Газоанализ атмосферы лазерными источниками с непрерывной перестройкой частоты тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

^ л ^

Г4- Ч •

московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра общей, физики и волновых процессов

На правах рукописи УДК 535.21:539.211

РАЗУМИХИНА ТАТЬЯНА БОРИСОВНА

ГАЗОАНАЛИЗ АТМОСФЕРЫ ЛАЗЕРНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ С НЕПРЕРЫВНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1993

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Научнее руководители: кандидат физико-математических наук,

доцент СОЛОМАТИН B.C.

кандидат физико-математических наук, . " зав. сектором ХОЛОДНЫХ А.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

■профессор ФАДЕЕВ В.В.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НИКОЛАЕВ А.Н.

Ведущая организация: Московский инженерно-физический институт

Защита состоится " " 199 J г. в /г часов

в конференц-зале корпуса нелинейной оптики на заседании специа-лицированного Ученого Совета отделения радиофизики в Московском государственном университете им. М.Б.Ломоносова, шифр К 053.05.21.

Адрес: 119899, Москва, ГСП, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, ученому секретарю специализированного Ученого Совета М1 отделения радиофизики..

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан _"_ 199. . г.

Ученый, секретарь ■ - ^

Специализированного Ученого Совета/.. ,' \ "'!■, отделения радиофизики, доцент, 1 ■ : ,

кандидат физико-математических наук V > / .- ■' ;

■• v \ , .Гомонова А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш С начала промышленной революции резко возросло использование ископаемых топлив, а такэе производство и применение различных химических веществ. В результате в атмосферу стали выбрасываться во все возрастающих количествах газообразные загрязняющие вещества, которые влияют на естественные физические и химические процессы в природа.

Из газообразных загрязнителей в настоящее время основной интерес представляют окислы азота (N0^) и углерода (СО и С02), двуокись серы (302), метан (СН4) и другие углеводороды, а такке продукты их реакций и продукты различных химических производств.

Необходимым условием для понимащш процессов загрязнения атмосферы является возможность чувствительного и избирательного детектирования многочисленных следовых компонент. Поэтому в последние десятилетия разработке методов и аппаратуры анализа газового состава атмосферы уделяется значительное внимание.

Наряду с традиционными методами локального газоанализа, такими как газовая хроматография, масс-спектрометрия, методами, основанные на химических и электрохимических эффектах, и 'другими, в последнее Бремя в связи с развитием лазерной техники стали активно развиваться оптические спектроскопические метода дистанционного зондирования атмосферы. ■

Одним из недостатков современного развития методов и аппаратуры лазерной диагностики атмосферы является то, что в большинстве случаев реализованные лазерные устройства из-за ограниченного набора частот зондирования позволяют одновременно измерять концентрации лишь одной-двух компонент атмосфера. Зго существенно ограничивает круг решаемых с их помощью экологических задач. Поэтому создание многофункциональных газоанализаторов на основе лазерных исто'шиков с непрерывной перестройкой частоты, способных дистанционно и оперативно определять концентрации различных малых газовых составляющих атмосферы на фоновом уровне и концентрации загрязняющих примесей атмосферы на уровне (или лучше) предельно допустимых концентраций (0,1 4 5 ррт) является весьма актуальной проблемой.

.Основная цель диссертационной работы - теоретическое и экспериментальное исследование проблем, возникающих, в задачах дистанционной лазерной диагностики многокомпонентных газовых загрязнителей атмосферы методом абсорбционной ИК спектроскопии с помощью лазерных источников с непрерывной перестройкой частоты.

Конкретные задачи, поставленные и решенные в диссертации: ■

1. Разработка алгоритмов и анализ ошибок определения концентрации газовых компонент атмосферы из данных лазерного зондирования с учетом конечной спектральной ширины линии зондирующего излучения;

2. Оптимизация спектральных параметров зондирующего излучения для диагностики ряда приоритетных загрязнителей атмосферы;

3. Разработка и исследование характеристик газоанализатора на основе нелинейно-оптических преобразователей частоты, непрерывно перестраиваемого в 3-х микронной области спектра;

4. Создание экспериментального и уточнение существующего рассчетного атласа спектроскопических данных поглощения ряда компонент и загрязняющих примесей атмосферы;

Б. Проведение натурных экспериментов по зондированию атмосферы. Использование разработанных алгоритмов для обработки результатов зондирования.

