Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Прецизионные измерения контура спектральной линии методами диодной лазерной спектроскопии

Диссертация: Прецизионные измерения контура спектральной линии методами диодной лазерной спектроскопии
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Вопросы точных измерений параметров спектральных линий методами диодной лазерной спектроскопии (ДЛС) представляют значительный интерес. Форма линии} ее полуширина, интенсивность, сдвиг частоты, обусловленный давлением буферного газа, служат отличным аналитическим признаком во многих задачах астрофизики, физики атмосферы, биомедицины и др. Изучение процессов формирования контура, уширения и сдвига… Читать ещё >

Прецизионные измерения контура спектральной линии методами диодной лазерной спектроскопии (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Глава 1. Диодные лазеры для спектроскопии высокого разрешения- измерения контура спектральной линии с помощью диодных лазеров (обзор литературы)
  • Диодные лазеры
  • Шумовые характеристики ДЛ
  • Шумы интенсивности
  • Частотные шумы и ширина линии генерации
  • Внешняя оптическая обратная связь в ДЛ
  • Прецизионные измерения контура спектральной линии с помощью ДЛ
  • Выводы
  • Глава 2. Экспериментальная установка
  • Диодный лазер
  • Система термостабилизации
  • Реперный канал
  • Канал частотной калибровки
  • Аналитический канал
  • Оптические кюветы
  • Система приготовления смеси газов, напуска газов в кюветы и контроля давления
  • Система юстировки
  • Система регистрации сигналов
  • Характеристики диодного лазерного спектрометра
  • Чувствительность ДЛС
  • Спектральное разрешение
  • Выводы
  • Глава 3. Спектроскопия ацетилена в ближней ИК-области (А,=1,53 мкм)
  • Классификация колебательно-вращательных состояний С2Н
  • Анализ спектров. Эксперимент
  • Интерпретация зарегистрированных колебательно-вращательных линий С2Н
  • Выводы.55″
  • Глава 4. Методика проведения прецизионных измерений контура спектральной линии
  • Калибровка и линеаризация частотной шкалы
  • Уровень полного пропускания (базовая линия)
  • Точность определения уровня полного поглощения (оптического нуля). 67 Подгонка регистрируемых контуров линий известными модельными функциями
  • Выводы
  • Глава 5. Аппаратная функция ДЛС
  • Теория. Постановка задачи. Волновое уравнение
  • Уравнения среды
  • Уравнение свертки."
  • Шумы излучения ДЛ
  • Спонтанное излучение
  • Флуктуации интенсивности
  • Флуктуации частоты
  • Спектр поля излучения ДЛ обусловленный шумами частоты
  • Эксперимент. Определение параметра go
  • Определение параметров и Г АФ ДЛ
  • Выводы

Вопросы точных измерений параметров спектральных линий методами диодной лазерной спектроскопии (ДЛС) представляют значительный интерес. Форма линии} ее полуширина, интенсивность, сдвиг частоты, обусловленный давлением буферного газа, служат отличным аналитическим признаком во многих задачах астрофизики, физики атмосферы, биомедицины и др. Изучение процессов формирования контура, уширения и сдвига линии поглощения газов традиционно представляет интерес при исследовании межмолекулярных сил взаимодействия и динамики столкновения молекул. Коэффициенты уширения и сдвига линии, параметры кросс-релаксации содержат информацию об энергетических уровнях, волновых функциях стационарных состояний, параметрах межмолекулярного потенциала, характеристиках сечения столкновения.

