|
|
Тема: Лидар дифференциального поглощения и рассеянияПродолжительность 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]
где Х – ДП- коэффициент; s0 – сечение резонансного поглощения; Na – концентрация атомов; DR - 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 sа, 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. 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. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 5
  ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...  ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...  Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...  Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|
