Динамика генерации и управления спектром CO2-лазера многокомпонентного анализа газовых сред

• Автор: Чжан Вей
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 170 с. : ил.

Содержание

Список использованных обозначений

1. Введение

2. Исследование динамики генерации СОг-лазера с

модулированными параметрами

2.1. Вводные замечания ,

2.1.1 Качественная картина развития генерации

2.1.2. Модуляция потерь

2.1.3. Модуляция частоты

2.1.4. Постановка задачи исследования

2.2. Теоретическая модель

2.2.1. Двухуровневая модель
2.2 2. Учет вращательной структуры колебательных уровней
2.2.3. Четырехуровневая модель. Случай модуляции потерь
2.2.4. Модификация уравнений для случая модуляции частоты .
2.2.5. Программнаяреализагщя
2.2.6. Выбор параметров для расчета по четырехуровневой модели
2.2. 7. Результаты расчета для случая модуляции потерь
2.3. Экспериментальное исследование динамики генерации при
модуляции потерь ■
2.3:1. Особенности постановки эксперимента по исследованию
динамики генерации при модуляции потерь
2.3 .2. Измерение усиления и зависимости потерь от угла
разъюстировки резонатора
2.3.3. Эксперимент по исследованию динамики
генерации при модуляции потерь
2.3 .4. Анализ и обсуждение результатов экспериментов с
модулированными потерями
2.4. Исследование динамики генерации при модуляции частоты
2.5. Выводы
3. Многоволновый импульсно-периодический СОг-лазер для
дистанционного анализа загрязнения воздуха
3.1. Метод дифференциального поглощения в задачах
дистанционного многокомпонентного газоанализа
3 .1.1. Применение метода дифференциального поглощения при
анализе смесей
3.1.2. Влияние спектральных свойств подстилающей поверхности.
Алгоритм измерения на парах линий
3 .1.3. Условия измерения ц требования к лазеру
3.2. Миоговолновый импульсно-периодический СОг-лазер для
дистанционного анализа состава воздуха
3.2.1. Импульсная генерация СОг-лазера с быстрым переключением
линий генерации
3.2.2. Оптимизация параметров импульсно-периодического СОг-.
лазера применительно к задачам многокомпонентного газоанаяиза
3.3 Макет многокомпонентного дистанционного лазерного
газоанализатора
3.3.1. Описание макетаЛГА
3.3.2 Лабораторные испытания макета газоанализатора

3.4. Выводы
4 Применение 13С02-лазера для изотопного анализа
углекислого газа
4.1. Вводные замечания.
4.2. Измеряемые величины и условия измерения
4.3. Спектроскопическая ситуация в диапазоне генерации 13С02-
лазера
4.4. Расчет поглощения излучения 13С02-лазера в выдыхаемом
воздухе .,
4.5. Определение (13С02)/(12С02) путем раздельного измерения
концентраций
4.5.1. Измерение при переменном давлении на одной линии лазера
4.5.2. Измерение на двух линиях лазера при постоянном давлении
4.6. Прямое измерение (13С02)/(12С02) с использованием метода
модуляции длины волны
4.7. Управление спектром генерации 13С02-лазера
4.В. Обсуждение полученных результатов
4.9, Выводы
5. Заключение
Литература
Список использованных обозначений
Латинский алфавит
а; Коэффициент пропорциональности в канале эхо.
Ai Мощность сигнала в каналах эхо.
В Коэффициент Эйнштейна.
Ь, Коэффициент пропорциональности в канале зонда.
В; Мощность сигнала в каналах зонда
Bv Вращательная постоянная,
с Скорость света.
С Концентрация газа,
d Световой диаметр приемного телескопа.
D Обнаружительная способность фотодетектора,
f Частота модуляции.
F(t) Функция, описывающая модулируемые потери,
fett Эффективная частота модуляции.
Fmax Максимальное значение F(t).
G Форм-фактор однородно уширенной линии (лоренциан).
go Ненасыщенное усиление.
Н Длина пути света в атмосфере,
i Ток разряда.
I, I(t) Мощность излучения лазера.
1р Пиковая мощность излучения.
1р Усредненная пиковая мощность излучения.
Is Мощность насыщения.
J Вращательное квантовое число.
кц Коэффициент поглощения i -ой спектральной линии j -ым
веществом.
Kmin порог обнаружения показателя поглощения
к Постоянная Больцмана.
Kj j Константа скорости передачи вращательного возбуждения с J
го уровня на J-ый.
L Длина резонатора.
1а Длина разрядного промежутка.
М Инверсная населенность для колебательно перехода (исключая
уровни генерирующего колебательно-вращательного перехода).
mj Населенность вращательного уровня с вращательным
квантовым числом J0.
Ni_2 Населенности соответственно нижнего и верхнего
колебательных уровней.
Nt Полное число частиц,
р Давление.
q Плотность числа фотонов в резонаторе.
Q Статистическая сумма по вращательным состояниям.
R Коэффициент отражения
t Время.
to Время снижения потерь до минимума, отсчитанное от момента
прохождения первой пороговой точки.
Т Абсолютная температура.

Подпрограмма PLOT по желанию пользователя отображает картины развития мощности генерации x(t) (по умолчанию эта опция является основной) или инверсий y(t) или z(t) (по выбору пользователя). Предусмотрена возможность просмотра полученных данных в любой последовательности.
Основными функциональными возможностями разработанного программного продукта Dynam являются следующие:
1) Все команды при вводе данных и переходе от одной стадии вычислений к следующей отображаются на экране. Это создает удобство для пользователя программы. Ввод значений параметров, входящих в систему уравнений, осуществляется с клавиатуры.
2) Результаты расчета показаны на экране. Предусмотрен режим «лупы времени»: можно выбрать любую область по времени и увеличить ее до размера экрана.
3) Программа имеет дополнительные функции, позволяющие рассчитать и отобразить на экране изменения вида первого пика при вариации любого из параметров динамической системы лазера.
2.2.6. Выбор параметров для расчета
по четырехуровневой модели
В работах [2.1, 2.3, 2.39-2.41, 2.44, 2.46] проведен анализ оригинальных экспериментальных данных и даны рекомендации по выбору значений скоростей релаксационных процессов в условиях, типичных для маломощных СОг-лазеров низкого давления. В [2.1, 2.44, 2.46] обращено внимание на то, что при использовании упрощенной (двухуровневой) расчетной модели для получения качественного совпадения результатов расчета с экспериментом нужно искусственно изменить значения скоростей релаксационных процессов, й в [2.42] сделана попытка физически обосновать такое изменение. Необходимость такого изменения явилась одной из причин, побудивших нас использовать более сложную четырехуровневую модель. В данной работе мы использовали два С02-лазера с длинами разрядных промежутков 130 и 60 см. Длинный лазер (L= 175 см, c/2L= 86 Мгц) использовался в экспериментах с модуляцией потерь, короткий (L= 75 см, c/2L = 200 Мгц) - с модуляцией частоты. Активные элементы лазеров заполнены при давлении 22 торр одинаковой стандартной смесью следующего состава: 8,4% С02, 22,2% воздух, 66,6% Не и 2,8% Хе с примерным соотношением основных компонент лазерной смеси СО2: N2 : Не « 1 : 2 : 8. На основании цитированных выше работ для этих лазеров мы использовали следующие значения скоростей вращательной и колебательной релаксации: yR=3-107 с'1 и уо=5104 с'1.