Исследование контура спектральной линии методами ДЛС позволяет обнаруживать такие эффекты межмолекулярного взаимодействия как: сужение линии из-за упруго рассеяния (эффект Дике), эффекта ветра — зависимости ударных характеристик от скорости поглощающей молекулы, расщепление линии из-за анизотропии столкновений и т. д. Кроме того, опосредовано через параметры контура линии удается исследовать характеристики самого поля излучения диодного лазера (ДЛ) — шумы интенсивности и частоты и их корреляцию. При наличии шумов излучения ДЛ, задача исследования контура спектральной линии должна рассматриваться самосогласованно, и учитывать поле излучения ДЛ, молекулы активной среды и молекулы буферного газа. Если ограничить рассмотрение не коррелированностью флуктуаций частоты и интенсивности ДЛ, то можно ввести аппаратную функцию (АФ) ДЛ. Составляющие АФ, связанные со спонтанным излучением, квантовыми флуктуациями частоты и интенсивности, приводят к различным искажениям контура линии при его прецизионной обработке. Они могут быть сравнимы с перечисленными выше эффектами, вызванными взаимодействием активной среды с молекулами буферного газа, и стать причиной неадекватного описания процессов столкновений. Знание функциональной зависимости спектра генерации поля ДЛ, обусловленного различными источниками шумов, таким образом, становиться исключительно актуальным. Одним из возможных подходов к решению этой проблемы может быть постановка и решение так называемой прямой и обратной задачи. Суть задачи сводится к тому, что само выражение для спектральной плотности поля излучения ДЛ может быть найдено, основываясь на уравнениях Ланжевена, Фоккера-Планка для поля излучения и уравнения для матрицы плотности лазерной среды, а эффективные параметры, входящие в эту зависимость, могут быть найдены через параметры регистрируемого контура спектральной линии поглощения. В.

П С диссертации эти вопросы рассмотрены на примере диодного лазера (А В), генерирующего в диапазоне длин волн 1,53 мкм и исследуемых линий 11-ветви полосы У]+У3 ацетилена.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения (основных выводов диссертации) и списка цитируемой литературы.

Выводы.

1. Из решения уравнения Максвелла для поглощающей среды показано, что в случае шумящего излучения, спектр, регистрируемый фотоприемником будет представлять собой свертку спектра пропускания среды Т (у) с аппаратной функцией ДЛ 8(у).

2. Исследована аппаратная функция (АФ) РОС ДЛ (Х=1,53 мкм), состоящая из аддитивных вкладов шумов спонтанного излучения, флуктуаций частоты и интенсивности. Получена аналитическая, формула спектра генерации поля ДЛ, обусловленного флуктуациями частоты.

3. Двумя независимыми методами (из подгонки доплеровски уширенной линии поглощения и из величин остаточного излучения А1 и ширины, А со линии с насыщенным поглощением) найдена спектральная плотность частотных флуктуаций go, определяющая полуширину центральной части линии генерации ДЛ. Экспериментально определены параметры спектральной плотности флуктуаций частоты О и Г, связанные с релаксационными колебаниями и определяющие крыло линии генерации ДЛ.

4. Учет АФ ДЛ, выражающейся в последовательном проведении процедуры свертки с регистрируемыми спектрами пропускания, позволяет правильно восстанавливать контур спектральной линии и корректно решать проблему «оптического нуля». Обсуждена роль корреляции между шумами интенсивности и частоты ДЛ.

Заключение

.

В заключение приведем основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Создан трехканальный автоматизированный диодный лазерный спектрометр с высокими параметрами чувствительности (динамический диапазон изменения поглощения более 1-Ю4) и спектрального разрешения (лучше 0,0002 см" 1). Достигнутые параметры спектрометра являются на сегодняшний день одними из лучших показателей в мире для этого класса спектрометрической аппаратуры.

2. Разработана методика проведения прецизионных измерений контура спектральной линии, позволяющая проводить измерения контура линии с погрешностью лучше 0,3% и определять параметры линии с погрешностью не превышающей 1%. Она включает комплекс процедур регистрации спектров трехканальным ДЛС и обработки с учетом АФ ДЛС, линеаризации и абсолютной привязки частотной шкалы с учетом обнаруженной локальной неоднородности перестроечной характеристики, связывающей временную и частотную шалы спектров.

3. Исследована аппаратная функция РОС ДЛ, состоящая из аддитивных вкладов шумов спонтанного излучения, флуктуаций частоты и интенсивности. Получена аналитическая формула спектра генерации поля ДЛ, обусловленного флуктуациями частоты. Экспериментально определены параметры спектральной плотности флуктуаций частоты g, Q и Г, описывающие центральную часть линии генерации ДЛ и её крыло.

