Теорія і практика застосування лазерної спектроскопії (на прикладі аналізу об'єктів навколишнього середовища)
Зміст
Введення
1. Лазерна спектроскопія
2. Види лазерів і їх застосування
3. Сучасне обладнання
4. Застосування лазерної спектроскопії в аналізі об'єктів навколишнього середовища
Література
Введення
Застосування лазерної спектроскопії до вивчення характеристик середовищ представляє безперечний інтерес як при проведенні фундаментальних, так і прикладних досліджень. Лазерна спектроскопія це розділ оптичної спектроскопії, методи якого засновані на застосуванні монохроматичного випромінювання лазерів для стимулювання квантових переходів між цілком певними рівнями. Ці методи дозволяють отримувати локальну інформацію про параметри досліджуваних об'єктів з високим просторовим, тимчасовим і спектральним дозволом. Перевага лазерів над некогерентними джерелами світла полягає в можливості досягнення великої спектральної щільності потужності, що значно зменшує проблеми шумів, викликаних фоновим випромінюванням або шумами приймачів.
Лазерна спектроскопія в порівнянні з іншими безконтактними оптичними методами діагностики дозволяє проводити вимірювання на значній відстані від досліджуваного об'єкта і отримувати інформацію про його складі (наприклад, лідарних зондування атмосфери). Принципово нові можливості лазерна спектроскопія набула з появою лазерів з плавно перебудовується частотою, які є комбінацією джерела світла і спектрометра ультрависокої дозволу, що дає можливість вимірювати профілі спектральних ліній. Одними з найбільш перспективних апаратурних комплексів представляються діагностичні системи, що складаються з лазерів на барвниках з оптичною накачкою ексимерним лазерами. Крім того, ексимерні лазери можуть застосовуватися як самостійні системи, наприклад, для діагностики в біології та медицині. Це дозволяє створювати багатофункціональні діагностичні системи для фундаментальних і прикладних досліджень.
У міру зростання масштабів досліджень на установках з магнітною термоізоляцією в рамках програм УТС і переходу до створення прототипу термоядерного реактора, зростає роль методів діагностики, що дозволяють проводити вимірювання параметрів високотемпературної плазми в умовах ускладненого доступу до плазми і при наявності цілого ряду несприятливих факторів. Діагностична апаратура та методики, засновані на використанні лазерної спектроскопії, дозволяють задовольняти цим досить жорстким вимогам, і їх розробка є актуальною задачею.
Ще одне актуальне напрямок дисертаційної роботи полягає в можливості використання спеціалізованих лазерних систем для геофізичних і космічних лідар і лідарних систем для екологічного моніторингу навколишнього середовища. Важливими додатками також представляють дослідження попередньо опромінених оптичних матеріалів для ІТЕР, застосування лазерно-індукованої фотолюмінесценції для діагностики біологічних об'єктів в інтересах медицини та мікробіології.
1. Лазерна спектроскопія
Розділ оптичної спектроскопії, вивчає отримані за допомогою лазера спектри випромінювання, поглинання, розсіювання. Лазерна спектроскопія дозволяє дослідити речовини на атомно-молекулярному рівні з високою чутливістю, вибірковістю, спектральним і тимчасовим дозволом. У залежності від типу взаємодії світла з досліджуваним речовиною, методи лазерної спектроскопії поділяють на лінійні, засновані на одноквантових лінійному взаємодії і нелінійні, засновані на нелінійному одноквантових або Багатоквантові взаємодії. У спектральних приладах використовують лазери з перебудовуваною частотою - від далекої ІЧ області до вакуумного УФ, що забезпечує збудження майже будь-яких квантових переходів атомів і молекул. Перебудовуються лазери з вузькою смугою випромінювання, зокрема, інжекційні лазери в ІЧ області і лазери на барвниках у видимій області (а в поєднанні з нелінійним перетворенням частоти - у ближній УФ та ближній ІЧ областях) дають можливість вимірювати справжню форму спектра поглинання зразка без будь- якого впливу спектрального інструменту. Використання лазерів, підвищує чутливість всіх відомих методів спектроскопії (абсорбційних, флуоресценції і т.д.) як для атомів, так і для молекул. На основі таких лазерів були розроблені принципово нові високочутливі методи: внутрірезонаторними лазерної спектроскопії, когерентного антистоксовой комбінаційного розсіювання, резонансної фотоіонізаційні лазерної спектроскопії. Останній метод заснований на резонансному порушенні частки імпульсним лазерним випромінюванням, частота якого точно налаштована на частоту резонансного переходу, і подальшої іонізації збудженої частки шляхом поглинання одного або декількох фотонів з додаткового лазерного імпульсу. При достатній інтенсивності лазерних імпульсів ефективність резонансної фотоіонізації близька до 100%, така ж ефективність реєстрації іона електронним помножувачем. Це забезпечує високу чутливість методу і можливість детектування слідів елементів у зразках на рівні 10 -10 -10 -12% у звичайних експериментах, а в спеціальних - на рівні одиночних часток. Висока інтенсивність випромінювання дозволяє здійснювати нелінійна взаємодія світла з атомами й молекулами, за рахунок чого значна частина часток переведена в збуджений стан, а також стають вірогідними заборонені одноквантових і Багатоквантові резонансні переходи між рівнями атомів і молекул, неспостережний при слабкій інтенсивності світла. Коротка (керована) тривалість випромінювання дозволяє порушувати високолежащіе рівні енергії за часи коротше часу релаксації будь-якого квантового стану. З використанням лазерів ультракоротких (пикосекундной і фемтосекундний) імпульсів розроблені методи спектроскопії з тимчасовим дозволом до 10 -14 с. Ці методи забезпечують випромінювання первинних фотофізичних і фотохімічних процесів за участю збуджених молекул, дослідження короткоживучих часток (радикалів, комплексів і т.д.). Висока монохроматичность лазерного випромінювання забезпечує вимірювання спектрів з майже будь-яким необхідним спектральним дозволом і, крім того, дозволяє вибірково порушувати атоми і молекули одного виду в суміші, залишаючи молекули ін видів збудженому, що особливо важливо для аналітичних застосувань. За допомогою імпульсів спрямованого лазерного випромінювання можна досліджувати спектри флуоресценції та розсіювання в віддаленої області, наприклад у верхній атмосфері, і отримувати інформацію про її склад. Цей принцип використовується в методах дистанційної лазерної спектроскопії, що розробляються для контролю навколишнього середовища. При фокусуванні лазерного світла на малу площу з розмірами (в межі) порядку довжини Світловий хвилі можна отримати великі інтенсивності, що забезпечують швидке нагрівання і випаровування локальної області. Це властивість лазера лягло в основу мікроспектрального емісійного аналізу атомів і локального мас-спектрального аналізу молекул. З точки зору шляхів релаксації енергії збуджених частинок і, соотв., Методів детектування, розрізняють такі методи лазерної спектроскопії: 1) абсорбційної-трансмісійні, засновані на вимірюванні спектру пропускання зразка (нечутливі до долі збуджених частинок), 2) опто-калориметричний (опто- тримаючи., опто-акустич. і т.д.), засновані на безпосередньому вимірі поглинутої в зразку енергії; при цьому необхідна релаксація частини енергії збудження в тепло (безизлучат. релаксація), 3) флуоресцентний, заснований на вимірюванні інтенсивності флуоресценції як функції довжини хвилі збуджуючого лазера (ізлучат, релаксація), 4) опто-гальванічний, в якому збудження частинок реєструють по зміні провідності, і фотоіонізаційні - по появі заряджених частинок. Прилади, що застосовуються в лазерної спектроскопії, принципово відрізняються від звичайних спектральних приладів. У приладах, що використовують лазери з перебудовуваною частотою, відпадає необхідність в розкладанні випромінювання в спектр за допомогою диспергуючих елементів (призм, дифракції. Решіток), що є основною частиною звичайних спектральних приладів. Іноді в лазерної с.пектроскопіі застосовують прилади, в яких випромінювання розкладається в спектр за допомогою нелінійних кристалів. Лазерну спектроскопію застосовують для дослідження кінетики і механізму реакції (у т. ч. фотохім.), Точного вимірювання постійних (напр., моментів інерції), виборчого визначення ультрамалих кількостей речовини і т.д. Спектри багатоступеневого лазерного збудження мають більшу вибірковістю, ніж звичайні спектри поглинання, добре комбінуються з хроматографією, мас-спектрометрією і т.д.
