Высокочувствительные лазерные методы измерений параметров веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях

Из существующих к настоящему времени аналитических лазерных методов диагностики веществ к наиболее чувствительным относятся: оптоа-кустическая спектроскопия [1] (ОАС), флуоресцентная спектроскопия [3] (ФС), фотоионизационная спектроскопия [2] (ФИС), абсорбционная ВРЛ спектроскопия [4−6] и разные виды лазерной интерферометрии [6−7].

Перечисленные аналитические способы диагностики сред позволяют определять малые изменения действительной и мнимой частей комплексного коэффициента преломления изучаемых сред (веществ), обладают высокой обнаружительной способностью и т. д. Некоторым из них присущи определённые ограничения и недостатки. Так, ОАС позволяет анализировать среды, находящиеся в газообразной или паровой фазе при нормальных условиях: нагрев или импульсное возбуждение пробы сильно искажает результаты измерений, что делает метод малоприемлемым для ионизированных или нагретых сред. Для ФС и ФИС требуется использование узкополосных, быстро перестраиваемых источников излучения, стабилизированных по частоте, и достаточно сложной регистрирующей аппаратуры, а это приводит к значительным затратам и требует высокого профессионализма у обслуживающего персонала.

Наиболее часто, для практических исследований веществ применяются методы лазерной интерферометрии и абсорбционной спектроскопии. Лазерная интерферометрия (ЛИ) традиционно используется для диагностики оптически прозрачных и ионизированных сред при определении коэффициента преломления, а внутрирезонаторная лазерная спектроскопия (ВРЛС) и её разновидности (например) обертональная ВРЛС) для регистрации спектров поглощения.

Диэлектрическая постоянная ионизированной среды меняется за счёт изменения концентрации электронов (или степени ионизации) и связана с комплексным коэффициентом преломления в плазменных объектах дисперсионным соотношением [7]: со&bdquoсоп.

1-z эф со.

2 Л v п* = (пе +/'зе)12 =!- - / v со соа £У0.

О у.

1-Z эф О).

Гл 1 Ч.

СО.

1.1).

О У где пе и ае — показатель преломления и поглощения ионизированной среды, значения которых при выполнении условий «1 и — «1 имесоп сол ют вид [7]: ае со«

3 ф.

У2зф со0.

1.2) пе.

0)1.

2 2 V й>0 +V3(I>J.

1.3) здесь: со0 — частота зондирующего излучения внешнего источника, 4ttN" -е2 со„

— плазменная частота т.

5,5N., 2207-,, у ~ -с • 1п—- эффективная частота кулоновских столкновении.

Ф*. электронов с частицами плазмы, Ые — концентрация электронов плазмы) е и те — заряд и масса электронов, Гш — температура плазмы.

Значения (1.2) и (1.3), выраженные через плазменные характеристики можно записать в виде, удобном для использования на практике при диагностике плазменных объектов: ж.

N. эф.

2с N, кр

N,.

— Уг.

1Ч N, J.

1.4).

6пе ~ 1.

0)" со.

— 4,49−10−14 — Ад.

N.

1.5).

О У V.

Мкр — критичная концентрация электронов, при которой излучение зондирующей волны с Ло не проходит через исследуемый плазменный объект, с — скорость света.

Величина 8пе определяется по фазовому сдвигу (в долях интерференционной полосы АА/А) из амплитудно-фазовых измерений интенсивности лазерного сигнала, прошедшего через плазму. С учётом реально достигнутой чувствительности оптических интерферометров (АА/А — 10″ 2−10″ 3 [6−7]), величины регистрируемых концентраций электронов занимают интервал значении Ие ~ 10 -1016 см" (т.е. лазерные интерферометры используются для диагностики плотной плазмы). Для Ие < 1014 см" 3 используются ИК и СВЧ методы, обладающие плохим пространственным разрешением и дающие усреднённые данные для изучаемых объектов. Поэтому основные исследования, выполненные в диссертационной работе, были направлены на разработку и создание интерферометров с высокой чувствительностью, позволяющих изучать плазму с низкой концентрацией электронов.

