Лазерный мир

Актаев Е.К., Абдула Ж., Касым А., Мустафаева А., Тайшыбеков А. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 5-2. – С. 201-205; УДК 504.3.054

Преимущество метода с применением лидара на комбинационном рассеянии заключается в том, что при таком методе полностью исключается неоднозначнность в интерпретации составляющих на частоте лазера, возникших в результате рассеяния Релея. Более того, в отличие от методов, основанных на резонансном рассеянии и поглощении, лидар на комбинационном рассеянии не требует специального выбора частоты излучения лазера. Таким образом, достаточно работать на одной фиксированной частоте излучения лазера для одновременного получения спектров комбинационного рассеяния всех загрязняющих веществ в пределах зондируемого района.

Для наиболее эффективного контроля загрязнения воздушного бассейна санитарной зоны и производственных помещений, необходимо использовать физические методы, а именно дистанционные методы контроля с применением лазеров в ИК – области спектра.

На основе полученных экспериментальных и литературных данных по определению концентрации фосфора в ЗВ, что лазерный метод имеет следующие достоинства: высокая экспрессность, большая чувствительность и большие возможности для непрерывного автоматического контроля, дистанционность, исключения отбора проб.

Преимущество метода с применением лидара на комбинационном рассеянии заключается в том, что при таком методе полностью исключается неоднозначнность в интерпретации составляющих на частоте лазера, возникших в результате рассеяния Релея. Более того, в отличие от методов, основанных на резонансном рассеянии и поглощении, лидар на комбинационном рассеянии не требует специального выбора частоты излучения лазера. Таким образом, достаточно работать на одной фиксированной частоте излучения лазера для одновременного получения спектров комбинационного рассеяния всех загрязняющих веществ в пределах зондируемого района [1].

На рис. 1 показана разработанная нами блок-схема макета лазерной системы, использующей метод КРС. В состав такой системы входят следующие элементы: лазерный передатчик, передающий телескоп, приемный телескоп, анализатор спектра, фотоприемник, процессор обработки данных, дисплей, запоминающее устройство.

Рис. 1. Блок – схема макета на методе КРС

Излучение лазера через коллимирующий телескоп направляется в атмосферу, где оно рассеивается смесью аэрозольных частиц и газовых компонентов, находящихся в воздухе. Спектр рассеянного назад света состоит из компонентов релеевского рассеяния с частотой v0, совпадающей с частотой лазерного излучения, а также из линии комбинационного рассеяния v1, v2,… vn.

Спектральные компоненты выделяются и регистрируются одновременно с помощью анализатора спектра вместе с оптическими фильтрами и блоком чувствительных фотодетекторов. Затем с помощью процессора многоканальная информация воспроизводится в реальном масштабе времени.

…

Рубиновый лазер, работающий в режиме модуляции добротности резонатора (λ = 0,6943 мкм), позволяет получить импульсы мощностью до 10 МВт и длительностью до 30 нс.

Выходной пучок коллимируется линзовым телескопом диаметром 5 см., рассеянное излучение собирается сферическим или параболическим зеркалом диаметром не менее 30 см., приемный телескоп собран по схеме Ньютона. Для выделения сигналов комбинационного рассеяния в фокусе зеркала помещается одинарный или двойной монохроматор, который используется как спектроанализатор. Для подавления релеевского рассеяния применяются длинноволновые фильтры, коэффициент пропускания которых при λ = 0,6943 мкм составляет 10–8. Сигнал, выходящий из монохроматора, принимается фотоумножителем и воспроизводится на двухлучевом осциллографе, рассчитанном на работу в диапазоне до 30 МГц. Абсолютная концентрация компонента загрязненного воздуха может быть определена путем сравнения интенсивности их линий комбинационного рассеяния с линиями КР молекулярного азота и кислорода.

Таким образом, предельно обнаруживаемые концентрации могут быть уменьшены путем совершенствования параметров лидара: увеличения энергии лазерного импульса, диаметра зеркала приемного телескопа и т.д.

Спектральные измерения сигналов комбинационного рассеяния от молекул N2 и O2 атмосферы были выполнены Инабой и Кобаяси в 1970 г. [1].

На рис. 2 представлен типичный результат записи спектра РН3, H2S, СО и воздуха, полученные на хроматографе ЛХМ-72.

Рис. 2. Спектры РНз и H2S, полученные на хроматографе ЛХМ-72

На рис. 2 показан спектр комбинационного рассеяния различных частиц, присутствующих в облаке дымового шлейфа от горящего факела. Фосфорные соединения сжигались в топке, выходящий из трубы, дым был настолько слаб, что едва заметен глазом. При этом наблюдались максимумы интенсивности на длинах волн комбинационного рассеяния, соответствующих SO2, C2H4, H2CO, NO, CO, PH3, H2S, CH4, а также основным составляющим СО2, О2, N2 и Н2О [2].

Для комбинационного рассеяния наиболее важной величиной является не абсолютное значение волнового числа линий, а разность Δakt13.wmf между линиями комбинационного рассеяния и линией возбуждающего света. Разность частот возбуждающего света и комбинационного рассеяния не зависит от частоты возбуждающего света, а определяется только природой рассеивающего вещества и является его индивидуальной характеристикой. Опыт показал, что комбинационный сдвиг Δakt15.wmf равен частоте полос поглощения в ИК – спектре того же вещества.

Комбинационный сдвиг для молекулы фосфина можно определить по его ИК – спектру. ИК – спектр фосфина записывался на ИКС-29. В средней ИК области фосфин имеет следующие полосы поглощения: ω1 = 995 см–1, ω2 = 1125 см–1,ω3 = 234О см–1, которые и являются величиной комбинационного сдвига для молекулы РН3 [3].

В ходе работы было установлено, что фтористый водород (HF), являющийся загрязняющим компонентом воздушной среды АО «Химпром», очень агрессивно воздействует на приемную оптику макета индикатора (МИ) (снижается коэффициент пропускания приемной оптики) и дифракционные решетки двойного монохроматора (особенно на реплики, покрытые алюминием).

Узкополосные фильтры, предназначенные для выделения линий комбинационного рассеяния загрязнителей, также подвергаются воздействию HF. Все это значительно ухудшает чувствительность МИ и увеличивает фоновую засветку сигнала. Кроме того, при наличии в атмосфере дымки или тумана, дождя или снегопада наблюдается заметное снижение величины отношения сигнал/шум, обусловленное релеевским рассеянием. Поэтому для работы в таких условиях нужно переходить к тройной монохроматизации [4, 5].

Анализ некоторых загрязнителей желательно проводить в инфракрасной области, в так называемых окнах прозрачности атмосферы (например: 2-2,5 мкм для СО2, 3,5-4 мкм для H2S, HF и т.д.). Для таких целей применение ФЭУ весьма ограничено, поэтому возникла необходимость в приобретении фотовольтаического приемника на основе антимонида индия (InSb) ФПУ-31, предназначенного для работы в ИК – области. Ограниченность диапазона работы ФПУ (до 5 мкм), а также необходимость постоянного охлаждения ФПУ (до196 °С) не позволяют в полной мере использовать его в качестве фотодетектора в измерительной схеме МИ.

Диапазон работы ФПУ ограничен из-за того, что входное окошко ФПУ сделано из сапфира, который пропускает ИК – излучение длиной волны до 5 мкм. Аналогичные ФПУ, но с боллее широким диапазоном (32 канала) работы (до 15 мкм) (ФПУ 31) [3].

Полное содержание статьи: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=11571