CC BY
36
УДК 535.343.4
СРАВНЕНИЕ ДИОДНЫХ ЛАЗЕРОВ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ (УСБЕЬ) И ПЛАНАРНЫМ ФАБРИ-ПЕРО РЕЗОНАТОРАМИ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ СЛАБОГО ПОГЛОЩЕНИЯ N02 В ОБЛАСТИ 660 нм
В. Н. Очкин, М. В. Спиридонов, С. Н. Цхай
Проведено экспериментальное сравнение чувствительности спектрометров на основе УСБЕЬ и планарных диодных лазеров при измерении малых концентраций двуокиси азота в видимой области спектра. При обработке спектров и вычислении концентрации N02 применялся корреляционный метод линейной регрессии. Показано, что при регистрации сложных спектров поглощения с сильным переналожением спектральных линий УСБЕЬ могут обеспечить чувствительность на порядок лучше, чем пла-нарные лазеры. При использовании УСБЕЬ получена чувствительность детектирования N02 в области 660 нм около 0.3 ррт ■ м.
1. Введение. Спектрометры на основе диодных лазеров (ДЛ) являются одними из наиболее чувствительных приборов для измерения малых количеств газовых примесей. Высокая чувствительность обусловлена низким уровнем шумов излучения ДЛ, высоким спектральным разрешением и возможностью быстрой перестройки длины волны. Этим, в частности, обусловлено растущее количество работ по применению диодной лазерной спектроскопии (ДЛС) в аналитике, детектированию примесей и др. (см., напр., [1, 2]).
Развитие лазерной техники привело к созданию ряда удобных в применении диодных лазеров в различных спектральных областях. В первую очередь это лазеры, работающие при комнатной температуре. К одним из таких типов лазеров, активно развивающихся в последнее время, относятся лазеры с вертикальным резонатором, излучающие с поверхности (УСБЕЬ). Эти лазеры имеют оптическую длину резонатора
порядка нескольких микрон и генерируют излучение поперек р-п перехода, в отличие от традиционных планарных лазеров, излучающих в плоскости р-п перехода (ПФП).
излучения (> 30 см'1), высокой скоростью перестройки частоты, хорошим качеством пучка с относительно малой расходимостью, слабой зависимостью длины волны излучения от температуры и низким значением рабочего тока 10 м А). И, хотя в качестве недостатка можно отметить малую выходную мощность излучения (не более нескольких мВт), они оказываются удобными приборами для целей телекоммуникации. В то же время сопоставление возможностей применения VCSEL и ПФП лазеров в задачах с регистрацией малых поглощений вызывает неоднозначные суждения.
Прямых сопоставлений чувствительности детектирования молекул VCSEL и ПФП лазерами не проводилось. Можно отметить работу [3], где сравнивались возможности VCSEL и лазеров с распределенной обратной связью (DFB) при измерении слабого поглощения кислорода в области 0.76 мкм. Области токовой непрерывной перестройки частоты DFB лазеров аналогичны ПФП лазерам, и с этой точки зрения их аналитические возможности сопоставимы. По оценке работы [3] VCSEL проигрывает по сравнению с DFB лазером в чувствительности два порядка. Однако сами авторы признают, что это может быть связано в большой степени с особенностью установки, оптимизированной но параметрам для работы с DFB лазерами, - установка имела хорошую температурную стабилизацию лазера, но стабильность источника тока 0.05 мА) была явно недостаточна для VCSEL. С другой стороны, возможность повышения чувствительности ДЛС за счет расширения полосы перестройки частоты вызывает вопросы из-за возможного увеличения уровня шумов [4]. Число работ по применениям VCSEL в ДЛС постоянно растет, что не в последнюю очередь связано с относительно низкой ценой этих лазеров по сравнению с лазерами DFB.
В данной работе проводится экспериментальное сравнение чувствительности приборов, использующих традиционные дешевые лазеры ПФП, с приборами на основе VCSEL при детектировании молекул, имеющих сложный спектр поглощения с сильным переналожением спектральных линий. К таким молекулам относится двуокись азота (NO2), имеющая интенсивный спектр поглощения в видимой области. При этом широкая область непрерывной перестройки VCSEL может играть решающую роль в повышении чувствительности прибора при часто используемом корреляционном методе обработки спектров поглощения.