Активна лазерна спектроскопія - один з методів нелінійної спектроскопії, який досліджує поглинання або розсіювання пучка світла в середовищі, в якій попередньо (за допомогою додаткового лазерного випромінювання певних частот) селективно порушені і (або) сфазіровани досліджувані оптичні моди. Таке активне лазерне «приготування» середовища (накачування) змінює картину взаємодії зондуючого (пробного) випромінювання з середовищем.
Активна лазерна спектроскопія заснована на ефекті нелінійної взаємодії інтенсивного лазерного випромінювання та оптичного середовища. Потужне випромінювання накачування порушує термодинамічна рівновага в середовищі, наводить кореляції між утворюючими її частинками, збуджує певні внутрішні руху у них тощо, а більш слабке зондуючого випромінювання виявляє наведені обурення і кінетику їх загасання.
Методи активної лазерної спектроскопії відрізняються типом досліджуваного резонансу, характером оптичного відгуку середовища, а також способом зондування і вимірюваним параметром (інтенсивність, фаза, поляризація). Активна лазерна спектроскопія поглинання досліджує оптичний резонанс середовища, що виявляється в одно-або многофотонной поглинанні світла; активна лазерна спектроскопія розсіювання - резонанс, яка у розсіянні світла (комбінаційному, релєєвськоє, Мандельштама-Бріллюена, гіперкомбінаціонном, гіперрелеевском і т.п.). Оптичний відгук середовища на вплив хвиль накачування і зондуючого випромінювання може бути когерентним (пов'язаним з наведеною нелінійної оптичної поляризацією середовища) або некогерентним (пов'язаним з оптично-індукованим обуренням населенностей рівнів енергії), відповідно розрізняють когерентного та некогерентного активну лазерну спектроскопію.
Активна лазерна спектроскопія називається стаціонарною або нестаціонарної в залежності від того, досліджується усталений (стаціонарний) або несталий (перехідний, нестаціонарний) оптичний відгук середовища. В останньому випадку для порушення і зондування середовища використовуються короткі лазерні імпульси, тривалість яких менше характерних часів встановлення і релаксації досліджуваних збуджених станів середовища.
За допомогою зондуючого випромінювання можна вивчати модуляцію оптичних характеристик середовища (модуляційний варіант активної лазерної спектроскопії), що спричинюється випромінюванням накачування; крім того, завдяки обуренню середовища накачуванням можуть з'являтися нові спектральні або просторові компоненти зондуючого випромінювання, на їх дослідженні заснований генераційний варіант активної лазерної спектроскопії. Різні способи збудження і зондування, застосовувані в активній лазерної спектроскопії, наведено на рис. на прикладі дворівневої системи.
Одним з методів активної лазерної спектроскопії є когерентна спектроскопія комбінаційного розсіювання світла. За допомогою активної лазерної спектроскопії вдається вирішувати завдання, недоступні іншим методам спектроскопії поглинання або розсіювання світла, значно збільшити інформативність оптичної спектроскопії, підвищити відношення сигнал / шум на виході традиційних спектрометрів, поліпшити їх спектральне, просторові і тимчасові параметри.
Для всіх лазерів характерні наступні особливості випромінювання:
1) велика тимчасова і просторова когерентність. Час когерентності τ становить 10 -3 с, що відповідає довжині когерентності
;
2) сувора монохроматичность:
;
3) велика щільність потоку енергії;
4) дуже мале кутове розбіжність в пучку (від 5 · 10 -4 радіан до 4 · 10 -2 радіан).
Коефіцієнт корисної дії лазерів змінюється від 0,01% (для гелій-неонового лазера) до 75% (для лазера на склі з неодимом).
Потужність безперервного випромінювання лазерів змінюється від 10 -3 Вт (гелій-неоновий лазер) до 10 5 Вт (газодинамічний лазер на CO 2). Потужність імпульсного випромінювання змінюється від 10 Вт (напівпровідникові лазери) до 10 13 Вт (лазери на склі з неодимом).
Особливості лазерного випромінювання знаходять найрізноманітніше застосування. Здатність лазера концентрувати світлову енергію в просторі, часі і вузькому спектральному інтервалі може бути використана двояко:
1) нерезонансні вплив потужних світлових потоків на речовину в безперервному та імпульсному режимах (лазерна обробка матеріалів), використання потужних лазерів для вирішення проблеми термоядерного синтезу;
2) резонансний вплив на атоми, молекули і молекулярні комплекси, що викликають процеси фотодиссоціації, фотоіонізації, фотохімічні реакції.
Нерезонансні, тепловий вплив лазерного випромінювання, що використовується в лазерній технології обробки матеріалів, спрощує операцію отримання отворів в твердих, крихких, тугоплавких матеріалах. Наприклад, лазерна технологія ефективна при виготовленні алмазних фильер - робочого інструменту машин для волочіння дроту: через отвір у філь'єрі простягається оброблюваний матеріал. Лазерна технологія використовується для різання матеріалу, нанесення малюнка на його поверхню, освіта потрібного мікрорельєфу на ній. Лазерне зварювання дозволяє з'єднати метали і сплави, не зварюються звичайним способом.
Зокрема, в медицині (хірургії) лазерний промінь у ряді випадків з успіхом використовується в якості хірургічного скальпеля. В офтальмології лазерним променем прикріплюють відшарувалася сітківку ока. Відзначимо, що в медицині використовують і резонансний вплив лазерного променя на тканини організму, зокрема, малопотужне випромінювання гелій-неонового лазера. Механізми такого впливу поки в деталях не вивчені, передбачається, що його незвично висока ефективність при дуже малої потужності випромінювання (десятки мілліватт) пояснюється ланцюговими фотохімічними реакціями, що виникають під впливом лазерного випромінювання.
Застосування лазерів у спектроскопії різко підвищило можливість традиційних методів, крім того, дозволило створити методи, засновані на принципово нових фізичних принципах. Чутливість спектроскопічних методів доведена до граничного рівня, обмеженого реєстрацією одиничних атомів і молекул. Методи лазерної спектроскопії використовуються в лазерній хімії, лазерному поділі ізотопів.
