Амплитудные и фазовые методы измерений малых поглощений в уширенных давлением молекулярных спектрах, использующие перестраиваемые диодные лазеры и оптические ячейки

• Автор: Николаев, Игорь Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 160 с. : ил.

И.В.НИКОЛАЕВ

АМПЛИТУДНЫЕ И ФАЗОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ МАЛЫХ ПОГЛОЩЕНИЙ В УШИРЕННЫХ ДАВЛЕНИЕМ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СПЕКТРАХ С ПОМОЩЬЮ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ДИОДНЫХ ЛАЗЕРОВ И ОПТИЧЕСКИХ ЯЧЕЕК
СОДЕРЖАНИЕ

ЧАСТЬ I. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

ГЛАВА I. ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА П. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

2.1. Некоторые области применений и круг методов газового анализа

2.2. Чувствительность, точность, дисперсия результатов спектральных абсорбционных измерений

2.3. Существующие лазерные абсорбционные методы, их особенности и ограничения

2.4. Задачи работы

ЧАСТЬ II. СПЕКТРОСКОПИЯ С ВНЕШНИМИ НЕРЕЗОНАНСНЫМИ ЯЧЕЙКАМИ
ГЛАВА III. ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ Ж>2 В АТМОСФЕРЕ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЯЧЕЕК ЭРИО В МНОГОКАНАЛНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СХЕМАХ
3.1. Некоторые проблемы, связанные с вариациями содержания двуокиси азота в атмосфере
3.2. Спектр N02, особенности исследований в разных областях
3.3. Свойства ячеек Эрио, выбор геометрии
3.4. Измерения в области 400нм
а) Эксперимент
б) Методика измерений поглощения
в) Отражение зеркал и поглощение двуокиси азота в атмосфере. Обсуждение результатов
3.5. Измерения в области 635нм
а) Экспериментальная установка, частотная модуляция
б) Режим частотной модуляции, использование нестационарного нагрева активной среды лазера при инжекции
в) Шумовые характеристики
г) Метод регрессии при измерениях с высокой чувствительностью

д) О предельной чувствительности измерений по калибровочной ячейке в аналитическом канале
е) Фоновая концентрации N02 в атмосфере
3.6. Резюме к главе III
ГЛАВА IV. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДНОГО ИЗОТОПНОГО ОТНОШЕНИЯ В ВЫДОХЕ
ЧЕЛОВЕКА
4Л. Мотивация разработки методов оптических измерений и требования к ним
4.2. Развиваемые в настоящее время методы с применением диодных лазеров
4.3. Экспериментальная установка
4.4. Методика и процедуры измерений
4.4.1 Рабочая спектральная область
4.4.2 Обработка спектров
4.4.3 Частотная шкала
4.4.4. Аппроксимации контуров линий при синтезе спектра поглощения
4.5. Результаты и их обсуждение
4.5.1. Точность измерений
4.5.2 Воспроизводимость
4.6. Резюме к главе IV
Выводы к части II
ЧАСТЬ III. СПЕКТРОСКОПИЯ С ВНЕШНИМИ РЕЗОНАНСНЫМИ ЯЧЕЙКАМИ
ГЛАВА V. РЕГИСТРАЦИЯ СПЕКТРОВ СЛАБОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ПО СДВИГАМ ФАЗ МОДУЛИРОВАННОГО ПО ЧАСТОТЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ГЛУБОКОЙ ОСТАТОЧНОЙ АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ
5.1. Традиционный подход к абсорбционным измерениям по фазовому сдвигу сигнала
с амплитудной модуляцией
5.2. Измерения концентрации N02 в атмосфере традиционным фазовым методом, мотивации к развитию
5.2.1. Принципиальная схема
5.2.2. Процедура демодуляции
5.2.3. Частота модуляции
5.2.4. Содержание N02 в атмосфере
5.2.5. Глубина модуляции, девиация частоты, проблема остаточной амплитудной модуляции и спектрального разрешения
5.3. Модифицированный подход к абсорбционным измерениям фазовым методом при совместной модуляции частоты и амплитуды излучения