Изучаемые объекты, включая плазму, обладают дискретными и сплошными спектрами поглощения, поэтому их исследование имеет свои специфические особенности. Для плотной плазмы, степень ионизации которой высока и полосы поглощения достаточно широкие, коэффициент поглощения определяется из измерений экстинции. В слабо ионизированной плазме или газах такие измерения могут дать значительные ошибки, т.к. необходимо учитывать спектральное положение линий поглощения, значения сил осцилляторов спектральных уровней и др. Поэтому аналитические выражения для определения коэффициента поглощения становятся более сложными. Для применения зондирующего источника накладыва ются определённые требования: точное согласование спектра излучения с положением линий поглощения, что реализовать, в общем случае (при использовании источников с узким спектром излучения), достаточно сложно. Для решения таких задач использовались световые генераторы со сплошным спектром излучения, спектральная яркость которых мала и успех эксперимента определялся применением сложной системы регистрации спектра. Только появление перестраиваемых лазеров позволило упростить эту ситуацию. Так знание спектрального значения экстинции для лазерного излучения с широким спектром излучения позволяет определить величину ае (~ лУ, о (ц)/, где: ТУ, — - концентрация изучаемого компонента в исследуемой пробе, а (У[) — спектральное сечение поглощения,.

Ь — линейный размер изучаемого объекта вдоль траектории распространения зондирующего излучения.

Если значения ТУ, и сг (у^ малы, то для получения заметного (реально реализуемого в эксперименте) поглощения <�е (у,), необходимо увеличивать величину Ь.

Например, при изучении спектров поглощения «окон прозрачности» атмосферы использовалось излучение Солнца, прошедшего через земную атмосферу [8−9], или луч специального прожектора [10], световой поток которого (со сплошным спектром излучения) распространялся над морской лагуной (для достижения условий, обеспечивающих химчистоту и однородность спектров поглощения). В приведённых случаях изучаемые объекты имели размеры в десятки километров. Тем не менее, на таких базовых расстояниях, при времени экспозиции в десятки минут, химический состав может сильно меняться и данные о линиях поглощения регистрируются с определёнными погрешностями.

В реальных экспериментах для анализа газов используются многоходовые оптические кюветы, в которых лазерное излучение проходит через исследуемую среду многократно отражаясь от зеркал кюветы. Однако дифракционные потери света на зеркалах не позволяют значительно увеличить оптическую толщину изучаемого объекта (не более нескольких сотен метров). Число отражений излучения от зеркал не превышает 90 — 95 раз, даже при дифракционных потерях ~ 1%. Например, для кюветы длиной Ь 100 см коэффициент экстинции должен быть порядка — ~ 10~4, но на о практике это значение гораздо хуже. Если дифракционные потери на зеркалах кюветы компенсировать за счёт размещения в ней усиливающей среды, то величину Ь можно увеличить на несколько порядков и решать задачи определения спектрального поглощения в средах с малыми спектральными сечениями поглощения и (или) малыми концентрациями определяемого химреагента. Эти вопросы в полной мере учтены в методе внутрирезонаторной лазерной спектроскопии: дифракционные потери на зеркалах кюветы с исследуемой пробой компенсируются усилением активной среды с широким, однородно уширенным контуром усиления, причём потери излучения на линиях поглощения отличаются от дифракционных потерь на зеркалах своей частотной зависимостью. Обычно ширина линии поглощения в неконденсированных средах Л у~ 0,01 — 0,1 см" 1, в то время как дифракционные потери на зеркалах кюветы слабо меняются в широком диапазоне Л у~ 100 — 1000 см" 1.

Впервые метод широкополосной ВРЛС был предложен сотрудниками ФИ РАН [79, 4]. В этих работах было дано объяснение экспериментально наблюдавшейся линейчатой структуре спектра генерации лазера на стекле с неодимом [151], который вследствие широкой полосы усиления ионов N (1 в стеклянной матрице, имеет спектр около 10 нм с центром на Я0 ~ 1,06 мкм. В [151, 5, 153] показано, что система балансных уравнений для многомодового лазера является слабо устойчивой к частотно-селективным потерям, имеющих место из-за недостатков элементов лазерного резонатора (например, интерференционные переотражения на гранях оптических элементов), а в бесселективном резонаторе из-за наличия в нём вещества, имеющего линии поглощения в спектральной области генерации лазера.

Спектральное распределение числа лазерно-активных частиц (например, ионы Nd) определяется процессами накачки, выгорания, миграции энергии по контуру усиления и спонтанным распадом верхнего рабочего уровня лазерной среды. Численный анализ балансных уравнений [151, 154] с учётом всех этих процессов показал, что конечная ширина контура усиления и миграция энергии в пределах контура линии определяет крупномасштабную структуру спектра и практически не влияют на мелкомасштабную структуру спектра. Т.к. метод BPJIC обычно применяется для обнаружения узких линий поглощения, то для общего рассмотрения можно пренебречь конечностью ширины контура усиления и миграцией энергии по контуру усиления [151, 154−155]: Р-ссг ]wW)N{a>)g{a>, a')dco'-^ (1.7) dt J г со.