Лазери широко застосовують у вимірювальній техніці. Наприклад, лазерні інтерферометри на гелій-неонових лазерах дозволяють з великою точністю проводити юстіровочних і нівелірної роботи. Широко використовуються лазерні світодалекоміри і навіть лазерні рулетки на портативних напівпровідникових лазерах.
Застосування лазерів настільки великі, що тут неможливо навіть їх простий перелік, крім того, область застосування лазерів постійно розширюється.
З появою лазерів пов'язане народження таких нових розділів фізики як нелінійна оптика та голографія.
Нелінійна оптика досліджує поширення потужних світлових пучків у твердих тілах, рідинах і газах та їх взаємодії з речовиною. Напруженості електричного поля в потужних лазерних пучках порівнянні або навіть перевищують внутріатомні поля. Це призводить до виникнення нових оптичних ефектів й істотно змінює характер вже відомих явищ. Зокрема, в 1969 р. була виявлена самофокусіровкі світла: потужний світловий пучок, поширюючись у середовищі, не відчуває дифракційної расходимости, а, навпаки, мимоволі стискається.
Голографія (від грецького holos - весь, повний, grapho - пишу) - спосіб запису і відновлення хвильового поля, заснований на реєстрації інтерференційної картини, яка утворена хвилею, відображеної предметом, висвітлюваною джерелом світла (предметна хвиля), та когерентної з нею хвилею, що йде безпосередньо від джерела світла (опорна хвиля). Зареєстрована інтерференційна картина називається голограмою.
Зміст
Введення
1. Лазерна спектроскопія
2. Види лазерів і їх застосування
3. Сучасне обладнання
4. Застосування лазерної спектроскопії в аналізі об'єктів навколишнього середовища
Література
Введення
Застосування лазерної спектроскопії до вивчення характеристик середовищ представляє безперечний інтерес як при проведенні фундаментальних, так і прикладних досліджень. Лазерна спектроскопія це розділ оптичної спектроскопії, методи якого засновані на застосуванні монохроматичного випромінювання лазерів для стимулювання квантових переходів між цілком певними рівнями. Ці методи дозволяють отримувати локальну інформацію про параметри досліджуваних об'єктів з високим просторовим, тимчасовим і спектральним дозволом. Перевага лазерів над некогерентними джерелами світла полягає в можливості досягнення великої спектральної щільності потужності, що значно зменшує проблеми шумів, викликаних фоновим випромінюванням або шумами приймачів.
Лазерна спектроскопія в порівнянні з іншими безконтактними оптичними методами діагностики дозволяє проводити вимірювання на значній відстані від досліджуваного об'єкта і отримувати інформацію про його складі (наприклад, лідарних зондування атмосфери). Принципово нові можливості лазерна спектроскопія набула з появою лазерів з плавно перебудовується частотою, які є комбінацією джерела світла і спектрометра ультрависокої дозволу, що дає можливість вимірювати профілі спектральних ліній. Одними з найбільш перспективних апаратурних комплексів представляються діагностичні системи, що складаються з лазерів на барвниках з оптичною накачкою ексимерним лазерами. Крім того, ексимерні лазери можуть застосовуватися як самостійні системи, наприклад, для діагностики в біології та медицині. Це дозволяє створювати багатофункціональні діагностичні системи для фундаментальних і прикладних досліджень.
У міру зростання масштабів досліджень на установках з магнітною термоізоляцією в рамках програм УТС і переходу до створення прототипу термоядерного реактора, зростає роль методів діагностики, що дозволяють проводити вимірювання параметрів високотемпературної плазми в умовах ускладненого доступу до плазми і при наявності цілого ряду несприятливих факторів. Діагностична апаратура та методики, засновані на використанні лазерної спектроскопії, дозволяють задовольняти цим досить жорстким вимогам, і їх розробка є актуальною задачею.
Ще одне актуальне напрямок дисертаційної роботи полягає в можливості використання спеціалізованих лазерних систем для геофізичних і космічних лідар і лідарних систем для екологічного моніторингу навколишнього середовища. Важливими додатками також представляють дослідження попередньо опромінених оптичних матеріалів для ІТЕР, застосування лазерно-індукованої фотолюмінесценції для діагностики біологічних об'єктів в інтересах медицини та мікробіології.
1. Лазерна спектроскопія
Розділ оптичної спектроскопії, вивчає отримані за допомогою лазера спектри випромінювання, поглинання, розсіювання. Лазерна спектроскопія дозволяє дослідити речовини на атомно-молекулярному рівні з високою чутливістю, вибірковістю, спектральним і тимчасовим дозволом. У залежності від типу взаємодії світла з досліджуваним речовиною, методи лазерної спектроскопії поділяють на лінійні, засновані на одноквантових лінійному взаємодії і нелінійні, засновані на нелінійному одноквантових або Багатоквантові взаємодії. У спектральних приладах використовують лазери з перебудовуваною частотою - від далекої ІЧ області до вакуумного УФ, що забезпечує збудження майже будь-яких квантових переходів атомів і молекул. Перебудовуються лазери з вузькою смугою випромінювання, зокрема, інжекційні лазери в ІЧ області і лазери на барвниках у видимій області (а в поєднанні з нелінійним перетворенням частоти - у ближній УФ та ближній ІЧ областях) дають можливість вимірювати справжню форму спектра поглинання зразка без будь- якого впливу спектрального інструменту. Використання лазерів, підвищує чутливість всіх відомих методів спектроскопії (абсорбційних, флуоресценції і т.д.) як для атомів, так і для молекул. На основі таких лазерів були розроблені принципово нові високочутливі методи: внутрірезонаторними лазерної спектроскопії, когерентного антистоксовой комбінаційного розсіювання, резонансної фотоіонізаційні лазерної спектроскопії. Останній метод заснований на резонансному порушенні частки імпульсним лазерним випромінюванням, частота якого точно налаштована на частоту резонансного переходу, і подальшої іонізації збудженої частки шляхом поглинання одного або декількох фотонів з додаткового лазерного імпульсу. При достатній інтенсивності лазерних імпульсів ефективність резонансної фотоіонізації близька до 100%, така ж ефективність реєстрації іона електронним помножувачем. Це забезпечує високу чутливість методу і можливість детектування слідів елементів у зразках на рівні 10 -10 -10 -12% у звичайних експериментах, а в спеціальних - на рівні одиночних часток. Висока інтенсивність випромінювання дозволяє здійснювати нелінійна взаємодія світла з атомами й молекулами, за рахунок чого значна частина часток переведена в збуджений стан, а також стають вірогідними заборонені одноквантових і Багатоквантові резонансні переходи між рівнями атомів і молекул, неспостережний при слабкій інтенсивності світла. Коротка (керована) тривалість випромінювання дозволяє порушувати високолежащіе рівні енергії за часи коротше часу релаксації будь-якого квантового стану. З використанням лазерів ультракоротких (пикосекундной і фемтосекундний) імпульсів розроблені методи спектроскопії з тимчасовим дозволом до 10 -14 с. Ці методи забезпечують випромінювання первинних фотофізичних і фотохімічних процесів за участю збуджених молекул, дослідження короткоживучих часток (радикалів, комплексів і т.