Оптико-акустический сенсор

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Белорусский государственный университет Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Фираго Владимир Александрович Стецик Виктор Михайлович Полонецкий Александр Леонидович Старовойтов Владимир Сергеевич(73) Патентообладатели Белорусский государственный университет Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Оптико-акустический сенсор, содержащий импульсный лазер, управляемый генератором импульсов тока накачки, объектив, коллимирующий лазерный пучок излучения, резонансную оптико-акустическую ячейку, микрофон, преобразующий звуковые колебания,возникающие при поглощении лазерных импульсов молекулами контролируемого газа,прокачиваемого через оптико-акустическую ячейку, в электрический сигнал, синхронный детектор, входы которого связаны с микрофоном и генератором импульсов тока накачки,а выходы - с выходом сенсора и входом подстройки частоты модуляции генератора импульсов тока накачки, отличающийся тем, что содержит три оптоволокна, мультиплексор, расположенный за импульсным лазером, и дополнительный объектив, расположенный за оптико-акустической ячейкой, при этом первый вход мультиплексора связан через первое оптоволокно с оптоволоконным выходом импульсного лазера, второй вход - через второе оптоволокно с дополнительным объективом, причем конец второго оптоволокна расположен в фокусе дополнительного объектива, а выход мультиплексора связан через третье оптоволокно с объективом. 12411 1 2009.10.30 Изобретение относится к области контроля состава газовых смесей лазерным оптикоакустическим способом и может использоваться в устройствах непрерывного определения концентрации компонент различных газообразных сред в промышленных технологических процессах, медицине, биологии, экологии и лазерной спектроскопии. Известно устройство, используемое в лазерной оптико-акустической спектроскопии,для определения концентрации контролируемого газа, которое состоит из монохроматического источника амплитудно-модулированного излучения с перестраиваемой длиной волны, коллиматора, направляющего пучок излучения источника в оптико-акустическую ячейку, через которую прокачивают анализируемую газообразную среду, микрофон, преобразующий звуковые колебания, возникающие при резонансном поглощении излучения молекулами контролируемого газа, в переменный электрический сигнал, и амплитудный детектор, формирующий огибающую продектированного акустического сигнала 1, 2. По амплитуде огибающей вычисляют концентрацию молекул контролируемого газа. Недостаток данного устройства - плохое выделение слабых сигналов из шумов, обусловленное применением амплитудного детектора. Наиболее близким по технической сущности решением к заявляемому является устройство 3, содержащее импульсный лазер, управляемый генератором импульсов тока накачки, объектив, коллимирующий лазерный пучок излучения, резонансную оптикоакустическую ячейку, микрофон, преобразующий звуковые колебания, возникающие при поглощении лазерных импульсов молекулами контролируемого газа, прокачиваемого через оптико-акустическую ячейку, в электрический сигнал, синхронный детектор, связанный с микрофоном и генератором импульсов тока накачки и формирующий на выходе устройства огибающую продетектированного акустического сигнала. Синхронный детектор также вырабатывает сигнал подстройки частоты модуляции генератора импульсов тока накачки, с помощью которого частота модуляции амплитуды импульсов излучения лазеров удерживается в области резонанса акустических колебаний в ячейке. Резонансная оптико-акустическая ячейка имеет лучшую чувствительность, а применение синхронного детектора обеспечивает оптимальное выделение огибающей акустического сигнала из шумов. Поскольку чувствительность ячейки прямо пропорциональна мощности проходящего через нее излучения, при использовании импульсных лазеров с большой скважностью излучаемых импульсов чувствительность ячейки невысокая, так как определяется средней мощностью излучения, которая обратно пропорциональна скважности импульсов. Задачей изобретения является повышение чувствительности оптико-акустического сенсора, использующего излучение импульсного лазера, путем повышения средней мощности проходящих через ячейку импульсов излучения, обеспечиваемого возвратом прошедшего через ячейку импульсного излучения обратно в ячейку, т.е. организацией рециркуляции лазерных импульсов. Сущность изобретения заключается в том, что оптико-акустический сенсор, содержащий импульсный лазер, управляемый генератором импульсов тока накачки, объектив, коллимирующий лазерный пучок излучения, резонансную оптико-акустическую ячейку,микрофон, преобразующий звуковые колебания, возникающие при поглощении лазерных импульсов молекулами контролируемого газа, прокачиваемого через оптико-акустическуюячейку, в электрический сигнал, синхронный детектор, входы которого связаны с микрофоном и генератором импульсов тока накачки, а выходы - с выходом сенсора и входом подстройки частоты модуляции генератора импульсов тока накачки, дополнительно содержит три оптоволокна, мультиплексор, расположенный за импульсным лазером, и дополнительный объектив, расположенный за оптико-акустической ячейкой, при этом первый вход мультиплексора связан через первое оптоволокно с оптоволоконным выходом импульсного лазера, второй вход - через второе оптоволокно с дополнительным объективом, причем конец второго оптоволокна расположен в фокусе дополнительного объектива, а выход мультиплексора связан через третье оптоволокно с объективом. Поставленная задача решается путем организации рециркуляции лазерных импульсов через ячейку, возникающей при возврате прошедшего через оптико-акустическую ячейку 2 12411 1 2009.10.30 импульса излучения с помощью объектива, оптоволокна и мультиплексора обратно в ячейку. Свойство, появляющееся у заявляемого технического решения, - повышение чувствительности или крутизны преобразования газового сенсора за счет увеличения средней мощности излучения, проходящего через оптико-акустическую ячейку, что