Единый портал инновационной деятельности Самарской области
АНКЕТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Диодно-лазерная спектроскопия

полупроводниковые лазеры; внешний резонатор; молекулярная спектроскопия

Рубрикатор ВИНИТИ

291, Физика

Наименование базовой организации

Самарский филиал федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук
Количество организаций: 1

Научный руководитель

Чернышов Александр Константинович
кандидат физико-математических наук
доцент
Число монографий: 0
Число учебно-методических изданий: 1
Число научных работ в зарубежных издательствах: 2
Число статей в журналах ВАК: 47
Число патентов: 0

Диодно-лазерная спектроскопия

Критические технологии

  • Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения.
  • Технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

Длительность проведения исследования

3–5 лет

Аннотационное описание сущности

В настоящий момент развитие диодно-лазерной спектроскопии с модуляцией длины волны (WMS) в основном фокусируется на повышении быстродействия и расширении доступного спектрального диапазона. Известно, что главным преимуществом WMS спектроскопии является повышенная чувствительность, обусловленная переносом области регистрации с постоянного тока на высокие частоты и применением техники синхронного детектирования. При больших временах интеграции синхронный детектор способен зарегистрировать полезные сигналы в несколько раз ниже уровня шумов, что, однако накладывает ограничения на скорость сканирования лазерной частоты, т.е. быстродействие WMS-методики. С другой стороны, изучение быстропротекающих процессов в газовых смесях представляет большой практический интерес. В качестве примера здесь можно отметить исследование распространения ударных волн в газах, зондирование вертикальных слоев атмосферы, измерение температуры и давления в нестационарных газовых потоках.
Массовый выпуск диодных лазеров для волоконно-оптической связи и компьютерных информационных систем позволяет перейти к систематическому изучению высоковозбужденных колебательно-вращательных состояний молекул, которым, как правило, соответствуют слабые полосы поглощения, в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Интерес к исследованию высоковозбужденных состояний обусловлен, во-первых, возможностью более детального изучения влияния возбуждения на внутримолекулярную динамику. Во-вторых, в атмосферной оптике при расчете общего радиационного баланса даже слабые линии могут давать существенный эффект. Последняя задача привлекает в настоящий момент большое внимание, поскольку загрязнение атмосферы и глобальное потепление, вызванное парниковым эффектом, становятся все более значимыми социальными факторами.
Среди молекул, имеющих полосы поглощения в ближней ИК области спектра, с точки зрения понимания физических и химических процессов в атмосфере определенный интерес вызывают метан и пары воды. Молекулы СН4 и Н2О включены в цикл образования озона в атмосфере и относятся к группе парниковых газов (green-house gases), играющих важную роль в радиационном балансе поглощения солнечного излучения у поверхности Земли. Кроме того, постоянное увеличение атмосферного метана в течение последних десятилетий и его влияние на климат привлекает большое внимание специалистов.

Научная новизна исследования

В спектроскопических исследованиях часто возникает необходимость настроиться на наиболее интенсивную линию в спектре различных молекул. Настройка на сильную линию для молекул, у которых интенсивность линий в спектре монотонно изменяется, затруднений не вызывает. Наоборот, у молекул с нерегулярной структурой спектра (NH3, H2O, CH4) интенсивность линий изменяется хаотически, из-за чего настройка на сильную линию затруднена. Подобного рода задачи могут быть решены с помощью спектрометра с двумя режимами работы — быстродействующим (для настройки на линию) и чувствительным (для измерения минимальных концентраций). Новизна предлагаемого подхода заключается в том, что поскольку в быстродействующем режиме не требуется высокая чувствительность, синхронный детектор может быть заменен дифференцирующим усилителем. Последний, обладая большей полосой пропускания, будет обеспечивать более высокое быстродействие спектрометра. Дополнительным преимуществом предлагаемого метода является то, что непосредственно сам синхронный детектор может быть переведен в режим дифференцирующего усилителя.
Одной из новых, популярных методик анализа разнообразных сигналов является непрерывное вейвлет-преобразование. К настоящему моменту опубликован ряд работ, посвященных вейвлет-анализу сигналов зарегистрированных в спектрометре прямого абсорбционного поглощения. В проекте планируется расширить подобный подход на сигналы диодно-лазерного спектрометра с модуляцией длины волны. Предполагается, что это позволит упростить процедуру определения ширины и формы контура линии поглощения исследуемого газа.