д.). Висока монохроматичность лазерного випромінювання забезпечує вимірювання спектрів з майже будь-яким необхідним спектральним дозволом і, крім того, дозволяє вибірково порушувати атоми і молекули одного виду в суміші, залишаючи молекули ін видів збудженому, що особливо важливо для аналітичних застосувань. За допомогою імпульсів спрямованого лазерного випромінювання можна досліджувати спектри флуоресценції та розсіювання в віддаленої області, наприклад у верхній атмосфері, і отримувати інформацію про її склад. Цей принцип використовується в методах дистанційної лазерної спектроскопії, що розробляються для контролю навколишнього середовища. При фокусуванні лазерного світла на малу площу з розмірами (в межі) порядку довжини Світловий хвилі можна отримати великі інтенсивності, що забезпечують швидке нагрівання і випаровування локальної області. Це властивість лазера лягло в основу мікроспектрального емісійного аналізу атомів і локального мас-спектрального аналізу молекул. З точки зору шляхів релаксації енергії збуджених частинок і, соотв., Методів детектування, розрізняють такі методи лазерної спектроскопії: 1) абсорбційної-трансмісійні, засновані на вимірюванні спектру пропускання зразка (нечутливі до долі збуджених частинок), 2) опто-калориметричний (опто- тримаючи., опто-акустич. і т.д.), засновані на безпосередньому вимірі поглинутої в зразку енергії; при цьому необхідна релаксація частини енергії збудження в тепло (безизлучат. релаксація), 3) флуоресцентний, заснований на вимірюванні інтенсивності флуоресценції як функції довжини хвилі збуджуючого лазера (ізлучат, релаксація), 4) опто-гальванічний, в якому збудження частинок реєструють по зміні провідності, і фотоіонізаційні - по появі заряджених частинок. Прилади, що застосовуються в лазерної спектроскопії, принципово відрізняються від звичайних спектральних приладів. У приладах, що використовують лазери з перебудовуваною частотою, відпадає необхідність в розкладанні випромінювання в спектр за допомогою диспергуючих елементів (призм, дифракції. Решіток), що є основною частиною звичайних спектральних приладів. Іноді в лазерної с.пектроскопіі застосовують прилади, в яких випромінювання розкладається в спектр за допомогою нелінійних кристалів. Лазерну спектроскопію застосовують для дослідження кінетики і механізму реакції (у т. ч. фотохім.), Точного вимірювання постійних (напр., моментів інерції), виборчого визначення ультрамалих кількостей речовини і т.д. Спектри багатоступеневого лазерного збудження мають більшу вибірковістю, ніж звичайні спектри поглинання, добре комбінуються з хроматографією, мас-спектрометрією і т.д.
Активна лазерна спектроскопія - один з методів нелінійної спектроскопії, який досліджує поглинання або розсіювання пучка світла в середовищі, в якій попередньо (за допомогою додаткового лазерного випромінювання певних частот) селективно порушені і (або) сфазіровани досліджувані оптичні моди. Таке активне лазерне «приготування» середовища (накачування) змінює картину взаємодії зондуючого (пробного) випромінювання з середовищем.
Активна лазерна спектроскопія заснована на ефекті нелінійної взаємодії інтенсивного лазерного випромінювання та оптичного середовища. Потужне випромінювання накачування порушує термодинамічна рівновага в середовищі, наводить кореляції між утворюючими її частинками, збуджує певні внутрішні руху у них тощо, а більш слабке зондуючого випромінювання виявляє наведені обурення і кінетику їх загасання.
Методи активної лазерної спектроскопії відрізняються типом досліджуваного резонансу, характером оптичного відгуку середовища, а також способом зондування і вимірюваним параметром (інтенсивність, фаза, поляризація). Активна лазерна спектроскопія поглинання досліджує оптичний резонанс середовища, що виявляється в одно-або многофотонной поглинанні світла; активна лазерна спектроскопія розсіювання - резонанс, яка у розсіянні світла (комбінаційному, релєєвськоє, Мандельштама-Бріллюена, гіперкомбінаціонном, гіперрелеевском і т.п.). Оптичний відгук середовища на вплив хвиль накачування і зондуючого випромінювання може бути когерентним (пов'язаним з наведеною нелінійної оптичної поляризацією середовища) або некогерентним (пов'язаним з оптично-індукованим обуренням населенностей рівнів енергії), відповідно розрізняють когерентного та некогерентного активну лазерну спектроскопію.
Активна лазерна спектроскопія називається стаціонарною або нестаціонарної в залежності від того, досліджується усталений (стаціонарний) або несталий (перехідний, нестаціонарний) оптичний відгук середовища. В останньому випадку для порушення і зондування середовища використовуються короткі лазерні імпульси, тривалість яких менше характерних часів встановлення і релаксації досліджуваних збуджених станів середовища.
За допомогою зондуючого випромінювання можна вивчати модуляцію оптичних характеристик середовища (модуляційний варіант активної лазерної спектроскопії), що спричинюється випромінюванням накачування; крім того, завдяки обуренню середовища накачуванням можуть з'являтися нові спектральні або просторові компоненти зондуючого випромінювання, на їх дослідженні заснований генераційний варіант активної лазерної спектроскопії. Різні способи збудження і зондування, застосовувані в активній лазерної спектроскопії, наведено на рис. на прикладі дворівневої системи.
Одним з методів активної лазерної спектроскопії є когерентна спектроскопія комбінаційного розсіювання світла. За допомогою активної лазерної спектроскопії вдається вирішувати завдання, недоступні іншим методам спектроскопії поглинання або розсіювання світла, значно збільшити інформативність оптичної спектроскопії, підвищити відношення сигнал / шум на виході традиційних спектрометрів, поліпшити їх спектральне, просторові і тимчасові параметри.
2. Види лазерів і їх застосування
За режимом роботи лазери можна розділити на імпульсні і безперервної дії. По виду активного середовища лазери діляться на газові, рідинні, напівпровідникові та твердотільні. За способом накачування: лазери з оптичним накачуванням, газорозрядні лазери, хімічні лазери, іжекціонние, лазери та з електронною накачкою.Для всіх лазерів характерні наступні особливості випромінювання:
1) велика тимчасова і просторова когерентність. Час когерентності τ становить 10 -3 с, що відповідає довжині когерентності
2) сувора монохроматичность:
3) велика щільність потоку енергії;
4) дуже мале кутове розбіжність в пучку (від 5 · 10 -4 радіан до 4 · 10 -2 радіан).
Коефіцієнт корисної дії лазерів змінюється від 0,01% (для гелій-неонового лазера) до 75% (для лазера на склі з неодимом).
Потужність безперервного випромінювання лазерів змінюється від 10 -3 Вт (гелій-неоновий лазер) до 10 5 Вт (газодинамічний лазер на CO 2). Потужність імпульсного випромінювання змінюється від 10 Вт (напівпровідникові лазери) до 10 13 Вт (лазери на склі з неодимом).
Особливості лазерного випромінювання знаходять найрізноманітніше застосування. Здатність лазера концентрувати світлову енергію в просторі, часі і вузькому спектральному інтервалі може бути використана двояко:
1) нерезонансні вплив потужних світлових потоків на речовину в безперервному та імпульсному режимах (лазерна обробка матеріалів), використання потужних лазерів для вирішення проблеми термоядерного синтезу;
2) резонансний вплив на атоми, молекули і молекулярні комплекси, що викликають процеси фотодиссоціації, фотоіонізації, фотохімічні реакції.
