Многопроходная оптическая система возбуждения спектров комбинационного рассеяния света

Оптическая система возбуждения спектров комбинационного рассеяния света Изобретение относится к области аналитического приборостроения и предназначено для увеличения интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света (КРС) путем многократного пропускания лазерного луча через одну точку пространства из которой ведется сбор рассеянного света. Изобретение может использоваться в газовых раман-спектрометрах либо иных устройствах где требуется повышение плотности мощности лазерного излучения в одной точке. Системе состоит из лазера, а также расположенных последовательно на главной оптической оси двух идентичных положительных линз, фокусы которых совпадают, и возвращающей призмы Порро дополнительно перед первой линзой установлена еще одна призма Порро. Причем данная призма установлена таким образом, что она обращена наибольшей гранью к линзе, а каждая отражающая грань составляет угол 45 градусов с главной оптической осью в плоскости содержащей лазерный луч, причем, по отношению к нему, призма установлена так, что отстоит от его оси на расстояние l=d/2, где d - диаметр лазерного луча.

Полезная модель относится к области аналитического приборостроения и предназначена для увеличения интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света (КРС) путем многократного пропускания лазерного луча через одну точку пространства из которой ведется сбор рассеянного света. Полезная модель может использоваться в газовых раман-спектрометрах либо иных устройствах где требуется повышение плотности мощности лазерного излучения в одной точке.

Спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРС) уникальна в том плане, что для анализа всех молекулярных составляющих анализируемой газовой среды достаточно всего одного неперестраиваемого лазера, причем сигналы от каждого компонента строго индивидуальны и не зависят от состава газовой среды. Однако, КРС является предельно редким событием, вследствие этого, лишь очень малая часть лазерного излучения переходит в излучение КРС, что существенно ограничивает круг применения данного метода. Классическим вариантом возбуждения спектров КРС является схема содержащая источник оптического излучения (лазер) и фокусирующую линзу [Kiefer J., Seeger Т., Steur S., Design and characterization of a Raman-scattering-based sensor system for temporally resolved gas analysis and its application in a gas turbine power plant // Meas. Sci. TechnoL, 2008, V.19, 085408]. Основным недостатком этого подхода является низкая интенсивность полезного сигнала. Наиболее простым решением данной проблемы является использование в составе раман-спектрометра мощного лазера, что в значительной степени увеличивает стоимость такого прибора. Альтернативным решением проблемы является многократное пропускание лазерного луча через одну точку пространства из которой ведется сбор рассеянного света, причем величина полезного регистрируемого сигнала будет возрастать практически пропорционально количеству проходов лазерного луча через эту точку.

Известна оптическая схема системы, содержащей источник оптического излучения (лазер), фокусирующую линзу, и вогнутое зеркало, фокусы которых совпадают [Применение спектров комбинационного рассеяния / Под ред. А.Андерсона. М.: Мир, 1977, с.204, рис.18]. Возбуждающее излучение фокусируется линзой в небольшой рассеивающий объем, затем, отражаясь от вогнутого зеркала, установленного на его пути, снова фокусируется в этот же объем. Основным недостатком описанной системы является только двукратное прохождение лазерного луча через рассеивающий объем, а следовательно, только двукратное увеличение интенсивности сигнала КРС по сравнению с классическим однопроходным вариантом оптической системы. Кроме этого, к существенному недостатку данной схемы можно отнести тот факт, что лазерное излучение направляется непосредственно назад в лазер, что может негативно сказаться на его работе и даже вывести из строя.

Наиболее близким по принципу действия является система [S.С.Eichmann, М.Weschta, J.Kiefer, Т.Seeger, A.Leipertz. Characterization of a fast gas analyzer based on Raman scattering for the analysis of synthesis gas, 2010, V.81, 125104] состоящая из лазера, а также расположенных последовательно на главной оптической оси двух идентичных положительных линз, фокусы которых совпадают, и возвращающей призмы Порро. Данная схема лишена недостатка связанного с попаданием лазерного излучения непосредственно назад в лазер. Однако, ее основным недостатком также является только двукратное прохождение лазерного луча через рассеивающий объем, а следовательно, только двукратное увеличение интенсивности сигнала КРС по сравнению с классическим однопроходным вариантом оптической системы.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель является увеличения числа проходов лазерного луча через одну точку пространства из которой ведется сбор рассеянного излучения. Технический результат - увеличение интенсивности сигнала КРС.

