Оптические методы диагностики плазмы
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
ометра (ДЛС) [25].
Рис 1.5 Блок-схема диодного лазерного спектрометра[2]
Частота перестраивается изменением тока накачки диода и контролируется также их температурой. В случае лазерного спектрометра используются А4В6 диоды, и температура поддерживается в диапазоне 60-90 К. Для разделения лазерных мод и грубого частотного контроля используется классический дифракционный монохроматор. Типичные возможности активной долговременной термостабилизации диода ~ 10-2 К, а чувствительность частоты к температуре ~ 1 см-1 К-1, что в комбинации обеспечивает спектральное разрешение ~ 10-2 см-1. Для повышения разрешения до ~ 10-4 см--1 используется либо дополнительная оптическая схема синхронного запуска электроники, либо быстродействующий цифровой осциллограф с последующей программной обработкой данных. Необходимо отметить, что для данного типа спектрометра в силу переменности модового состава излучения лазерных диодов частотная перестройка является не непрерывной, а кусочно-непрерывной. Изменением тока один лазерный диод заданного компонентного состава перекрывает область 200-300 см-1, при этом близко примыкающие зоны истинно непрерывной перестройки составляют 1-10 см-1 Полное перекрытие спектрального диапазона достигается комбинированным изменением как тока накачки, так и температуры охлаждения диода. Такая особенность создает определенные сложности в работе со спектрометром, которые, однако, компенсируются высоким спектральным разрешением, что особенно важно для спектроскопии возбужденных молекул.
Таблица 1.1
Частицы, присутствующие в малых количествах в плазме и регистрируемые с помощью ДЛС
.3.3 Использование классических многопроходных кювет
В закон ББЛ входит произведение . Для измерения малых выгодно использовать большие пути просвечивания L. Эти приемы в классической спектроскопии хорошо известны и используют оптические схемы с многократными проходами света через объект навстречу друг другу под малыми углами. Приемлемая схема была разработана и получила название ячейки Уайта.
Развитие применений лазеров с хорошо коллимированными пучками в абсорбционной спектроскопии стимулировало дальнейшие разработки таких схем. В типичной современной конструкции длиной 50 см, ориентированной на использование лазеров в качестве просвечивающих источников в ближней ИК области (коэффициент отражения медных зеркал 0,987 для длинны волны 1,65 мкм) реализуется эффективный оптический путь около 100 м (200 проходов).
1.3.4 Поглощение внутри лазерного резонатора
Метод внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС) является развитием описанного выше метода. Его высокая чувствительность также основана на многократном прохождении света через поглощающее вещество, но теперь исследуемая среда помещается внутрь резонатора лазера с полосой усиления, спектральная ширина которой превышает исследуемый фрагмент спектра (рис. 1.6). Ширина полосы определяется однородным уширением лазерного перехода и наличием большого числа резонаторных мод. Поглощение света исследуемой средой вносит в резонатор лазера дополнительные частотно-селективные потери.
Рис 1.6 Блок-схема внутрирезонаторного лазерного спектрометра: 1-объект; 2-активный элемент лазера; 3-зеркала резонатора; 4-монохроматор; 5-приемник излучения; 6-регистрирующая схема
Принципиальное отличие такой схемы от классической многоходовой кюветы состоит в том, что потери света на зеркалах в этом случае компенсируются усилением в активной среде (в пределах полосы усиления), тогда как именно такие потери ограничивают светосилу многоходовой кюветы с внешним источником света. При этом, однако, в активной лазерной среде ВРЛС-спектрометра не должно искажаться распределение интенсивностей по модам из-за поглощения в исследуемом объекте. Это накладывает ограничение на ширину исследуемых линий поглощения, которая должна быть малой по сравнению с однородным уширением контура усиления активной среды.
Для ВРЛС используют лазеры различного типа. Первые эксперименты с лазерами на стекле с Nd+ c генерацией в области 1,055-1,067 мкм и длительностью импульсов ~ 1-10 мкс, что соответствовало эффективной длине поглощения Leff ~ 300 - 3000 км. Различные варианты лазеров на цен- трах окраски (CCL) перекрывают участки ближнего и среднего ИК диапазонов - LiF: (0,86-0,99) мкм; LiF: (1-1,28) мкм; NaF:F2 (0,98-1,4) мкм; NaCl: (0,48-1,56) мкм; KCl:LiF (0,6-2,7) мкм. Лазеры на титан-сапфире перекрывают область (0,67-1,0) мкм; YAG Сг3+ (0,38-1,55) мкм. Из недавно опробованных интерес представляет среда Со: MgF2 (0,6-2,5) мкм. Наибольшее распространение, однако, в ВРЛС имеют лазеры на красителях, перекрывающих всю видимую область спектра и обеспечивающие чувствительность на уровне указанного выше теоретического предела.[3]
1.4 Непрямые методы регистрации поглощения лазерного спектра
Рассмотренные в разделах 1.1 и 3.2 методы поглощения основаны на регистрации изменений интенсивности света при пропускании его через объект. Эти прямые методы называют также трансмиссионными или абсорбционно-транемиссионными. Их большое достоинство связано с возможностью прямых измерений абсолютных плотностей поглощающих состояний частиц без привлечения дополнительных измерений, если свет не вызывает насыщения перехода. Знание механизмов заселения и распада уровней, связанных переходом, не требуется.
Альтернативной может быть регистрация изменения того или иного параметра объекта, вызванного проходящим через него светом.