В Физическом институте им. П.Н. Лебедева (ФИАН) создан прототип быстродействующего лазерного спектрометра. Концентрация примесей в газе измеряется в нём с помощью нового метода R-ICOS: подавляя фазовые шумы на высоких частотах, технология значительно расширяет динамический диапазон измерений и повышает их скорость.

    Медицина, экология, химия, геологическая разведка и добыча природных ресурсов, предупреждение техногенных катастроф – во всех этих областях очень важно точное детектирование газовых примесей. Особенно подходят для этого оптические, или спектроскопические, методы, в которых примеси распознаются по поглощению ими лазерного излучения.

      Среди лазерных методов спектрального газоанализа сегодня активно развивается рингдаун-спектроскопия (от cavity ring down spectroscopy (CRDS) – «спектроскопия внутрирезонаторного затухания»), базирующаяся на измерении времени затухания излучения. Этот принцип лёг в основу оптических схем измерений поглощения, где спектр выявляют по амплитуде или фазе излучения в резонаторе^[1].

    Наиболее популярной стала схема, в которой используются непрерывные лазеры и анализ проводится по изменениям интенсивности излучения на выходе из резонатора при перестройке частоты. При этом регистрируют уже не затухание света на каждой длине волны, а интегральный сигнал, поэтому метод получил название integrated cavity output spectroscopy (ICOS) – «спектроскопия интегрального внутрирезонансного выхода».

    Серьёзным препятствием на пути развития ICOS становятся флуктуации проходящего через резонатор сигнала. Они появляются из-за рассогласования частот лазерного излучения и собственных частот резонансных ячеек (в некоторых случаях флуктуации могут доходить до 100 %). Существуют разные варианты решения этой проблемы, например – длительное накопление сигнала или неосевой ввод излучения в резонатор. Однако в их основе лежит усреднение сигнала по времени или частоте, а значит – детектирование идёт медленнее.

      Учёные из ФИАН предложили новый подход^[2] к устранению этой трудности – метод R-ICOS (reflection ICOS). В нём световой сигнал, полученный методом ICOS, комбинируется с сигналом излучения, отражённым от резонатора. При этом вместо одного лазерного луча, как принято в ICOS, здесь участвуют три пучка. Они проходят через внешний резонатор с поглощающей средой и отражаются от него.

    Рассказывает ведущий научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Сергей Цхай:

    «Идея очень простая. Мы берём ту же осевую моду, смотрим, что на выходе, и смотрим то, что отражается от резонатора. И просто по закону сохранения энергии те же самые флуктуации мы будем видеть в отражении. Поэтому если эти показатели сложить и сравнить с падающим лазерным излучением, получаем, вообще говоря, ноль. Если есть потери, связанные с поглощением в резонаторе, то они будут там проявляться, потому что будут отклонения».

Спектр поглощения метана:

красный – R-ICOS (время регистрации 320 мкс), зелёный – R-ICOS (5 мс), синий – ICOS (50 с)

    Поскольку флуктуации сигнала подавляются в каждый момент времени, без усреднения сигнала, спектры поглощения можно регистрировать за короткое время – до 320 мкс). При этом время ограничивалось возможностями электроники (в первую очередь, преобразователя), и с использованием более быстродействующих приборов может существенно сократиться.

    R-ICOS значительно улучшает и чувствительность детектирования. Так, при измерениях за один цикл быстрого сканирования она уже более чем на порядок превышает чувствительность стандартного метода ICOS в аналогичных условиях. При времени усреднения 20 секунд были измерены коэффициенты поглощения с чувствительностью ~2 × 10^–8 см^–1, что сопоставимо с концентрацией молекул в 40 раз меньше фоновой (в качестве образца в экспериментах участвовал метан).

      Новый метод показывает высокую эффективность и в оптически плотных средах^[3], а значит – открывает новые возможности в предсказании взрывов, выбросов метана в шахтах и других катастрофических явлений, при которых скорость и точность детектирования газов критически важна.

О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-Информ»

_________________________________

  [1] Фазовый метод построен на сопоставлении сдвига фазы модулированного по амплитуде излучения на выходе из объекта с фазой излучения, падающего на объект. В оптике подобный способ используется с 1933 года для измерения времён жизни возбуждённых состояний частиц. В 1980 году с его помощью было определено время жизни фотона в оптическом резонаторе, составленном из зеркал. К тексту

  [2] П.В. Короленко, И.В. Николаев, В.Н. Очкин, С.Н. Цхай, Регистрация абсорбционных спектров интегральным трехлучевым методом с использованием перестраиваемого лазера и внешнего резонатора // Квантовая Электроника. – 2014. – Т. 44(4). – C. 353–361. К тексту

  [3] A.S. Kostenko, I.V. Nikolaev, V.N. Ochkin, S.N. Tskhai and A.A. Zaytsev, Application of R-ICOS laser spectroscopy technique for measurement of absorption in optically dense media // Laser Physics Letters. – 12 (2015). К тексту