Новости Физического института им. П.Н. Лебедева

В Физическом институте им. П.Н. Лебедева (ФИАН) создан прототип быстродействующего лазерного спектрометра. Концентрация примесей в газе измеряется в нём с помощью нового метода R-ICOS: подавляя фазовые шумы на высоких частотах, технология значительно расширяет динамический диапазон измерений и повышает их скорость.

Медицина, экология, химия, геологическая разведка и добыча природных ресурсов, предупреждение техногенных катастроф – во всех этих областях очень важно точное детектирование газовых примесей. Особенно подходят для этого оптические, или спектроскопические, методы, в которых примеси распознаются по поглощению ими лазерного излучения.

Среди лазерных методов спектрального газоанализа сегодня активно развивается рингдаун-спектроскопия (от cavity ring down spectroscopy (CRDS) – «спектроскопия внутрирезонаторного затухания»), базирующаяся на измерении времени затухания излучения. Этот принцип лёг в основу оптических схем измерений поглощения, где спектр выявляют по амплитуде или фазе излучения в резонаторе.

Наиболее популярной стала схема, в которой используются непрерывные лазеры и анализ проводится по изменениям интенсивности излучения на выходе из резонатора при перестройке частоты. При этом регистрируют уже не затухание света на каждой длине волны, а интегральный сигнал, поэтому метод получил название integrated cavity output spectroscopy (ICOS) – «спектроскопия интегрального внутрирезонансного выхода».

Серьёзным препятствием на пути развития ICOS становятся флуктуации проходящего через резонатор сигнала. Они появляются из-за рассогласования частот лазерного излучения и собственных частот резонансных ячеек (в некоторых случаях флуктуации могут доходить до 100 %). Существуют разные варианты решения этой проблемы, например – длительное накопление сигнала или неосевой ввод излучения в резонатор. Однако в их основе лежит усреднение сигнала по времени или частоте, а значит – детектирование идёт медленнее.

Учёные из ФИАН предложили новый подход к устранению этой трудности – метод R-ICOS (reflection ICOS). В нём световой сигнал, полученный методом ICOS, комбинируется с сигналом излучения, отражённым от резонатора. При этом вместо одного лазерного луча, как принято в ICOS, здесь участвуют три пучка. Они проходят через внешний резонатор с поглощающей средой и отражаются от него.

«Идея очень простая. Мы берём ту же осевую моду, смотрим, что на выходе, и смотрим то, что отражается от резонатора. И просто по закону сохранения энергии те же самые флуктуации мы будем видеть в отражении. Поэтому если эти показатели сложить и сравнить с падающим лазерным излучением, получаем, вообще говоря, ноль. Если есть потери, связанные с поглощением в резонаторе, то они будут там проявляться, потому что будут отклонения», - рассказывает ведущий научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Сергей Цхай.

Поскольку флуктуации сигнала подавляются в каждый момент времени, без усреднения сигнала, спектры поглощения можно регистрировать за короткое время – до 320 мкс). При этом время ограничивалось возможностями электроники (в первую очередь, преобразователя), и с использованием более быстродействующих приборов может существенно сократиться.

R-ICOS значительно улучшает и чувствительность детектирования. Так, при измерениях за один цикл быстрого сканирования она уже более чем на порядок превышает чувствительность стандартного метода ICOS в аналогичных условиях. При времени усреднения 20 секунд были измерены коэффициенты поглощения с чувствительностью ~2 × 10–8 см–1, что сопоставимо с концентрацией молекул в 40 раз меньше фоновой (в качестве образца в экспериментах участвовал метан).

Новый метод показывает высокую эффективность и в оптически плотных средах, а значит – открывает новые возможности в предсказании взрывов, выбросов метана в шахтах и других катастрофических явлений, при которых скорость и точность детектирования газов критически важна.

14/05/2015

Источники: АНИ «ФИАН-информ»