источник бигармонической накачки к устройству для определения водорода

Формула изобретения

1. Лазерный источник бигармонической накачки к устройству для определения водорода, содержащий кювету с водородом, выполненную в виде трубы с двумя оптическими окнами, импульсный лазер, установленный напротив одного из оптических окон кюветы, коллимирующую и фокусирующую линзы, отличающийся тем, что кювета выполнена в виде полого фотонно-кристаллического световодного волокна.

2. Лазерный источник бигармонической накачки по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен, по крайней мере, одним лучерасщепителем, расположенным между импульсным лазером и фокусирующей линзой, и системой сведения лучей, расположенной после коллимирующей линзы.

3. Лазерный источник бигармонической накачки по п.1 или 2, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен линией оптической задержки, расположенной между лучерасщепителем и системой сведения лучей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к анализу материалов, в частности для определения содержания водорода.

Известно устройство для определения водорода, основанное на методе нелинейной лазерной спектроскопии когерентного антистоксового рассеяния света (КАРС). Оно содержит измерительную камеру с оптическими окнами, вакуумную аппаратуру и систему измерения количества водорода, выполненную в виде лазерного источника бигармонической накачки и системы определения интенсивности антистоксовой компоненты рассеянного света. Лазерный источник бигармонической накачки сконструирован по схеме, основанной на смешении излучения второй гармоники неодимового лазера и излучения дополнительного лазера на красителе [Бункин А.Ф., Иванов С.Г. Регистрация фоновых концентраций Н₂ в воздухе методом когерентной активной спектроскопии комбинационного рассеяния света. // Квантовая электроника. - 1982. - № 9 - Т.9.].

Недостатками лазерного источника бигармонической накачки этого устройства является сложность в целом, обусловленная необходимостью применения двух мощных отдельных лазеров в качестве источников излучения.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство для определения водорода, основанное на методе КАРС, которое содержит рабочую камеру с оптическими окнами, вакуумную аппаратуру, систему определения количества водорода в виде лазерного источника бигармонической накачки и системы определения интенсивности антистоксовой компоненты рассеянного света в анализируемом объеме (метод антистоксовой спектроскопии вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКР)). Лазерный источник бигармонической накачки выполнен в виде наполненной водородом, протяженной оптической кюветы низкого давления и одного импульсного лазера, генерирующего монохроматическое излучение [патент Российской Федерации № 2027165, кл. 6 G01N 21/61, Бюл. № 2, 20.01.95].

Недостатком источника бигармонической накачки известного устройства является необходимость применения длинной (около 1 м) кюветы для водорода и мощного лазерного источника (энергия в импульсе на длине волны 532 нм - 20 мДж, при длительности импульса 7 нс).

Задача изобретения - создание компактной конструкции источника бигармонической накачки с применением в качестве импульсного источника света лазера малой мощности.

Поставленная задача решается тем, что в лазерном источнике бигармонической накачки к устройству для определения водорода, содержащем кювету с водородом, выполненную в виде трубы с двумя оптическими окнами, импульсный лазер, установленный напротив одного из оптических окон кюветы, селектирующий фильтр, колимирующую и фокусирующую линзы, кювета выполнена в виде полого фотонно-кристаллического световодного волокна.

Лазерный источник бигармонической накачки дополнительно снабжен, по крайней мере, одним лучерасщепителем и системой сведения лучей.

Для компенсации временного сдвига излучений накачки и стоксовой компоненты в состав устройства вводится оптическая линия задержки.

На чертеже изображена конструкция лазерного источника бигармонической накачки к устройству для определения водорода.

Сущность изобретения. В лазерном источнике бигармонической накачки к устройству для определения водорода, кювета 1 представляет собой отрезок полого фотонно-кристаллического волокна. На противоположных торцевых срезах волокна расположены оптические окна 2 и 3, образуя замкнутое пространство внутри кюветы. Кювета 1 заполнена водородом. На пути следования луча импульсного лазера 4 установлен лучерасщепитель 5. Напротив одного из окон 2 кюветы 1 установлены устройство поворота луча 6 и фокусирующая линза 7. Напротив второго окна 3 кюветы 1 установлены коллимирующая линза 8, устройство поворота луча 9 и система сведения лучей 10. Между лучерасщепителем 5 и системой сведения лучей 10 находится оптическая линия задержки 11. На выходе источника бигармонической накачки установлена измерительная система 12, включающая рабочую камеру и аппаратуру определения интенсивности антистоксовой компоненты рассеянного света в анализируемом объеме.

Степень локализации излучения в сердцевине волокна и его мощность зависят от содержания газа, а также линейных размеров самого волокна. Радикальное увеличение эффективности ВКР достигается в результате существенного увеличения длины нелинейно-оптического взаимодействия по сравнению с режимом жесткой фокусировки.

Интенсивность процесса ВКР в фотонно-кристаллическом волокне характеризуется наличием оптимальной длины волокна L _opt, при которой эффективность генерации максимальна. Выражение для оптимальной длины волокна следующее:

,

где g - коэффициент ВКР-усиления, I ₀ - интенсивность излучения накачки, _p, _s - коэффициенты потерь на частоте накачки и стокса, соответственно [Желтиков A.M. Оптика микроструктурированных волокон. М.: Наука, 2004].

Однако распространение света в полых волноводах сопровождается потерями излучения. Это обстоятельство накладывает ограничения на пределы увеличения эффективности взаимодействия при увеличении длины волокна. Величина оптических потерь увеличивается и с уменьшением внутреннего радиуса полой сердцевины. Так же уменьшение внутреннего радиуса означает необходимость более жесткой фокусировки излучения накачки, что приводит, в конечном итоге, к пробою торцевой части волокна.

Исходя из вышеназванных ограничений, выбираются необходимые оптико-геометрические характеристики полого фотонно-кристаллического волокна, для создания лазерного источника бигармонической накачки. При этом имеется возможность выбора характеристик волокна, за счет чего достигается подавление антистоксовой составляющей процесса ВКР.

Источник бигармонической накачки к устройству для определения водорода работает следующим образом. Излучение импульсного лазера 4 направляется на лучерасщепитель 5, таким образом, что часть излучения подается через фокусирующую линзу 7 внутрь кюветы 1, заполненной водородом. Другая, неистощенная, часть излучения попадает непосредственно в измерительную систему 12. В кювете 1 происходит нелинейно-оптический процесс ВКР. В результате на выходе фотонно-кристаллического волокна, кроме излучения накачки появляется дополнительно излучение интенсивностью I_S на стоксовой частоте, которое, пройдя через коллимирующую линзу 8, попадает в систему сведения лучей 10, где объединяется с неистощенным излучением I₀ накачки импульсного лазера. При использовании коротких лазерных импульсов для компенсации временного сдвига импульсов накачки и стокса в состав источника бигармонической накачки вводится оптическая линия задержки 11 для излучения накачки. Далее излучения накачки и стокса вводятся в измерительную систему 12, где и производится измерение концентрации водорода в исследуемой газовой среде методом КАРС. Внешний диаметр фотонно-кристаллического световодного волокна 150-200 мкм, при этом волокно большой длины может быть компактно свернуто. Для инициализации процесса ВКР достаточно лазерных импульсов наносекундной длительности с энергией на уровне нескольких мкДж.

Технический результат предлагаемого решения - возможность создания компактной установки контроля водорода путем уменьшения размеров кюветы в источнике бигармонической накачки. Увеличение эффективности нелинейно-оптических взаимодействий дает возможность применения маломощного лазерного источника, достаточного для возбуждения процесса ВКР в кювете, выполненной из полого световодного волокна.