Введение
Спектроскопические методы, основанные на использовании лазерных источников, имеют большой потенциал для выявления и мониторинга компонентов в газовой фазе. Высокая чувствительность и селективность лазера позволяет использовать их для количественной оценки атомов и молекул в образце. Квантово-каскадные лазеры, излучающие в области среднего ИК диапазона, обеспечивают высокое разрешение и позволяют идентифицировать спектр молекул в газовых образцах и в парах воды.
В настоящей стате рассматривает демонстрация работы лазерного спектрометра для исследования содержания этанола в образце. Соединение необходимо исследовать с помощью системы абсорбционной спектроскопии на основе квантово-каскадного лазера iCW-QCLAS. Компактная аппаратура может использоваться в качестве альтернативы существующих подходов к исследованию газообразных соединений, среди которых анализаторы «черного ящика» или газовые смеси в бутылках. Подход к анализу этанола с использованием квантово-каскадных лазеров можно экстраполировать для анализа других органических молекул в широком спектре приложений.
Экспериментальная установка
Рисунок 1. Схема системы для измерения этанола (без крышки); красная линия представляет путь инфракрасного лазерного пучка. Корпус под оптической платформой содержит все электронное оборудование. Размеры системы с крышкой составляют 33 х 30 х 63 см.
На рисунке 1 показана экспериментальная установка, использованная для анализа содержания молекул этанола в образце. Оптический модуль установлен на виброизолирующей платформе 0.3 х 0.6 м и электронные компоненты вынесены под платформу для удобства. Большой выбор виброизолирующих платформ предлагает компании ТМС и Standa.
В качестве источника среднего ИК излучения с распределенной обратной связью был выбран лазер Alpes Lasers, излучающий на длине волны 9.3 мкм. Лазерный пучок формируется в объективе 12.7 мм, на линзы которого нанесены антибликовые покрытия. Объектив был установлен в XYZ-транслятор для удобного перемещения и юстировки объектива вдоль осей. Аберрации минимизировались с использованием астигматической ячейки широкого диапазона AMAC-36 от Aerodyne Research. Излучение источника фокусировалось на приемнике с системой охлаждения (PVMI-4TE-10.6 от производителя Vigo System). Качественная направляющая оптика эффективно преломляла и отражала электромагнитную волну. Дополнительно использовался твердотельный эталон из германия в свободном спектральном диапазоне 0.049 см-1 (не показан на схеме) для перестраивания диапазона. Оптический модуль для лучшей стабилизации системы можно оснастить элементом охлаждения Пельтье. Продувание оптики сухим азотом позволило избежать поглощения, возникающего из-за насыщения воздушной среды водой. Давление и температура контролировались высокоточным термистором (10 кОм, BetaTHERM Sensors) и манометром (MKS Instruments).
Результаты
Рисунок 2. Генерация опорного спектра этанола в высоком разрешении. Обработка сигнала осуществлялась в четыре этапа: 1) генерация базовой линии при нулевом поглощении; 2) спектр пропускания этанола; 3) спектральные полосы при относительной настройке лазера; 4) колебательно-вращательный спектр пропускания воды, обозначенный * при абсолютной калибровке волнового числа.
Эти образцы спектров были получены при процедуре аппроксимации методом наименьших квадратов Левенберга-Маркардта, также была минимизирована суммарная погрешность между экспериментальными и справочными данными. Этот аналитический подход применим к статистике любых микроансамблей.
Рисунок 3. Спектр пропускания этанола с высоким разрешением (черный) в синтетическом воздухе. Используется квантово-каскадный лазер с распределенной обратной связью при давлении 100 гПа и комнатной температуре. Отмечено достаточно точное совпадение спектров при аппроксимации.
Лазерная спектроскопия хорошо известна как высокоселективный метод, но точное измерение миллионных долей этанола в газовой матрице, содержащей несколько процентов H2O, остается, однако, очень сложной задачей из-за возникающих шумов и переналожений спектра. В этом опыте неточность оценивается в 0.7 - 1% отн. ед.
Выводы
Была продемонстрирована эффективность применения квантово-каскадного лазера для точных измерений органических соединений с широкими спектрами поглощения. Это противоречит частому предположению о том, что только широкий спектральный охват позволяет избирательно измерять газообразные органические вещества, и, таким образом, это может привести к изменению парадигмы в измерении газа. Дальнейшие разработки в этой области, вероятно, найдут распространение в медицине, включая анализ дыхания методом QCLAS в среднем ИК диапазоне.
©Alpes Lasers
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Alpes Lasers на территории РФ
В статье описывается биочип, сочетающий электрод для определения концентрации фенилаланина и микрофлюидный модуль для регистрации скорости потоотделения, изготовленный с использованием лазера. Биочип используется для неинвазивного мониторинга состояния пациентов с метаболическими нарушениями.
В статье описана генерация сверхширокого плоского суперконтинуума (350-1750 нм) с одномодовым поперечным профилем в видимом диапазоне. Для накачки микроструктурированного оптического волокна используется лазер с длиной волны 1064 нм, вторая гармоника накачки генерируется непосредственно в волокне.
В статье приводится применение и основные параметры одночастотных лазеров. Сравниваются лазеры CNI серии MSL с известными европейскими и американскими производителями.
В статье описан метод генерации суперконтинуума, расширенного в видимый диапазон. За счет четырехволнового смешения накачка 1064 нм создает антистоксовы и стоксовы компоненты на 831 нм и 1478 нм. Фазовый синхронизм обеспечивается благодаря микроструктурированному мультимодальному волокну особой конструкции.
В статье описывается усовершенствование метода лазерно-водоструйной обработки: добавление коаксиально-кольцевой аргоновой струи, мгновенно очищающей отверстие от образующегося осадка. Таким образом сохраняется высокий объем абляции при создании глубоких отверстий в сложно обрабатываемых материалах.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
