Исследование методов улучшения лидарных лазерных систем для применения в экологическом мониторинге атмосферы

Проведение исследований в различных областях науки и техники, повышение эффективности технологических процессов, осуществление экологического мониторинга последствий вмешательства человека в природные процессы предполагают непрерывное совершенство традиционных и развитие новых методов анализа. Основные технические требования, предъявляемые к этим разработкам, заключаются в повышении чувствительности и избирательности анализа, расширении диапазона определяемых концентраций вещества и повышении экспрессности метода. Следует принимать во внимание и стоимость соответствующего устройства, его технический уровень и удобство при работе с ним.

Наиболее полно отвечают всем указанным требованиям оптические методы анализа, использующие высокостабильные эффекты атомного масштаба, что обеспечивает любую заданную точность и воспроизводимость измерений. Оптические методы легко реализовать в инженерных решениях, и они позволяют создать аналитическую аппаратуру, работающую в масштабе реального времени. Однако, как и всем инструментальным методам анализа, им присуще ограниченный линейный диапазон измеренных концентраций для концентрированной пробы и принципиальное ограничение фоточувствительности в амплитудной методике измерений, а также определенные ограничения по определению дальности типов и концентрации интересующих веществ [1].

Построение калибровочных графиков или процедура предварительного концентрирования, отбор пробы в соответствующих местах на местности ведут к ухудшению экспрессности анализа, возрастают погрешности измерений [2]. Например, когда федеральные и региональные управления по охране окружающей среды или заводские лаборатории горно-обогатительных или химических комбинатов проводят до миллиона регламентных процедур в год каждая, то эти факторы приобретают важное экономическое значение. Кроме того, номенклатура химических материалов и веществ, подлежащих аналитическому контролю, содержит более 215 000 наименований с измеряемым диапазоном их содержания от 100% до 10*5 — 10″ б% масс. [3]. При растущей дороговизне ручного труда рутинные процедуры химического анализа потребуют значительного расхода средств и времени, даже используя современные оптико-аналитические приборы с обычными источниками света [4,5]. Не улучшает положение и использование лазеров в качестве источника света. Радикальное повышение чувствительности, достигнутое, например, с помощью лазерно-флуоресцентного или лазерно-ионизационного спектрометров [6,7] — вплоть до детектирования единичных атомов и молекул, — является демонстрацией возможностей уникальных устройств, которые сами по себе весьма громоздки, сложны и обслуживаются высококвалифицированным персоналом. Их стоимость приближается к стоимости 10−15 серийных атомно-абсорбционных спектрометров обычного типа. С подобными проблемами сталкивается и тенденция развития лазерных систем для зондирования атмосферы с аналитическими целями. Так широко известные лидары на основе комбинационного рассеяния света характеризуются высокой дороговизной и малым ресурсом работы. Поэтому задача совмещения преимуществ лазерных методов с невысокой стоимостью их инженерного решения актуальна для распространения лазерных технологий в области аналитики. Для этих целей лазерные комплексы должны развиваться в двух направлениях — разработка новых систем для дистанционного обнаружения источников выбросов вредных веществ в атмосферу (лидары) в новых более широких спектральных диапазонах и использование методов на основе внутрирезонаторной спектроскопии для обнаружения очень малых концентрация примесейв том числе, в применении метода частотного детектирования [8], поскольку техника частотных измерений является наиболее чувствительной, недорогой и простой в обращении. Что касается последнего, то наиболее перспективным в этом отношении является использование лазера с внутренней поглощающей ячейкой [9,10]. В этом случае, лазер рассматривается не только как уникальный источник света, но — при использовании эффекта взаимодействия мод — и как потенциально весьма совершенный измерительный прибор [11]. Разумеется, целесообразно реализовать метод на квантовых генераторах с широкой линией усиления [12].

В развитии недорогих и эффективных лазерных лидарных систем следует руководствоваться свойством избирательного поглощения зондирующего лазерного излучения молекулами газовых примесей, которое при использовании методики измерения коэффициента поглощения лазера на двух различных длинах волн, способно привести к созданию прибора с высокой чувствительностью определения веществ, имеющих линии поглощения в окнах прозрачности атмосферы. Такой двухчастотный лидар весьма перспективен для целей метрологического обеспечения экологического мониторинга [13, 14, 15].