Нерезонансні, тепловий вплив лазерного випромінювання, що використовується в лазерній технології обробки матеріалів, спрощує операцію отримання отворів в твердих, крихких, тугоплавких матеріалах. Наприклад, лазерна технологія ефективна при виготовленні алмазних фильер - робочого інструменту машин для волочіння дроту: через отвір у філь'єрі простягається оброблюваний матеріал. Лазерна технологія використовується для різання матеріалу, нанесення малюнка на його поверхню, освіта потрібного мікрорельєфу на ній. Лазерне зварювання дозволяє з'єднати метали і сплави, не зварюються звичайним способом.
Зокрема, в медицині (хірургії) лазерний промінь у ряді випадків з успіхом використовується в якості хірургічного скальпеля. В офтальмології лазерним променем прикріплюють відшарувалася сітківку ока. Відзначимо, що в медицині використовують і резонансний вплив лазерного променя на тканини організму, зокрема, малопотужне випромінювання гелій-неонового лазера. Механізми такого впливу поки в деталях не вивчені, передбачається, що його незвично висока ефективність при дуже малої потужності випромінювання (десятки мілліватт) пояснюється ланцюговими фотохімічними реакціями, що виникають під впливом лазерного випромінювання.
Застосування лазерів у спектроскопії різко підвищило можливість традиційних методів, крім того, дозволило створити методи, засновані на принципово нових фізичних принципах. Чутливість спектроскопічних методів доведена до граничного рівня, обмеженого реєстрацією одиничних атомів і молекул. Методи лазерної спектроскопії використовуються в лазерній хімії, лазерному поділі ізотопів.
Лазери широко застосовують у вимірювальній техніці. Наприклад, лазерні інтерферометри на гелій-неонових лазерах дозволяють з великою точністю проводити юстіровочних і нівелірної роботи. Широко використовуються лазерні світодалекоміри і навіть лазерні рулетки на портативних напівпровідникових лазерах.
Застосування лазерів настільки великі, що тут неможливо навіть їх простий перелік, крім того, область застосування лазерів постійно розширюється.
З появою лазерів пов'язане народження таких нових розділів фізики як нелінійна оптика та голографія.
Нелінійна оптика досліджує поширення потужних світлових пучків у твердих тілах, рідинах і газах та їх взаємодії з речовиною. Напруженості електричного поля в потужних лазерних пучках порівнянні або навіть перевищують внутріатомні поля. Це призводить до виникнення нових оптичних ефектів й істотно змінює характер вже відомих явищ. Зокрема, в 1969 р. була виявлена самофокусіровкі світла: потужний світловий пучок, поширюючись у середовищі, не відчуває дифракційної расходимости, а, навпаки, мимоволі стискається.
Голографія (від грецького holos - весь, повний, grapho - пишу) - спосіб запису і відновлення хвильового поля, заснований на реєстрації інтерференційної картини, яка утворена хвилею, відображеної предметом, висвітлюваною джерелом світла (предметна хвиля), та когерентної з нею хвилею, що йде безпосередньо від джерела світла (опорна хвиля). Зареєстрована інтерференційна картина називається голограмою.
Голограма, освітлена опорною хвилею, створює таке ж амплітудно-фазовий просторовий розподіл хвильового поля, яке створювала при записі предметна хвиля. Таким чином, голограма, за рахунок дифракції опорної хвилі на записаній в ній інтерференційної картини, перетворить опорну хвилю в копію предметної.
Основи голографії були закладені в 1948 році англійським фізиком Д. Габором, угорцем за походженням. Експериментальне втілення і подальша розробка цього способу стали можливими лише після появи джерел світла високого ступеня когерентності - лазерів.
Схеми запису і відтворення голографічного зображення показані на двох малюнках 1 а, б.
3. Сучасне обладнання
Лазерно-іскровий експрес-аналізатор
Області застосування
Харчова промисловість, а також екологія та охорона навколишнього середовища, санітарія і гігієна, геологорозвідка, металургія, збагачувальне виробництво, контроль будівельних матеріалів, органічних об'єктів, емісійна спектроскопія.
Принцип дії приладу
Безконтактний автоматизований лазерно-іскровий експрес-аналізатор елементного складу об'єктів природного середовища являє собою унікальний комплекс, створений для оперативного визначення і дослідження якісного та кількісного елементного складу твердих і рідких зразків та проб з високою чутливістю. Спеціально розроблене, оригінальне програмне забезпечення, дозволяє визначати елементний склад зразків автоматично, в режимі реального часу. Завдяки дії сфокусованого лазерного випромінювання на досліджувану поверхню, виникає лазерна іскра оптичного пробою. Настає плазма містить пари речовини даного зразка. Аналіз світіння лазерної іскри за допомогою поліхроматора, багатоелементного фотодетектора та блоку узгодження з IBM PC, дозволяє виділити спектральні лінії парів елементів, що містяться в зразку. Ідентифікація спектральних ліній здійснюється в автоматичному режимі за допомогою спеціального програмного забезпечення, що містить банк даних емісійних спектральних ліній до 90 хімічних елементів таблиці Менделєєва.
Склад ЛІЕС
Портативний поліхроматор з багатоелементних фотодетектором блок узгодження фотодетектора з ibm pc твердотільний малогабаритний імпульсний лазер
блок живлення комп'ютер типу ibm pc
Технічні характеристики
Діапазон аналізованих довжин хвиль, нм 200 - 800
Дозвіл по спектру, нм 0,02 - 0,03
Гранична чутливість на вміст хімічних елементів в зразку, наприклад, в грунтовій матриці,%, мг / кг 10-4 - 10-5, (0,1 - 1,0)
Кількість елементів, 90
Час кількісного аналізу, хв 1 - 3
Кількість речовини, необхідне для аналізу, мг 5 - 10
Напруга мережі живлення, В 220
Габаритні розміри, мм 800 * 450 * 600
Вага не більше, кг 45
4. Застосування лазерної спектроскопії в аналізі об'єктів навколишнього середовища
Застосування методу лазерної іскровий спектроскопії в екологічних дослідженнях.
Проблема забруднення морів набуває все більш глобальний характер. Прогресуюче забруднення морської води пов'язане зі стоками промислових і побутових відходів, результатами виробничої діяльності людини. Наслідки забруднення позначаються на всіх сторонах життєдіяльності океану. Добре відомо токсичну дію хлорорганічних сполук, нафтопродуктів, сполук ртуті, свинцю, кадмію та миш'яку. Значно менше приділяється увага основним біогенним елементам, які також можуть бути забруднювачами, тому що надходять у морську воду в результаті виробничої діяльності в надмірних кількостях. Оскільки для нормальної життєдіяльності фітопланктону необхідно підтримку біогенних елементів на певному рівні відбувається накопичення їм останніх [1,2]. Збільшення змісту згаданих компонент в морській воді може призвести до зміни видового складу всієї екосистеми, так як вони включаються в біотичний кругообіг і накопичуються в різних ланках харчового ланцюга морів.
