RU235331U1

RU235331U1 - CR gas analyzer with a scattered light excitation system based on a semiconductor laser

Info

Publication number: RU235331U1
Application number: RU2025102630U
Authority: RU
Inventors: Матвей Александрович Костенко
Original assignee: Матвей Александрович Костенко
Filing date: 2025-02-07
Publication date: 2025-06-30

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и предназначена для проведения качественного и количественного анализа состава газовых сред. КР-газоанализатор с улучшенной системой возбуждения рассеянного света содержит полупроводниковый лазер, линзу, фокусирующую лазерное излучение, газовую кювету, ловушку лазерного излучения, систему сбора, включающую два линзовых объектива, один из которых совмещен с кюветой, светофильтр, ослабляющий излучение на длине волны лазера, спектральный прибор, оснащенный многоканальным фотодетектором. На оптической оси излучения полупроводникового лазера дополнительно установлен под небольшим углом эталон Фабри-Перо таким образом, чтобы обеспечивался максимум пропускания лазерного излучения. Технический результат заключается в повышении точности и достоверности проводимого газоанализа. 1 ил. The utility model relates to the field of measuring technology and is intended for performing qualitative and quantitative analysis of the composition of gas media. A Raman gas analyzer with an improved system for excitation of scattered light contains a semiconductor laser, a lens focusing laser radiation, a gas cuvette, a laser radiation trap, a collection system including two lens objectives, one of which is combined with the cuvette, a light filter attenuating radiation at the laser wavelength, a spectral device equipped with a multichannel photodetector. A Fabry-Perot etalon is additionally installed at a small angle on the optical axis of the semiconductor laser radiation so as to ensure maximum transmission of laser radiation. The technical result consists in increasing the accuracy and reliability of the gas analysis performed. 1 Fig.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к устройствам, позволяющим проводить анализ многокомпонентных газовых сред.The utility model relates to the field of measuring technology, in particular to devices that allow for the analysis of multicomponent gas environments.

Среди разнообразных методов газоанализа перспективными на сегодняшний день являются устройства, основанные на спектроскопии комбинационного рассеяния (КР). КР-газоанализаторы обладают такими преимуществами как высокая скорость анализа, отсутствие расходных материалов и сложности пробоподготовки, а также возможность контроля одновременно всех молекулярных компонентов с помощью одного лазера. Суть используемого оптического явления заключается в рассеянии возбуждающего лазерного излучения молекулами среды на частотах, соответствующих их внутреннему строению, при этом интенсивности рассеянных сигналов линейно зависят как от концентрации соответствующих молекул, так и от интенсивности лазерного излучения. Необходимо учитывать, что лазерный источник является одним из ключевых компонентов КР-газоанализатора. Принимая во внимание текущий уровень развития лазерной техники, для создания компактных и недорогих устройств целесообразно использовать полупроводниковые лазеры. Однако такие источники излучения обладают сравнительно большой спектральной полушириной линии генерации. Это приводит к значительному уширению линий в регистрируемых спектрах КР и ухудшению разрешения. Как следствие, это приводит к снижению точности определения концентраций, поскольку снижается точность определения интенсивности близкорасположенных характеристических колебательных полос газовых компонентов в случае их взаимного перекрытия. Таким образом, уменьшение спектральной полуширины лазерной линии приведет к повышению достоверности проводимого газоанализа.Among the various methods of gas analysis, the most promising today are devices based on Raman spectroscopy. Raman gas analyzers have such advantages as high analysis speed, no consumables and sample preparation difficulties, and the ability to simultaneously monitor all molecular components using a single laser. The essence of the optical phenomenon used is the scattering of exciting laser radiation by medium molecules at frequencies corresponding to their internal structure, while the intensities of the scattered signals depend linearly on both the concentration of the corresponding molecules and the intensity of the laser radiation. It should be taken into account that the laser source is one of the key components of the Raman gas analyzer. Taking into account the current level of laser technology, it is advisable to use semiconductor lasers to create compact and inexpensive devices. However, such radiation sources have a relatively large spectral half-width of the generation line. This leads to a significant broadening of the lines in the recorded Raman spectra and deterioration of the resolution. As a consequence, this leads to a decrease in the accuracy of concentration determination, since the accuracy of determining the intensity of closely located characteristic vibrational bands of gas components decreases in the case of their mutual overlap. Thus, a decrease in the spectral half-width of the laser line will lead to an increase in the reliability of the gas analysis being performed.

