBE-RELATED PUMP, containing a selective-free resonator, in which the active element and the cell with the test spectrometer are placed, a spectrometer spectrometer spectrometer spectrometry is designed to increase the concentration of the spectrometer. , the resonator is formed by dichroic dielectric mirrors with a variable reflector in diameter of the mirror, made with. the ability to move perpendicular to the optical axis of the resonator, the active element is made of glass with at (LES of one or several rare earth elements or alkali halide crystals with centers of color, and the laser power supply system consists of a three-phase thyristor rectifier, with adjustable pulse duration oo. 4nd w tfaft

Description

Изобретение относитс  к области инфракрасных абсорбционных устройств и может быть использовано дл  обнаружени  малых примесей в атмосфере, анализа газовых смесей, обнаружени  новых линий поглощени  и усилени , а также дн  поиска новых активных сред дл  лазеров. Известен лазер дл  спектрометра высокой чувствительности на стекле . -, з-ь с Nd с длительностью генерации 1 мс и бесселективным резонатором. Чувствительность этого устройства ограничена временем генерации и составл ет 10 . Недостатком этого устройства  вл етс  мала  длительность импульса генерации, не позвол юща  достигнуть максимальной чувствительности метода внутрирезонаторной лазерной спект роскопии (ВРЛС) и узкий спектральный диапазон (9360 - 9480 ). Наиболее близким техническим реше нием  вл етс  лазер дл  спектрометра высокой чувствительности в инфракра ном диапазоне с ламповой накачкой, содержащий бесселективный резонатор в котором размещены активный элемен и  чейка с исследуемым веществом. систему питани . Спектральный диапа зон этого спектрометра 9360-9480 см Недостатком известного спектрометра  вл етс , узкий спектральный диапазо лазера и мала  длительность импульса его генерации, не позвол ющие до стичь максимальной концентрационной чувствительности спектрометра. Цель изобретени  - увеличение концентрационной чувствительности спектрометра путем выбора спектрального диапазона и длительности генерации лазера. Поставленна  цель достигаетс  тем что резонатор образован дихроичными зеркалами с переменным по диаметру зеркала коэффициентом отражени , вы полненными с возможностью перемещени  перпендикул рно оптической оси резонатора, активный элемент выполнен из стекла с примес ми одного или нескольких редкоземельных элеме тов или из щелочно-галоидных кристаллов с центрами окраски, а систем питани  лазера состоит из сетевого трехфазного тиристорного выпр мител  с регулируемой длительностью и пульса питани . Применение дихроичных зеркал с переменным по диамет32 ру коэсйициентом отражени  позвол ет обеспечить плавную широкополосную перестройку спектра генерации лазера без введени  в резонатор лазера дополнительных элементов, что особенно важно дл  достижени  максимальной чувствительности. Кроме того, используема  перестройка позвол ет получить одновременно генерируемый широкий спектр генерации, значительно превьшаающий ширину линий поглощени  в газах, что также  вл етс  существенным в методе внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. Применение дихроичных зеркал позвол ет, например, при использовании в качестве активного элемента стекла с примес ми Nd исследовать спектр в диапазонах 0,92; 1,06 и 1,35 мкм. Использование в качестве активного элемента стекла с примес ми различных редкоземельных элементов и щелочно-галоидных кристаллов с центрами окраски расшир ет спектральный диапазон спектрометра от 0,7 до 3,2 мкм. Система питани  лазера, со сто ща  из трехфазного тиристорного выпр мител  с регулируемой длитель (ностью импульса питани , обеспечивает длительность генерации необходимую дл  получени  максимальной чувствительности спектрометра. Одновременный подбор спектра генерации лазера и его длительности позвол ет достичь максимальной концентрационной чувствительности спектрометра . Спектр генерации лазера дл  достижени  максимальной концентрационной чувствительности выбираетс  отдельно дл  каждого анализируемого вещества так, чтобы в полосу генерации лазера попали наиболее сильные линии анализируемого вещества. Длительность генерации при этом подбираетс  в зависимости от используемого активного элемента и геометрии резонатора. На фиг.1 представлена оптическа  схема спектрометра высокой чувствительности; на фиг.2 - структурна  схема системы питани . Лазер содержит активный элемент .1 , торцы которого скошены под углом Брюстера, дихроичные зеркала 2 с переменным по диаметру коэффициентом отражени , выполненные с возможностью перемещени  перпендикул рно оптической оси резонатора. Толщи40 мм, иа подложки зеркал не менее угол скоса задней грани 10 . Кювета 3 дл  исследуемого газа, ограничендл  исследуемого на  с одного конца активным элементом 1, а с