Здесь: N (co) — спектральное распределение числа лазерноактивных частиц,.

Р — мощность накачки, выраженная в числе активных частиц, создаваемых в 1 см за 1 сек излучением накачки, с — скорость света, т — сечение рабочего перехода активной среды, W (co') — спектральное распределение плотности фотонов в резонаторе, g (co, co') — контур усиления однородно уширенной линии, т — время жизни активной частицы по отношению к спонтанному излучению Одновременно для спектрального распределения плотности фотонов в резонаторе выполняется следующее условие [151]: «Л NiarfgfaaW-Z^ + pia,) (1.8) dt t Тф (ео) где Тф (оэ) — зависимость от частоты времени жизни фотона в резонаторе, р (со) — мощность спонтанного излучения в отдельной лазерной моде.

Совместное решение (1.8) и (1.7) с учётом существования в резонаторе селективных потерь, зависящих от частоты, показало [151,154,79], что коэффициент усиления аеус ~ N-a слабо зависит от частоты, а на спектральное распределение излучения W (a>, t) частотаозависимые потери оказывают значительное влияние. Тогда для узких линий поглощения коэффициент усиления можно считать не зависящим от частоты и уравнение (1.8) упрощается:

ЪоГМ-^ + М (1−9).

Л Тф (со).

В отсутствие селективных потерь в резонаторе, интенсивность генерации не зависит от частоты: о = ит V (1.10).

1 /Т0 — Ысст.

Если в момент ?=0 в резонаторе появляются потери на частоте со0.

1 1 = — + А — Тф Т0 {Tj.

1.11) то в спектре генерации начинают экспоненциально возрастать провалы на частоте (c)о.ща 0 = ——-В.-.—-Д (1//Г) • {1 — ехр[(Л^о- -1 /Г0 — А (1 /Т) • /]}.

4 У 1/7—М^т 1/Г0 -Ыса + А (1/Т) /Та-Ыссг 1 ' 0 л.

1.12).

Линии поглощения будут проявляться, если изменение потерь, вызванное ими, будет больше отношения мощности спонтанного шума к интенсивности генерации в данной моде: аГ—1″ — (1.13).

1т) ??0 >

В этом случае относительная глубина провалов в спектре генерации меняется по закону: = 1-ехр[-Д^/] (1.14).

Если селективные потери обусловлены спектральным поглощением вещества, находящегося в резонаторе: А О со) = —я (со)с, (1.15) кТто спектральное распределение интенсивности лазерной генерации можно записать в виде:

3{со, /) = (0 ехр (-—• ав {(о)с г) (1−16).

1/.

Здесь: / - длина части резонатора, заполненной исследуемым веществом,.

Ь — длина лазерного резонатора, аа (со) — спектральный коэффициент поглощения исследуемого вещества. тдлительность импульса генерации.

Полученное выражение для скорости роста провалов на фоне гладкого спектра (1.16) [151, 154] аналогично закону Бугера-Ламберта-Бэра [6], который характеризует ослабление интенсивности света при его прохождении через исследуемое вещество.

При получении выражения (1.16) предполагалось, что ширина линий поглощения значительно меньше спектральной ширины однородно уширенного контура усиления лазерноактивной среды. Это хорошо выполняется для неконденсированных сред: газ, пары жидкостей, ионизированные среды и др., a применение метода BPJIC для изучения твёрдых тел и жидкостей имеет свою специфику [84−86].

Спектральный коэффициент поглощения, при котором интенсивность лазерной генерации в узком спектральном диапазоне уменьшается в е-раз, определяется длительностью генерации: а?~ — = (1.17) с г /э&bdquo-„

Т. обр., внутрирезонаторный спектр соответствует традиционному спектру поглощения объекта, имеющего эквивалентную длину 1экв=ст, и эта длина не зависит от физической длины объекта, а определяется только длительностью импульса генерации. Последнее характеризует чувствительность BPJIC согласно: ге~ — (1.18).

1er т.

В работах [52−53, 151, 154] показано, что чувствительность BPJ1C линейно растёт с увеличением квазинепрерывной генерации вплоть до г~1−10 мсек (т.е. значение аг ~ Ю^см" 1). Дальнейший линейный рост чувствительности ограничивается пульсациями интенсивности излучения в отдельных модах, уменьшающих их временную да ите-лкность с ростом мощности лазерного излучения, объяснение которых и учёт в рамках балансных уравнений не возможны.

