Методы и средства лазерного анализа загрязняющих компонентов атмосферы

• Автор: Макогон, Михаил Мордухович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 236 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
Глава 1. Твердотельные лазеры с перестраиваемой частотой и регулярным кинетическим режимом генерации. Скоростной лазерный спектрометр
1.1. Лазеры с электрооптически перестраиваемыми
интерференционно-поляризационными фильтрами
1.2. Рубиновый лазер с активной отрицательной обратной связью
1.3. Лазеры с линейными динамическими резонаторами
1.4. Широкодиапазонная непрерывная перестройка частоты излучения
1.5. Скоростной лазерный спектрометр на рубиновом лазере
1.6 Выводы
Глава 2. Метод внутрирезонаторной лазерной спектроскопии
2.1 ВРЛС с отрицательной обратной связью
2.2 Широкополосный ВРЛС с перестройкой частоты
2.3. ВРЛС с динамическим резонатором
2.4. Динамика узкополосных ВРЛ-спектров поглощения трехуровневой среды с просветлением
2.5. ВРЛС с внутрирезонаторной генерацией гармоники
2.6. Внутрирезонаторный газоанализ N02
2.7. ВРЛС для измерения несслективного поглощения
2.8. Внутрирезонаторный лазерный спектрофотометр
2.9. Дистанционный внутрирезонаторный лазерный спектрометр-газоанализатор
2.10 Выводы
Содержание

Глава 3. Методология разработки СКР-лидаров для анализа оптически-плотных сред
3.1 Спектроскопические проблемы дистанционного анализа индустриальных выбросов по спектрам СКР
3.2 Спонтанное и обратное вынужденное комбинационное рассеяние
света в метане
3.3 Параметры комбинационного рассеяния некоторых вторичных метаболитов растений
3.4. Дифракционный полихроматор для СКР-лидара
3.5. Выводы
Глава 4. Мобильный сканирующий флуоресцентно-аэрозольный лидар «ФАРАН-М1»
4.1. Оптическая схема лидара
4.2 Конструкция лидара
4.3 Оценка влияния атмосферы на работу лидара
4.4 Испытания лидара 18
4.5. Выводы
Заключение
Список литературы
Содержание

ВВЕДЕНИЕ
Разработка новых методов измерений дает возможность получать ранее неизвестную информацию. Появление лазеров и их внедрение в атмосфернооптические приложения дало импульс всем методам, направленным на изучение как поглощения, так и испускания и рассеяния излучения молекулярной средой и частицами аэрозоля. С другой стороны, корректное использование лазеров при работе через атмосферу потребовало более высокого качества спектроскопической информации о ней.
Исследования оптических свойств молекулярно-аэрозольной атмосферы имеют длительную историю и по мере углубления представлений о процессах, происходящих в атмосфере, продолжают интенсивно развиваться. К середине XX века было установлено, что тепловой баланс планеты во многом определяется поглощением водяного пара и углекислого газа в ИК диапазоне спектра, а защиту от УФ излучения обеспечивает поглощение кислорода и озона. При этом знания спектров соответствующих газов, полученных с невысоким (~ 0,1-10 см"1) разрешением на
спектрометрах с длиной оптического хода десятки и сотни метров, было достаточно для качественных оценок и количественных расчетов ослабления атмосферой широкополосного солнечного излучения. В случае измерения спектров по всей толще атмосферы достигалась чувствительность порядка 10"6 см-1.
Данные такого качества оказались совершенно неприемлемыми для расчета ослабления узкополосного (лазерного) излучения. Уже первые измерения спектра поглощения атмосферного водяного пара, выполненные с использованием лазера Р.Л. Лонгом в 1966 году [1] определили требования к качеству спектральной информации (разрешение до 0,001 см"1 и чувствительность до 10'8-10"9 см"1). Более поздние теоретические
исследования показали, что заметное ослабление солнечного излучения дают линии с коэффициентами поглощения на порядки величины ниже указанных
Введение
но подавляется, а при увеличении возникает модуляция, обусловленная наличием задержки в цепи обратной связи [47].
Спектр генерации в режиме ООС носит ступенчатый характер: на интервале 1...10 мкс частота генерации остается неизменной, затем за время порядка 0,3 мкс происходит переход на другую частоту (в течение перехода генерируются обе частоты). В отличие от свободной генерации, когда в первом пичке возбуждается широкий спектр частот (-0,5 см'1), в режиме ООС при оптимальной ее глубине узкий спектр излучения (1-2 моды, <0,01 см'1) наблюдается с самого начала генерации.
Поскольку глубокая и быстродействующая обратная связь не дает развиваться пичкам и выход в генерацию осуществляется апериодически, то инверсия населенности также не испытывает колебаний во времени и поддерживается (во время стационарной генерации на протяжении «ступеньки») вблизи порогового уровня. Мода, имеющая больший коэффициент усиления и первая выходящая в генерацию, увеличивает потери для всех остальных мод и удерживает инверсию ниже их порога генерации. Это своеобразное взаимодействие мод приводит, начиная с некоторой глубины ООС, к одномодовой генерации с самого ее начала (это обстоятельство определяет применимость расчетов [47], выполненных на основе балансных уравнений).
Высокая стабильность генерации лазера с активной ООС позволяет эффективно управлять частотой лазерного излучения [48] - для этой цели сканируемый пьезокерамическим элементом интерферометр был установлен между модулятором и глухим зеркалом резонатора.
Фрагменты спектра генерации при линейном и синусоидальном управляющем напряжении и различных скоростях перестройки приведены на рис.

Глава