Основные материалы, включенные в диссертационную работу, опубликованы в следующих научных работах:

1. А. И. Надеждинский, Я. Я. Понуровский, М. В. Спиридонов. Прецизионные измерения контура линии методами диодной лазерной спектроскопии. -Квантовая электроника, 29, № 1, 78−82, (1999).

2. Chizhevskii E.G., Kopylov V.V., Oskina S.I., Ponurovskii Ya.Ya., Selivanov Yu. G., Stepanov E.V., Trofimov V.T., Diode lasers of PbSnSe/PbEuSe grown by mbe. — II Intern. Conf. On Tunable Diode Laser Spectroscopy, Abstracts of papers, Moscow, Russia, 1998, p.41.

3. О. И. Даварашвили, П. В. Зырянов, А. И. Кузнецов, Я. Я. Понуровский, Ю. Г. Селиванов, Е. В. Степанов, А. Н. Хуснутдинов, Е. Г. Чижевский, Многокомпонентный анализатор на основе диодных лазеров для мониторинга газообразных загрязнений в открытой атмосфере. -Оптика атмосферы и океана, Т. 12, № 1,с.64−69, (1999).

4. Ю. П. Яковлев, А. Н. Баранов, А. Н. Именков, В. В. Шерстев, Е. В. Степанов, Я. Я. Понуровский, Инжекционные лазеры на основе InAsSb/InAsSbP для спектроскопии высокого разрешения. -Квантовая электроника, Т.20, № 9, с.839−842, (1993).

5. К.A. Aganbecyan, Ya.Ya. Ponurovskii, «Frequencies and strengths of the vibration-rotational lines of ethylene 12C2H4 in the 10? im region». -SPIE Vol. 1811 HighResolution Molecular Spectroscopy, 218−222, (1991).

6. Chizhevskii E.G., Ponurovskii Ya.Ya., Selivanov Yu.G., Stepanov E.V., Study of the v7 band of the ethylene molecule with tunable diode lasers. — II Intern. Conf. On Tunable Diode Laser Spectroscopy, Abstracts of papers, Moscow, Russia, 1998, p. 44.

7. А. И. Надеждинский, В. В. Плотниченко, Я. Я. Понуровский, М. В. Спиридонов, Диодная лазерная спектроскопия контура спектральной линии. Роль шумов ДЛ. -Квантовая Электроника, т.30, № 1, с. 87,(2000).

В заключении считаю своим долгом выразить глубокую благодарность доктору физико-математических наук, профессору Надеждинскому А. И. и кандидату физико-математических наук Спиридонову М. В. за научное руководство в проведении этой работы и создание благоприятной творческой обстановки, способствовавшей успешному выполнению поставленных задач.