У зв'язку з цим необхідне проведення моніторингу якості морської води і планктонного спільноти в'язаного з вивченням зміни їх елементного складу, що вимагає надходження інформації в режимі реального часу, так як візуалізація забруднення настає при концентраціях значно перевищують гранично допустимі норми. Це можливо при наявності методів дозволяють визначати елементний склад експресних і дистанційно. Таким є метод лазерної спектроскопії іскровий (ЛІС, іменований в англомовній літературі як laser induced breakdown spectroscopy LIBS), що представляє собою різновид атомного емісійного спектрального аналізу. Порушення емісійного спектру досліджуваного речовини в цьому випадку здійснюється за рахунок енергії короткого остросфокусірованного лазерного імпульсу. Принципи калібрування традиційні для методик емісійного спектрального аналізу [3]. До переваг ЛИС слід віднести оперативність, відсутність безпосереднього контакту з аналізованих речовиною та попередньої підготовки проб для аналізу, проведення аналізу незалежно від фазового стану досліджуваної речовини, відсутність безпосереднього контакту з аналізованих речовиною, що дає можливість використовувати ЛИС для дистанційного аналізу і отримання інформації в режимі реального часу.
Лазерна іскрова спектроскопія твердих тіл до цього часу вважається добре розробленим та описаним в літературі методом [4]. Вже перші роботи по застосуванню ЛИС для визначення елементного складу морської води показали перспективність цього даного методу [5-7]. Однак у цих і більш пізніх роботах [8,9] використовувалися стаціонарні, лабораторні установки.
У даній роботі наводяться результати використання ЛИС для визначення елементного складу морської води, фітопланктону і донних відкладень під час експедицій, що проводяться на вітрильному навчальному судні (ПУС) «Надія» в 2000-2002 рр..
Оскільки стандартної апаратури для ЛИС практично немає, то був створений мобільний судновий аналітичний комплекс. Невеликі габарити і вага дозволяють розміщувати його на письмовому столі в приміщеннях ПУС. Вага комплексу з керуючою ЕОМ і системою охолодження не перевищує 50 кг. Принципова схема наведена на малюнку 1.
Для порушення плазмового факела на поверхні досліджуваних речовин використовувався Nd: YAG лазер з одним каскадом підсилення. Параметри лазера і системи реєстрації наведені в таблиці 1. Застосування як пасивного модулятора добротності кристала з центрами забарвлення дозволило отримувати цуг наносекундних імпульсів.
Таблиця 1. Основні параметри ЛИС спектрометра.
Використання методики порушення емісійного спектру досліджуваних об'єктів лазерним імпульсом складної форми в поєднанні з просторовою селекцією випромінювання [13] дозволило отримати межі визначення (ПЗ) ряду елементів порівнянні з даними отриманими в разі використання ССD камер з тимчасовою селекцією випромінювання [9]. Приклади ПЗ наведені в таблиці 2. Там же дано аналітичні лінії, за якими здійснювалися елементоопределенія.
Таблиця 2. Аналітичні лінії і межі виявлення методом ЛИС
Результати визначення елементного складу відібраних проб показали, що на віддалі від місць видобутку нафти елементний склад морської води і фітопланктону узгоджується з літературними даними. При наближенні до бурових установок в пробах спостерігається підвищений вміст барію і фосфору. Так вміст барію в морській воді змінювалося від 11 (ст. 1) до 14г / л (ст. 4), що значно перевищує вміст даного елемента приводиться для даних місць у літературі. У фітопланктоні вміст барію 12г/кг, фосфору 14г/кг і значно перевищує вміст аналізованих елементів у районах віддалених від бурових [14]. Проби грунту вдалося отримати тільки на відстані 2,5 морських милі від бурових установок. Концентрація барію і фосфору в донних опадах склала 16 і 11г/кг, відповідно. На станціях віддалених від місць видобутку нафти зміст барію і фосфору морській воді і фітопланктоні, донних опадах приходить у відповідність з літературними даними [15]. Підвищені зміст барію і фосфору в досліджених об'єктах, ймовірно, пов'язані зі зливом бурового розчину в море (що неодноразово спостерігалося під час проведення вимірів).
Ще одна можливість застосування ЛИС для оцінок екологічної ситуації грунтується на отриманих кореляції між зміною інтенсивності аналітичної лінії натрію, що використовується для визначення вмісту натрію в морській воді, і солоністю, визначеної за стандартною методикою. Цікаво, що при цьому не обов'язкове знання абсолютних значень концентрації і солоності, а лише необхідний вигляд кривої, тобто кут нахилу і коефіцієнт кореляції. Аналогічні залежності отримані між вмістом магнію і кремнію в морській воді і змістом фітопланктон. Оскільки ці елементи характерні для фітопланктону Охотського моря, представленого в основному діатомових водоростей, то простежується можливість оцінки зміни змісту фітопланктону по зміні інтенсивності емісійних ліній магнію або кремнію. Наведені приклади вказують на можливість використання ЛИС в якості «тестера» при контролі над зміною параметрів середовища.
Резюмуючи, можна сказати, що використання методу лазерної іскровий спектроскопії з використанням розробленої та створеної установки дозволяє проводити контроль над вмістом забруднюючих елементів у морській воді, фітопланктоні і донних опадах. Основною перевагою є можливість контролю в реальному часі і в натурних умовах. Слід зазначити, що процес визначення елементів автоматизований до рівня видачі протоколу. Відносне середнє квадратичне відхилення визначень знаходиться на рівні 8-15%. Похибка, що виникає за рахунок апаратури, не перевищує 5%.
Література
1. І.Р. Шен. Нелінійна оптика. М.: Наука, 1989.
2. В. Демтредер. Лазерна спектроскопія. М.: Наука 1985.
3. В.С. Летохов, В.П. Чеботаєв. Принципи нелінійної лазерної спектроскопії. М.: Наука, 1975.
4. Нелінійна спектроскопія. Під ред. Н. Бломберга. М.: Мир. 1979.
5, С.А. Ахманов, Н.І. Коротєєв. Методи нелінійної оптики в спектроскопії розсіяння світла. М.: Наука. 1981.
6. Дж. Ніблер, Г. Знайти. Спектроскопія когерентного антистоксовой розсіювання світла. В зб. Спектроскопія комбінаційного розсіювання світла в газах і рідинах. Під ред. А. Вебера. М.: Світ, 1982.
7. Лазерна спектроскопія комбінаційного розсіяння в кристалах і газах. Праці Иофана, т. 2, 1986 р.
8. Ю.Н. Поліванов. Комбінаційне розсіювання світла на поляритонах. Успіхи фіз. наук, 1978 р., т. 126, вип. 2. с. 185.
9. Ю.Н. Поліванов. Нелінійно-оптичне розсіювання світла за участю фононних поляритонів. Праці ІОФРАН, т. 43, с. 3, 1993.
ЛІТЕРАТУРА
1. Океанографічна енциклопедія. / / За ред. З.І. Мироненко та ін, Гидрометеоиздат, 1974 р., 631 с.
2. І.А. Кисельов, Планктон морів і континентальних водойм / / т. 2, Наука, 1980 р., 440 с.
3. Л.Т. Сухов. Лазерний спектральний аналіз. / / Новосибірськ, «Наука», 1990, 139 с.
4. DA Rusak, BC Castle, BW Smith, JD Winefordner Recent trends and the future of laser - induced plasma spectroscopy. / / Trends in analytical chemistry. v. 17. n. 8 +9. 1998. p. 453-461.
5. Букін О.А., Павлов А.Н., сушив Н.В. Використання спектроскопії лазерної іскри для аналізу елементного складу водних середовищ. / / ЖПС. - 1990. - T.5 2 .- № 5. - C.736-738.
6. Прохоров А.М., Власов Д.В., Ципенюком Д.Ю. та ін Дослідження можливості дистанційного визначення вмісту заліза в морській воді по емісійному спектру лазерного пробою. / / ЖПС. 1991. - T. 55 .- № 2. - C. 313-314.
7. О.А. Букін, Ю.А. Зінін, Е.А. Свириденко та ін Визначення макросостава морської води методом лазерної іскровий спектроскопії. / / Оптика атмосфери і океану. 1992. Т. 5, № 11. С. 1213-1216.
12. О.А. Букін, А.А. Ільїн, С.С. Голик і ін Динамічні характеристики спектрів плазми, яка генерується на поверхні твердих і рідких мішеней при дії лазерним імпульсом складної форми. / / ЖПС. - 2003. - T. 70 .- № 4. - C. 531-535.
13. О.А. Букін, А.А. Ільїн, С.С. Голик та ін Використання багатоімпульсному порушення лазерної плазми для дослідження елементного складу конденсованих середовищ. / / Оптика атмосфери і океану. - 2003. - T. 16. - № 1.
14. Патина С.А. Вплив забруднення на біологічні ресурси і продуктивність світового океану / / Москва. Харчова промисловість. -1997.-304 с.
15. Астахов А.С., Поляков Д.М., Слінко Є.М. та ін Розподіл металів у донних опадах Японського моря (на прикладі профілю Владивосток Ніїгата) / / Тематичний випуск ДВНІГМІ № 3. - Владивосток. - Дальнаука. - 2000. - С. 150-165.
Основи голографії були закладені в 1948 році англійським фізиком Д. Габором, угорцем за походженням. Експериментальне втілення і подальша розробка цього способу стали можливими лише після появи джерел світла високого ступеня когерентності - лазерів.
Схеми запису і відтворення голографічного зображення показані на двох малюнках 1 а, б.
3. Сучасне обладнання
Лазерно-іскровий експрес-аналізатор
Області застосування
Харчова промисловість, а також екологія та охорона навколишнього середовища, санітарія і гігієна, геологорозвідка, металургія, збагачувальне виробництво, контроль будівельних матеріалів, органічних об'єктів, емісійна спектроскопія.
Принцип дії приладу
Безконтактний автоматизований лазерно-іскровий експрес-аналізатор елементного складу об'єктів природного середовища являє собою унікальний комплекс, створений для оперативного визначення і дослідження якісного та кількісного елементного складу твердих і рідких зразків та проб з високою чутливістю. Спеціально розроблене, оригінальне програмне забезпечення, дозволяє визначати елементний склад зразків автоматично, в режимі реального часу. Завдяки дії сфокусованого лазерного випромінювання на досліджувану поверхню, виникає лазерна іскра оптичного пробою. Настає плазма містить пари речовини даного зразка. Аналіз світіння лазерної іскри за допомогою поліхроматора, багатоелементного фотодетектора та блоку узгодження з IBM PC, дозволяє виділити спектральні лінії парів елементів, що містяться в зразку. Ідентифікація спектральних ліній здійснюється в автоматичному режимі за допомогою спеціального програмного забезпечення, що містить банк даних емісійних спектральних ліній до 90 хімічних елементів таблиці Менделєєва.
Склад ЛІЕС
Портативний поліхроматор з багатоелементних фотодетектором блок узгодження фотодетектора з ibm pc твердотільний малогабаритний імпульсний лазер
блок живлення комп'ютер типу ibm pc
Технічні характеристики
Діапазон аналізованих довжин хвиль, нм 200 - 800
Дозвіл по спектру, нм 0,02 - 0,03
Гранична чутливість на вміст хімічних елементів в зразку, наприклад, в грунтовій матриці,%, мг / кг 10-4 - 10-5, (0,1 - 1,0)
Кількість елементів, 90
Час кількісного аналізу, хв 1 - 3
Кількість речовини, необхідне для аналізу, мг 5 - 10
Напруга мережі живлення, В 220
Габаритні розміри, мм 800 * 450 * 600
Вага не більше, кг 45
4. Застосування лазерної спектроскопії в аналізі об'єктів навколишнього середовища
Застосування методу лазерної іскровий спектроскопії в екологічних дослідженнях.
Проблема забруднення морів набуває все більш глобальний характер. Прогресуюче забруднення морської води пов'язане зі стоками промислових і побутових відходів, результатами виробничої діяльності людини. Наслідки забруднення позначаються на всіх сторонах життєдіяльності океану. Добре відомо токсичну дію хлорорганічних сполук, нафтопродуктів, сполук ртуті, свинцю, кадмію та миш'яку. Значно менше приділяється увага основним біогенним елементам, які також можуть бути забруднювачами, тому що надходять у морську воду в результаті виробничої діяльності в надмірних кількостях. Оскільки для нормальної життєдіяльності фітопланктону необхідно підтримку біогенних елементів на певному рівні відбувається накопичення їм останніх [1,2]. Збільшення змісту згаданих компонент в морській воді може призвести до зміни видового складу всієї екосистеми, так як вони включаються в біотичний кругообіг і накопичуються в різних ланках харчового ланцюга морів.
У зв'язку з цим необхідне проведення моніторингу якості морської води і планктонного спільноти в'язаного з вивченням зміни їх елементного складу, що вимагає надходження інформації в режимі реального часу, так як візуалізація забруднення настає при концентраціях значно перевищують гранично допустимі норми. Це можливо при наявності методів дозволяють визначати елементний склад експресних і дистанційно. Таким є метод лазерної спектроскопії іскровий (ЛІС, іменований в англомовній літературі як laser induced breakdown spectroscopy LIBS), що представляє собою різновид атомного емісійного спектрального аналізу. Порушення емісійного спектру досліджуваного речовини в цьому випадку здійснюється за рахунок енергії короткого остросфокусірованного лазерного імпульсу. Принципи калібрування традиційні для методик емісійного спектрального аналізу [3]. До переваг ЛИС слід віднести оперативність, відсутність безпосереднього контакту з аналізованих речовиною та попередньої підготовки проб для аналізу, проведення аналізу незалежно від фазового стану досліджуваної речовини, відсутність безпосереднього контакту з аналізованих речовиною, що дає можливість використовувати ЛИС для дистанційного аналізу і отримання інформації в режимі реального часу.
Лазерна іскрова спектроскопія твердих тіл до цього часу вважається добре розробленим та описаним в літературі методом [4]. Вже перші роботи по застосуванню ЛИС для визначення елементного складу морської води показали перспективність цього даного методу [5-7]. Однак у цих і більш пізніх роботах [8,9] використовувалися стаціонарні, лабораторні установки.
У даній роботі наводяться результати використання ЛИС для визначення елементного складу морської води, фітопланктону і донних відкладень під час експедицій, що проводяться на вітрильному навчальному судні (ПУС) «Надія» в 2000-2002 рр..