V V7 L/XJJJ JlUJbpDl ЛСЬ^ЛЫЛ. 1 ^pifJ. JJ XW 1 ЪЛ illi;i|jvyn.vjil
WVJXUib X 1J1V
2. Экспериментальная техника и методика измерений. В эксперименте использовались два лазера, работающие в области 660 нм (15100 см~1). Первый - обычный ФП лазер фирмы Toshiba с выходной мощностью 3 мВт и областями непрерывной перестройки частоты 1 — 2 сж-1. Второй - VCSEL фирмы Firecomms с выходной мощностью I мВт и непрерывной перестройкой частоты до 15 см
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Диодный лазер (ДЛ) установлен на термоэлектрическом элементе Пельтье, снабжен терморезистором и смонти рован в герметичном корпусе. Стабилизация температуры лазера была реализована ко сигналу терморезистора программным образом, что обеспечивало стабильность температуры на уровне 2 • Ю-4 К. Питание лазеров осуществлялось импульсами тока трапе-циидальной формы с наклонной вершиной длительностью 5 лес и частотой повторения 120 Гц. Величина тока инжекции составляла от 30 до 50 мА для ПФП лазера и от 3 до б мА для VCSEL лазера. Сканирование излучения лазера по частоте обеспечивалось изменением тока в импульсе. Спектрометр состоял из трех оптических каналов: аналитический канал с фотоприемником ФП1; реперный канал (ФП2); канал регистрации базовой линии (падающей интенсивности) (ФПЗ). В качестве фотоприемников исполь зовались кремниевые фотодиоды S1336 фирмы Hamamatsu. Сигналы с фотоприемни ков регистрировались многофункциональной платой ввода-вывода NI-PCI-6120 фирмы National Instruments. Программа для управления лазерами и для регистрации сигналов
была разработана с использованием системы Lab View 7.0. В данной схеме оптическая развязка не использовалась, однако отсутствие интерференции на уровне не более Ю-4 контролировалось.
Были приготовлены 4 кюветы с двуокисью азота, разбавленной воздухом до атмосферного давления, содержащие различные концентрации ÍV02: 1 ~ 9.2%; 2 - 0.97%; 3 - 0.0083% (83 ррт)] 4 - 0.00081% (8.1 ррт). Оптическая длина каждой кюветы составляла 40 см. В области 660 нм при длине 40 см такие концентрации NO2 приводят к величинам относительного поглощения порядка Ю-1, Ю-2, Ю-4 и Ю-5 соответственно [5]. Кювета с концентрацией NO2 9.2% использовалась в качестве реперной, остальные три - в качестве аналитических. Точность приготовления газовых смесей составляла 3%.
Для обработки регистрируемых спектров поглощения и нахождения концентрации NO2 в аналитической кювете применялся корреляционный метод линейной регрессии, аналогичный описанному в [6].
Первым шагом вычислялась дискретная производная спектров поглощения в репер-ном и аналитическом каналах путем вычитания массива самого из себя, но со сдвигом на определенное количество точек. В такой процедуре важен выбор оптимального сдвига, величина которого должна превышать типичные размеры случайных шумовых пиков и быть меньше полуширины спектральной линии. Таким образом частично сглаживаются высокочастотные шумы в регистрируемом спектре. Другими словами, величина оптимального сдвига зависит от характера спектра поглощения, и в наших экспериментах составляла 40 точек для VCSEL лазера и 300 точек для ФП лазера, что соответствовало ~ 0.2 полуширины линии поглощения. На втором шаге строился график, каждая точка которого имела х-координату, равную значению точки массива данных реперного канала, и у-координату, равную значению соответствующей точки массива данных аналитического канала. При отсутствии шумов и ошибок все точки этого графика должны лежать на прямой линии у = кх, где к - отношение поглощений NO2 в аналитической и реперной кюветах или отношение соответствующих концентраций NO2. Наличие шумов я нестабильность лазера приводят к разбросу точек вокруг этой прямой, ОдЛ"^^ подобная процедура позволяет надежно определять наклон прямой к даже при отношении сигнал/шум < 1.
