Прецизионные измерения контура спектральной линии методами диодной лазерной спектроскопии

• Автор: Понуровский, Яков Яковлевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 106 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Диодные лазеры для спектроскопии высокого разрешения;
измерения контура спектральной линии с помощью диодных лазеров (обзор литературы)
Диодные лазеры
Шумовые характеристики ДЛ
Шумы интенсивности
Частотные шумы и ширина линии генерации
Внешняя оптическая обратная связь в ДЛ
Прецизионные измерения контура спектральной линии с помощью ДЛ
Выводы
Глава 2. Экспериментальная установка :
Диодный лазер
Система термостабилизации
Реперный канал
Канал частотной калибровки
Аналитический канал
Оптические кюветы
Система приготовления смеси газов, напуска газов в кюветы
и контроля давления
Система юстировки
Система регистрации сигналов
Характеристики диодного лазерного спектрометра
Чувствительность ДЛС
Спектральное разрешение
Выводы
Глава 3. Спектроскопия ацетилена в ближней ИК-области (А,=1,53 мкм)
Классификация колебательно-вращательных состояний С2Н2
Анализ спектров. Эксперимент
Интерпретация зарегистрированных колебательно-вращательных
линий С2Н2
Выводы
Глава 4, Методика проведения прецизионных измерений контура
спектральной линии
Калибровка и линеаризация частотной шкалы
Уровень полного пропускания (базовая линия)
Точность определения уровня полного поглощения (оптического нуля) . 67 Подгонка регистрируемых контуров линий известными
модельными функциями
Выводы
Глава 5. Аппаратная функция ДЛС
Теория. Постановка задачи. Волновое уравнение
Уравнения среды
Уравнение свертки
Шумы излучения ДЛ
Спонтанное излучение
Флуктуации интенсивности
Флуктуации частоты
Спектр поля излучения ДЛ обусловленный шумами частоты
Эксперимент. Определение параметра go
Определение параметров О и Г АФ ДЛ
Выводы
Заключение
Литература
Введение
Вопросы точных измерений параметров спектральных линий методами диодной лазерной спектроскопии (ДЛС) представляют значительный интерес. Форма линииг ее полуширина, интенсивность, сдвиг частоты, обусловленный давлением буферного газа, служат отличным аналитическим признаком во многих задачах астрофизики, физики атмосферы, биомедицины и др. Изучение процессов формирования контура, уширения и сдвига линии поглощения газов традиционно представляет интерес при исследовании межмолекулярных сил взаимодействия и динамики столкновения молекул. Коэффициенты уширения и сдвига линии, параметры кросс-релаксации содержат информацию об энергетических уровнях, волновых функциях стационарных состояний, параметрах межмолекулярного потенциала, характеристиках сечения столкновения.
Исследование контура спектральной линии методами ДЛС позволяет обнаруживать такие эффекты межмолекулярного взаимодействия как: сужение линии из-за упруго рассеяния (эффект Дике), эффекта ветра - зависимости ударных характеристик от скорости поглощающей молекулы, расщепление линии из-за анизотропии столкновений и т.д. Кроме того, опосредовано через параметры контура линии удается исследовать характеристики самого поля излучения диодного лазера (ДЛ) - шумы интенсивности и частоты и их корреляцию. При наличии шумов излучения ДЛ, задача исследования контура спектральной линии должна рассматриваться самосогласованно, и учитывать поле излучения ДЛ, молекулы активной среды и молекулы буферного газа. Если ограничить рассмотрение не коррелированностыю флуктуаций частоты и интенсивности ДЛ, то можно ввести аппаратную функцию (АФ) ДЛ. Составляющие АФ, связанные со спонтанным излучением, квантовыми флуктуациями частоты и интенсивности, приводят к различным искажениям контура линии при его прецизионной обработке. Они могут быть сравнимы с перечисленными выше эффектами, вызванными взаимодействием активной среды с молекулами буферного газа, и стать причиной неадекватного описания процессов столкновений. Знание функциональной зависимости спектра генерации поля ДЛ, обусловленного различными источниками шумов, таким образом, становиться исключительно

вмонтированный на медный хладопровод устанавливался на термоэлектрический холодильник Пельтье и помещался в криостат для предотвращения конденсации влаги. В системе термостабилизации, использующей в качестве управляющего элемента термоэлектрический холодильник Пельтье был реализован пропорционально-интегральный закон регулирования температуры. Для измерения и стабилизации температуры термодатчиками служили транзисторы КТ922Б. Последовательное соединение коллекторных переходов двух этих транзисторов позволило нам контролировать изменение температуры с точностью не хуже 10"3 К. Падение напряжения на коллекторных переходах термодатчика сравнивалось с опорным напряжением, которое задавало температуру стабилизации и сигнал рассогласования подвергался пропорционально-интегральному преобразованию и подавался на термоэлектрический холодильник Пельтье. Изготовленная таким образом аналоговая система термостабилизации обеспечивала долговременную стабильность температуры лазерного кристалла на уровне 3*10'3 С0 в любой точке рабочего диапазона температур ( АТ от минус 15 С0 до плюс 50 С0). Вариация температуры лазера в этом диапазоне вызывала сканирование частоты излучения ДЛ в области перестройки. Если принять во внимание, что скорость температурной перестройки К (смГ'/град) для РОС - лазеров порядка единицы, тогда полная область перестройки частоты Ду излучения ДЛ составит величину ~ 65 см"1.
При исследовании контура доплеровски уширенной линии, а так же влияния
на нее аппаратной функции ДЛ такой стабильности частоты генерации (~10‘3 С0)
недостаточно. Это связано с тем, что при накоплении сигнала, связанного с
повышением чувствительности, из-за недостаточной стабильности температуры,
начальная частота генерации диодного лазера может меняться от импульса к
/л*3
импульсу на величину -5*10" см" . На такую же величину может изменяться положение линии поглощения относительно начало импульса генерации. Это приводит к уширению линии поглощения и к неконтролируемому изменению амплитуды сигнала. Поэтому в спектрометр была введена система дополнительной стабилизации частоты излучения по линии поглощения реперного газа (Т2), В кювету длиной Ъ = 20 см канала (1) напускался реперный газ. При этом отношение сигнал/шум для линии поглощения в реперном канале было больше 1000. Этот сигнал после прохождения через дифференциальную цепочку подавался на