Трехканальный детектор на основе РОС гетеролазеров InGaAs для мониторинга

• Автор: Наместников, Дмитрий Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.10, 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 163 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ .

1 МЕТОД ДЛС ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СЛЕДОВЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ГАЗОВЫХ ПРИМЕСЕЙ

1.1 Регистрация газовых примесей в атмосфере.

1.1.1 Методы регистрации газовых примесей в атмосфере

1.1.2 Модельные расчеты спектров газов в атмосфере.

1.2 Одночастотный перестраиваемый гетеролазер

1.2.1 Современное состояние и пути создания одночастотных полупроводниковых гетеролазеров

1.2.2 Генерация излучения гетеролазера.

1.2.3 Применение гетеролазеров для мониторинга следовых количеств газовых примесей в атмосфере.
1.3 Основные типы одночастотных гетеролазеров
1.3.1 Одночастотный режим генерации полупроводникового лазера.
1.3.2 Полупроводниковые гетеролазеры с распределенной обратной связью РОС
1.3.3 Полупроводниковые гетеролазеры с распределенным брэгговским отражателем РБО
1.3.4 Полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором .
1.3.5 Квантовый каскадный лазер
1.4 Фотоприемники для системы регистрациигазов.
1.5 Шумы и методы исследования характеристик оптического и электронного трактов
1.5.1 Шумы излучения лазера
1.5.2 Шумы фотоприемника.
1.5.3 Анализ фурьепреобразования сигнала
1.5.4 Анализ дисперсии Аллана
Выводы
2 РАЗРАБОТКА ТРЕХКАНАЛЬНОЙ ОПТИКООЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ И ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ
2.1 ОЭС газоанализатора на базе телескопа МСТ 01
2.1.1 Принципиальная блоксхема
2.1.2 Электронный блок сопряжения
2.1.3 Оптическая схема.
2.2 Исследование режимов генерации одномодового гетеролазера.
2.2.1 Методы исследования режимов генерации.
2.2.2 Исследование перестройки по частоте спектра генерации гетеролазера.
2.2.3 Температурная перестройка спектра излучения
РОС гетеролазера.
2.2.4 Токовая перестройка спектра излучения
РОС гетеролазера.
2.2.5 Частотная развертка лазерного импульса
2.3 Исследование характеристик фотоприемного модуля
2.3.1 Чувствительность фотоприемника
2.3.2 Интерференционные оптические фильтры
Выводы.
3 АЛГОРИТМ РЕГИСТРАЦИИ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
3.1 Модельные расчеты и выбор аналитических линий с учетом пропускания атмосферы
3.2 Регистрация линий слабого поглощения.
3.2.1 Алгоритм регистрации
3.2.2 Определение концентрации
3.2.3 Режим временного мультиплексирования трехканальной ОЭС
3.3 Программы для ОЭС
3.3.1 Рабочая программа регистрации.
3.3.2 Программа для анализа быстрого фурье преобразования сигнала.
3.3.3 Программа анализа дисперсии Алана
Выводы .
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ШУМОВ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ ОЭС
4.1 Характеристики и шумы лазерного модуля
4.1.1 Система температурной стабилизации частоты.
4.1.2 Применение генератора высокочастотного широкополосного шума для подавления интерференционных помех.
4.1.3 Спеклшум .
4.2 Шумы фотоприемного модуля.
4.2.1 Шумы фотоприемника.
4.2.2 Шумы предусилителя.
4.3 Исследование характеристик электроники управления ОЭС
4.3.1 Характеристики платы ввода вывода РХ1М.
4.3.2 Характеристики электронного блока управления
4.3.3 Калибровка каналов регистрации при абсолютных измерениях концентрации газов.
4.3.4 Предельная дальность работы системы с топографическим отражателем.
Выводы.
5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ДАЛЬНОСТИ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ГАЗОВ С, СН4, ЧНЗ
5.1 Эксперимент по одновременной регистрации трех газов.
5.2 Дистанционное обнаружение следов газов в автомобиле.
5.3 Дистанционное обнаружение присутствия людей.
5.4 Измерение пространственного распределения метана с помощью дистанционного измерителя
Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