соответственно улучшает пороговую чувствительность определения концентрации контролируемого газового компонента. Сущность изобретения поясняют фиг. 1 и 2. На фиг. 1 приведена функциональная схема сенсора (прототипа), содержащего импульсный лазер ИЛ, который управляется генератором импульсов тока накачки ГИТН, объектив О, коллимирующий лазерный пучок излучения, резонансную оптико-акустическую ячейку ОАЯ, микрофон М, преобразующий звуковые колебания, возникающие при поглощении лазерных импульсов контролируемой средой, прокачиваемой через оптико-акустическую ячейку, в электрический сигнал, синхронный детектор СД, управляемый генератором импульсов тока накачки и формирующий сигнал подстройки частоты модуляции амплитуды импульсов излучения лазера, а также огибающую продектированного акустического сигнала, подаваемую на выход газового сенсора. При пропускании через кристалл лазера пачек импульсов тока накачки на выходе лазера формируются пачки импульсов излучения, при резонансном поглощении которых контролируемыми молекулами прокачиваемой через ячейку газообразной среды возникают акустические колебания, регистрируемые микрофоном М. Электрический сигнал с выхода микрофона поступает на синхронный детектор СД, который интегрирует его по сигналу управления с ГИТН только в моменты существования пачек импульсов. При этом сигнал накапливается в фазе, а шумы усредняются, и достигается наилучшее отношение сигнал/шум. Частота следования пачек импульсов должна совпадать с резонансной частотой акустических колебаний в ОАЯ. Сигнал подстройки частоты модуляции импульсного излучения лазера, вырабатываемый СД, служит для поддержания частоты модуляции, обеспечивающей максимальную амплитуду акустических колебаний в ячейке. Средняя мощность излучения импульсных лазеров ограничена максимально допустимой мощностью излучения лазера, которая и определяет крутизну преобразования ячейки. Функциональная схема заявляемого устройства приведена на фиг. 2. Устройство содержит импульсный лазер 1, управляемый генератором импульсов тока накачки 2, объектив 3, коллимирующий лазерный пучок излучения, резонансную оптико-акустическую ячейку 4, микрофон 5, преобразующий звуковые колебания, возникающие при поглощении лазерных импульсов молекулами контролируемого газа, прокачиваемого через оптико-акустическую ячейку, в электрический сигнал, синхронный детектор 6, входы которого связаны с микрофоном 5 и генератором импульсов тока накачки 2, а выходы - с выходом сенсора 7 и входом подстройки частоты модуляции генератора импульсов тока накачки 2,и отличается от устройства-прототипа (фиг. 1) наличием трех оптоволокон 8, 9, 10, мультиплексора 11 и дополнительного объектива 12, расположенного за оптико-акустической ячейкой 4. Для организации рециркуляции импульсного лазерного излучения первый вход мультиплексора 11 связан через первое оптоволокно 8 с оптоволоконным выходом импульсного лазера 1, второй вход - через второе оптоволокно 9 с дополнительным объективом 12, причем конец второго оптоволокна расположен в фокусе дополнительного объектива 12, а выход мультиплексора 11 связан через третье оптоволокно 10 с объективом 3. При этом мультиплексор 11 направляет в третье оптоволокно 10 импульсное излучение лазера и излучение, прошедшее через оптико-акустическую ячейку. Устройство функционирует следующим образом. При поступлении с генератора импульсов тока накачки 2 на кристалл лазера 1 импульса тока формируется импульс излучения, который через оптоволокно 8, мультиплексор 11, оптоволокно 10 и объектив 3 с просветленными поверхностями поступает в резонансную оптико-акустическую ячейку 4,возбуждая колебательно-вращательные переходы молекул контролируемого газа при совпадении длины волны лазера с выбранной линией поглощения. В процессе релаксации энергия возбужденных молекул переходит в тепловую энергию молекул газовой среды,3 12411 1 2009.10.30 вызывая повышение давления в ней, что при периодическом поступлении пачек импульсов приводит к возникновению акустических колебаний, амплитуда которых возрастает при совпадении частоты пачек импульсов излучения с резонансной частотой акустических колебаний в ячейке. Величина резонансного поглощения лазерного излучения молекулами незначительная, поэтому мощность лазерного излучения при прохождении через оптико-акустическую ячейку с просветленными окнами 4 практически не изменяется. Объектив 12 с просветленными поверхностями вводит прошедшее через ячейку 4 лазерное излучение в оптоволокно 9. Далее импульс излучения через мультиплексор 11, оптоволокно 10, объективы 3 и 12 и оптоволокно 9 опять попадает в оптико-акустическую ячейку 4, что вызывает возникновение рециркуляция лазерного импульса с постепенным затуханием его амплитуды, вызываемым потерями на отражение оптическими поверхностями линз объективов 3 и 12, окошек кюветы и торцов оптоволокон. Длина оптоволокна 9 выбирается небольшой, чтобы к следующему импульсу тока из пачки амплитуда рециркулирующих импульсов значительно уменьшилась. Величина средней мощности лазерного излучения Ф, проходящего через ячейку с рециркуляцией импульсов, описывается,1 где- пропускание излучения оптической петлей рециркуляции,- количество импульсов, проходящих через ячейку при рециркуляции. Предел этого выражения присоставляет ФФ 0/(1 - ). При просветлении оптических поверхностей и тщательной юстировке можно довести значение коэффициента пропускания до 0,9. При этом отношение Ф/Ф 0 достигнет десяти, что на порядок повышает чувствительность сенсора по сравнению с обычными сенсорами без петли рециркуляции лазерных импульсов. Таким образом, предлагаемый оптико-акустический сенсор за счет более полного использования мощности лазерного излучения имеет большую крутизну преобразования и лучшую пороговую чувствительность, что особенно важно при использовании неохлаждаемых полупроводниковых лазеров, излучающих в средней ИК-области спектра, где расположены фундаментальные колебательно-вращательные полосы поглощения молекул. Фиг. 1 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4