Спектрограф на базе пироэлектрической линейки для длинноволновой области среднего ИК-диапазона

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Разработан компактный ИК-спектрограф на базе линейки пироэлектрических датчиков, действующий в области длины волны 10 мкм, что мотивировано различными задачами, требующими оперативного измерения спектральных характеристик многочастотного излучения в этом спектральном диапазоне. Работа спектрометра протестирована с помощью перестраиваемого по длине волны CO₂-лазера. При фиксированном положении дифракционной решетки спектрометр охватывает интервал длин волн примерно 0.6 мкм (диапазон волновых чисел около 50 см–1) со спектральным разрешением примерно 0.02 мкм (что составляет примерно 0.2 см–1), которое позволяет надежно разделить две соседние линии CO₂-лазера.

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

Развитие лазерных технологий лидарного зондирования атмосферы необходимо для совершенствования методов мониторинга метеорологического и экологического состояния атмосферы, а также детектирования загрязняющих и опасных газов [1–5]. При этом наибольший интерес представляет ИК-область спектра 2.5–14 мкм, где находятся как области прозрачности атмосферы, так и изолированные интенсивные линии поглощения основных и примесных атмосферных газов [6].

При спектроскопии в лабораторных условиях могут быть использованы различные методы: на основе перестраиваемых полупроводниковых лазеров [4], фурье-спектроскопия [5], спектроскопия на основе фемтосекундных частотных гребенок [7] и др. Эти методы могут давать рекордные точности спектральных измерений [7], однако вследствие небольшой мощности излучения и других особенностей этих методов они трудно реализуемы в натурных условиях. Поэтому для лидарного зондирования атмосферы предпочтение отдается методу дифференциального поглощения с использованием мощных лазеров [2]. Этот метод основан на зондировании среды излучением с различными длинами волн, с различным поглощением на исследуемых газовых компонентах. Соответственно, в этом методе используются перестраиваемые по длине волны или многоволновые лазерные источники среднего ИК-диапазона, такие как СО-лазер [8], CO₂-лазер [2, 3, 9], или оптические параметрические генераторы [10].

Необходимо отметить, что лазерные лидары — это сложные комплексы, в которых, помимо лазерного источника, огромную роль имеют приемно-передающий блок, система регистрации и обработки сигнала. Для мониторинга атмосферы в реальном масштабе времени измерение сигнала на различных длинах волн должно происходить одновременно либо с высокой скоростью сканирования по длине волны. В этом случае переход от видимого или ближнего ИК-диапазона в длинноволновую часть среднего ИК-диапазона (8–14 мкм) имеет ряд технических сложностей. Во-первых, обнаружительная способность (предел чувствительности) ИК-приемников падает с длиной волны, и на длине волны около 10 мкм она минимальна вследствие окружающего теплового излучения с температурой черного тела примерно 295 К [1]. Во-вторых, разнообразие и доступность различных фотоприемников среднего ИК-диапазона существенно ограничены, а сами приемники для достижения высокой чувствительности зачастую требуют глубокого охлаждения. В коммерческой доступности отсутствуют ИК-спектрометры, построенные на линейках приемников, которые более предпочтительны для измерения спектра многоволнового излучения в реальном масштабе времени, в том числе и для задач газового анализа.

 

Рис. 1. Оптическая схема экспериментов: 1 — лазерная камера, 2 — активный объем, 3 — дифракционная решетка, 4 — выходное зеркало, 5 — пластина из BaF2, 6 — фокусирующее зеркало, 7 — калориметр, 8 — пластина из ZnSe, 9 — плоское зеркало, 10 — линзы из BaF2, 11 — калиброванный спектрометр, 12 — спектрограф.

 

Поэтому целью настоящей работы было создание компактного ИК-спектрографа на базе линейки пироэлектрических датчиков, охватывающего при фиксированном положении дифракционной решетки интервал длин волн, соответствующий не менее одной полосе, P- или R-ветви генерации CO₂-лазера (интервал волновых чисел около 25 см–1) и со спектральным разрешением, позволяющим разделить соседние линии CO₂-лазера (Δν ≤ 0.2 см–1). Для тестирования спектрометра был запущен щелевой частотно-селективный CO₂-лазер с перестраиваемой длиной волны в диапазоне 9.2–10.8 мкм.