Известен анализатор состава газа, основанный на методе спектроскопии КР [Патент РФ №126136, 2013, G01N 21/00, G01N 21/65]. Он содержит твердотельный лазер с длиной волны 532 нм, работающий в непрерывном режиме, фокусирующую линзу, газовую кювету, объектив для сбора рассеянного излучения со светосилой 1:1.8, голографический фильтр, полихроматор, ПЗС матрицу, блок управления и ЭВМ. Его основным недостатком является использование твердотельного лазера. Это приводит к сравнительно высокой стоимости газоанализатора и большим габаритам, что снижает рыночную привлекательность таких устройств.A gas composition analyzer based on the Raman spectroscopy method is known [Patent of the Russian Federation No. 126136, 2013, G01N 21/00, G01N 21/65]. It contains a solid-state laser with a wavelength of 532 nm, operating in continuous mode, a focusing lens, a gas cuvette, an objective for collecting scattered radiation with a luminosity of 1:1.8, a holographic filter, a polychromator, a CCD matrix, a control unit and a computer. Its main disadvantage is the use of a solid-state laser. This leads to a relatively high cost of the gas analyzer and large dimensions, which reduces the market attractiveness of such devices.

Наиболее близким по принципу действия к патентуемому устройству является устройство для газоанализа, основанное на спектроскопии КР [Патент EP 3748339, 2020, G01N 21/65, G01J 3/44, G01N, 21/03]. Устройство имеет в своем составе многомодовый полупроводниковый лазер, светоделительную пластину, газовую кювету, содержащую линзу, фокусирующую лазерное излучение и ловушку лазерного излучения, систему сбора рассеянного света, включающую две линзы, между которыми установлен светофильтр, ослабляющий излучение на длине волны лазера, спектрограф, оснащенный фотодетектором. За счет использования полупроводникового лазера, данное устройство свободно от недостатков аналога, описанного ранее. Основным недостатком данного газоанализатора является низкое спектральное разрешение, обусловленное использованием многомодового полупроводникового лазера без дополнительных элементов, направленных на сужение спектральной ширины лазерного излучения. Это приводит к снижению точности определения концентраций.The closest in principle of operation to the patented device is a gas analysis device based on Raman spectroscopy [Patent EP 3748339, 2020, G01N 21/65, G01J 3/44, G01N, 21/03]. The device includes a multimode semiconductor laser, a beam splitter, a gas cell containing a lens that focuses laser radiation and a laser radiation trap, a scattered light collection system including two lenses between which a light filter is installed that attenuates radiation at the laser wavelength, a spectrograph equipped with a photodetector. Due to the use of a semiconductor laser, this device is free from the disadvantages of the analog described earlier. The main disadvantage of this gas analyzer is the low spectral resolution due to the use of a multimode semiconductor laser without additional elements aimed at narrowing the spectral width of laser radiation. This leads to a decrease in the accuracy of concentration determination.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является улучшение спектрального разрешения за счет уменьшения спектральной ширины линии генерации лазера.The task that the utility model is aimed at solving is to improve spectral resolution by reducing the spectral width of the laser generation line.

Технический результат – повышение точности и достоверности проводимого газоанализа.The technical result is an increase in the accuracy and reliability of the gas analysis performed.

Указанный результат достигается тем, что в устройстве, содержащем полупроводниковый лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, ловушку лазерного излучения, систему сбора, состоящую из двух линзовых объективов, один из которых совмещен с кюветой, светофильтр, ослабляющий излучение на длине волны лазера, спектральный прибор, оснащенный многоканальным фотодетектором, на оптической оси лазерного излучения, дополнительно установлен под небольшим углом эталон Фабри-Перо, таким образом, чтобы прошедшее лазерное излучение было в максимуме пропускания и было направлено внутрь газовой кюветы.The specified result is achieved by the fact that in a device containing a semiconductor laser, a focusing lens, a gas cuvette, a laser radiation trap, a collection system consisting of two lens objectives, one of which is combined with the cuvette, a light filter that attenuates radiation at the laser wavelength, a spectral device equipped with a multichannel photodetector, on the optical axis of the laser radiation, a Fabry-Perot etalon is additionally installed at a small angle, so that the transmitted laser radiation is at maximum transmission and is directed into the gas cuvette.