5.3.1. Общие соображения
5.3.2. Модуляция прямоугольными импульсами
5.4. Объект исследований, эксперимент, методы измерений
5.4.1. Экспериментальная установка
5.4.2. Параметры и режимы работы лазера
5.4.3. Демодуляция и восстановление спектра фаз
5.5. Спектры поглощения и их обсуждение
5.5.1. Рабочий спектральный диапазон, расчет и сопоставление с измеренным спектром методом ICOS
5.5.2. Фазовый и оптический спектры
5.5.3. Ударное уширение спектральных линий воды
5.5.4. Чувствительность измерений коэффициентов поглощения и концентрации молекул
5.5.5. Замечания о некоторых возможных путях развития метода
и сопоставлениях
5.6. Резюме к главе V
ГЛАВА VI. ИНТЕГРАЛЬНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ СЛАБОГО ПОГЛОЩЕНИЯ С
УСТРАНЕНИЕМ ЭФФЕКТОВ РАССОГЛАСОВАНИЯ МОД ЛАЗЕРА И ВНЕШНЕГО РЕЗОНАТОРА
6.1. Традиционный метод интегральной спектроскопии
6.2. Принципиальная схема R-ICOS, сравнение со схемой ICOS
6.2.1. Трехлучевая схема
6.2.2. Общее в методах ICOS и R-ICOS
6.2.3. Различие и взаимное дополнение возможностей методов
6.3. Экспериментальная техника. Методика измерений
6.4. Исследуемый газ
6.5. Результаты, обсуждение
6.6. Резюме к Главе VI
Выводы к части III
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

3.3. Свойства ячеек Эрио, выбор геометрии
Как уже отмечалось в Гл.2, в работах различных авторов по лазерной спектроскопии слабого поглощения уже в течение ряда лет используются многопроходные классические ячейки. Наиболее исследованы ячейки Уайта, Эрио и Чернина. В принципе, число проходов и, соответственно, оптический путь могут быть сделаны в них достаточно большими, но, как показывает и анализ, и практика [10,43,65-66], увеличение пути сталкивается с рядом ограничений. Среди них важным является неустойчивость сигнала, прошедшего ячейку, по отношению к механическими возмущениями оптики. В большей мере она проявляется в многоэлементных ячейках Чернина (типично, четыре зеркальных объектива), к тому же они весьма сложны в изготовлении. Возможно, по последней причине в большинстве описанных в литературе высокочувствительных измерений используются ячейки Эрио с двумя зеркалами.
Схема ячейки Эрио и конфигурация пятен на сферических зеркалах, соответствующих точкам отражения пучка, изображены на рисунке 3.3.
В такой ячейке лазерный луч вводится через отверстие во «входном» зеркале и, после многократных последовательных отражений, часть из которых пронумерована на рисунке, выводится через то же отверстие. В случае сферических зеркал геометрическим местом отражений будут окружности, включающие отверстие.
Общим для всех классических многопроходных ячеек ограничением на число проходов является конечность коэффициента отражения зеркал что, в зависимости от их отношения к потерям на поглощение частицами между зеркалами, сказывается на величине сигнал/шум на детекторе. Для расчета оптимального с этой точки зрения числа Хорі двойных проходов (ищется максимум отношения интенсивности выходного луча к интенсивности луча на входе в ячейку) в работе [67] предложена формула
1п[44г + і
Z,,- . *«-4 (3.1)
,-1п(г) )_ у 1 — г
2а- Ь 2а-Ь
где а - коэффициент поглощения вещества, Ь - расстояние между зеркалами, г - коэффициент отражения зеркал ячейки. Расстояние между зеркалами и радиусы кривизны зеркал связаны соотношением:

I ±cos-Z
(3.2)
где К - целое число, R- радиус кривизны зеркал, Z - число обходов, после которого траектория луча по кювете замыкается, индекс min означает меньшее из двух (±) решений значение. Для случая слабого поглощения a-L«l-r, формула (3.1) приобретает простой вид: