Нефелометр на двухволновом лазере

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ НЕФЕЛОМЕТР НА ДВУХВОЛНОВОМ ЛАЗЕРЕ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Козлов Владимир Леонидович Кугейко Михаил Михайлович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Нефелометр на двухволновом лазере, содержащий блок питания лазера и источник лазерного излучения, оптически связанный через контролируемую среду с первым и вторым приемниками излучения, и процессор, отличающийся тем, что в качестве источника излучения использован двухволновой лазер, а в устройство введены зеркало, оптически связанное с заданными точками контролируемой среды и двухволновым лазером, и два коммутатора, причем выход первого приемника через первый коммутатор соединен с входами введенных четырех интеграторов, выходы которых соединены с блоком процессора а выход второго приемника через второй коммутатор соединен с входами других введенных четырех интеграторов, выходы которых соединены с блоком процессора, входы управления коммутаторов соединены с процессором, а выход процессора через блок питания лазера соединен с двухволновым лазером.(56) 1. Сергеев Н.М. Измерение прозрачности атмосферы с использованием двух лазеров Тез. докл.Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. - Томск, ч. 1, 1980. - С. 123-125. 2. А.с. СССР 1523974, МПК 01 21/47. Способ определения прозрачности участка рассеивающей среды / Б. Б. Виленчиц и др. // Бюл.43. - 1989. 3. Патент РБ 1385, МПК 01 3/19. Полупроводниковый лазер / А.А. Афоненко,В.К. Кононенко, И.С. Манак. Опубл. 1996. 75882011.10.30 Полезная модель относится к области газового анализа и может использоваться для измерения дымности выбросов автомобилей, труб промышленных предприятий и т.п. Известен измеритель прозрачности атмосферы 1, содержащий два лазера, два приемника излучения вычислительный блок. Однако эта система не позволяет измерять дымность выбросов автомобилей, концентрацию выбросов из труб промышленных предприятий и т.п. из-за того, что невозможно зарегистрировать сигналы обратного рассеяния из рядом расположенных точек. Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, реализующее способ измерения прозрачности рассеивающей среды 2, содержащее два лазера, два приемника излучения, принцип действия которого основан на посылке через участок газовой струи навстречу друг другу пучков зондирующего излучения и приеме рассеянного излучения. По значению интенсивности излучения определяется прозрачность участка струи. Недостатком этого устройства является ограниченная точность измерений, обусловленная не точным совмещением пучков зондирующего излучения. Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении точности измерения коэффициента ослабления. Поставленная задача решается путем того, что в нефелометре 2, содержащем блок питания лазера и источник лазерного излучения, оптически связанный через контролируемую среду с первым и вторым приемниками излучения, и процессор, в качестве источника излучения использован двухволновой лазер, а в устройство введены зеркало,оптически связанное с заданными точками контролируемой среды и двухволновым лазером, и два коммутатора, причем выход первого приемника через первый коммутатор соединен с входами введенных четырех интеграторов, выходы которых соединены с блоком процессора а выход второго приемника через второй коммутатор соединен с входами других введенных четырех интеграторов, выходы которых соединены с блоком процессора, входы управления коммутаторов соединены с процессором, а выход процессора через блок питания лазера соединен с двухволновым лазером. Свойства, появляющиеся у заявляемого объекта, это повышение точности измерения коэффициента ослабления, обусловленное тем, что два зондирующих сигнала генерируются в одной активной области лазера, поэтому обеспечивается совмещение оптических осей зондирующих сигналов и более высокая стабильность разностной частоты зондирующих излучений. Кроме того, повышение точности в 2 раз по сравнению с прототипом достигается за счет проведения измерений на двух различных длинах волн 1 и 2. Сущность полезной модели поясняется с помощью чертежа, на котором представлена функциональная схема нефелометра на двухволновом лазере. Устройство содержит двухволновой лазер 1, блок питания лазера 2, зеркало 3, первый приемник излучения 4, второй приемник излучения 5, первый коммутатор 6, второй коммутатор 7, интеграторы 8-15,блок процессора 16. В качестве источника излучения используется двухволновой полупроводниковый лазерный диод с асимметричной квантово-размерной гетероструктурой, обеспечивающий генерацию на двух различных оптических длинах волн 3. Переключение длины волны излучения в импульсе с 1 на 2 происходит при скачкообразном изменении амплитуды тока накачки в импульсе с 1 на 2. Длительность электрических импульсов и, соответственно, импульсов излучаемого света на разных длинах волн может быть сделана достаточно малой, менее единицы наносекунд. Разность длин волн генерации 1-2 достигает значений 10-90 нм. Если использовать терморегулятор и стабилизировать амплитуду тока инжекции, то достигается высокая стабильность разности длин волн генерации. Устройство работает следующим образом. Через исследуемую среду двухволновым лазером 1 посылается импульсное зондирующее излучение на длине волны 1. Излучение,рассеянное в т. 2 под некоторым углом , величина которого 1(1,2), регистрируется 2 75882011.10.30 приемником 4 и с помощью коммутатора 6 поступает на интегратор 8. Излучение, рассеянное в т. 3 под углом , величина которого 1(1,3), регистрируется приемником 5 и с помощью коммутатора 7 поступает на интегратор 12. Затем зондирующее излучение отражается от зеркала 3 и осуществляет обратный проход через исследуемую среду. На приемниках 4 и 5 регистрируются значения сигналов 1(4,2) и 1(4,3) которые записываются в интеграторы 9 и 13 соответственно. На приемники 4 и 5 рассеянное излучение из-за разных длин трасс будет поступать в разные моменты времени. Для величин сигналов при прямом проходе среды на длине волны 1, рассеянных под угломк направлению посылки в точках 2 и 3, восстановленных на квадрат расстояния, можно записать следующие выражения 1(1,2)11(2)1(1,2)1(2,5),1(1,3)21(3)1(1,2)1(2,3)1(3,6),где 1, 2- аппаратурные константы приемников 4 и 5 соответственно 1 - мощность излучения на длине волны 1 при прямом проходе, 5, 6 - координаты местонахождения приемников 4 и 5 соответственно 1, 4 - координаты местонахождения соответственно лазера 1 и зеркала 3 2, 3 - координаты рассеивающих точек 1(,)1(,)(-) - прозрачности участков ,16 на длине волны 1. При обратном проходе среды излучением на длине волны 1 отраженным от зеркала 3,величины сигналов, рассеянных под углом (180-) в точках 2 и 3, восстановленные на квадрат расстояния, имеют вид 1(4,2)12180-(2)1(3,4)1(2,3),1(2,5),1(4,3)22180-(3)1(3,4)1(3,6). где 2 - мощность излучения на длине волны 1 при обратном проходе. Отношение сигналов, рассеянных в точке 2, равно 1( 2 )1 ( 1 ,2 )( ,)11 1 2. 1 ( 4 ,2 ) 2 180 ( 3 )1 ( 3 ,4 )1 ( 2 ,3 ) Последнее можно записать следующим образом.1 (4 ,3 ) 2 180 ( 3 )1 ( 3 ,4 ) Данное выражение можно записать в следующем виде(2) 221(2,3),где 21(1,3)/1(4,3) 2(3)/180-(3). Решение системы линейных уравнений (1) и (2) относительно 1 равно(3 )180( 2 )1(,)1 ( 4 ,3 ) В неоднородных рассеивающих средах для исключения влияния индикатрисы рассеяния , как следует из (3), необходимо регистрировать рассеяние под одним и тем же углом в каждой из рассеивающих точек, т.е. под углом /2. В этом случае выражение (3) имеет вид 1( ,)1 (4 ,3 )1 (2 ,3 )1 1 2(5) 2(32 ) 1 ( 1 ,3 )1 ( 4 ,2 ) Затем через исследуемую среду двухволновым лазером 1 посылается импульсное зондирующее излучение на длине волны 2. Как и в предыдущих измерениях, при прямом и обратном прохождении т. 2, рассеянные излучения величиной 2(1,2) и 2(4,2) записываются в интеграторы 10 и 11 соответственно, а при прохождении т. 3, рассеянные излучения 2(1,3) и 2(4,3) записываются в интеграторы 14 и 15 соответственно. Аналогично приведенным выше выкладкам, получаем коэффициент ослабления на длине волны 2 1( ,)( ,)2 ( 2 ,3 )2 1 22 4 3 .(6) 2 (32 )2 (1 ,3 )2 (4 ,2 ) Если относительная разность полученных значений коэффициента ослабления на длинах волн 1 и 2, соответственно,2 ( 2 ,3 ) и 2 ( 2 ,3 ) близка к отношению шум/сигнал на приемниках излучения, то вычисление среднего значения( ,)2 ( 2 ,3 ),2 обеспечит повышение точности измерений в 2 раз по сравнению с прототипом. Если относительная разность 2 ( 2 ,3 ) и 2 ( 2 ,3 ) имеет большее значение, наблюдается зависимость коэффициента ослабления от длины волны. В рассматриваемом способе, как видно из выражений (4-6), значенияи , а значит, и прозрачности -(3-2) определяются как для всей ширины струи, так и для любого участка внутри струи, при этом измеряемый участок располагается на удалении от приемно-излучающих устройств. Важным достоинством данного метода является и то, что получаемые значения оптических характеристик не зависят ни от аппаратурных констант,ни от энергии излучения. А это значит, что отсутствует необходимость калибровки измерительной системы и установки аппаратурных константы ввиду их отсутствия в алгоритмах, которые получены без использования каких-либо допущений или пренебрежений этими константами. Устойчивость системы к изменениям аппаратурных констант означает и устойчивость к загрязнению оптики. Повышение точности измерения коэффициента ослабления в 2 раз по сравнению с прототипом достигается за счет проведения измерений на двух различных длинах волн 1 и 2. Так как два зондирующих сигнала генерируются в одной активной области двухволнового лазера, то обеспечивается совмещение оптических осей зондирующих сигналов и более высокая стабильность разностной частоты зондирующих излучений, что также дает повышение точности измерения коэффициента ослабления по сравнению с прототипом. Таким образом, в результате использования в измерителе в качестве источника излучения двухволнового полупроводникового лазера достигается повышение точности измерения коэффициента ослабления.1 (2 ,3 ) Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4