Показать весь текст

Список литературы

  1. E.D. Hinkley, Hight-resolution infrared spectroscopy with a tunable diode laser. -Appl. Phys. Lett., 16, № 19, p. 351−35, 1970.
  2. Е.Д., Нил K.B., Блум Ф. А., Инфракрасная спектроскопия с использованием перестраиваемых лазеров. В кн.: «Лазерная спектроскопия атомов и молекул». М.: Мир, 1979, с. 155−235.
  3. В.Б., Глушков М. В., Горина Ю. И., Калюжная Г. А., Косичкин Ю. В., Надеждинский А. И., Применение инжекционных лазеров на основе Pbj. xSnxTe в спектроскопии высокого разрешения. Краткие сообщения по физике (ФИАН), 1978, № 4, с. 13−16.
  4. Г. В., Засавитский И. И., Колошников В. Г., Курицин Ю. А., Шотов А. П., Применение импульсного лазера на основе Pbo.955Sno.o45Se ДДяспектроскопии высокого разрешения молекул NH3. Письма в ЖТФ, 1978, т. 4, с. 927−931.
  5. K. Nakagava, M. de Labachelerie, Y. Awaji, and M. Kourogi, Accurate optical frequency atlas of the 1.5-(im bands of acetylene. --J. Opt. Soc. Am. B, Vol.13, No. 12, p. 2708−2714,(1996).
  6. A. Nadezhdinskii, A. Berezin, Yu Bugoslavsky, O. Ershov, V. Kytnyak, Application of near-IR diode lasers for measurement of ethanol vapor. -Spectrochimica Acta Part A 55, p. 2049−2055, (1999).
  7. Н. I. Schiff, G. I. Mackay and J. Bechara: in Air Monitoring by Spectroscopic Techniques, M. W. Sigrist, ed., Wiley, NY, 1994. P. Werle. Spectrochimica Acta, A54, p. 197−236, (1998).
  8. A. Nadezhdinskii, E.V. Stepanov, I.I. Zasavitskii, Spectral gas analysis of polyatomic molecules by tunable diode lasers, in «Tunable Diode Laser
  9. Application, A. Nadezhdinskii and A. Prokhorov, ed., Proceedings SPIE, Vol. 1724, p. 238−250, (1992).
  10. Chizhevskii E.G., Kopylov Y.V., Oskina S.I., Ponurovskii Ya.Ya., Selivanov Yu. G., Stepanov E.V., Trofimov V.T., Diode lasers of PbSnSe/PbEuSe grown by mbe. -Proc. II Intern. Conf. On Tunable Diode Laser Spectroscopy, Moscow, Russia, 1998, p. 41.
  11. Ю. П. Яковлев, A. H. Баранов, A.H. Именков, B.B. Шерстев, E.B. Степанов, Я. Я. Понуровский, Инжекционные лазеры на основе InAsSb/InAsSbP для спектроскопии высокого разрешения. Квантовая электроника, Т. 20, № 9, с. 839−842, (1993).
  12. Duraev V.P., A.V. Melnicov, Е.Т. Nedelin, М.А. Sumarocov, Т.Р. Nedobivailo, Tunable laser diode with the emission walength 1,65 jam for spectroscopy. Proc. II Intern. Conf. On Tunable Diode Laser Spectroscopy, Moscow, Russia, 1998, p. 22.
  13. Photonics Spectra, Dec. 1996, p. 16.
  14. J.P. Koplow, D.A.V. Kliner, and L. Goldberg. Appl. Optics, 37, p. 3954−3960, (1998).
  15. С Gmachl, D.A. Capasso, J. Faist, A. Hutchinson, A. Tredicucci, D. Sivco,.J. Baillargeon, S. George Chu, A Cho. Appl. Phys. Lett., 72, p. 1430−1432, (1998).
  16. E. Schomburg, S brandl, A. Ignatov, D. Pavel’ev, et all. Appl. Phys. Lett., 72, p. 1498 (1998).
  17. Оцу, Дэнки гаккайси, 104, 803 (1984), (яп. яз.).
  18. Ohtu М., Control and noise in semicondactor lasers. Semicond. Lasers and Optoel. IC’s ed. Y Suematsu, Omsha Publishing, Tokyo, 1984, Chapter 9, eq. (9.51).
  19. Motoichi Ohtsu. Highly Coherent Semiconductor Lasers Artech House, INC, 1992, p. 34.
  20. Ikegami, Т., and Y. Suematsu, Resonanse-like charactaristic of the direct modulation of a junction laser, Proc. IEEE, Vol. 55, No. 1, Jan. 1967, pp. 122 123.
  21. Ito Т., Mashida S., Nawata K., Ikegami Т., Intensity fluctuations in each longitudinal mode of multimode AlGaAs lasers. IEEE J. Quantum Electron., QE-13, 574 (1977).