2. CO₂-ЛАЗЕР

В работе использовался лазерный модуль, конструкция которого подробно описана в работах [11, 12]. Ранее этот модуль использовался в качестве неселективного (многочастотного) СО-лазера, работающего в квазинепрерывном режиме с мощностью до 5 Вт [11, 12], спектр которого насчитывал около 10 линий в интервале длин волн 5–5.5 мкм. В работе [13] этот лазерный модуль был перестроен в неселективный CO₂-лазер, работающий в режиме модуляции добротности резонатора. В этом случае он одновременно излучал до пяти спектральных линий в интервале длин волн 9.3–9.6 мкм в одном микросекундном импульсе. В настоящей работе на основе этого модуля был собран частотно-селективный щелевой CO₂-лазер, который использовался для тестирования и калибровки спектрографа. В модуле использовались полые латунные электроды с рабочей поверхностью 250×30 мм2, охлаждаемые водой. Межэлектродный зазор составлял 5 мм.

Лазерный резонатор длиной 300 мм был образован дифракционной решеткой (100 штр/мм) и выходным сферическим зеркалом с радиусом кривизны R = 2 м и максимальным отражением примерно 94% в спектральном диапазоне 9.8–10.6 мкм. Перестройка длины волны излучения лазера осуществлялась поворотом дифракционной решетки. Часть вышедшего из резонатора излучения отводилась плоскопараллельной пластинкой из BaF2 на калориметр Ophir 3A (Ophir Optronics Solutions Ltd., Израиль) для измерения мощности излучения лазера. Основная часть излучения направлялась на калиброванный спектрометр Laser spectrum analizer Model 16A (Macken Instruments, Inc., США) для контроля спектра излучения лазера. Еще одна часть излучения отводилась плоскопараллельной пластиной из ZnSe на новый спектрограф.

Для накачки активной среды (смесь Xe:CO2:N2:He = 2.5:10:10:30 мбар) использовался ВЧ-генератор с несущей частотой 40 МГц.

 

Рис. 2. Отпечаток спектра селективного CO₂-лазера на калиброванном спектрометре.

 

Генератор работал в режиме с низкочастотной модуляцией выходной мощности с частотой 500 Гц, длительностью импульсов 0.3 мс и амплитудой выходной мощности 500 Вт. Максимальная средняя мощность излучения лазера достигала 200 мВт. Перестроечная характеристика спектра CO₂-лазера была определена с помощью калибровочного спектрометра. Отпечаток спектра селективного CO₂-лазера, записанный на термобумаге калиброванного спектрометра, при его перестройке по длинам волн в пределах полос 10P (длина волны примерно 10.6 мкм) и 10R (длина волны примерно 10.3 мкм) представлен на рис. 2. В этих условиях было зарегистрировано по восемь линий в каждой полосе. Полученная перестроечная характеристика лазера была использована для калибровки нового спектрографа.

3. КОНСТРУКЦИЯ ИК-СПЕКТРОГРАФА

Разработанный компактный спектрограф в сборе занимал объем 20×10×16 см³ (длина× ширина×высота). Оптическая схема, а также внутреннее устройство спектрографа представлены на рис. 3. Лазерный луч 1 фокусируется внешней линзой на входную щель спектрографа 2. Далее расходящийся лазерный пучок коллимируется сферическим серебряным зеркалом 3 (радиус кривизны 280 мм, апертура 40 мм) и направляется на дифракционную решетку 4. Дифракционная решетка имеет следующие параметры: 100 штр/мм, размеры 40×50 мм2. Она устанавливалась на поворотную платформу c регулировкой угла поворота микрометрическим винтом. Предельное спектральное разрешение дифракционной решетки (при использовании всей ее апертуры) λ/Δλ = 100∙50 = 5000.

 

Рис. 3. Внутреннее устройство спектрографа: спектрографа: а — вид спереди, б — вид сзади, в — оптическая схема; 1 — лазерное излучение; 2 — входная щель; 3, 5 — вогнутые зеркала (К8 + Ag, R = 280 мм); 4 — дифракционная решетка (100 штр/мм); 6 — пироэлектрическая линейка (256 пикселей); L = 140 мм; 7 — механизм управления шириной щели; 8 — выдвижной “прицельный” маркер; 9 — микрометрический механизм управления углом поворота решетки; 10 — плата управления пироэлектрической линейкой.

 

Спектральные компоненты, выделенные дифракционной решеткой, направлялись на второе сферическое зеркало 5 (радиус кривизны 280 мм, апертура 40 мм) и фокусировались на приемную площадку 6. Приемная площадка представляла собой линейную матрицу пироэлектрических приемников HPL 256l-100 (HEIMANN Sensor GmbH, Германия) на основе танталата лития (LiTaO3). Матрица состояла из 256 элементов (пикселей) размером 42×100 мкм2 суммарной длиной 1.3 см. Матрица оснащена мультиплексором, включающим в себя малошумящие предусилители для каждого пикселя, аналоговые переключатели и выходной усилитель. Эта система обеспечивала отклик 540 кВ/Вт при модуляции излучения с частотой 1 Гц. Подробные технические характеристики этой матрицы пироэлектрических приемников могут быть найдены на сайте производителя [14].