Данная работа посвящена исследованию методов улучшения лидарных систем для применения в экологическом мониторинге атмосферы, включая теоретическую разработку лазерного аналитического метода с частотным детектированием аналитического сигнала, его экспериментальную проверку и создание на его основе прототипа лазерного спектрометра, использующего эффект взаимодействия мод в области ненасыщенной аномальной дисперсии газообразной поглощающей среды, помещаемой внутри лазерного резонатора, а также использования лидара на основе двухчастотного перестраиваемого аммиачного лазера, генерирующего в диапазоне от 9 до 13,5 мкм, который возбуждается излучением СО2 лазера с длиной волны 9,22 мкм.

В первой главе дается краткий обзор и сравнительный анализ лазерной внутрирезонаторной техники, применяемой для аналитических измерений в настоящее время. Здесь же обосновывается вывод о необходимости распространения высокочувствительного метода регистрации частотных резонансов в область линейной дисперсии показателя преломления поглощающего вещества. Отмечаются уникальные возможности в этом отношении непрерывных лазеров на красителях (HJ1K), намечается круг вопросов, подлежащих исследованию. Далее приводится анализ эффективности использования рутинной (серийной) лазерной и частотно-измерительной техники для экспериментальной реализации метода.

Основные результаты сводятся к следующему:

1. Рассчитаны основные параметры дисперсионного резонатора двухмодового непрерывного лазера на красителе с полосой пропускания до 8 ГГц и областью свободной дисперсии ~ 60 нм и соответствующей системы регистрации лазерного излучения. Полученные данные позволяют дать рекомендации по организации двухмодового режима на рутинных лазерах на красителях.

2. Впервые проведены теоретические и экспериментальные исследования явления конкуренции аксиальных мод в непрерывном лазере на красителе. Определены условия, при которых осуществляется устойчивый двухмодовый режим генерации. Показано, что межмодовая связь в таком лазере не зависит от спектроскопических характеристик среды. Полученные данные позволяют произвести инженерный расчет оптимальных параметров лазера в зависимости от конкретных условий измерения.

3. Впервые наблюдались и экспериментально измерены частотные резо-нансы линейной (ненасыщенной) дисперсии в лазерах на красителях с внутренней поглощающей ячейкой. Измерена крутизна фотоотклика для разных типов и давлений посторонннего газа. Показано, что при определенных условиях фотоотклик не зависит от интенсивности внутрирезонаторного поля.

4. Исследованы причины флуктуаций ширины биений аксиальных мод в выходном излучении непрерывного лазера на красителе с оптической накачкой излучением аргонового ионного лазера. Показано, что наложением более жестких требований к виброустойчивости резонатора, изолированности оптической схемы от окружающей атмосферы, системе формирования струи красителя и стабилизации выходной мощности лазера накачки можно снизить уровень частотных шумов излучения более чем на полтора порядка и довести ширину спектра биений до 2 кГц и менее.

5. Предложен новый метод линейной лазерной спектроскопии для целей атомно-абсорбционного анализа. Показана независимость аналитического сигнала от уровня и длительности импульса генерации, относительного уровня генерации в индивидуальной моде. Это позволяет проводить определение концентрации элементов в сильно диспергирующих средах. Зафиксирована высокая избирательность метода.

6. Разработан прототип нового лазерного спектрометра на основе двухмодового непрерывного лазера на красителе с электротермической атомизаци-ей пробы и частотной регистрацией информативного сигнала. Лазерный спектрометр применен для определения концентрации натрия в реальных объектах — водных растворах поваренной соли. При вакуумной атомизации пробы объективно достигнута чувствительность 1 -1011 Гц/% масс.

7. Разработана оптическая схема двухчастотного NH3 — С02 лидара с автоматическим совмещением опорного и измерительного пучков во всем спектральном диапазоне генерации СОг и NH3 лазеров, позволившая отказаться от сложной оптической схемы совмещения пучков.

8. Создан макет двухчастотного лидара на основе NH3 и С02 лазеров в спектральном диапазоне 9−13,5 мкм без применения дорогостоящего спек-троанализатора для получения спектров поглощения исследуемой примеси.

9. Произведена оценка концентрационной чувствительности NH3 — С02 лидара для ряда важных атмосферных загрязнителей.

В заключении я выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю доктору физико-математических наук Б. И. Васильеву, за проявленное ко мне внимание и поддержку, серьезную помощь в организации и направления хода исследований. Я очень благодарен доктору физико-математических наук, профессору Е. Д. Проценко за стимулирующие консультации и содействие в постановке экспериментовдоктору физикоматематических наук, ведущему научному сотруднику ФИАН [А.Ф.Сучкову|, кандидату физико-математических наук, заведующему лабораторией ГИАП В. А. Петрищеву и всем сотрудникам ГИАП и ФИАН, способствовавших выполнению данной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.