ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2013, том 115, № 4, с. 644-651
ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
УДК 621.375.88
МИНИАТЮРНЫМ ПРОТОТИП РЕЗОНАНСНОЙ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКОЙ КАМЕРЫ ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГАЗОВ
© 2013 г. А. В. Горелик, А. Л. Уласевич, А. А. Кузьмук, В. С. Старовойтов
Институт физики им. Б.И. Степанова НАНБ, 220072 Минск, Беларусь E-mail: a.gorelik@dragon.bas-net.by, vladstar@dragon.bas-net.by Поступила в редакцию 25.12.2012 г. В окончательной редакции 08.02.2013 г.
Представлен миниатюризированный прототип резонансной оптико-акустической (ОА) камеры, внутренняя полость которой имеет форму банана. Объем полости прототипа не превышает ~5 мм3. Описаны конструкция камеры и экспериментальная установка, использованная для тестирования эксплуатационных качеств прототипа. Приведены результаты тестирования прототипа в экспериментах по ОА детектированию поглощения излучения аммиаком в потоке азота при использовании одномодового диодного лазера, генерирующего излучение в области длин волн ~1.53 мкм. Проанализирована амплитудно-частотная характеристика ОА отклика на поглощение излучения в присутствии и без аммиака. Чувствительность детектирования газов, как показывает эксперимент при времени усреднения сигналов ~0.26 с, ограничивается лишь шумом микрофона. Измеренный минимальный детектируемый коэффициент поглощения, ограничиваемое шумом, достигает величины -8.48 х 10-8 см-1 Вт Гц-1/2. БО1: 10.7868/80030403413100036
ВВЕДЕНИЕ
Лазерная оптико-акустическая (ОА) спектроскопия является эффективным методом бесконтактного, высокочувствительного анализа и идентификации химических соединений в газовой среде [1-4]. Принцип данного метода основан на измерении амплитуды и фазы акустических колебаний, возникающих как отклик (так называемый ОА отклик) на поглощение модулированного лазерного излучения молекулами газа внутри ОА камеры. Амплитуда ОА отклика пропорциональна мощности лазерного излучения и коэффициенту поглощения излучения в исследуемом газе. При совпадении частоты модуляции с частотой акустического резонанса камеры чувствительность ОА детектирования газов значительно повышается. Резонансная ОА спектроскопия с использованием лазеров ИК диапазона характеризуется величиной минимально детектируемого поглощения ~10-10 см-1 при временном разрешении порядка нескольких секунд [5-8]. Данная методика успешно применяется в различных областях промышленности, биомедицине и научных исследований [9-13].
Разработка газовых сенсоров, сочетающих миниатюрные резонансные ОА камеры и компактные полупроводниковые лазеры, является перспективным направлением развития ОА спектроскопии [14-16]. Согласно теоретическим расчетам, амплитуда ОА отклика увеличивается при уменьшении размеров камеры [14, 17, 18]. Возможность высо-
кочувствительного детектирования газов внутри миниатюрной камеры позволяет анализировать химические соединения малоразмерных объектов испускающих сверхмалые газовые потоки. Грубая оценка показывает, что применение резонансной ОА камеры с внутренним объемом ~1 мм3 может обеспечить обнаружение различных химических соединений, выделяемых со скоростью от ~10-10 до 10-14 см3/с. Для сравнения в ходе аэробных обменных процессов индивидуальная клетка живого организма выделяет углекислый газ со скоростью от 10-10 до 10-9 см3/с [19]. В реакциях фотосинтеза отдельная клетка растения может поглощать углекислый газ со скоростью более чем 10-8 см3/с [20]. Применение миниатюрных ОА течеискателей позволит повысить чувствительность обнаружения течи в более чем в 100 раз по сравнению с промышленными масс-спектрометрическими системами определения газовых течей [21]. В отличие от этих систем, ОА течеискатели не требуют применения дорогостоящих вакуумных камер и могут использоваться при локализации течей т зШ для широкого ряда газов, испускаемых в атмосферном воздухе. Наиболее подходящими источниками излучения для компактных ОА сенсоров являются одномодовые полупроводниковые лазеры, генерирующие излучение в ближнем или среднем инфракрасном диапазоне длин волн: лазерные диоды (0.4-4 мкм) или квантово-каскадные лазеры (4-20 мкм) [22-24].
Существует несколько эффективных подходов к практической реализации миниатюрного ОА газового сенсора, работающего на акустическом резонансе. Один из наиболее развитых подходов основывается на методе QEPAS-детектирования (Quartz-Enhanced Photo-Acoustic Spectroscopy) поглощения излучения в газах [25]. При данном подходе звуковая энергия аккумулируется не в камере-резонаторе, а в высокодобротном кварцевом стандарте частоты. Обычно этим стандартом служит миниатюрный камертон, частота акустического резонанса которого составляет величину ~33 кГц. Объем внутренней полости QEPAS-ка-меры достигает нескольких кубических сантиметров. Разработана теоретическая модель, позволяющая оптимизировать конструкцию для QEPAS-сенсора [26]. Реализовано на практике высокочувствительное QEPAS -детектирование газов с применением различных лазерных источников ИК излучения (лазерных диодов, кванто-во-каскадных лазеров и оптических параметрических генераторов) [27—31]. Эксперименты показали, что высокая чувствительность ОА детектирования поглощения в газах может быть реализована на ультразвуковых частотах при условии, что скорость колебательно-колебательных и колебательно-поступательных процессов перераспределения поглощенной энергии для детектируемого соединения существенно велика по сравнению с частотой модуляции лазерного излучения.