Опубликованные результаты научного исследования

1.	Chernyshov A.K., Chernyshova Е.А. Diode-laser derivative spectroscopy without lock-in detection Physics of Wave Phenomena. - New York: Allerton Press, Inc., 2011. - 2: - стр. 89-92.
2.	Megenin A.V., Chernyshov A.K., Azyazov V.N. The calibration of the spectroscopic diode laser sensor for the water vapour diagnostics at output of singlet oxygen generator for COIL // Proceedings of SPIE, 2004, v. 5773, p. 7-11.
3.	Чернышов А.К., Чернышова Е.А. Применение непрерывного вейвлет-преобразования для идентификации формы спектральной линии Известия Самарского научного центра РАН. - Самара: СНЦ РАН, 2012. - 4: - стр. 227-231.
4.	Чернышова Е.А. Спектрометр с модуляцией длины волны на базе диодного лазера с инжекционным захватом. Известия Самарского научного центра РАН. - Самара: СНЦ РАН, 2010. - 4: - стр. 130-133.
5.	Чернышова Е.А. Влияние остаточной вариации интенсивности на характеристики диодно-лазерного спектрометра с модуляцией длины волны. Известия Самарского научного центра РАН. - Самара: СНЦ РАН, 2009. - 3: - стр. 61-65.

Сведения о наиболее близких исследованиях

Проблемы развития и совершенствования спектроскопических методов газоанализа актуальны и привлекают большое внимание исследователей. Это обусловлено тем, что газоанализ широко применяется как в фундаментальных исследованиях по лазерной физике, квантовой химии, оптике атмосферы, так и в разнообразных прикладных применениях, простирающихся от контроля состояния окружающей среды и неинвазивной диагностики заболеваний в медицине до управления промышленными процессами и контроля технического состояния автотранспорта. В качестве примера можно сослаться на следующие работы:
1.	Karpf A., Gottipaty N.R. Absorption and wavelength modulation spectroscopy of NO2 using a tunable, external cavity continuous wave quantum cascade laser // Appl. Opt. – 2009. V. 48 – P.408-413.
2.	Le Barbu T., Parvitte B., et. al. Diode laser spectroscopy of H2O and CO2 in the 1,877-?m region for the in situ monitoring of the Martian atmosphere // Appl. Phys. B. - 2006. V.82 - P.133-140.
3.	Монин А.С., Шишков Ю.А. Климат как проблема физики // УФН- 2000. № 10 - С. 419-445.

Планируемые результаты и практическая значимость

В ходе выполнения проекта будет создан комплекс лабораторного оборудования для диодно-лазерной спектроскопии с модуляцией длины волны. Результаты работы могут быть использованы при создании приборов для мониторинга атмосферы, медицинской диагностики по составу выдыхаемого воздуха, управления технологическими процессами в промышленности, контроля целостности городских газопроводов. Кроме того, если для молекулы заранее известны параметры контура линии поглощения, то спектрометр может быть использован для исследования модуляционных характеристик диодных лазеров.

Форма передачи и организация внедрения результатов исследования


										

Финансирование работ со стороны федеральных целевых программ

Нет

Финансирование работ в рамках Постановление Правительства России от 9 апреля 2010 г. N 218

Нет

Финансирование работ в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований

Наименование гранта: 12-02-31900 мол_а «Диодный лазер с коротким внешним резонатором для модуляционной спектроскопии»

Год начала исполнения: 2012

Год окончания исполнения: 2013

Объем финансирования: 350000

Степень участия: головной исполнитель

Финансирование работ по контрактам, договорам, грантам, не указанных (ФЦП, 218, РФФИ)

Нет

Связи по совместному развитию

Лаборатория «Оптических стандартов частоты» ФИАН г. Москва

Потребности по привлечению компетенций

Нет

Общее кол-во научных работников

2

Количество научных работников имеющих степень доктора наук

0

Количество научных работников имеющих степень кандидата наук

1

Общее количество вспомогательного и обслуживающего персонала

1

Наименование темы и номер гранта ведущей научной школы РФ

Нет

Потребность в научных работниках в ближайшие 3 года и их специализация

Нет

Потребность во вспомогательном и обслуживающем персонале в ближайшие 3 года

0

Общее количество единиц научного и лабораторного оборудования, используемого в исследовании

10

Наиболее значимое научное и лабораторное оборудование

Для выполнения проекта в лаборатории имеется следующее оборудование: 
диодные лазеры Roithner Lasertechnik,
вакуумное оборудование Вакууммаш,
синхронный детектор Unipan.

Количество средств вычислительной техники

3

Потребность в научном и лабораторном оборудовании с учетом прогноза развития исследования в ближайшие 3 года и плановой замены имеющегося оборудования

Спектроскопические газовые ячейки Simex;
Измеритель энергии и мощности FieldMate;
Зеркала Vicon-Standa;
Диодные лазеры Thorlabs

Текущая потребность в средствах вычислительной техники

Нет

Используемое специализированное лицензионное программное обеспечение

Текущая потребность в специализированном лицензионном программном обеспечении

Оценочная стоимость необходимого научного и лабораторного оборудования, средств вычислительной техники и программного обеспечения

500 000