Удовлетворительное толкование этого ограничения чувствительности BPJ1C приведено в [154−158] с позиций возникновения вынужденного рассеяния Манделынтамма-Брюллиэна. Приведённые в [157] оценки позволяют выбрать режим работы BPJIC вблизи порога генерации, что позволяет избежать значительных искажений за счёт нелинейных пульсаций интенсивности во внутрирезонаторном спектре.

Анализ предельной чувствительности в методе BPJIC проводился в [136,151,153−158, 167, 170, 174−179, 188, 191]. Теоретический предел чувствительности определён в [134, 151, 154] и оценен значением ае ~ Ю'^см*1, экспериментально зарегистрированная величина ае — ICT^cm" 1 [169, 188].

Высокая чувствительность и универсальность метода BPJIC обрела большое число поклонников среди специалистов, занимающихся вопросами практической спектроскопии. Анализ соответствующей научно-технической литературы показал, что для BPJI спектроанализаторов традиционно применяются широкополосные лазеры нескольких классов с использованием: органических красителей (JIOK) [11, 15, 136, 151−164, 172 190], щелочногаллоидных кристаллов (ШГК) с центрами окраски (ЦО) [18, 20, 42, 49−51, 89, 136, 151, 153, 167, 186], оксидных и фторидных кри.

•f 3 *f3 сталлов, легированных ионами группы железа (Сг, Со, Ti и др.) [29, 5254, 65, 67, 69, 138, 190, 192], а также полупроводниковых лазерных источников [134−136, 180, 185]. Применялись также рубиновый [153, 171] и не-одимовый [4−5,79, 153, 165−166] лазеры.

Использование таких источников, работающих в импульсном, квазинепрерывном и непрерывном режимах, позволило создать разнообразные BPJI спектроанализаторы с обнаружительной чувствительностью по коэффициенту поглощения ж > Ю" 10см" 1, работающие в диапазоне длин волн АЛ ~ 0,4−2,7 мкм.

Первые [4] опыты с BPJI спектроанализаторами показали большую перспективу для изучения спектров поглощения разнообразных веществ. Наибольшее число работ связано с изучением газов и паров жидкостей [5, 18, 44, 50−54, 151−154, 161−168, 187, 192]. Во многих работах приведены данные о новых линиях поглощения в ацетилене, метане, углекислом газе, аммиаке, водяных парах, окислах азота и др. Большой вклад в развитие метода ВРЛС и его практического применения для аналитических исследований атомов в пламенах и электротермических кюветах был сделан группой сотрудников ИФ АН республики Беларусь. Ими был успешно проведен цикл исследовании по регистрации следов примесеи калия, натрия, бария, никеля, кальция, железа, редкоземельных металлов и др. [159 164, 182]. Исследования спектров поглощения атмосферного воздуха комплексно проводятся в ИОА СО РАН [5, 153, 165−166, 171, 187]. В ИХФ РАН были разработаны основные подходы и методы изучения кинетики химических реакций и их продуктов [152, 154, 181, 183−184] с применением BPJ1C. С помощью этого метода изучались плазменные объекты [43, 65, 100, 104−108, 153, 161−164, 171] и получен обширный объём экспериментальных данных о возбуждённых переходах ионизированных сред. В работах [84−85, 105, 110, 138, 151, 154, 168] показана возможность обнаружения и исследования линий и полос усиления в газообразных и твердотельных средах, а в [28, 44, 84−86, 138, 154] продемонстрирована возможность регистрации полос поглощения в конденсированных средах — определение примесей в жидкостях и твердотельных матрицах.

Высокая чувствительность метода BPJIC позволила изучать нелинейные явления: линии комбинационного рассеяния [151, 154] процессы двухфотонного поглощения [151, 154, 193], эффект конденсации спектра излучения в широкополосных лазерах [67, 103−108, 140−148] и др.

Ряд основополагающих работ был проведён в США: Национальное бюро стандартов [172−173], Иллинойский технологический институт [174]- в Германии, в Центральном институте оптики спектроскопии [175] и в Гейдельбергском университете [134, 136, 155, 176−177, 188]- в университете г. Фокуока (Япония) [178] и др. Разные аспекты метода BPJ1C и его приложений разработаны и применены в США (например, [190]) в фирме «Белл» и «Дженерал Моторс», во Франции (университеты Орсе и Гренобля), Израиле (университет г. Тель-Авива), Болгарии, Канаде, Австралии, Югославии и др.

Практическая полезность использования BPJ1C показана в большом числе работ (около тысячи научно-технических публикаций), поэтому в кратком обзоре приведены только основные направления исследований, в которых демонстрируются возможности применения BPJIC для аналитических задач.