В нашей стране первые молекулярные спектры высокого разрешения были получены практически одновременно тремя научными коллективами ИОФАН, НИИ ПФ и ИСИАН 2, 3, 4, а дальнейшая история развития ДЛС представлена в 8. Касаясь истории развития инжекционных лазеров нельзя не отметить, что именно профессор МЭИ В. А. Фабрикант еще в г. Первая работа о возможности использования полупроводников для создания лазера была опубликована в Н. Г. Басовым, Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым . На полупроводниках режим генерации был реализован в г в лаборатории Холла . Дальнейшее прогрессивное развитие полупроводниковых лазеров связано с именем Ж. И. Алферова , и с гетероструктурами на основе твердых растворов АШВУ и А1УВУ1 . В настоящее время гетеролазерами перекрыт спектральный диапазон от ближнего УФ до дальнего ИК 8, ,. Наиболее многообещающей областью ДЛС представляется применение гетеролазеров для аналитических и диагностических целей при анализе газовых смесей, для детектирования молекулярных микропримесей, при исследовании современных технологических процессов, в медицинской и криминалистической диагностике и т. Перспективность применения гетеролазеров для аналитических и диагностических целей была отмечена на первых же этапах развития этого направления. Первой демонстрацией таких применений был измеритель содержания СО в открытой атмосфере . А в г. А. Д. Бритов, А. И. Надеждинский и др. А В и молекулярная спектроскопия высокого разрешения на их основе. В дальнейшем работы по ДЛС в нашей стране стали развиваться в ИОФАНе при поддержке академика А. М. Прохорова в отделе ДЛС под руководством профессора А. И. Надеждинского при активном участии профессора А. Д. Бритова и ряде других институтов. Работы по созданию гетеролазеров в настоящее время ведутся в ФТИ им. Иоффе г. СанктПетербург и НПО Полюс г. Москва. Уход от глубокого охлаждения и переход к аналитическим линиям в ближнем ИК диапазоне способствовало дальнейшему развитию работ в области ДЛС в ИОФАНе. Именно в этой области на основе одночастотных инжекционных гетеролазеров 1пСаАз и развивается диссертация, завершившаяся созданием образца трехканального детектора дистанционного обнаружения следов газов в атмосфере на основе перестраиваемых РОС гетеролазеров с оптоволоконным выводом излучения и на базе телескопа МСТ 0 оптическая схема МаксутоваКассегрена. Развитие микро и наноэлектроники и получение прецизионных многослойных наноструктур , привело к созданию квантовых каскадных лазеров ККЛ . Физика внутризонных переходов позволяет получать генерацию до мкм без охлаждения с мощностью излучения в одной моде более 1 Вт и потенциально расширить диапазон до 0 мкм терагерцовый диапазон. В настоящее время уже показана возможность применения ККЛ в лазерной спектроскопии. Однако их применение, ввиду высокой стоимости, сложности технологии и недостаточной надежности, пока относится к будущем лазерной спектроскопии. Диссертация посвящена решению задач создания опытного образца прибора для одновременной дистанционной регистрации следовых количеств нескольких молекулярных объектов. Это необходимо для ситуации, когда решение принимается по совпадению сразу нескольких характерных признаков. В частности для данной работы были выбраны три молекулярных объекта биомаркера химического поля человека СО2, СН4 и МНз, как наиболее универсальные из всех продуктов жизнедеятельности человека. Необходимо отметить, что работы по регистрации и исследованию химического поля человека активно поддерживаются академиком Ю. В. Гуляевым . Так же эти молекулярные объекты являются продуктами распада целого ряда взрывчатых веществ относящиеся к аммиачноселитренным взрывчатым веществам аммониты, аммоналы, динамоны, амматолы и др. Так же они могут быть идентификаторами некоторых ядовитых веществ и наркотиков. Очевидно, что дистанционная регистрация этих биомаркеров с высокой чувствительностью актуальна в решении различных прикладных задач и особенно вопросов безопасности окружающей среды и жизнедеятельности человека. К тому же в мире не существует широко известных альтернативных приборов способных регистрировать одновременно несколько молекулярных объектов созданных на гетеролазерах ближнего ИК диапазона.