другого конца зеркалами резонатора. Регистрирующа  система, состо ща  из автоколлимадионной камеры 4, например УФ-90, дифракционной решетки 5 и плоского металлического зеркала, позвол ющего реали зовать многократную дисперсию излучени  лазера па этой решетке. Такой спектрограф -имеет разрешающую силу более 10 , необходимую дл  достижени  максимальной чувствительности. Система питани  лазера обеспечивает необходимую длительность генерации лазера. В нее вход т импульсна  лампа накачки 6, блок поджига импульсных ламп 7, работающий от сети и состо щий из схемы удвоени  и импульсного повышающего трансформатора , балластное сопротивление R, с помощью которого можно регулирова величину тока импульсной лампы и та ким образом мен ть уровень накачки, конденсатор С, предназначенный дл  сглаживани  сетевых пульсаций тока накачки, тиристорный блок 8, в кото ром происходит преобразование трехфазного переменного напр жени  в f посто нное напр жение, содержащий 6 мощных тиристоров, управл емых выхо ными импульсами задающего блока 9, задающий блок 9, представл ющий собой ждущий мультивибратор, в которо посто нна  времени RC-цепочки,опред л ющей длительность выходного импул са, мен етс  ступен ми и плавно, и блокинг - генератор дл  запуска мул тивибратора, пульт управлени  10, к торый обеспечивает одновременную по дачу импульса поджига и питающего импульса на лампу накачки 6. Указанный спектрометр работает следующий образом. При срабатывании поджига система питани  обеспечивает создание инверсной населенности в активном эле менте 1. В результате этого в резонаторе , образуемом зеркалами 2, возникает генераци , длительность которой определ етс  выходными импульсами задающего блока 9. Генерируемое излучение многократно проходит через кювету 3 с исследуемым веществом. Так как спектр используе мого лазера обладает широкой полосо 34 усилени  ( большие пгирины исследуемой линии) , в спектре генерации по вл ютс  провалы, глубина которых стпредел етс  коэффициентом поглощени  исследуемой линии и длительностью генерации по формуле I I. коэффициент поглощени ; скорость света; t - длительность импульса генерации . Предельна  чувствительность определ етс  спонтанными шумами и равна 5 k - см , что соответствует длительности генерации 0,1 1 с. Спектрометр позвол ет получить . максимальную чувствительность в инфракрасном диапазоне при использовании в качестве активных элементов стекла с примес ми различных редкоземельных элементов или щелочно-галоидных кристаллов с центрами окраски в области 0,7 - 3,2 мкм. Перестройка длины волны генерации осуществл етс  перемещением зеркал резонатора в плоскости, перпендикул рной оптической ОСИ лазера. Максимум коэффициента .отражени  зеркал реализуетс  при таком перемещении дл  различных длин волн от Д , /иохс определ емьми параметрами активной среды. Использование узкополосных зеркал, максимум коэффициента отражени  которых расположен на различных длинах волн, в зависимости от их поперечного перемещени  дает возможность осуществить перестройку длины волны генерации без ухудшени  качестве резонатора, поскольку при этом отпадает необходимость введени  в резонатор дополнительных элементов. Любой дополнительный элемент, вставленный в резонатор, ухудшает чувствительность спектрометра из-за по влени  паразитной селекции. Предложенное устройство позвол ет реализовать максимальную чувствительность внутрирезонаторного лазерного спектрометра при наличии перестройки длины волны генерации. Осуществление максимальной чувствительности по коэффициенту поглощени  при наличии перестройки длины волны позвол ет достигнуть максимальной концентрационной чувствительности подстройкой длины волны генерации под максимум . коэффициента поглощени  исследуемого вещества. Регистраци  излучени  лазера осуществл етс  спектрографом и детектором . После многократной дисперсии на решетке 5 спектр попадает на различные элементы детектора (фотопластинка , фотопленка, электрооптический приемник, фотоприемник или оптический многоканальный анализатор). Отношение сигнала в центре исследуемой линии к величине сигнала генерации без поглощени  (уснпет к  ) , позвол ет определить коэффициент поглощени  (усилени ) исследуемой линии и таким образом концентрацию исследуемо . го вещества при известном сечении поглощени  (усилени ) анализируемой линии. Концентраци  вещества может . быть определена также по градуировоч ному графику, построенному при больших концентраци х, измеренных обычны ми методами, и малых длительност х генерации. Это оказьшаетс  возможым благодар  тому, что глубина ровала в спектре генерации зависит от произведени  концентрации на длительность , как это следует из приведенной выше формулы. Минимальное количество определ емого вещества обусловлено его сечением поглощени  (усилени ) в реализуемом спектральном диапазоне. Использование в предлагаемом спектро-. метре широкого спектрального интервала позвол ет обеспечить его высокую концентрационную чувствительность . Предельна  концентрационна , чувствительность этого устройства составл ет 1 атом в см . Спектрометр  вл етс  чрезвычайно полезным при обнаружении малых примесей в атмосфере, определении ее загр зненности, анализе газовых смесей , спектроскопии комбинационного рассе ни , короткоживущих процессов , поиска новых активных сред дл  лазеров и т.