На основании изложенного ещё раз перечислим особенности АС, используемых для BPJIC: однородно уширенный контур усиления .7″ активной среды должен быть больше ширины линии у (или полосы Л у) поглощения исследуемой среды, т. е. 71 у" 1, а временная длительность лазерного излучения — максимально большой т—>тах. Причём коэффициент усиления должен оставаться практически неизменным в пределах линии (или полосы) поглощения изучаемой среды за время лазерной генерации. К АС, обладающих, такими свойствами, относятся: лазеры на органических красителях (JIOK) [11], на щелочногаллоидных кристаллах (ЩГК) с центрами окраски (ЦО) [12], на оксидных и фторидных кристаллах, легированных ионами металлов [13−14]. Все они позволяют получать генерацию с шириной спектра в интервале Ау~ 10−1000 см" 1 и временной дли.

3 2.

Тельностью до т ~ 10 -10″ сек, что вполне приемлемо при реализации BPJIC. Измерительная формула, которой пользуются на практике, имеет вид [4−5]:

J{yt, г) = Л ехр|- с-T-J-1 (1.19) где: J — спектральная интенсивность лазерного излучения в центре, J0 -на краю линии поглощения, с=3-Ю10 см/сек — скорость света, т~ временная Длительность лазерного излучения, ае (v-) — спектральный коэффициент поглощения, 1 и L длина, занимаемая изучаемым объектом и длина лазерного резонатора.

Постановка задачи.

Приведённый выше анализ позволяет сформулировать основные требования, предъявляемые к методам и средствам измерений (СИ) малых величин коэффициентов преломления и поглощения, регистрируемых с помощью лазерной интерферометрии и абсорбционной лазерной спектроскопии.

Основной вклад в поглощение, у большинства сред, находящихся в нормальном состоянии, простых и сложных химсоединений определяется молекулами, входящими в их состав (атомы имеют специфические резонансные линии поглощения и, в основном, находятся в УФ и синей областях спектра). Полосы поглощения определяются электронно-колебательными, колебательными переходами (и их обертонами) и занимают ближнюю ИК и, граничащую с ней, видимую области спектра. Сечения поглощения для одно-, двух-, трёхквантовых переходов, в основном.

19 21 2 электронном состоянии, находятся в интервале а~ 10″ -10″ см. Поэтому для регистрации минимальных значений концентраций примесных, слабо-поглощающих молекул и агрегатов можно использовать необходимое и достаточное условие определения химического реагента:

Nt ~{ppm-ppb)^>{ 10й -10й) см" 3 (1.20).

Величины предельно малых значений концентраций характеризуются установленными ПДК [101] и определяют требования минимальной обна-ружительной способности, используемых на практике, СИ. Тогда можно оценить пределы регистрации коэффициентов поглощения определяемых, на практике, с помощью BPJTC: ae (vA) = <х (vJ-N, ~ (10й -10|4)(10−19 -10″ 21) (1(Г5 -КГ'^см" 1 (1.21).

Определяющим для этого является условие, относящееся к временной длительности лазерного излучения т, задающей обнаружительную чувствительность BPJIC. Исходя из выражений (1.18) — (1.20), будем иметь: г~ (Ю'МО" 1) сек (1.22).

Таким образом, для решения задач определения слобопоглощающих примесей в изучаемых средах абсорбционными лазерными методами достаточно иметь ВРЛС с характеристиками:

— спектральный диапазон перестройки АЯ- 0,4−3,0 мкм,.

— «панорама обзора спектра» за импульс 8Я ~ 1−2 нм (реально 8Л~ 1−100 нм), 1.

— время регистрации линий поглощения г~ 10″ -10 сек,.

— обнаружительная чувствительность ае см ,.

— спектральное разрешение Л ~ 10″ 2−10″ 3 нм,.

— габариты, вес, энергопотребление — минимальные Встречающиеся на практике плазменные объекты характеризуются температурой Г-бОО-Ю^С и концентрацией электронов Ие ~ Ю10-Ю18 см" 3. С учётом выражения (1.5) можно определить требования, предъявляемые к любым интерферометрам:

— обнаружительную чувствительность по фазовому сдвигу.

2 3.

АЯ/Я- 10″ -10″ интерференционной полосы,.

— быстродействие т~ 10″ 3−10″ 8 сек,.

— пространственное разрешение — несколько миллиметров,.

— динамическии диапазон.

АЯ/Я ~ 1(ГМ (Г (доли и целые интерференционные полосы),.

— возможность исследования гетерогенной плазмы (наличие в плазме твердых металлических и жидких частиц и аэрозолей с размерами с1 ~.

8 3.

