Оптические методы диагностики плазмы
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
?остях плазмы. Если это разрядная трубка, то один электрод делается подвижным, либо вводится
несколько электродов и разряд зажигается между различными парами электродов.
Если вместо источника Е (рис. 1.2, а) поместить зеркало, то роль источника будет играть собственное мнимое изображение плазмы Р.
Чувствительность к поглощению предыдущей схемы можно повысить, если трубку поместить между двумя зеркалами, одно из которых (со стороны детектора) полупрозрачное (многоходовая кювета). Измерения проводятся для случаев открытого и закрытого полностью отражающего зеркала.
Такой метод получил широкое применение в спектральном анализе (металлургия, химические производства, медицина, геология и т.д.), где он называется также методом атомной абсорбции. Атомно-абсорбциоыный спектральный комплекс ориентирован на массовый элементный анализ и включает спектральный прибор, наборы источников линейчатых спектров и атомизаторы вещества. Вещество в атомизаторах находится в состоянии термического равновесия и связь концентрации атомов с поглощением устанавливается калибровками. Современные комплексы автоматизированы и производятся в промышленных масштабах. Это специальная область, которой мы касаться не будем, поскольку для физических исследований неравновесной плазмы требуются, как правило, менее специализированные, более гибкие подходы.[1]
1.3 Спектроскопия поглощения с частотно-перестраиваемыми и широкополосными лазерами
Спектроскопия плазмы существенно расширила свои возможности благодаря применению лазеров с управляемой частотой генерации. К настоящему времени разработано и реализовано большое число приемов и схем получения лазерной генерации в широкой спектральной области. Некоторое общее представление о возможностях спектральной перестройки генерации лазерного излучения на основе различных активных сред в сочетании с методами нелинейной оптики дает рис. 1.3. Приведенная схема не претендует на полноту, поскольку лазерная техника постоянно развивается.
Рис 1.3 Спектральные области перестройки лазерного излучения
.3.1 О преимуществах лазерных источников перед классическими в прямых измерениях поглощения
Замена классических источников лазерными дает наиболее очевидные параллели для сравнения в схемах с прямой регистрацией изменения интенсивности излучения, пропущенного через объект, когда эти изменения происходят по закону ББЛ. По сравнению с классическими лазерные источники дают заметные преимущества в ряде, часто совокупных, отношений. Среди них:
в лазерах сравнительно легко достигаются спектральные шириныполос излучения 10-4 см-1, что для комбинаций классических источников и монохроматоров представляет определенную проблему В одних случаях применение перестраиваемых лазеров вообще позволяет отказаться от классических спектральных приборов. В ряде других(как правило, из-за модовой структуры лазерного излучения) достаточно использовать простейшие монохроматоры для грубой фильтрации даже в измерениях с высоким спектральным разрешением;
по сравнению с классическими методами линейчатого поглощения, применение лазеров с контролируемой перестройкой частоты позволяет унифицировать и автоматизировать измерения, снимая проблему подбора источника излучения со спектром, согласованным со спектром поглощающего объекта. Снимается проблема учета самопоглощения в источнике. Как уже отмечалось выше, применение узкополосного источника само по себе не обеспечивает радикального повышения чувствительности. В лазере, однако, малая спектральная ширина сочетается с узкой направленностью излучения(или, как, например, в ряде полупроводниковых лазеров с малой апертурой, излучение с заметной, но дифракционной расходимостью может быть легко сколлимировано). Это допускает многопроходные измерения, увеличивающие оптическую толщину;
большая мощность и узкая диаграмма направленности лазерного излучения позволяют во многих случаях избавиться от необходимости учета собственного свечения просвечиваемого плазменного объекта;
высокие яркость и мощность излучения лазеров важны при исследованиях нестационарных объектов, когда спектр должен быть зарегистрирован за короткое время при быстром сканировании частоты. Поглощение за малый временной интервал можно зарегистрировать с помощью фотопленки или матричных фотоприемников, детекторов с зарядовой связью и т. п. при приемлемом отношении сигнал/шум.[4]
.3.2 Диодная лазерная спектроскопия в ИК диапазоне
В этом получившем широкое распространение част- ном случае в качестве просвечивающего источника используются полупроводниковые диодные лазеры с накачкой электрическим током. Область спектра варьируется от видимой до дальней ИК подбором лазерных диодов различного компонентного состава. Рисунок 1.4 иллюстрирует типичные спектральные диапазоны и области характеристик молекулярных спектров, перекрываемые различными диодами.
Рис. 1.4 Спектральные диапазоны диодных лазеров и области поглощения ряда молекул
Режим работы лазерных диодов может быть как непрерывным, так и импульсным. Лазеры на основе соединений А2В6 и А3В5 работают в ближней ИК области при комнатной температуре. Для работы более длинноволновых лазеров на основе соединений А4В6 требуется более глубокое охлаждение. На рис. 1.5 показана характерная блок-схема импульсно-периодического диодного лазерного спектр