д.The invention relates to the field of infrared absorption devices and can be used to detect small impurities in the atmosphere, analyze gas mixtures, detect new absorption and amplification lines, and also search for new active media for lasers. A known laser for a high sensitivity spectrometer on glass. -, sd with Nd with a duration of generation of 1 ms and a selective resonator. The sensitivity of this device is limited by the generation time and is 10. A disadvantage of this device is the short duration of the generation pulse, which does not allow to achieve the maximum sensitivity of the method of intracavity laser spectroscopy (HRSS) and a narrow spectral range (9360 - 9480). The closest technical solution is a laser for a high sensitivity spectrometer in the infrared range with lamp pumping, containing a selective selective resonator in which the active element and the cell with the test substance are located. power system. The spectral range of this spectrometer is 9360-9480 cm. A disadvantage of the known spectrometer is the narrow spectral range of the laser and the short duration of its generation pulse, which do not allow to achieve the maximum concentration sensitivity of the spectrometer. The purpose of the invention is to increase the concentration sensitivity of the spectrometer by selecting the spectral range and duration of laser generation. The goal is achieved by the fact that the resonator is formed by dichroic mirrors with a variable reflector diameter along the mirror, made with the possibility of moving perpendicular to the optical axis of the resonator, the active element is made of glass with impurities of one or more rare earth elements or of alkali halide crystals with centers the laser power systems consist of a three-phase network thyristor rectifier with an adjustable duration and a power pulse. The use of dichroic mirrors with a variable reflectance reflection coefficient allows for a smooth broadband reorganization of the laser generation spectrum without the addition of additional elements into the laser resonator, which is especially important for achieving maximum sensitivity. In addition, the tuning used allows one to obtain a simultaneously generated wide generation spectrum, significantly exceeding the width of the absorption lines in gases, which is also essential in the method of intracavity laser spectroscopy. The use of dichroic mirrors allows, for example, when using Nd-impurity glass as the active element, to investigate the spectrum in the ranges of 0.92; 1.06 and 1.35 microns. The use of various rare-earth elements and alkali halide crystals with color centers as an active element of glass expands the spectral range of the spectrometer from 0.7 to 3.2 μm. The laser power supply system, consisting of a three-phase thyristor rectifier with an adjustable pulse duration, provides the generation time necessary for obtaining the maximum sensitivity of the spectrometer. Simultaneous selection of the laser generation spectrum and its duration allows to achieve the maximum concentration sensitivity of the spectrometer. achieving maximum concentration sensitivity is selected separately for each analyte so that The strongest lines of the analyte got into the laser generation band. The duration of the oscillation is chosen depending on the active element and the resonator geometry. Figure 1 shows the optical scheme of the high sensitivity spectrometer; figure 2 shows the power supply system. element .1, whose ends are bevelled at the Brewster angle, dichroic mirrors 2 with a variable reflectance coefficient, made with the possibility of moving perpendicularly optical resonator axis. Thickness 40 mm, and the substrate of the mirror is not less than the bevel angle of the rear face 10. Cuvette 3 for the test gas, limited to the test element at one end by the active element 1, and at the other end by the mirrors of the resonator. A recording system consisting of an autocollimadion chamber 4, for example, a UV-90, a diffraction grating 5, and a flat metal mirror, which allows multiple laser radiation dispersion to be realized on this grating. Such a spectrograph has a resolution power greater than 10, which is necessary to achieve maximum sensitivity. The laser power supply system provides the necessary duration of laser generation. It includes