1−100 мкм и концентрацией до 10 см"), т. е. затухание излучения на дисперсной фазе должно быть минимальным. Перечисленные выше требования, необходимые для проведения исследования веществ с помощью ЛИ и ВРЛС, определяют состав и технические характеристики аппаратуры. Основными блоками любого ВРЛС являются:

1. Широкополосный перестраиваемый лазер, активная среда которого.

С с «ii о генерирует гладкии спектр излучения под действием внешнего источника накачки: лазер, лампа-вспышка и др.

2. Широкодиапазонный полихроматор высокого разрешения.

3. Система регистрации, расшифровки и обработки спектров, несущих информацию об изучаемой среде, расположенной в лазерном резонаторе.

4. Сопутствующее оборудование: система контроля характеристик лазерного излучения, фильтры, набор эталонных эмиссионных источников для калибровки полихроматора, вакуумное оборудование, аналитические кюветы и др.

Т.к. спектр генерации активной среды широкополосного лазера селективно зависим от внесённых в резонатор потерь, то определяющим условием для работы BPJIC является исключение мешающих световых сигналов, возникающих за счёт отражения от граней оптических элементов: зеркала, линзы, лазерный элемент, окна кюветы и др. Для устранения их влияния грани используемых оптических элементов имеют скосы или устанавливаются под небольшим углом к оптической оси. Влияние интерференционных переотражений начинает сказываться, если временная дм*.

7 6 теДЬность излучения т> 10″ -10″ ° сек. Паразитная селекция в спектрах может появляться и за счёт виброакустических «наводок» на оптические элементы. Исключить полностью их не удаётся, поэтому для многих задач можно использовать BPJIC, работающие в импульсном и квазинепрерывном режимах. Причём квазинепрерывный режим генерации импульсных источников по длительности времен^ издУЧ^ми?. близок к величине, реализуемой на непрерывных перестраиваемых лазерах. Тогда упрощается преодоление порога возбуждения, т.к. значительная часть АС с широкой полосой генерации работают только в импульсном режиме. Кроме того, импульсные перестраиваемые лазеры генерируют с более широ.

— 2.5кой полосой, что увеличивает объём одновременно получаемой информации об изучаемом объекте. Т.о.,. используемые АС должны обладать следующими параметрами: полоса одновременно генерируемого спектра.

7 О излучения 5Я — 0,3−50 нм, время квазинепрерывной генерации т ~ 10″ -10″ сек, пороги возбуждения Р ~ 10−500 кВт/см, отсутствие или минимальное влияние наведённого поглощения, хорошее оптическое качество, стойкость к влиянию внешних факторов, приводящих к деградации инверсионных свойств и др.

Система регистрации характеристик лазерного излучения, используемая для ЛИ и ВРЛС, содержит: высокоразрешающий полихроматор, фотоприёмники с малым временем фотоотклика, фотоэлектрическая система регистрации спектров и амплитудно-фазовых сигналов, система регистрации динамических характеристик амплитуды лазерного излучения, система фоторегистрации и расшифровки спектральных сигналов.

Основу приёмной системы ВРЛС составляют высокоразрешающие по-лихроматоры, в которых используются дисперсионные элементы, работающие в высоких порядках дифракции. Коллиматором для них служила труба УФ-90 и модифицированный зеркальный спектрограф ДФС-451. Использовались решётки с «углом блеска» tga ~ 2 (а ~ 64°), работающие в 15−40 порядках дифракции. Для увеличения обратной линейной дисперсии использовались 2-х и 3-х проходные системы с дополнительными зеркаг лами. Это позволило получить разрешение Я ~ 10 и дисперсию В ~ 0,1−0,05 А/мм (зависит от спектрального диапазона). Т.о.',. двух модифицированных полихроматоров вполне хватало для анализа спектров в диапазоне ЛЯ ~ 0,3−5 мкм. Их калибровка осуществлялась с помощью эмиссионных источников и лазерных линий газовых и твердотельных генераторов. Для увеличения геометрического спектрального разрешения полихроматора использовались специально разработанные световолокон-ные диссекторы (с входной апертурой: ширина 100, 50 и 10 мкм и высота 1 см) в виде вертикальных линеек, другие концы которых были собраны в жгуты и с помощью специальной согласующей оптики совмещались с фотоприёмниками.

В качестве фотоприёмников использовались ФЭУ, кремниевые и германиевые диоды, ПЗС-линейки, анизотропные термопреобразователи и малоинерционные диоды-смесители на точечном контакте V-Si. При изучении нестационарных быстропротекающих процессов в изучаемой среде использовалась модифицированная высокоскоростная кинокамера ВФУ-1. Регистрируемые фотографическим способом спектры поглощения и эмиссии обрабатывались на спектрофотометре ИФО-451 и компараторе ИЗА-6.