Оскільки стандартної апаратури для ЛИС практично немає, то був створений мобільний судновий аналітичний комплекс. Невеликі габарити і вага дозволяють розміщувати його на письмовому столі в приміщеннях ПУС. Вага комплексу з керуючою ЕОМ і системою охолодження не перевищує 50 кг. Принципова схема наведена на малюнку 1.
Для порушення плазмового факела на поверхні досліджуваних речовин використовувався Nd: YAG лазер з одним каскадом підсилення. Параметри лазера і системи реєстрації наведені в таблиці 1. Застосування як пасивного модулятора добротності кристала з центрами забарвлення дозволило отримувати цуг наносекундних імпульсів.
Таблиця 1. Основні параметри ЛИС спектрометра.
| Лазер: | Nd: YAG, модульованої добротності |
| Довжина хвилі тривалість імпульсу одиночного модульованої добротності всій гребінки по підставі | 1,064 мкм, 20 нс 150 - 200 мкс |
| Енергія імпульсу (у гребені) | до 600 мДж |
| Реєстраційна система: | |
| Поліхроматор | На базі малогабаритного МСД -1 |
| Дифракційні решітки | 1200 штрихів / мм |
| Фоторегістратор емісійних спектрів | Фотодіодному лінійка, 2100 елементів, |
| ФЕУ-79, АЦП-Ла-н10М6 | |
| Частота дискретизації АЦП | Чи не хуже100 МГц |
| Фокусуються лінза, діаметр, фокус | Скло, 50 мм, 75 мм |
Таблиця 2. Аналітичні лінії і межі виявлення методом ЛИС
| Елемент | Довжина хвилі, нм | Мінімальна обнаружимо концентрація, г / л | Літературні дані, г / л [9] |
| Na | 588.9 | 0.0011 | 0.0005 |
| Ca | 393.4 | 0.0009 | 0.0003 |
| Mg | 285.2 | 0.0007 | 0.001 |
| Ba | 455.4 | 0.0062 | - |
| Cu | 324.7 | 0.009 | 0.007 |
| Fe | 373.4 | 0.04 | 0.03 |
| Al | 396.1 | 0.05 | 0.01 |
| Zn | 334.5 | 0.6 | 0.12 |
Ще одна можливість застосування ЛИС для оцінок екологічної ситуації грунтується на отриманих кореляції між зміною інтенсивності аналітичної лінії натрію, що використовується для визначення вмісту натрію в морській воді, і солоністю, визначеної за стандартною методикою. Цікаво, що при цьому не обов'язкове знання абсолютних значень концентрації і солоності, а лише необхідний вигляд кривої, тобто кут нахилу і коефіцієнт кореляції. Аналогічні залежності отримані між вмістом магнію і кремнію в морській воді і змістом фітопланктон. Оскільки ці елементи характерні для фітопланктону Охотського моря, представленого в основному діатомових водоростей, то простежується можливість оцінки зміни змісту фітопланктону по зміні інтенсивності емісійних ліній магнію або кремнію. Наведені приклади вказують на можливість використання ЛИС в якості «тестера» при контролі над зміною параметрів середовища.
Резюмуючи, можна сказати, що використання методу лазерної іскровий спектроскопії з використанням розробленої та створеної установки дозволяє проводити контроль над вмістом забруднюючих елементів у морській воді, фітопланктоні і донних опадах. Основною перевагою є можливість контролю в реальному часі і в натурних умовах. Слід зазначити, що процес визначення елементів автоматизований до рівня видачі протоколу. Відносне середнє квадратичне відхилення визначень знаходиться на рівні 8-15%. Похибка, що виникає за рахунок апаратури, не перевищує 5%.
Література
1. І.Р. Шен. Нелінійна оптика. М.: Наука, 1989.
2. В. Демтредер. Лазерна спектроскопія. М.: Наука 1985.
3. В.С. Летохов, В.П. Чеботаєв. Принципи нелінійної лазерної спектроскопії. М.: Наука, 1975.
4. Нелінійна спектроскопія. Під ред. Н. Бломберга. М.: Мир. 1979.
5, С.А. Ахманов, Н.І. Коротєєв. Методи нелінійної оптики в спектроскопії розсіяння світла. М.: Наука. 1981.
6. Дж. Ніблер, Г. Знайти. Спектроскопія когерентного антистоксовой розсіювання світла. В зб. Спектроскопія комбінаційного розсіювання світла в газах і рідинах. Під ред. А. Вебера. М.: Світ, 1982.
7. Лазерна спектроскопія комбінаційного розсіяння в кристалах і газах. Праці Иофана, т. 2, 1986 р.
8. Ю.Н. Поліванов. Комбінаційне розсіювання світла на поляритонах. Успіхи фіз. наук, 1978 р., т. 126, вип. 2. с. 185.
9. Ю.Н. Поліванов. Нелінійно-оптичне розсіювання світла за участю фононних поляритонів. Праці ІОФРАН, т. 43, с. 3, 1993.
ЛІТЕРАТУРА
1. Океанографічна енциклопедія. / / За ред. З.І. Мироненко та ін, Гидрометеоиздат, 1974 р., 631 с.
2. І.А. Кисельов, Планктон морів і континентальних водойм / / т. 2, Наука, 1980 р., 440 с.
3. Л.Т. Сухов. Лазерний спектральний аналіз. / / Новосибірськ, «Наука», 1990, 139 с.
4. DA Rusak, BC Castle, BW Smith, JD Winefordner Recent trends and the future of laser - induced plasma spectroscopy. / / Trends in analytical chemistry. v. 17. n. 8 +9. 1998. p. 453-461.
5. Букін О.А., Павлов А.Н., сушив Н.В. Використання спектроскопії лазерної іскри для аналізу елементного складу водних середовищ. / / ЖПС. - 1990. - T.5 2 .- № 5. - C.736-738.
6. Прохоров А.М., Власов Д.В., Ципенюком Д.Ю. та ін Дослідження можливості дистанційного визначення вмісту заліза в морській воді по емісійному спектру лазерного пробою. / / ЖПС. 1991. - T. 55 .- № 2. - C. 313-314.
7. О.А. Букін, Ю.А. Зінін, Е.А. Свириденко та ін Визначення макросостава морської води методом лазерної іскровий спектроскопії. / / Оптика атмосфери і океану. 1992. Т. 5, № 11. С. 1213-1216.
12. О.А. Букін, А.А. Ільїн, С.С. Голик і ін Динамічні характеристики спектрів плазми, яка генерується на поверхні твердих і рідких мішеней при дії лазерним імпульсом складної форми. / / ЖПС. - 2003. - T. 70 .- № 4. - C. 531-535.
13. О.А. Букін, А.А. Ільїн, С.С. Голик та ін Використання багатоімпульсному порушення лазерної плазми для дослідження елементного складу конденсованих середовищ. / / Оптика атмосфери і океану. - 2003. - T. 16. - № 1.
14. Патина С.А. Вплив забруднення на біологічні ресурси і продуктивність світового океану / / Москва. Харчова промисловість. -1997.-304 с.
15. Астахов А.С., Поляков Д.М., Слінко Є.М. та ін Розподіл металів у донних опадах Японського моря (на прикладі профілю Владивосток Ніїгата) / / Тематичний випуск ДВНІГМІ № 3. - Владивосток. - Дальнаука. - 2000. - С. 150-165.