Миниатюризация резонансной камеры возможна также и при традиционном методе детектирования ОА сигналов (ОА отклик, регистрируемый микрофоном, вызывается излучением, модулируемым с частотой акустического резонанса внутренней полости камеры). Геометрические параметры внутренней полости ОА камеры должны быть тщательно оптимизированы для обеспечения наибольшей чувствительности детектирования газа на выбранном акустическом резонансе. Наиболее точный способ оптимизации основывается на численном моделировании, которое позволяет определять трехмерное пространственное распределение внутри камеры для амплитуды стоячей волны, отвечающей выбранной акустической моде. Недавние исследования показывают, что такая оптимизация позволяет минимизировать паразитные акустические сигналы (фоновый сигнал, возникающий при поглощении излучения в окнах камеры, а также отклик на внешние акустические шумы), которые могут оказывать существенное негативное влияние на детектирование газов для миниатюризованных камер [32, 33]. Стандартным расчетным методом, успешно применяемым при оптимизации конструкции ОА камер, является метод конечных элементов, который дает прямое численное решение для акустического уравнения Гельмгольца [34, 35]. Миниатюризация камеры (вплоть до раз-
меров микроэлектромеханических систем) может быть выполнена также с помощью обычной процедуры масштабирования для макромасштабных камер, конструктивные особенности которых хорошо изучены и оптимизированы [36—38].
В настоящей работе мы представляем миниа-тюризированный аналог для ОА камеры, внутренняя полость которой имеет форму банана [39]. Оптимальная конструкция для макромасштаб-ной бананообразной камеры была определена с помощью численного моделирования (с использованием электрической эквивалентной модели) акустических свойств камеры и затем испытана в эксперименте [39—41]. Оптимизация конструкции позволила, в частности, минимизировать фоновый ОА отклик на поглощения излучения в окнах камеры для выбранного акустического резонанса. Как показал эксперимент, эта камера обладает высокой чувствительностью детектирования газа при использовании линейно поляризованного коллимированного лазерного луча. Минимальный коэффициент поглощения, ограничиваемый шумом микрофона, составляет величину ~2 х 10-10 см-1 Вт Гц-1/2. Фоновый сигнал от окон (этот сигнал соответствует коэффициенту поглощения ~2 х 10-8 см-1) является умеренно небольшим и сравним с шумом микрофона при средней мощности лазерного излучения ~10 мВт.
Как и макромасштабная камера [39], наша ОА камера предназначена для работы с линейно поляризованным коллимированным лазерным лучом. Параметры, определяющие форму для внутренней полости камеры, получаются путем масштабирования размеров полости камеры [39], чтобы не только обеспечить оптимальный режим работы камеры для выбранного акустического резонанса, но и одновременно существенно уменьшить размеры камеры. Для лучшей миниатюризации камера адаптирована к предельно узкому лучу, расходимость которого близка к дифракционной. Достоинства такого подхода к миниатюризации демонстрируются в настоящей работе на примере одного из прототипов камеры. Этот прототип приспособлен для работы с узким слабо-расходящимся лучом, сформированным полупроводниковым лазером ближнего ИК диапазона. Проводится анализ эксплуатационных качеств (амплитудно-частотная характеристика ОА отклика и минимальное детектируемое поглощение) прототипа. Анализ выполняется на основе данных, полученных в экспериментах по детектированию поглощения в газах. В работе дано детальное описание для конструкции камеры. Представлена экспериментальная установка, использованная при тестировании эксплуатационных качеств камеры. Приведены результаты тестирования.
п - 2&B
о*-
Рис. 1. Конструкция внутренней полости ОА камеры: М — датчик акустических колебаний. Расположение входного и выходного отверстий для прокачки исследуемого газа показано звездами.
КОНСТРУКЦИЯ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКОИ КАМЕРЫ
Представленная ОА камера предназначена для детектирования газов с помощью коллимирован-ного и линейно поляризованного лазерного луча. Как и для макромасштабной камеры [39], внутренняя полость нашей ОА камеры состоит из трех смежных цилиндрических полостей (одной центральной и двух боковых) и напоминает форму "банана". Диаметр внутреннего сечения Б для центральной и боковых полостей выбирается одинаковым. Оси симметрии всех трех полостей лежат в одной плоскости, которая, как предполагается, совпадает с плоскостью, образованной оптической осью луча и вектором поляризации Р лазерного излучения. Сечение внутренней полости камеры плоскостью, образованной опти
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.