Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН разработали новый метод газоанализа, основанный на записи спектра поглощения частиц по измерению сдвига фазы излучения диодного лазера. Метод отличается высокой чувствительностью и позволяет регистрировать спектр поглощения с высоким разрешением, что особенно важно в работе со слабо поглощающими частицами.
Фазовый метод активно используется в изучении потерь электромагнитных колебаний и волн в различных объектах. Он состоит в измерении сдвига фазы модулированного по амплитуде излучения на выходе из объекта по сравнению 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 определёно время жизни фотона в оптическом резонаторе, составленном из зеркал. Со временем такой тип методов применительно к измерению поглощения приобрёл название PS-CRDS (phase shift cavity ring-down spectroscopy, т.е. спектроскопия по фазовому сдвигу затухающего излучения, проходящего через резонатор), или CAPS (cavity attenuated phase shift – фазовый сдвиг при затухании излучения в резонаторе). Большую популярность в оптических исследованиях метод приобрел потому, что может использоваться на простых установках, но при этом демонстрирует высокую чувствительность измерений ~10-11 см-1. Основное применение CAPS находит в газоанализе, в том числе при изучении атмосферы и в медицинских исследованиях, как правило, в ситуациях, когда требуется распознать газ в небольшой концентрации. Новый метод, разработанный группой учёных из ФИАНа, стал продолжением работы, связанной с улучшением свойств газоанализатора, который они предложили в 2010 году (http://www.fian-inform.ru/?mode=mnews&id=568).
Рассказывает один из разработчиков, ведущий научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Сергей Цхай: «В целом рингдаун-спектроскопия основывается на измерении времени затухания излучения. Мы также обратились к его измерению, но регистрировали при этом не изменения в интенсивности света, а промодулировали его с определённой частотой и регистрировали сдвиг фазы модуляции света после прохождения им резонатора. Таким образом, мы уходим от измерения амплитуды, с которой в большей степени связано появление шумов».
В своей работе физики использовали полупроводниковые диодные лазеры, наиболее перспективные в высокочувствительной спектроскопии. Одно из главных преимуществ лазеров этого типа состоит в том, что частотная перестройка в них осуществляется с помощью инжекционного тока. Такое управление позволяет обойтись без внешнего модулятора и облегчает контроль параметров лазерного излучения.
Однако, при применении CAPS с диодным лазером возникает существенная проблема. Амплитудная модуляция интенсивности сопровождается частотной модуляцией, которая ограничивает чувствительность измерений и снижает разрешение регистрации спектра. Но исследователи нашли выход. Комментирует Сергей Цхай:
«Диодный лазер управляется током. Мы можем задать ток определённой формы, меняющийся периодически по амплитуде, и модулировать излучение лазера на относительно низкой, по сравнению с оптической частоте. С одной стороны, это упрощает подавление шумов, а с другой – у диодного лазера при изменении тока меняется и амплитуда, и длина волны излучения. Несмотря на это, нам удалось выделить именно спектр поглощения. По изменениям фазы модуляции мы определяем, как меняется частота излучения лазера, и устанавливаем оптический спектр».
Это было достигнуто с применением специальной формы импульса инжекционного тока с переменной глубиной модуляции. Такой прием не только сохраняет чувствительность фазового метода к поглощению на фиксированной длине волны, но и одновременно позволяет регистрировать спектр с высоким разрешением. Последнее весьма важно при работе с многокомпонентными следами, когда необходимо отнести поглощение к конкретному веществу с характеристическим спектром.
Важно также, что, в отличие от других высокочувствительных лазерных методов в этой сфере разработанный в ФИАНе способ позволяет использовать достаточно стандартную электронную и оптическую аппаратуру, перенеся центр тяжести на аппаратурно-программные процедуры. Пока процесс математической обработки данных довольно сложен, одной из главных задач в своей дальнейшей работе по рингдаун-спектроскопии, физики называют упрощение этой части исследований, и дальнейшее увеличение точности и чувствительности диодной спектроскопии. В частности, планируется оптимизация работы прибора для измерения содержания изотопов углерода 12C и 13C в углекислом газе. Такие газоанализаторы используются в геохимии – для регистрации испарения глубинных газов, а также в медицине, где по соотношению концентраций стабильных изотопов углерода в организме человека можно выявить ряд заболеваний желудочно-кишечного тракта.
АНИ «ФИАН-информ»