a pulsed pump lamp 6, a pulsed lamp ignition unit 7, operated from the mains and consisting of a doubling circuit and a pulsed boost transformer, the ballast resistance R, which can be used to regulate the current value of the pulsed lamp and thus to change the pump level , capacitor C, designed to smooth the mains ripple of the pumping current, the thyristor unit 8, in which the three-phase alternating voltage is converted to f constant voltage, containing 6 powerful thyristors, controlled in by the output pulses of the driver unit 9, the driver unit 9, which is a waiting multivibrator, in which the time constant of the RC chain determining the duration of the output impulse, changes in steps and smoothly, and the blocking generator for starting the multivibrator, The control panel 10, which provides simultaneous delivery of the ignition pulse and the supply pulse to the pump lamp 6. The indicated spectrometer works as follows. When an ignition is triggered, the power supply system creates an inverse population in the active element 1. As a result, a generation occurs in the resonator formed by mirrors 2, the duration of which is determined by the output pulses of the driver unit 9. The radiation generated repeatedly passes through the cell 3 with the substance under study. Since the spectrum of the laser used has a wide gain band 34 (large pgirins of the line under study), dips appear in the generation spectrum, the depth of which is determined by the absorption coefficient of the line under study and the duration of generation by the formula I. The absorption coefficient; the speed of light; t is the duration of the generation pulse. The limiting sensitivity is determined by spontaneous noise and is equal to 5 k - cm, which corresponds to a generation duration of 0.1-1 s. The spectrometer allows to obtain. maximum sensitivity in the infrared range when used as active elements of glass with impurities of various rare earth elements or alkali halide crystals with color centers in the range of 0.7 - 3.2 μm. The generation wavelength tuning is performed by moving the resonator mirrors in a plane perpendicular to the optical AXIS of the laser. The maximum of the reflection coefficient of the mirrors is realized with such a movement for different wavelengths from D, / ohc determined by the parameters of the active medium. The use of narrow-band mirrors, the maximum of the reflection coefficient of which is located at different wavelengths, depending on their transverse displacement, makes it possible to tune the generation wavelength without degrading the quality of the resonator, since this eliminates the need to introduce additional elements into the resonator. Any additional element inserted into the resonator degrades the sensitivity of the spectrometer due to the appearance of parasitic selection. The proposed device makes it possible to realize the maximum sensitivity of an intracavity laser spectrometer in the presence of an oscillation wavelength tuning. The implementation of maximum sensitivity in terms of the absorption coefficient in the presence of wavelength tuning allows one to achieve maximum concentration sensitivity by adjusting the generation wavelength to the maximum. absorption coefficient of the test substance. The laser radiation is recorded by a spectrograph and a detector. After repeated dispersion on the grating 5, the spectrum falls on various elements of the detector (photographic plate, photographic film, electro-optical receiver, photodetector, or optical multichannel analyzer). The ratio of the signal in the center of the line under investigation to the magnitude of the generation signal without absorption (usgnet) allows one to determine the absorption coefficient (gain) of the line under study and, thus, the concentration is investigated. substance with a known absorption cross section (gain) of the analyzed line. The concentration of the substance may. to be determined also by the calibration curve, constructed at high concentrations, measured by conventional methods, and by short generation times. This is possible due to the fact that the depth of the generation spectrum depends on the product of concentration and duration, as follows from the above formula. The minimum amount of the substance to be determined is due to its absorption cross section (gain) in the realized spectral range. Use in the proposed spectro-. a meter of a wide spectral interval allows its high concentration sensitivity. The concentration limit, the sensitivity of this device is 1 atom per cm. The spectrometer is extremely useful in detecting small impurities in the atmosphere, determining its contamination, analyzing gas mixtures, Raman spectroscopy, short-lived processes, searching for new active media for lasers, etc.

