CC BY
78
ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ДВУХВОЛНОВОГО ЛАЗЕРНОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА ИК-ДИАПАЗОНА
Юрий Николаевич Пономарев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН, 634021, Россия, г. Томск, площадь Академика Зуева, 1, доктор физико-математических наук, тел. (382)249-20-20, e-mail: yupon@iao.ru
Антон Владимирович Климкин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН, 634021, Россия, г. Томск, площадь Академика Зуева, 1, кандидат физико-математических наук, тел. (382)249-03-93, e-mail: tosha@asd.iao.ru
Борис Григорьевич Агеев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН, 634021, Россия, г. Томск, площадь Академика Зуева, 1, кандидат физико-математических наук, тел. (382)249-11-11, доп.12-33, e-mail: ageev@asd.iao.ru
Галина Владимировна Симонова
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, 6341021, Россия, г. Томск, пр. Академический, 10/3, кандидат технических наук, доцент кафедры ОЭСиДЗ ТГУ, тел. (382)249-26-53,
e-mail: galina_simonova@inbox.ru
В работе рассмотрена оптическая схема двухволнового лазерного газоанализатора для дистанционного обнаружения паров взрывчатых веществ и сопутствующих веществ маркеров. Принцип работы таких газоанализаторов основан на методе дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии с рассеянием излучения от топографической мишени, находящейся на расстоянии 50 -100 м. Предложено одно из решений проблемы согласования пучков с разными длинами волн в плоскости топомишени и приемника излучения.
Ключевые слова: дистанционное обнаружение, взрывчатые вещества, метод дифференциальной абсорбционной спектроскопии.
OPTICAL DESIGN OF DUAL WAVELENGTH LASER INFRARED RANGE GAS-ANALYZER
Yuri N. Ponomarev
V. E. Zuev Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 634021, Russia, Tomsk, Academician Zuev square 1, Dr., tel. (382)249-20-20, e-mail: yupon@iao.ru
Anton V. Klimkin
V. E. Zuev Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 634021, Russia, Tomsk, Academician Zuev square 1, Ph. D., tel. (382)249-03-93, e-mail: tosha@asd.iao.ru
Boris G. Ageev
V. E. Zuev Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 634021, Russia, Tomsk, Academician Zuev square 1, Ph. D., tel. (382)249-11-11, e-mail: ageev@asd.iao.ru
Galina V. Simonova
Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems SB RAS, 634021, Russia, Tomsk, Academichesky ave., 10/3, Ph. D., Assistant Professor of Department Optical Electronic Systems and Remote Sensing TSU, tel. (382)249-26-53, e-mail: galina_simonova@inbox.ru
In this paper optical design of dual wavelength laser gas-analyzer for remote detection of explosive vapors and associated marker agents is discussed. Principle of an operation of such gas-analyzers is based on differential absorption optical spectroscopy technique with radiation backscattering from a topographical target at distances of 50 -100m. One of problem solving of matching of beams with different wavelengths in topographical target and radiation detector flat is proposed.
Key words: remote detection, explosives, method of differential absorption spectroscopy.
Быстрое и точное дистанционное обнаружение следов наличия взрывчатых веществ (ВВ) является важной задачей для безопасности, как в военной, так и в гражданской областях. К настоящему времени предложено большое количество различных методов и технических средств обнаружения таких веществ, однако, не существует метода, способного обеспечить 100 % вероятность их обнаружения. Вследствие этого, разрабатываются новые методы, способные повысить эффективность обнаружения ВВ. Наибольшими возможностями в решении проблемы детектирования и идентификации следов как известных, так и новых типов ВВ, обладают методы лазерной спектроскопии. Существует множество лазерных методов, большинство из них отражено в опубликованных за последнее время обзорных работах [1 - 3].
Методы лазерной инфракрасной (ИК) спектроскопии представляют большой практический интерес для обнаружения и идентификации ВВ. В средней ИК-области колебательно-вращательные спектры поглощения молекул ВВ обладают высокой специфичностью, определяемой их симметрией и химическим составом. Свет в ИК-диапазоне является невидимым для невооруженного глаза, что позволяет проводить незаметное дистанционное обнаружение. Компоненты оптики в ИК-области более дешевые, чем в системах, которые используют рентгеновские лучи или терагерцовые сигналы. Однако для реализации данного метода необходимы перестраиваемые ИК лазерные источники света высокой мощности. Перспективными для применения в системах детектирования ВВ с использованием методов лазерной ИК-спектроскопии являются твердотельные лазеры на алюмо-иттриевом гранате легированном ионами неодима (Nd:YAG), газовые лазеры на парах металлов (ЛПМ) и Сй2-лазеры. Так же в настоящее время появление квантово-каскадных лазеров (ККЛ) позволяет развивать новые направления дистанционного обнаружения следов ВВ.
В работе [4] описан способ обнаружения паров суррогатных ВВ, таких как перекисные соединения типа ТАТП, основанный на методе дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии, где
2
носителем информации является эхо-сигнал рассеянного на топографической мишени лазерного излучения.