Цифровые входы матрицы совместимы с CMOS. Максимальная частота модуляции сигнала до 512 Гц. Для измерения температуры детектора в корпус также встроен датчик температуры. Считывание данных и вывод на ПК осуществлялись контроллером и программным обеспечением Evaluation Kit (HEIMANN Sensor GmbH, Германия).

4. ТЕСТИРОВАНИЕ ИК-СПЕКТРОГРАФА

 

Рис. 4. Перестроечная диаграмма CO₂-лазера, измеренная новым спектрографом.

 

На рис. 4 представлен спектр CO₂-лазера, измеренный новым ИК-спектрографом при перестройке длины волны лазера. В этом случае было зарегистрировано большее число линий, чем с использованием калиброванного спектрометра, вследствие большей чувствительности первого. В полосе 10P было зарегистрировано 14 линий от 10P(8) (λ = 10.47 мкм) до 10P(36) (λ = 10.76 мкм). В полосе 10R было зарегистрировано 9 линий от 10R(10) (λ = 10.31 мкм) до 10R(28) (λ = 10.19 мкм). Также было зарегистрировано 5 линий в полосе 9R и 6 линий в полосе 9P. Снижение мощности линий CO2-лазера в полосах 9P и 9R связано с суммарным уменьшением коэффициентов отражения дифракционной решетки и выходного зеркала в резонаторе лазера в этом диапазоне длин волн.

 

Рис. 5. Спектр двухчастотного CO₂-лазера, измеренный новым спектрографом.

 

Также было измерено спектральное разрешение прибора. В этом случае CO₂-лазер был юстирован таким образом, чтобы он работал одновременно на двух линиях: 10P(16) и 10P(18). Спектр двухчастотного излучения, измеренный новым спектрографом, представлен на рис. 5. Этот рисунок показывает, что в соответствии с критерием Релея (две спектральные линии считаются разрешенными, если провал суммарного контура равняется 20% или более) спектральное разрешение нового спектрометра составляет примерно 0.02 мкм / 0.2 см–1, что позволяет надежно разделить две соседние линии CO₂-лазера. Необходимо отметить, что спектральное разрешение ограничивалось расстоянием между пикселями линейки — 50 мкм. Поэтому можно ожидать, что использование пироэлектрической линейки с 512 элементами позволит увеличить спектральное разрешение в 2 раза.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан компактный ИК-спектрограф на базе линейки пироэлектрических датчиков, действующий в диапазоне длин волн 9–11 мкм и охватывающий при фиксированном положении дифракционной решетки интервал длин волн 0.6 мкм (диапазон волновых чисел 50 см–1) со спектральным разрешением примерно 0.02 мкм (что составляет около 0.2 см–1). Такой спектрограф полностью охватывает две основные полосы генерации CO₂-лазера и позволяет разделить и идентифицировать его две соседние линии. Это делает его весьма привлекательным инструментом для оперативного использования в лидарах дифференциального поглощения на базе многочастотных (многоволновых) CO₂-лазеров. Во втором порядке дифракции решетки разработанный спектрограф может быть также использован для измерения спектра СО-лазера (длина волны 5–6 мкм) [11, 12, 15]. Другим направлением использования такого спектрографа является измерение спектральных характеристик мощных наносекундных и фемтосекундных лазерных систем среднего ИК-диапазона, работающих в моноимпульсном режиме [15, 16] или с низкой (около 10 Гц) частотой повторения импульса [17]. Также такой спектрограф может быть основой для разработки систем частотно-разрешенного оптического стробирования (FROG), необходимых для диагностики ультракоротких лазерных импульсов, которые для длинноволнового излучения (λ ~ 10 мкм) на данный момент недоступны.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 22-79-10068, https://rscf.ru/project/22-79-10068/).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

×

About the authors

A. A. Ионин

Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук

Email: kinyaevskiyio@lebedev.ru
Russian Federation, 119991, Москва, Ленинский просп., 53

И. О. Киняевский

Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: kinyaevskiyio@lebedev.ru
Russian Federation, 119991, Москва, Ленинский просп., 53

A. Ю. Козлов

Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук

Email: kinyaevskiyio@lebedev.ru
Russian Federation, 119991, Москва, Ленинский просп., 53

Д. В. Синицын

Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук

Email: kinyaevskiyio@lebedev.ru
Russian Federation, 119991, Москва, Ленинский просп., 53