  22. Arnold G., Peterman K., Intrinsic noise of semiconductor in optical communication system. Opt. Quantum Electron., 12, 207 (1980). '
  23. Gotoh Т., Arimoto A., Ojima M., Chinone N., Characteristics of laser diodes and picture quality. SPIE, 329, Optical Disc Technology, 56, (1982).
  24. Chinone N., Kuroda Т., Ohtoshi., Takahashi Т., Kajimura Т., Modehopping noise in index-guided semiconductor lasers and its reduction by saturable absorbers. -IEEE J. Quantum Electron., QE-21, (1985).
  25. Kajimura Т., Kashiwada Y., Ouchi H., Aiki K., Highly reliable GaAlAs visible-light-emitting MCSP lasers. Jpn. J. Appl., Phys., Suppl. 22−1, 22, 325 (1982).
  26. Ohtsu M., Otsuka Y., Precise measurements and computer simulations of mode hopping phenomena in semiconductor lasers. Appl. Phys. Lett., 46, 108 (1985).
  27. Физика полупроводниковых лазеров, Под ред. X. Такумы, Москва, «Мир» 1989 г.
  28. A., Chinone N., Ojima М., Arimoto A., «Noise characteristics of high frequency superposed laser diodes for optical disc systems».- Electron Lett., 20, 821,(1984).
  29. Tunable Laser Diodes, M.C. Amann, J. Buus, Artech House. INC, ch 6, pl43, (1998).
  30. AllanD. -Proc. IEEE, 54, 221 (1966).
  31. Ohtsu M., Fukada H., Tako Т., and Tshuchida H., «Estimation of the ultimte frequency stability of semiconductor lasers». Japan. J. Applied. Physics, Vol.22, No. 7, pp. 1157−1166 (1983).
  32. Welford D., and A. Mooradian, «Ouput power and temperature dependence of the linewidth of single-frequency CW (GaAl)As diodes lasers». Applied, Phys. Lett., Vol. 41, No. 10, pp. 865−867, (1982).
  33. C.H., «Theory of the linewidth of semiconductor lasers». IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-18, No. 2, 1982, pp. 259−264.
  34. Okoshi Т., Kikuchi K., Nakayama A. Electron. Lett., Vol. 16, 630 (1980).
  35. Avetisov V., Khusnutdinov A., Nadezdinskii A., Yu. Yakovlev, A. Baranov, and A. Imenkov, «Linewidth of CaSblnAl diode lasers». SPIE, Vol. 1811, HighResolution Mol. Spectrosc., 390−394 (19 910.
  36. A.M. Надеждинский, В. В. Плотниченко, Я. Я. Понуровский, М. В. Спиридонов, Диодная лазерная спектроскопия контура спектральной линии. Роль шумов ДЛ. Квантовая Электроника, т. 30, № 1, с. 87, (2000).
  37. R. 8 th Conf. on Opt. Fiber Commun., YuP2/Feb. 1985, San Diego.
  38. Faure F., at all. IEEE J Quantum Electron., QE-18, 1712 (1982).
  39. Okai M., Tsuchia Т., Chinone N, «Ultra-narrow spectral linewidth (56 kHz) corrugation-pitch-modulated multi-quantum-well distributed feedback lasers», Technical digest of Conf. on Lasers and Electro-Optics (Cleo"91, Baltimore, 1991, paper numb. CPD40).
  40. A.P. Godlevsky, E.P. Gordov, Ya.Ya. Ponurovskii., A. Z. Fasliev, and P.P. Sharin. Parametric laser-reception lidar. Applied Optics, 26, No 9, p. 1607−1611, 1987.
  41. R., Kobayashi K., «External optical feedback effects on semiconductor injection laser properties». IEEE J Quantum Electronics, Vol. QE-16, No. 3, pp. 347−355 (1985).
  42. K., «Improvements in direct pulse code modulation of semiconductor lasers by optical feedback». Trans. IECE Japan, Vol. E59, No. 12, Dec. 1976, pp. 8−14.
  43. Berge P., Pomeau Y., and Vidal C. Orders Within Chaos, John Wiley & Sons, New York, 1984.
  44. K., Seki M. -IEEE Quantum. Electron., QE-16,11 (1980).
  45. K.A. Aganbecyan, Ya.Ya. Ponurovskii, «Frequencies and strengths of the vibration-rotational lines of ethylene 12C2H4 in the 10? j. m region». SPIE Vol. 1811 High-Resolution Molecular Spectroscopy, 218−222, (1991).
