Российские ученые разработали новый метод газоанализа

Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН разработали новый метод газоанализа, основанный на записи спектра поглощения частиц по измерению сдвига фазы излучения диодного лазера. Метод отличается высокой чувствительностью и позволяет регистрировать спектр поглощения с высоким разрешением, что особенно важно в работе со слабо поглощающими частицами.

Фазовый метод активно используется в изучении потерь электромагнитных колебаний и волн в различных объектах. Он состоит в измерении сдвига фазы модулированного по амплитуде излучения на выходе из объекта по сравнению с фазой излучения, падающего на объект. В оптике подобный способ используется с 1933 года для измерения времён жизни возбуждённых состояний частиц. В 1980 году с его помощью было определёно время жизни фотона в оптическом резонаторе, составленном из зеркал. Со временем такой тип методов применительно к измерению поглощения приобрёл название PS-CRDS (phase shift cavity ring-down spectroscopy, т.е. спектроскопия по фазовому сдвигу затухающего излучения, проходящего через резонатор), или CAPS (cavity attenuated phase shift - фазовый сдвиг при затухании излучения в резонаторе). Большую популярность в оптических исследованиях метод приобрел потому, что может использоваться на простых установках, но при этом демонстрирует высокую чувствительность измерений порядка 10-11 см-1. Основное применение CAPS находит в газоанализе, в том числе при изучении атмосферы и в медицинских исследованиях, как правило, в ситуациях, когда требуется распознать газ в небольшой концентрации. Новый метод, разработанный группой ученых из ФИАНа, стал продолжением работы, связанной с улучшением свойств газоанализатора, который они предложили в 2010 году.

Рассказывает один из разработчиков, ведущий научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Сергей Цхай: «В целом рингдаун-спектроскопия основывается на измерении времени затухания излучения. Мы также обратились к его измерению, но регистрировали при этом не изменения в интенсивности света, а промодулировали его с определённой частотой и регистрировали сдвиг фазы модуляции света после прохождения им резонатора. Таким образом, мы уходим от измерения амплитуды, с которой в большей степени связано появление шумов».

В своей работе физики использовали полупроводниковые диодные лазеры, наиболее перспективные в высокочувствительной спектроскопии. Одно из главных преимуществ лазеров этого типа состоит в том, что частотная перестройка в них осуществляется с помощью инжекционного тока. Такое управление позволяет обойтись без внешнего модулятора и облегчает контроль параметров лазерного излучения. 

Однако, при применении CAPS с диодным лазером возникает существенная проблема. Амплитудная модуляция интенсивности сопровождается частотной модуляцией, которая ограничивает чувствительность измерений и снижает разрешение регистрации спектра. Но исследователи нашли выход.

Комментирует Сергей Цхай: «Диодный лазер управляется током. Мы можем задать ток определённой формы, меняющийся периодически по амплитуде, и модулировать излучение лазера на относительно низкой, по сравнению с оптической частоте. С одной стороны, это упрощает подавление шумов, а с другой - у диодного лазера при изменении тока меняется и амплитуда, и длина волны излучения. Несмотря на это, нам удалось выделить именно спектр поглощения. По изменениям фазы модуляции мы определяем, как меняется частота излучения лазера, и устанавливаем оптический спектр».

Это было достигнуто с применением специальной формы импульса инжекционного тока с переменной глубиной модуляции. Такой прием не только сохраняет чувствительность фазового метода к поглощению на фиксированной длине волны, но и одновременно позволяет регистрировать спектр с высоким разрешением. Последнее весьма важно при работе с многокомпонентными следами, когда необходимо отнести поглощение к конкретному веществу с характеристическим спектром.

Сравнение спектров, полученных при записи модифицированным методом CAPS и ICOS (integral cavity output spectroscopy)

Наиболее распространенный на сегодня метод измерения поглощения по затуханию света в резонаторе (рингдаун) получил метод ICOS (на графиках выше представлено сравнение ICOS и метода, разработанного в ФИАНе). По всей видимости это связано с тем, что запись спектра в ICOS происходит при непрерывном сканировании длины волны. В методах измерений по фазовому сдвигу PS-CRDS и в "чистом" CRDS запись спектра происходит как быпо точкам, то есть на каждой длине волны измеряется сдвиг фазы в PS-CRDS или время затухания в CRDS, хотя, реально в эксперименте все автоматизируется и запись спектра также производится непрерывно. В разработанной в ФИАНе модернизации метода PS-CRDS запись спектра может осуществляться так же. как в ICOS - за одно сканирование длины волны. Кроме того, это сканирование можно осуществлять быстрее, чем в ICOS за счет специальной формы импульса тока с переменной модуляцией. 

«Для проведения сравнения записи одного и того же спектра нам не надо ничего менять в установке, только изменить форму импульса тока, которая задается с компьютера, и обработку сигнала. Анализ чувствительности измерений показал, что в нашей схеме чувствительность в 50-70 раз выше, чем в измерениях ICOS, на одной и той же аппаратуре.», - поделился Сергей Цхай.

Важно также, что, в отличие от других высокочувствительных лазерных методов в этой сфере разработанный в ФИАНе способ позволяет использовать достаточно стандартную электронную и оптическую аппаратуру, перенеся центр тяжести на аппаратурно-программные процедуры. Пока процесс математической обработки данных довольно сложен, одной из главных задач в своей дальнейшей работе по рингдаун-спектроскопии, физики называют упрощение этой части исследований, и дальнейшее увеличение точности и чувствительности диодной спектроскопии. В частности, планируется оптимизация работы прибора для измерения содержания изотопов углерода 12C и 13C в углекислом газе. Такие газоанализаторы используются в геохимии - для регистрации испарения глубинных газов, а также в медицине, где по соотношению концентраций стабильных изотопов углерода в организме человека можно выявить ряд заболеваний желудочно-кишечного тракта.

Источник: АНИ «ФИАН-информ»