Эталон Фабри-Перо является достаточно узкополосным фильтром, спектральные характеристики которого зависят от расстояния между установленными внутри зеркалами и их коэффициентов отражения. За счет этого, его установка на пути лазерного излучения позволяет получить линию с меньшей спектральной шириной.The Fabry-Perot etalon is a fairly narrow-band filter, the spectral characteristics of which depend on the distance between the mirrors installed inside and their reflection coefficients. Due to this, its installation in the path of laser radiation allows one to obtain a line with a smaller spectral width.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства. КР-газоанализатор с системой возбуждения рассеянного света на основе полупроводникового лазера содержит полупроводниковый лазер 1, эталон Фабри-Перо 2, линзу 3, газовую кювету 4, ловушку лазерного излучения 5, два линзовых объектива 6 и 8, светофильтр 7, ослабляющий излучение в области длины волны лазера, спектральный прибор 9 и многоканальный фотодетектор 10.Fig. 1 shows a block diagram of the proposed device. The Raman gas analyzer with a scattered light excitation system based on a semiconductor laser contains a semiconductor laser 1, a Fabry-Perot etalon 2, a lens 3, a gas cell 4, a laser radiation trap 5, two lens objectives 6 and 8, a light filter 7 that attenuates radiation in the region of the laser wavelength, a spectral device 9 and a multichannel photodetector 10.

Предлагаемый КР-газоанализатор работает следующим образом. Излучение от полупроводникового лазера 1 направляется сквозь эталон Фабри-Перо 2, установленный под небольшим углом, таким образом, чтобы обеспечивался максимум пропускания. При этом эталон Фабри-Перо позволяет улучшить спектральные характеристики лазерного излучения. После чего прошедшее излучение с меньшей спектральной шириной фокусируется линзой 3 в центре газовой кюветы 4 и поглощается ловушкой 5. Сбор рассеянного света ведется с помощью линзового объектива 6, который является окном газовой кюветы. Сформированный линзой 6 параллельный пучок рассеянного света направляется на линзу 8, проходя сквозь светофильтр 7, ослабляющий излучение на длине волны лазера. Линза 8 фокусирует рассеянное излучение на входную щель спектрального прибора 9. Итоговый спектр регистрируется многоканальным фотодетектором 10.The proposed Raman gas analyzer operates as follows. The radiation from the semiconductor laser 1 is directed through the Fabry-Perot etalon 2, installed at a small angle, so as to ensure maximum transmission. In this case, the Fabry-Perot etalon allows improving the spectral characteristics of the laser radiation. After that, the transmitted radiation with a smaller spectral width is focused by the lens 3 in the center of the gas cell 4 and absorbed by the trap 5. The scattered light is collected using the lens objective 6, which is the window of the gas cell. The parallel beam of scattered light formed by the lens 6 is directed to the lens 8, passing through the light filter 7, which attenuates the radiation at the laser wavelength. The lens 8 focuses the scattered radiation on the entrance slit of the spectral device 9. The final spectrum is recorded by the multichannel photodetector 10.

Claims

A Raman gas analyzer with a scattered light excitation system based on a semiconductor laser, comprising a semiconductor laser, a lens focusing laser radiation, a gas cuvette, a laser radiation trap, a collection system consisting of two lens objectives, one of which is combined with the cuvette, a light filter attenuating radiation at the laser wavelength, a spectral device equipped with a multichannel photodetector, characterized in that a Fabry-Perot etalon is additionally installed at a small angle on the optical axis of the semiconductor laser radiation so that the transmitted laser radiation is at maximum transmission and is directed into the gas cuvette.