Практическое занятие № 3 Тема: Лидар дифференциального поглощения и рассеяния Продолжительность 2 час
Все эти явления, возникающие при взаимодействии лазерного излучения с газовым потоком, лежат в основе рассматриваемых далее лидарных методов контроля и измерения концентрации загрязняющих веществ в атмосфере. По результатам выполненных ранее исследований различных типов лидаров [37, 53 – 56], предназначенных для зондирования загрязняющих веществ в газовых потоках или чистой атмосферы, можно предположить, что для обнаружения концентраций Na загрязняющих веществ порядка 1015 см-3 и ниже в атмосфере наиболее предпочтительным будет использование систем дифференциального поглощения. Это объясняется тем, что сечение поглощения значительно превышает эффективное (с учетом тушения) сечение флуоресценции и комбинационного рассеяния света [32]. В связи с этим на основе ослабления лазерного излучения с соответствующим подбором длины волны излучения можно создать чувствительный метод измерения концентрации загрязняющих веществ в атмосфере.
Вариант лидара дифференциального поглощения подразумевает использование двухволнового излучателя: одна длина волны лазерного излучения попадает в центр полосы поглощения молекулы загрязняющего вещества, а другая – вне этой полосы [57]. В качестве такого излучения можно использовать, например, основную гармонику YAG: Nd лазера на длине волны 1064 нм.
В общем случае основные параметры, определяющие сигнал дифференциального поглощения, описываются ДП - коэффициентом [37, 58]
|
|
(3.4) |
где Х – ДП- коэффициент;
0 – сечение резонансного поглощения;
Na – концентрация атомов;
R - толщина поглощающего слоя.
С другой стороны, ДП - коэффициент определяется соотношением лидарных сигналов на двух выбранных длинах волн. Из формулы (3.4) видно, что при известном значении сечения резонансного поглощения а, можно достаточно эффективно использовать зависимость Х от Na в дистанционных измерениях концентраций загрязняющих веществ в атмосфере.
В лидаре дифференциального поглощения и рассеяния, оптическая схема которого приведена на рисунке 3.3 [58], излучение YAG: Nd лазера 1 с импульсами длительностью 10 нс и энергиями 25 мДж на длине волны 532 нм или использовалось на этой длине волны, или преобразовывалось в сапфире с титаном в перестраиваемое в диапазоне 600 … 1200 нм излучение, которое затем преобразовывалось во вторую гармонику.
Излучение того же лазера 1 с энергией в импульсе 40 мДж на длине волны 1064 нм направлялось в атмосферу вдоль оси приемного телескопа.
Лидар построен по коаксиальной схеме, когда оба луча имеют параллельные направления и параллельны оси приемного телескопа [32, 33].
Интенсивность прошедшего сквозь атмосферу излучения на длине волны зондирующего излучения ослаблялось за счет поглощения атомами или молекулами [32, 58] и через интерференционный светофильтр 5 направлялось на фотоприемник 6. Одновременно полупрозрачным зеркалом 4 лазерное излучение на длине волны 1064 нм через интерференционный светофильтр 7 направлялось на фотоприемник 8 для измерения его интенсивности. Оно также прошло сквозь толщу атмосферы и служит в качестве опорного сигнала в дифференциальной схеме измерения.
Рисунок 3.3 – Оптическая схема лидара дифференциального поглощения и рассеяния: 1 – лазер; 2,3 – плоскопараллельные пластины; 4 – полупрозрачное зеркало; 5, 7, 9, 11 – интерференционные светофильтры; 6, 8 – фотоумножители и 10, 12 – фотодиоды
Импульсы напряжений с двух одинаковых фотоприемников 6 и 8 вводились в измерительную систему и записывались в ПК. Стеклянные пластины 2 и 3 отводили часть лазерного излучения на длинах волн 532 и 1064 нм через светофильтры 9 и 11 на фотодиоды 10 и 12 для контроля энергии лазерных импульсов и синхронизации работы всего лидара.
Подбором коэффициентов усилителей на выходах фотоприемников были установлены коэффициенты передачи модулей, которые позволили перейти от напряжений к энергиям импульсов, а затем к ДП - коэффициенту Х, график зависимости которого от заданного расстояния позволил рассчитать концентрацию атомов или молекул по известному сечение поглощения на длине волны зондирования. Этот результат можно использовать при дистанционных измерениях концентрации загрязняющих веществ в атмосфере.