ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2009, том 107, № 5, с. 874-880
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ОПТИКА
УДК 621.375.88
МИНИАТЮРНАЯ РЕЗОНАНСНАЯ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКАЯ КАМЕРА С ПОНИЖЕННЫМ УРОВНЕМ ФОНОВОГО СИГНАЛА ОТ ОКОН ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГАЗОВ
© 2009 г. А. В. Горелик, В. С. Старовойтов
Институт физики им. Б.И. Степанова НАНБ, 220072 Минск, Белоруссия E-mail: a.gorelik@dragon.bas-net.by, vladstar@dragon.bas-net.by Поступила в редакцию 29.12.2008 г. В окончательной редакции 01.06.2009 г.
Представлена резонансная оптико-акустическая камера, внутренний объем которой составляет ~0.5 см3. Форма внутренней полости камеры подобрана таким образом, чтобы минимизировать фоновый сигнал, возникающий вследствие поглощения лазерного луча в окнах камеры. Описаны экспериментальная установка, процедура измерений и конструкция камеры. Приведены результаты детектирования аммиака в потоке азота на линии R(30) генерации СО2-лазера. Минимальное детектируемое поглощение, достигаемое в эксперименте, составляет величину ~3.2 х 10-8 см-1 Вт Гц-1/2.
PACS: 82.80 Kq, 42.62 fi, 07.60
Лазерная оптико-акустическая (ОА) спектроскопия является одним из наиболее чувствительных методов бесконтактного локального анализа микроколичеств химических соединений в газовой среде [1-3]. Наибольшие успехи, полученные с помощью этого метода, связаны с использованием лазеров среднего ИК диапазона: СО2- (область генерации 9-11 мкм) и СО-лазеров (2.8-4.1 или 5.1-8.0 мкм) [4], параметрических генераторов света (3-5 мкм) [5], квантово-каскадных лазеров (4-50 мкм) [6] или полупроводниковых лазеров (0.7-2 мкм) [7]. Создание миниатюрных спектроскопических устройств для анализа микроскопических количеств газа является перспективной областью применения для лазерной ОА спектроскопии. Принцип действия ОА метода основан на определении амплитуды и фазы акустических колебаний давления газа, возникающих при поглощении модулированного излучения молекулами газа внутри специально сконструированной ОА камеры-резонатора [1-3]. Высокочувствительное ОА детектирование реализуется, когда частота модуляции находится в резонансе с модой акустических колебаний камеры. Поэтому частота модуляции должна соответствовать размерам камеры: с уменьшением размеров частота растет. Модуляция лазерного луча при ультразвуковых частотах вплоть до субмегагерцового диапазона позволяет уменьшать размеры камеры до нескольких миллиметров. Согласно теоретическим оценкам, с уменьшением размеров камеры амплитуда ОА отклика увеличивается [8, 9].
QEPAS (Quartz-Enhanced Photo-Acoustic Spec-^08С0ру)-метод ОА детектирования газов является успешно развиваемым подходом для миниатю-
ризации спектроскопических измерений [10]. В данном методе звуковая энергия аккумулируется не в наполненной газом резонансной акустической камере (как в традиционных резонансных ОА методах), а в высокодобротном кварцевом стандарте частоты. Как правило, этим стандартом служит камертон с частотой акустического резонанса в воздухе 32 кГц. рБРАБ-подход успешно апробирован с различными лазерами ИК диапазона (например, диодными и квантово-каскадными лазерами) [11, 12]. Внутренний объем рБРАБ-камеры сравним с величиной ~1 см3. Эксперименты подтверждают, что высокочувствительное ОА детектирование может быть осуществлено при ультразвуковой модуляции излучения, если скорости перераспределения поглощенной молекулами энергии между колебательными и поступательными степенями свободы высоки по сравнению с частотой модуляции.
Цель данной работы заключается в демонстрации другого возможного подхода к миниатюризации спектроскопических измерений. В отличие от рБРА8-метода мы придерживаемся традиционного подхода к ОА детектированию: сквозь маленькое отверстие в корпусе камеры конденсаторный микрофон регистрирует ОА отклик в газе на лазерное излучение, модулированное на частоте одного из акустических резонансов камеры. Мы принимаем, что миниатюризированная ОА камера должна быть по чувствительности не хуже, чем камера традиционных размеров. Для достижения высокой чувствительности конструкция камеры должна отвечать нескольким требованиям. В первую очередь, конструкция должна обеспечивать максимально высокий полезный сигнал
1 2
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — генератор воздуха/азота, 2 — термодиффузионный генератор, 3 — регулятор расхода газа, 4 — зеркало, 5 — коллиматор, 6 — ОА камера, 7 — фотодетектор, 8 — измеритель мощности, 9 — модулятор, 10 — устройство для перестройки лазера, 11 — С02-лазер, 12 — цифровой осциллограф, 13 — система активной стабилизации лазерного излучения, 14 — компьютер.
(т.е. ОА отклик от газа, находящегося внутри камеры) на заданном акустическом резонансе. Камера должна быть надежно изолирована от внешнего акустического шума и сопутствующих паразитных электрических помех. Наконец, ОА отклик (так называемый фоновый сигнал) от конструктивных элементов камеры должен быть сведен к минимуму.