Для сред, находящихся в различных агрегатных состояниях, использовалось дополнительное оборудование при изучении в электрическом и магнитном поле, при высокой и пониженной температуре и т. д.

К основным элементам лазерного интерферометра относятся:

1. Лазерный источник с фиксированным спектром излучения и амплитудой сигнала.

2. Оптические элементы: зеркала, делители пучка излучения, котировочные столики для перемещения зеркал интерферометра и др., устанавливаемые на массивной опоре и определяющие двухлучевой (например, Маха-Цандера) или многолучевой (например, Фабри-Перо) тип лазерного интерферометра.

3. Система регистрации: фильтры или полихроматор, для исключения влияния собственного излучения плазмы на длине волны лазерного источника, малоинерционный приёмник и система определения величин амплитудно-фазовых сигналов.

Совершенство всех перечисленных элементов определяет чувствительность определения коэффициента преломления изучаемого объекта.

В диссертации подробно рассмотрены основные классы перестраиваемых лазеров, применяемых для ВРЛС и ЛИ, приводятся результаты экспериментальных исследований характеристик их спектрального излучения и определены способы получения квазинепрерывной генерации для достижения максимальной временной когерентности. Показана возможность практического применения таких источников для высокочувствительной интерферометрии плазменных объектов. Обсуждены результаты создания многофункциональных элементов для управления и измерения основных характеристик лазерного излучения, приведены экспериментальные результаты измерений характеристик веществ, находящихся в любом агрегатном состоянии, зарегистрированных с помощью ВРЛС и ЛИ.

Выводы к главе VII.

1. Разработаны и созданы для управления спектральными, энергетическими, временными и пространственными характеристиками лазерного излучения многофункциональные оптические элементы — спектральные флуоресцентные трансформаторы, «мягкие» апозидирующие диафрагмы и пассивные лазерные затворы — изготовленные из сред и материалов перестраиваемых по частоте лазеров, а также из п/п материаловкремний и германий.

2. Использование оптических элементов различной геометрической формы — цилиндр, полый параллелепипед, призма полного внутреннего отражения, — выполненных из лазерных материалов, позволили создать оптические элементы для лазерной техники, выполняющие одновременно несколько функций: активная среда, мягкая" апозидирующая диафрагма, пассивный лазерный затвор, спектральный флуоресцентный трансформатор, зеркало резонатора, дисперсионный элемент и др,.

3. Реализована практическая версия «белого лазера» и на его основе «многоцветный», сверхширокополосный ВРЛ спектроанализатор.

4. Разработаны и созданы многофункциональные, малоинерционные, широкодиапазонные лазерные приемники, а также их модификацииматрицы и линейки. На их основе изготовлены измерители характеристик лазерного излучения и многоканальный спектрометр световых сигналов.

Заключение

.

Полученные результаты проведённых исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Проведены экспериментальные исследования механизмов получения квазинепрерывного режима генерации перестраиваемых лазеров с однородно уширенным контуром усиления, что позволило определить условия увеличения обнаружительной чувствительности внутрирезонаторной лазерной спектроскопии для слабых линий (полос) поглощения (усиления) и создать комплекс спектроанализаторов, работающих в интервале длин волн ДА. ~ 0.4−1,8 мкм с динамическим диапазоном определения коэффициента поглощения аз ~ 10″ 2−10″ 9 см" 1 и панорамой обзора спектра 8Х ~ 1−50 нм. Реализованы многоканальные, «многоцветные», малогабаритные и сверхширокополосный (при реализации версии «белого лазера») лазерные спектроанализаторы. Были разработаны методы регистрации линий (полос) поглощения (усиления) и с их помощью, на созданном комплексе спектроанализаторов, проведены исследования характеристик сред, находящихся в различных агрегатных состояниях: газ, жидкость, твёрдое тело, плазма и гетерогенная среда. При этом, зарегистрирована и уточнена химическая принадлежность для нескольких сотен новых линий поглощения и усиления. Продемонстрирована возможность использования внутрире-зонаторных спектроанализаторов для регистрации полос поглощения и усиления в твердотельных лазерных матрицах с чувствительностью на несколько порядков выше, чем у традиционных спектрофотометров. Это открывает новые возможности для экспрессного изучения и контроля качества создаваемых лазерных материалов.