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
-1
0.0 -I
-1-■-1---1-'-1-■-1-
0 12 3 4
Область дисперсии эталона Ф-П - 0.049 см Область дисперсии эталона ПФП лазера - 1.2 см _
-1-1-■-1---1 1 I
Время сканирования, мс
Рис. 2. Спектр поглощения N02 в области 660 нм, записанный с использованием традици очного (ПФП) диодного лазера.
Рис. 3. Спектр поглощения ]У02 в области 660 нм, записанный с использованием УСБЕЬ диодного лазера.
3. Результаты и обсуждение. На рисунках 2 и 3 приведены спектры поглощения N02 в реперной кювете, записанные с использованием ПФП и УСБЕЬ лазеров соответственно. Для определения относительной шкалы перестройки частоты на обоих рисунках приведен спектр пропускания эталонов Фабри-Перо с областями свободной дисперсии 0.049 (рис. 2) и 0.082 см'1 (рис. 3). Из рисунков видно, что УСБЕЬ лазер обеспечивает почти в 8 раз большую непрерывную перестройку частоты, чем ПФП лазер, причем шкала частотной перестройки у УСБЕЬ лазера заметно более линейная.
0.0 ^-.-,---,-------^
0 12 3 4 Время сканирования, мс
Отношение поглощений: измеренное 9.96*1 (Я
1 Л<-1 ГУ-1 ^цЦаппиь ш
П ЛЛ1 \J.\JKJji.
ПФП лазер
Отношение поглощений: измеренное 8.55-10"4 заданное
Отношение поглощений: измеренное 8.31-10"4 заданное 9.02-10"4
0.0002
0.0000
-0.0001
УСЭЕЬ лазер
-0.0002
ПФП лазер
[оглощение в пвпепном каняле
Отношение полнощекий-гомеренное 7.92.10-5 заданное 8.80-10".5 ■
0.0003 . 0.0002 0.0001 0.0000 -0.0001 -0.0002 -0,0003
Отношение поглощений: измеренное 2.37-10"4 заданное 8.80'10к|
: УСБЕЬ лазер
■0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 Поглощение в реперном канале
ПФП лазер
■0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 Поглощение в реперном канале
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08
/
Рис. 4. Применение корреляционного метода линейной регрессии для обработки спектров поглощения N02, записанных при помощи ПФП (слева) и УСБЕЬ (справа) диодных лазеров. Приведены результаты для трех концентраций N02- а - 0.97%; б - 0.0083%; в - 0.00081%.
На рисунке 4 приведены результаты обработки спектров поглощения N0?, в трех аналитических кюветах по корреляционному методу линейной регрессии с использованием спектров в реперной кювете для ПФП и УСБЕЬ лазеров соответственно. Результаты определения концентрации N02 при помощи этой методики приведены в таблице.
Приведенные в таблице значения концентрации определялись по наклону прямой, полученной методом линейной аппроксимации данных, приведенных на рис. 4.
Таблица
Заданная Результаты измерений Результаты измерений
концентрация _ гт^кгт_________ с 11Ч/и лшерим 1 гппт с V ^ог/ъ лазером
N02) ррт Концентрация Ошибка, отнош. Концентрация Ошибка, отнош.
N02, ррт % с./ш. N02, ррт % с./ш.
9.7 • 103 9.2 • 103 5 102 9.3 • 103 4 102
83 75 10 1 79 5 1
8.1 22 > 100 10"1 7.3 10 ю-1
Из результатов, показанных в таблице, видно, что при регистрации больших поглощений (первая строка таблицы^ относительное поглощение 10~2, отношение сигнал/шум 102) УСБЕЬ лазер не дает преимущества по сравнению с ПФП лазером. Ошибка определения концентрации N0-2 составляет 4 — 5%, причем существенная часть этой ошибки может быть связана с неточностью приготовления газовой смеси. При относительном поглощении Ю-4 (вторая строка таблицы, отношение сигнал/шум 1) преимущества УСБЕЬ лазера уже заметны, поскольку он обеспечивает вдвое меньшую ошибку измерения концентрации. При измерении очень слабого поглощения 10" ° (третья строка таблицы, отношение сигнал/шум Ю-1) преимущества УСБЕЬ лазера очевидны, поскольку он обеспечивает вполне удовлетворительную ошибку измерения концентрации в 10%, в то время как измерения при помощи ФП лазера приводят к ошибке > 100%.