References

  1. Агишев Р.Р. Лидарный мониторинг атмосферы. Москва: Физматлит, 2009.
  2. Васильев Б.И., Маннун У.М. // Квантовая электроника. 2006. Т. 36(9). С. 801.https://doi.org/10.1070/QE2006v036n09ABEH006577
  3. Борейшо А.С., Коняев М.А., Морозов А.В., Пикулик А.В., Савин А.В., Трилис А.В., Чакчир С.Я., Бойко Н.И., Власов Ю.Н., Никитаев С.П., Рожнов А.В. // Квантовая электроника 2005. Т. 35(12). С. 1167.https://doi.org/10.1070/QE2005v035n12ABEH008962
  4. Щербакова А.В., Анфимов Д.Р. Фуфурин И.Л. и др. // Оптика и спектроскопия. 2021.Т. 129(6). С. 747.https://doi.org/10.21883/OS.2021.06.50986.7k-21
  5. Michaels C.A., Masiello T., Chu P.M.// Applied Spectroscopy. 2009. V. 63(5) P. 538.
  6. Rothman L.S., Gordon I.E., Barbe A. et al. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2009. V. 110(9-10). P. 533.https://doi.org/10.1366/000370209788346904
  7. Schliesser A., Picqué N., Hänsch T.W. // Nature Photonics. 2012. V. 6. P. 440.https://doi.org/10.1038/nphoton.2012.142
  8. Ionin A.A., Kinyaevskiy I.O., Kotkov A.A., Sinitsyn D.V., Andreev Y.M. // Applied Spectroscopy. 2022. V. 76(12). P.1504.https://doi.org/10.1177/00037028221119837
  9. Ionin A.A., Kinyaevskiy I.O., Klimachev Y.M., Stepanishchev V.V., Khafizov I.Z. // Journal of Physics: Conference Series. 2017. V. 941(1). P. 012004.https://doi.org/10.1088/1742-6596/941/1/012004
  10. Yakovlev S., Sadovnikov S., Kharchenko O., Kravtsova N. // Atmosphere. 2020. V. 11(1). P. 70.https://doi.org/10.3390/atmos11010070
  11. Ионин А.А., Козлов А.Ю., Селезнев Л.В., Синицын Д.В. // Препринт ФИАН. 2008. №1. С. 1.
  12. Ионин А.А., Козлов А.Ю., Селезнев Л.В., Синицын Д.В., // Квантовая электроника. 2009. Т. 39(3). С. 229.https://doi.org/10.1070/QE2009v039n03ABEH013811
  13. Ionin A.A., Kinyaevskiy I.O., Klimachev Y.M., Kotkov A.A., Kozlov A.Y., Sagitova A.M., Sinitsyn D.V., Rulev O.A., Badikov V.V., Badikov, D.V. // Optics Express. 2019. V. 27(17). P. 24353.https://doi.org/10.1364/OE.27.024353. https://www.heimannsensor.com/pyroelectric-sensors
  14. Andreev Y.M., Budilova O.V., Ionin A.A., Kinyaevskiy I.O., Klimachev Y.M., Kotkov A.A., Kozlov A.Y. // Optics Letters. 2015. V. 40(13). P. 2997.https://doi.org/10.1364/OL.40.002997
  15. Polyanskiy M.N., Pogorelsky I.V., Babzien M., Palmer M.A. // OSA Continuum. 2020. V. 3(3). P. 459.https://doi.org/10.1364/OSAC.381467
  16. Kinyaevskiy I.O., Koribut A.V., Seleznev L.V., Klimachev Y.M., Dunaeva E.E., Ionin A.A. // Optics & Laser Technology. 2024. V. 169. P. 110035.https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.110035

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Optical scheme of the experiments: 1 — laser chamber, 2 — active volume, 3 — diffraction grating, 4 — output mirror, 5 — BaF2 plate, 6 — focusing mirror, 7 — calorimeter, 8 — ZnSe plate, 9 — flat mirror, 10 — BaF2 lenses, 11 — calibrated spectrometer, 12 — spectrograph.

Download (17KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Spectrum trace of a selective CO₂ laser on a calibrated spectrometer.

Download (17KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Internal structure of the spectrograph: spectrograph: a — front view, b — back view, c — optical scheme; 1 — laser radiation; 2 — entrance slit; 3, 5 — concave mirrors (K8 + Ag, R = 280 mm); 4 — diffraction grating (100 lines/mm); 6 — pyroelectric ruler (256 pixels); L = 140 mm; 7 — slit width control mechanism; 8 — retractable “aiming” marker; 9 — micrometer mechanism for controlling the grating rotation angle; 10 — pyroelectric ruler control board.

Download (59KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. CO₂ laser tuning diagram measured with the new spectrograph.

Download (17KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Spectrum of a dual-frequency CO₂ laser measured with the new spectrograph.

Download (17KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».