Фоновый сигнал ассоциируется обычно с поглощением излучения оптическими окнами (или иногда стенками внутренней поверхности) камеры и последующим локальным нагреванием газа в камере. Фоновый сигнал от окон может существенно затруднять высокочувствительное ОА детектирование газов, предполагающее применение лазерного излучения высокой мощности (например, при расположении камеры внутри резонатора С02- или СО-лазера, генерирующего излучение с мощностью несколько десятков ватт). Для подавления сигнала от окон в конструкцию камеры вносятся изменения, приводящие, как правило, к заметному увеличению размеров камеры [3]. Более того, наш опыт свидетельствует, что с уменьшением размера камеры (когда происходит укорочение оптического пути для лазерного луча) наблюдается увеличение фонового сигнала от окон по отношению к полезному сигналу.
Показано, что проявление фонового сигнала от окон в миниатюрной резонансной ОА камере
может быть минимизировано путем подгонки формы для внутренней полости камеры. В работе приведены результаты экспериментов по лазерному ОА детектированию газов. Представлена резонансная ОА камера с внутренним объемом менее 1 см3. Геометрическая форма внутренней поверхности для камеры существенно проста. Мы демонстрируем, как параметры, задающие эту форму, могут быть подобраны таким образом, чтобы минимизировать фоновые сигналы, обусловленные поглощением излучения в окнах камеры. Описаны экспериментальная установка, процедура измерения и конструкция камеры. Представлены результаты поглощения аммиака с помощью С02-лазера.
Экспериментальная установка представлена на рис. 1 и состоит из четырех основных функциональных частей: газогенераторной системы (включает генератор воздуха/азота 1, термодиффузионный генератор 2 и регулятор расхода газа 3), источника лазерного излучения (С02-лазер 11, устройство для компьютеризированной перестройки лазера по линиям генерации 10, система активной стабилизации лазерного излучения 13), компьютеризированной системы управления экспериментом, детектирования и обработки сигналов (персональный компьютер 14, акустооптиче-ский модулятор 9, цифровой осциллограф 12, измеритель мощности 8, фотодетектор 7) и ОА камеры 6.
Газогенераторная система предназначена для формирования газового потока. Центральным звеном системы является генератор азота/воздуха ANG250A (производитель — Peak Scientific Instruments Ltd.), который вырабатывает поток азота высокой чистоты (содержание N2 > 99.9995%) или сухого чистого воздуха (чистота воздуха соответствует точке росы —70°C). Термодиффузионный генератор ГДП-102 (производитель — ФГУП СПО "Аналитприбор") предназначен для подмешивания микроколичеств целевого компонента (например, нескольких ppm аммиака), создаваемого источником микропотока газа или пара, к потоку газа-разбавителя (азота). Скорость газового потока поддерживается неизменной на заданном уровне с помощью регулятора расхода газа РРГ-33 (производитель — Элточприбор), полный диапазон и точность регулирования соответствуют 10 и 0.2 см3/мин, время отклика <0.1 с.
Достоинствами источника лазерного излучения являются компактность (длина резонатора 96 см) и возможность компьютеризированной перестройки излучения по длинам волн генерации. В качестве источника используется С02-ла-зер (отпаянная газоразрядная трубка ЛГ-205), перестраиваемый в диапазоне длин волн от 9 до 11 мкм. Лазер работает в неавтоколлимационном режиме (схема Литтмана), что обеспечивает надежный выбор лазерных линий и устойчивый режим работы лазера на отдельной линии генерации. Изменение линии генерации осуществляется с помощью дифракционной решетки (150 штр/мм, угол блеска 31°, отражение в нулевой и первый порядки дифракции — 3 и 94% соответственно). Решетка закреплена в пьезокерами-ческой оправе и расположена в плече уголкового отражателя, вращаемого вокруг оси с помощью механического узла 8MR180-Phytron (производитель — Standa). Минимальный угол поворота (4.5") за один шаг двигателя принимается как погрешность настройки на линию генерации. Стабилизация мощности для лазерного излучения осуществляется путем активной подстройки длины резонатора лазера при помощи пьезокерами-ческой оправы, управляемой стандартным блоком автоматической подстройки частоты ЛГ-74. Диаметр выходного лазерного луча ~2 мм. Мощность выходного лазерного излучения на отдельных линиях генерации составляет величину до ~200 мВт.
Зондирующее лазерное излучение модулируется германиевым акустооптическим модулятором (эффективная апертура ~3 мм, эффективность отклонения луча — 80%, производитель — ФГУП "Полюс"). Дифрагированный луч направляется сферическим зеркалом 5 с модулятора на измеритель мощности Ophir 3A. Угол дифракции луча зависит от длины волны излучения X. Поэто-
му радиус зеркала подбирается так, чтобы минимизировать возможное поперечное смещения луча относительно измерителя. Проходящий луч (не зависит от X) направляется через коллимиру-ющую систему линз 6 (линзы из германия с просветляющим покрытием) на ОА камеру и фотодетектор. Коэффициент уменьшения диаметра луча для системы линз равен 4. Мы принимаем, что фактическая мощность модулированного излучения на
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.