Указанный результат достигается тем, что в системе состоящей из лазера, а также расположенных последовательно на главной оптической оси двух идентичных положительных линз, фокусы которых совпадают, и возвращающей призмы Порро дополнительно перед первой линзой установлена еще одна призма Порро. Причем данная призма установлена таким образом, что она обращена наибольшей гранью к линзе, а каждая отражающая грань составляет угол 45 градусов с главной оптической осью в плоскости содержащей лазерный луч, причем, по отношению к нему, призма установлена так, что отстоит от его оси на расстояние l=d/2, где d - диаметр лазерного луча.

Кроме того, для увеличения количества проходов в предлагаемой системе ось лазерного луча проходит на расстоянии A/2-d/2 от главной оптической оси, а длина наибольшей грани дополнительно установленной призмы равна h=A-d, где A - апертура линз.

Такое взаимное расположение названных выше компонентов многопроходной оптической системы обеспечивает многократное прохождение возбуждающего лазерного излучения через точку являющуюся общим фокусом используемых линз, обеспечивая максимально возможное количество проходов для данных апертур линз и диаметра лазерного луча.

На фиг. показана предлагаемая система. Она состоит из лазера 7, двух идентичных собирающих линз 2, 3 и двух призм Порро 4, 5.

Устройство работает следующим образом. Идущий от лазера 1 параллельный лазерный луч, диаметр (d) которого много меньше апертуры линз (А), проходит через край линзы 2, фокусируется ей в точку F и попадает на линзу 3. После этого, луч коллимируется и попадает на призму Порро 4. где дважды испытывает полное внутреннее отражение и проходит сквозь линзу J, точку F и линзу 2, но уже с обратной стороны. Далее луч коллимируется линзой 2, после чего дважды испытывает полное внутреннее отражение в призме 5 и, проходя под первоначальным лазерным лучом, параллельно ему, но, за счет сдвига призмы 5 относительно главной оптической оси, уже ближе к ней, попадает в прямом направлении на линзу 2, точку F и т.д. аналогично вышесказанному. Этот процесс многократно повторяется, а движение луча происходит в одной плоскости. Количество проходов лазерного луча, главным образом, зависит от диаметра лазерного луча и апертуры линз. Кроме данных параметров, это количество проходов определяется некоторым шагом с которым лазерный луч приближается к оптической оси после каждой серии отражений, за счет того, что призма 4 несколько смещена от главной оптической оси. Этот шаг равен расстоянию перед первой линзой 2 между центром первоначального луча и центром луча претерпевшим первые четыре отражения. Для его минимизации призма устанавливается максимально близко к центру первоначального лазерного луча, т.е. на расстоянии от его оси равного l=d/2, где d - диаметр лазерного луча. Кроме того, длина ее наибольшей грани в плоскости содержащей лазерный луч равна h=A-d, где A - апертура линз. Также лазер устанавливается таким образом, что ось его луча проходит на расстоянии A/2-d/2 от главной оптической оси. Таким образом, при диаметре лазерного луча равного 2 мм, и апертуре линз 100 мм можно теоретически получить практически до 100 проходов через точку F.

Преимущество заявленной системы по сравнению с прототипом заключается в значительном увеличении числа проходов лазерного луча через точку из которой ведется сбор рассеянного излучения давая тем самым пропорциональное увеличение сигнала КРС.

1. Многопроходная оптическая система возбуждения спектров комбинационного рассеяния света, состоящая из лазера, а также расположенных последовательно на главной оптической оси двух идентичных положительных линз, фокусы которых совпадают, и призмы Порро, отличающаяся тем, что перед первой линзой дополнительно установлена еще одна призма Порро, обращенная наибольшей гранью к линзе, а каждая отражающая грань составляет угол 45° с оптической осью в плоскости, содержащей лазерный луч, причем по отношению к лазерному лучу призма установлена так, что отстоит от его оси на расстояние l=d/2, где d - диаметр лазерного луча.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в плоскости, содержащей лазерный луч, длина наибольшей грани дополнительно установленной призмы равна h=A-d, где A - апертура линз.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что лазер установлен так, что ось луча проходит на расстоянии A/2-d/2 от главной оптической оси.