  46. Chizhevskii E.G., Ponurovskii Ya.Ya., Selivanov Yu.G., Stepanov E.V., Study of the v7 band of the ethylene molecule with tunable diode laser, all. 2nd International Conference on TDLS Moscow, Russia, 1998, p.44.
  47. B. Ray, P. Ghosh Dicke narrowing of oxygen A-band transition studied by near infrared diode laser spectrometer, in Spectroscopy: Perspectives and frontiers. A.P. Roy (Ed), p. 158−162, 1997, Narosa Publishing House, New Delhi, India.
  48. G. Buffa, S Carocci, et all. Temperature and speed dependence of pressure broadening and shift in molecular spectra, in Spectroscopy: Perspectives and frontiers. A.P. Roy (Ed), p. 163−175, 1997, Narosa Publishing House, New Delhi, India.
  49. L. Galatry. Phys. Rev., 122, 1218 (1961).
  50. B. Lance, Gh. Blanquet, J. Warland et all., Inhomogeneous lineshape profiles of C2H2 Perturbed by Xe. J. Mol. Spectrosc, 197, 32−4-5 (1999).
  51. С.Г. Раутиан. О контуре линии поглощения молекулярного газа. -Оптика и Спектроскопия, т. 86, № 3, с. 385−387, (1999).
  52. С.Г. Раутиан. Универсальный асимптотический контур спектральной линии при малом доплеровом уширении, Оптика и Спектроскопия, (в печати).
  53. В. Lance, G. Blanquet, J. Warland, J-P. Bouanich. On the speed-dependent hard collision lineshape models: Application to C2H2 perturbed by Xe. J. Mol. Spectrosc., 185, 262−271 (1997).
  54. A.S Pine, Asymmetries and correlations in speed-dependent Dicke-narowed line shapes of argon-broadened HF. JQSRT, 62, 397−423, (1999).
  55. E.K Plyler, E. O. Tidwell, and T. A. Wiggins. J. Opt. Sei. Am., 53, 589−593 (1963).
  56. W.S Lafferty and R J Thibault. J. Mol. Spectrosc., 14, 79−96 (1964).
  57. A. Baldacci, S. Ghersetti, and K. Narahari Rao. Interpretation of the acetylene spectrum at 1.5 xm. J. Mol. Spectrosc., 68, 183−194 (1977).
  58. B.C. Smith and J. S Winn, The overtone dynamics of acetylene above 10 000 cm"1. J Chem. Phys., 89, 4638−4645 (1988).
  59. Q. Kou, Guelachvili, et all. Can. J Phys., 72, 1241−1250 (1994).
  60. W. Demtroder, at all, presented at the 58th Tagung of the German Physival Society, Hamburg, March (1994).
  61. K.A. Keppler, G. Ch. Mellau, S. Klee, B.P. Winnewisser, M. Winnewisser, J. Pliva, and K. Narahary Rao. Precision measurements of acetylene spectra at 1.41.7 |im recorded with 352.5-m pathlength. J. Mol. Spectrosc., 175, 411−420 (1996).
  62. Y. Ohsuqi, et all. -J. Mol. Spectrosc., 128, 592 (1988).
  63. J.P. Bouanich, С Blanquet, J-C. Populaire, and J. Warland. Nitrogen broadening of acetylene lines in the v5 band at low temperature. J. Mol. Spectrosc., 190, 7−14 (1998).
  64. T. Yoshida and H. Sasada.-J. Mol. Spectrosc., 153, 208−210 (1992).
  65. A.M. Надеждинский, Я. Я. Понуроваский, M.B. Спиридонов. Прецизионные измерения контура линии методами диодной лазерной спектроскопии. -Квантовая электроника, 29, № 1, 78−82, (1999).
  66. A. Nadezhdinskii, Diode laser frequency tuning. Spectrochimica Acta, A 52 (1996), 959−965.
  67. A. Nadezhdinskii and P Omarova. J Mol. Spectrosc., 170 (1995) 27−37.
  68. Moskalenko K.V., Sobolev N.N., Adamovskaya I.A., Stepanov E.V., Nadezhdinskii A.I., McKenna-Lawlor S., Tunable diode laser application for fully automated absolute measurements of CO and C02 concentration in human breath.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!