4- Выводы.
Проведены измерения и анализ с помощью ДЛС спектров поглощения молекул N02 известной концентрации в видимой области спектра (660 нм) с применением лазеров ПФП и УСЭЕЬ. Концентрация NО2 варьировалась от 0.0008% до 0.97% в атмосфере воздуха. Обработка спектров проводилась корреляционным методом линейной регрессии, где в качестве опорного спектра использовались измерения при повышенной концентрации N02 - 9.2%.
Применение УСЭЕЬ лазеров для регистрации слабых линий поглощения в условиях сложного спектра с сильным переналожением линий позволяет примерно на порядок улучшить чувствительность газоанализаторов по сравнению с приборами на основе обычных ПФП диодных лазеров. На наш взгляд это достигается благодаря ряду причин. В экспериментах с ПФП лазером ширина спектральной линии поглощения имеет
величину того же порядка, что и область непрерывной перестройки частоты лазера. В этом случае характерное время нестабильности базовой линии может быть сравнимо с временем сканирования спектральной линии и, в описанной выше процедуре математической обработки сигнала, приводить к ложному сигналу. Широкая область непрерыв ной перестройки частоты VSCEL значительно снижает влияние нестабильности базовой линии лазера на результаты измерений. Наличие большого числа спектральных линий в широком спектральном интервале как в измеряемом, так и опорном спектрах, може т приводить к увеличению количества информативных точек на корреляционной прямой и, следовательно, к более точному определению ее наклона при линейной аппроксимации. При этом, конечно, решающую роль будет играть наличие сильных линий поглощения в измеряемом спектральном интервале. В случае сравнительно простого спектра с изолированными линиями применение VCSEL не будет давать такого преимущества, что и было обнаружено в [3, 4]. По-видимому, положительную роль играет также однородность пучка в VCSEL, но в рамках данной работы такой анализ не проводился.
При использовании VCSEL в области 660 нм получена чувствительность детектирования NO2 около 0.3 ррт-м. Следует отметить, что область 660 нм не самая удачная для достижения высокой чувствительности детектирования NO2, поскольку в этой области наблюдается локальный минимум коэффициента поглощения. Применение лазеров, работающих в области 645-650 нм, по оценкам позволило бы улучшить чувствительность еще в 10-15 раз.
Работа проводилась при поддержке гранта РФФИ 04-02-08192, программы фундаментальных исследований Отделения физических наук РАН "Оптическая спектроскопия и стандарты частоты", ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" (тема 01.40.01.08.02).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Frish М. В., Wain пег R. Т., Green В. D.,et. al. "Progress in reducing size and cost of trace gas analyzers based on tunable diode laser absorption spectroscopy" in: Proc. SPIE Vol. 5586, Advanced Environmental, Chemical, and Biological Sensing
I
Technologies II /Eds: Tuan Vo-Dinh, Gunter Gauglitz, Robert A. Lieberman, 2004, о. 76.
\ .
[2] N a d e z h d i n s k i i A. I. "Optimization of Trace molecule detection using tunable diode lasers" in: 4th International Conference on Tunable Diode Laser Spectroscopy (TDLS-2003), Zermatt, Switzerland. Book of abstracts, (2003), p. 79.
[3] Weldon V., О' G о г m a n J., Perez - Camacho J. J., et. al. Infrared Phys.&Technol., 38, 325 (1997).
[4] W a n g J., Sanders S. Т., Jeffries J. В., Hanson R. K. Appl. Phys. B: Laser and Optics, 72, 865 (2001).
[5] V a n d a e 1 e A. C., Hermans C., Simon P. C., et. al. J. Atm. Chem., 25, 289 (1996).
[6] К о s t e r e v A. A., Curl R. F., T i t t e 1 F. K., et. al. Applied Optics LP, 39, 4425 (2000).
Поступила в редакцию 14 марта 2005 г. После переработки 15 июля 2005 г.