Изготовлен макет дистанционного детектора [5] с одним каналом регистрации при зондировании на одной частоте, попадающей в центр полосы поглощения ТАТП на 11,2 мкм. Проведены трассовые эксперименты с целью определения перспективности обнаружения данного вещества. Проведенные работы показывают возможность применения метода дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии в ИК-диапазоне для обнаружения суррогатных ВВ на расстоянии порядка 100 метров и в широком диапазоне температур. Однако при использовании только одного канала зондирования и регистрации не удается сделать прибор с высокой селективностью. Для повышения селективности такого комплекса и увеличения числа определяемых веществ необходимо расширить диапазон длин волн генерации и области перестройки, а также увеличить число каналов регистрации поглощения.
В данной работе представлена разработанная оптическая схема двухволнового трассового газоанализатора, состоящая из передающей системы и системы приема (см. рисунок), оптические оси которых разнесены на расстояние 400 мм. Расчет характеристик оптической системы проводился для двух лазерных излучателей, генерирующих на длинах волн вблизи 11,2 и 7,4 мкм и лазера видимого диапазона, осуществляющего наведение на топографическую мишень. Использование двух перестраиваемых лазеров ИК-диапазона позволяет определить присутствие в атмосфере как паров стандартных, так и суррогатных ВВ.
б
Рис. Оптическая схема двухволнового газоанализатора
(а - приемная система, б - предающая система): 1 - лазер СО2 (X = 10,2 мкм);
2 - квантово-каскадный лазер (X = 7,4 мкм); 3 - юстировочный лазер (X = 0,632 мкм); 4, 5 - сферические зеркала; 6 - объектив Кассегрена;
7 - компенсационный клин; 8 - фотоприемное устройство (ФПУ)
Передающая система газоанализатора состоит из перечисленных выше источников излучения и компактной зеркальной двухкомпонентной перестраиваемой коллимирующей оптической системы (рис. б), позволяющей одновременно проводить зондирование на разных перестраиваемых частотах.
Подфокусировка излучения на требуемую дистанцию (50 - 100 м) обеспечивается передвижением зеркала 4 вдоль оптической оси на расстояние ±5 мм помощью линейного транслятора с шаговым двигателем. Зеркальная оптика выполнена из сферических зеркал, позволяющих фокусировать излучение на топографическую мишень.
Система приема (рис. а) представляет собой телескопический объектив Кассегрена с высокочувствительным ФПУ на основе криогенно- или термоэлектрически охлаждаемых полупроводников. Объектив Кассегрена имеет диаметр главного зеркала 250 мм и сфокусирован на дистанцию 75 м. При исследовании на дистанциях от 50 до 100 м изображения пятен принимаемого излучения перемещаются по оси Y, что вызывает виньетирование на приемной площадке ФПУ. После прицеливания для исключения виньетирования за приемным объективом размещают компенсационный клин с клиновидностью в 2°, выполненный из германия. Перемещение клина относительно фотоприемной площадки вдоль оптической оси приемной системы с помощью двухкоординатного линейного транслятора с шаговым двигателем позволяет для разных дистанций проецировать пятна принимаемого сигнала от двух источников излучения разнесенных по оси Х на одну и туже координату по оси Y, что позволяет разместить стационарно в горизонтальной плоскости два независимых ФПУ.
Разработанная приемо-передающая зеркальная оптическая система дистанционного газового анализатора позволяет использовать различные источники излучения и ФПУ, что способствует развитию новых эффективных подходов создания комбинированных систем, основанных на применении различных лазерных технологий для обнаружения ВВ. По всей видимости, в будущем именно такие системы будут играть определяющую роль.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Munson C. A., Gottfried J. L., De Lucia Jr. F. C., McNesby K. L.; Miziolek A. W. Laser-Based Detection Methods of Explosives, in Counterterrorist Detection Techniques of Explosives; Yinon J. Ed.; Elsevier: Amsterdam. - 2007. - P. 279-321.
2. Скворцов Л. А. Лазерные методы обнаружения следов взрывчатых веществ на поверхности удаленных объектов // Квантовая электроника. - 2012. - Т. 42. № 1 - С. 1-11.
3. Moore D. S. Instrumentation for trace detection of high explosives //Rev. Sci. Instrum. V. - 2004. - V. 75. - PP. 2499-2512.
4. Сакович Г. В., Резнев А. А., Чернов А. И., Максимов Е. М., Передерий А. Н., Степанов Е. В., Силантьев С. В., Ворожцов А. Б., Павленко А. А., Максименко Е. В., Ворожцов Б. И., Бобровников С. М., Горлов Е. В., Макогон М. М., Климкин А. В., Осипов К. Ю., Пономарев Ю. Н., Капитанов В. А., Агеев Б. Г. Оптические методы дистанционного обнаружения паров взрывчатых веществ в атмосфере //Фундаментальные и прикладные проблемы технической химии: К 10-летию Института проблем химикоэнергетических технологий СО РАН: сб. научных трудов. - Новосибирск: Наука, 2011. - С. 246-259.
5. Сакович Г. В., Чернов А. И., Силантьев С. В., Ворожцов А. Б., Павленко А. А., Максименко Е. В., Макогон М. М., Климкин А. В., Осипов К. Ю., Пономарев Ю. Н., Капитанов В.А., Агеев Б.Г. Макет дистанционного детектора взрывчатых веществ на основе изотопного CO2-лазера // Ползуновский вестник. - 2010. - № 4-1. - С. 38-46.
© Ю. Н. Пономарев, А. В. Климкин, Б. Г. Агеев, Г. В. Симонова, 2014