2. Разработаны высокочувствительные методы диагностики и создан комплекс многолучевых, частотных и гомодинных лазерных интерферометров для исследования оптически прозрачных и плазменных объектов у включая гетерогенную плазму) с чувствительностью до АХ/Х -10″ инg терференционной полосы, быстродействием до 10″ сек, пространственным разрешением 0,1−2 мм, обеспечивающих измерение концентрации.

7 18 3 электронов плазмы в интервале величин >1е ~ 10 -10 см". Особенностью некоторых интерферометров является то, что с их помощью можно регистрировать линии (полосы) поглощения (усиления), что расширяет их функциональные возможности — одновременное определение коэффициентов преломления и поглощения исследуемых объектов.

3. Для лазерноактивных сред с высоким коэффициентом поглощения (эз > 10 см*) и малыми временами возбуждённого состояния (т ~ 10″ 6 сек) предложена модель, определены условия, разработаны технология и методы создания многофункциональных двухфазных сред для использования в лазерной технике. Экспериментально показана возможность их применения в качестве: лазерных элементов для перестраиваемых «многоцветных» источников излучения, спектральных флуоресцентных трансформаторов излучения, «мягких» апозидирующих диафрагм и пассивных лазерных затворов. При этом, созданные элементы, в зависимости от экспериментальных условий, могут одновременно выполнять несколько функций. Предложено практическое применение двухфазных сред в метрологии, для создания стандартных образцов аэрозольных образований с фиксированным спектром размеров частиц и счётной концентрацией для интервала размеров с1~ 10″ 3−103 мкм. Проведены расчёты и определено влияние аэрозольных образований, созданных на базе лазерных люминофоров, на ослабление интенсивности лазерного излучения при его транспортировке на большие расстояния (например, лидарное зондирование атмосферы).

4. Экспериментально исследован аномальный эффект «конденсации спектра излучения», возникающий в перестраиваемых лазерах при размещении в резонаторе ионизированной среды с добавками: редкоземельных металлов, возбуждённых молекул воды, циана и молекулярных кластеров — фуллерен и нанотрубочки. Зарегистрировано более 100 сильных линий КС (всего более 300 линий), исследована их структура и характерные особенности возникновения и взаимосвязи спектральной интенсивности излучения с динамикой импульса лазерной генерации — обнаружено возникновение двух режимов: частичной и полной КС. Аналогичное явление впервые зарегистрировано в лазерном кристалле александрита с ростом энергии накачки. Изучена структура линии конденсации и обнаружен простой способ её перестройки по спектру. Предложена интерпретация механизма возникновения наблюдаемого эффекта в рамках спектроскопии насыщения поглощения.

5. Экспериментально исследованы способы согласования полос поглощения лазерных сред и ламповых источников накачки с применением спектральных флуоресцентных трансформаторов излучения, в качестве которых использовались материалы перестраиваемых лазеров (органические красители, кристаллы с центрами окраски и др.). Проведённые исследования позволили в почти «глухом» резонаторе, снизить пороги возбуждения активных сред в несколько раз, реализовать режим «светового котла» и впервые получить вынужденное излучение с ламповой накачкой в ряде лазерных сред.

6. Разработаны методы и технология изготовления «мягких» апозиди-рующих диафрагм для лазеров видимого диапазона ДА, ~ 0,4−0,7 мкм с использованием материалов из щелочногаллоидных кристаллов с Б2 и центрами окраски, а также А1203: Т1, выращенного методом Вернейля. Создание кристаллов №Р с Р2А — подобными центрами окраски и исследование их характеристик позволило разработать на их базе пассивные лазерные затворы, используемые для лазеров оксидной и фторидной групп, легированных ионами хрома и титана.

7. Разработаны и созданы многофункциональные оптические элементы из материалов перестраиваемых лазеров в виде порошков, аэрозолей и гидрозолей, двухфазных гетерогенных сред и моноблоков для управления энергетическими, временными, спектральными и пространственными характеристиками лазерного излучения.

8. Для измерения спектральных, динамических и энергетических характеристик лазерного излучения (включая силовые лазеры со сложным спектром излучения) разработаны и созданы многофункциональные, малоинерционные и широкодиапазонные (АХ ~ 0,2−400 мкм) приёмники, их матричные и линейчатые модификации, а на их базе различные измерители характеристик лазерного излучения и многоканальный спектрометр световых сигналов.

9. Вся совокупность разработанных высокочувствительных методов, средств измерений и проведённых экспериментальных исследований объединены одной направленностью — определение действительной и мнимой частей комплексного коэффициента преломления вещества, что составляет основу нового научного направления аналитической лазерной спектроскопии и интерферометрии высокого разрешения для изучения характеристик сред, находящихся в различных агрегатных состояниях.