Claims (1)

ЛАЗЕР ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРА ВЫСОКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ В ИНФРАКРАСНОМLASER FOR HIGH SENSITIVITY SPECTROMETER IN INFRARED ДИАПАЗОНЕ с ламповой накачкой, содержащий бесселективный резонатор, в котором размещены активный элемент и ячейка с исследуемым веществом, систему питания, о тличающийся тем, что, с целью увеличения концентрационной чувствительности спектрометра путем выбора спектрального диапазона и длительности генерации лазера, резонатор образован дихроичными диэлектрическими зеркалами с переменным по диаметру зеркала коэффициентом отражения, выполненными с. возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси резонатора, активный элемент выполнен из стекла с примесями одного или нескольких редкоземельных элементов или щелочногалоидных кристаллов с центрами ·.· окраски, а система питания лазера состоит из трехфазного тиристорного выпрямителя, с регулируемой длительностью импульса питания.A lamp-pumped RANGE containing a non-selective resonator in which the active element and the cell with the substance under study are located, a power system characterized in that, in order to increase the spectrometer concentration sensitivity by choosing the spectral range and laser generation duration, the cavity is formed by dichroic dielectric mirrors with variable mirror diameter reflection coefficient made with. the ability to move perpendicular to the optical axis of the resonator, the active element is made of glass with impurities of one or several rare-earth elements or alkali-halide crystals with centers of color. фае!fae!
SU782679877A 1978-10-30 1978-10-30 Laser for high-sensitive spectrometer in infrared range SU730083A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU782679877A SU730083A1 (en) 1978-10-30 1978-10-30 Laser for high-sensitive spectrometer in infrared range

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU782679877A SU730083A1 (en) 1978-10-30 1978-10-30 Laser for high-sensitive spectrometer in infrared range

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU730083A1 true SU730083A1 (en) 1986-09-07

Family

ID=20791648

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU782679877A SU730083A1 (en) 1978-10-30 1978-10-30 Laser for high-sensitive spectrometer in infrared range

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU730083A1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Беликов Т.П.-, Свириденков Э.В., Сучков А.Ф. Исследование слабых линий поглощени и усилени некоторых газов методом селективных потерь в резонаторе ОКГ.Квантова электроника, 1974, № 4,830. Баев В.М., Беликов Т.П., Свириденков Э.А. , Сучков А.Ф. Внутрирезонаторна лазерна спектроскопи с использованием лазеров непрерывного и квазинепрерывного действи . Ж ЭТФ. 74, с. 43-56, 1978. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ossler et al. Measurements of picosecond laser induced fluorescence from gas phase 3-pentanone and acetone: Implications to combustion diagnostics.
US5906946A (en) Device and process for detecting and discriminating NO and NO2 from other nitrocompounds in real-time and in situ
Attal et al. Resonance-enhanced coherent anti-Stokes Raman scattering in C2
US4084100A (en) Generation of coherent rotational anti-Stokes spectra
US20060072117A1 (en) Resonator-amplified absorption spectrometer
US4270864A (en) Photoacoustic rotational raman spectroscopy
Dooley et al. A comparative high-resolution study of predissociation linewidths in the schumann-Runge bands of o 2
Gronau et al. Organic dye laser properties and orientational relaxation processes
SU730083A1 (en) Laser for high-sensitive spectrometer in infrared range
Stevenson et al. Laser-excited synchronous luminescence spectroscopy
Agrup et al. Measurements of the collisionally quenched lifetime of CO in hydrocarbon flames
Barnes et al. Optimization of time resolved phosphorimetry
Harris Laser intracavity-enhanced spectroscopy
Falk Analytical capabilities of atomic spectrometric methods using tunable lasers: a theoretical approach
Latz et al. Atomic and molecular absorption measurements by intracavity quenching of laser fluorescence
Hosch et al. Laser saturation broadening in flame absorption and fluorescence experiments
Imasaka et al. Nanosecond time-resolved spectrometry with a tunable dye laser and a simple pulse-gated photon counter
CA1068122A (en) Generation of coherent rotational anti-stokes spectra
Adamson et al. A laser-produced plasma as a pulsed source of continuum infrared radiation for time-resolved absorption spectroscopy
Campani et al. A pulsed dye laser raman spectrometer employing a new type of gated analogue detection
Jasmin et al. Laser‐induced infrared fluorescence of O3 trapped in xenon matrices
Lange et al. High-speed N 2-CARS thermometry
Steinfeld et al. Tunable Lasers and their application in analytical chemistry
Beysens et al. Study of Rayleigh lines in presence of strong elastic scattering: A high performance Fabry-Pérot experiment
Cartlidge et al. The direct reading spectrographic determination of oxygen in copper