Практическое занятие № 4 Тема: Лидар комбинационного рассеяния света и флуоресцентный лидар Продолжительность 2 час

Наряду с дифференциальным поглощением и рассеянием для обнаружения загрязняющих веществ в атмосфере широкое распространение получил и метод комбинационного рассеяния света молекулами в газовых потоках [32, 59, 60]. Комбинационное рассеяние можно рассматривать как неупругий процесс, при котором лазерное излучение вызывает переход молекулы на виртуальный уровень с последующим почти мгновенным (время порядка 10^-14 с) излучением на длине волны, отличной от лазерной. Разность энергий падающего и испущенного фотонов является характеристикой рассеивающей молекулы и обычно соответствует изменению колебательного квантового числа на единицу [47].

К сожалению, из-за незначительности величины сечений комбинационного рассеяния света молекулами большинства загрязняющих веществ (порядка 10^-29 см²/ср против 10^-18 см²/ср для сечения поглощения) чувствительность этого метода весьма ограничена. Поэтому наиболее вероятным представляется применение лидара комбинационного рассеяния света для дистанционного контроля дымовых шлейфов труб, концентрации молекул в которых и могут достигать величины 10¹⁴ см^-3 , что на 2 порядка больше по сравнению с типичными значениями для рассеянных в атмосфере молекул. Однако комбинационное рассеяние света является эффективным в аналитических целях из-за высокого пространственного разрешения, возможности калибровки и простоты аппаратурной реализации.

Лидар комбинационного рассеяния света для дистанционного измерения концентрации молекул ЗВ был изготовлен на базе моностатического лидара, у которого лазерный луч распространяется вдоль оси приемного телескопа [54, 58]. Его оптическая схема приведена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Оптическая схема лидара комбинационного рассеяния света:

1 – сферическое зеркало; 2 – ФЭУ; 3, 6 – интерференционные фильтры;

4 – волоконный световод; 5 – стеклянная пластина; 7 – фотодиод; 8 – лазер; 9 – призма; 10 – линза

Для возбуждения комбинационного рассеяния света молекулами было использовано излучение второй гармоники YAG -Nd лазера 9 с длиной волны 532 нм, импульсом длительностью 10 нс и энергией до 25 мДж направлялось поворотной призмой 5 вдоль оси приемного телескопа.

Рассеянное назад излучение комбинационного рассеяния собиралось телескопом типа Ньютона с сферическим зеркалом 1 диаметром 0,4 м, и фокусировалось линзой 10 в волоконный световод 4. Затем это излучение через интерференционный светофильтр 3 с максимумом пропускания на длине волны исследуемой молекулы и полушириной 2 нм направлялось на фотоумножитель ФЭУ-79 2.

Импульс напряжения с ФЭУ 2, пропорциональный энергии импульса комбинационного рассеяния, подавался на вход микропроцессорной измерительной системы [38 – 59] и позволял на экране ПК получать графики зависимости концентрации молекул загрязняющего вещества от расстояния зондирования. Стеклянная пластина 6 направляла часть лазерного излучения через светофильтр 7 на фотодиод 8 для контроля энергии лазерного импульса.

Флуоресцентный лидар

Лидар для исследования флуоресценции атомов и молекул был также изготовлен на базе моностатического лидара, у которого лазерный луч распространяется вдоль оси приемного телескопа [32, 58, 61, 62]. Его оптическая схема, аналогичная оптической схеме лидара комбинационного рассеяния света, приведена на рисунке 3.5.

Для возбуждения флуоресценции мишени также было использовано излучение второй гармоники YAG -Nd лазера 9 с длиной волны 532 нм, импульсом длительностью 10 нс и энергией до 25 мДж направлялось поворотной призмой 5 вдоль оси приемного телескопа.

Рассеянное назад излучение флуоресценции собиралось телескопом типа Ньютона с сферическим зеркалом 1 диаметром 0,4 м, поворачивалось призмой 5 и фокусировалось линзой 4 через интерференционный светофильтр 3 на фотоумножитель ФЭУ-79 2. Этот интерференционный светофильтр 3 с максимумом пропускания на длине волны флуоресценции имеет полуширину до 100 нм.

Рисунок 3.5 – Оптическая схема флуоресцентного лидара:

1 – сферическое зеркало; 2 – ФЭУ; 3, 7 – интерференционные фильтры;

4 – линза; 5 – призма; 6 – стеклянная пластина; 8 – фотодиод; 9 – лазер

Импульс напряжения с ФЭУ 2, пропорциональный энергии импульса флуоресценции, подавался на вход специальной микропроцессорной измерительной системы [59] и позволял на экране ПК получать графики зависимости концентрации загрязняющего вещества от расстояния зондирования.

Рассмотренные выше лидары дифференциального поглощения и рассеяния [37, 57, 58], комбинационного рассеяния света [32, 35, 59] и флуоресценции [32, 61, 62] могут быть использованы для мониторинга атомов и молекул загрязняющих веществ в атмосфере на расстояниях зондирования до 5 км.