Научная новизна:

1. Разработан конкретный алгоритм анализа многокомпонентных газовых смесей с перекрыЕакздмися полосами поглощения, ос-, нованный на' сравнении экспериментально измеренных и рассчитанных коэффициентов пропускания смеси на выбранных частотах зондирования при учете конечноГ: спектральной ширины линии зонда-' рующего излучения.

2. Определены критерии и проведен выбор оптимальных длин волн зондирования ряда компонент атмосферы с целью получения максимальной точности определения концентраций из данных лазерного зондирования.

3. На основе экспериментально измеренных спектров пропускания атмосферы уточнены интенсивности ряда линий поглощения молекул воды в области 0,9 + 1,0 мкм и в области 2,5 +' 4,5 мкм.

4. Получено приближенное'аналитическое выражение, описыва-

ощее зависимость пропускания от концентрации поглоцавдей примени в случав зондирования атмосферы излучением конечной спектральной ширины, и позволяющее проводить оперативную обработку эезультатов зондирования.

5. Получена аналитическая модель для коэффициента обратного рассеяния атмосферного аэрозоля, позволяющая в совокупности з аналитическим выражением для коэффициента объемного ослабления учесть зависимость лидарного отношения от параметров аэрозоля и, таким образом, существенно повысить точность оярэде^ё-тия микрофизических параметров аэрозоля.

Практическая ценность проведенных исследований заключается з том, что

1. Для метода лазерной абсорбционной спектроскопии в 3-х дасронном окна прозрачности атмосферы при использовании перестраиваемого по частоте излучения с коночной шириной линии оптимизированы и конкретизированы:

а) частоты зондирующего излучения для диагностики ряда газовых составляющих атмосфера (Н20, СНД, Н2С0, С02, Н20, N0,, 50г, НС1, НВг, С3Н8, Ш3, С^К,, ацетон, толуол, ксилол),

б) пределы обнаружения указанных газов,

в) необходимые спектральные и мо'дностные характеристики лазерной аппаратуры зондирования.

2. Разработан пакет программ для оперативной обработки результатов дистанционного зондирования молекулярных составляющее атмосферы.

3. В качестве источников зондирующего излучения лазерного спектрометра исследованы характеристики различных источников, юпрерывно перестраиваемых по частоте в Ж области спектра: таранетрического генератора света на кристалле ВагПа№5015, лазера на кристалле ЫГ с Т* центрами окраски и генератора раз-зостной частоты на кристалле КТР, Определены области их эффек-гивного использования для диагностики атмосферы.

4. Экспериментально показано, что кристалл КТР может быть эффективно использован не только в качестве удвоителя частоты эсновного излучения АИГ лазера, но и в качестве генератора раз-зостной частоты для получения излучения трехмикронного диапазо-

на и в качестве генератора суммарной частоты для преобразования ИК излучения в видимую. область спектра. Определены константы уравнений Селмейера для вычисления показателей преломления кристалла КТР во всей области его прозрачности 0,35 * 4,5 мкм и рассчитаны угловые перестроечные характеристики для различных типов трехчастотных взаимодействий.

5. При активном участии автора настоящей диссертации разработан и. создан макет лазерного трассового газоанализатора атмосферы на основе импульсного лазера на АИГ, лазера на красителе и нелинейно-оптических преобразователей частоты на кристалле КТР.

6. Рядом модельных и натурных испытаний в реальной атмосфере подтверждена возможность эффективного использования разработанного газоанализатора для диагностики атмосферы.

Защищаемые положения:

1. Метод лазерной абсорбционной спектроскопии при использовании непрерывно перестраиваемого по частоте излучения с шириной линии 0,1 см-1 позволяет определять концентрации ряда газовых составляющих атмосферы (Н20, СН4, Н2С0, С02, N20, Ш2, HCl, НВг, С3На, NH3, CgHg. ацетон,, толуол, ксилол) на километровых трассах на уровно предельно допустимых концентраций (или лучше).

2. Разработанный алгоритм анализа многокомпонентных газовых смесей лазерными источниками с непрерывной перестройкой частоты позволяет проводить оперативное зондирование' и определять концентрации исследуемых газов непосредственно в процессе диагностики в режиме реального времени.

3. Разработаный и созданный макет лазерного трассового газоанализатора атмосферы на основе импульсного лазера на АИГ, лазера на красителе и нелинейно-оптических преобразователей частоты, плавно перестраиваемого по частоте в ближней и средней ИК областях спектра, можно эффективно использовать для газоанализа атмосферы.

4. Измерение спектров пропускания атмосферы с помощью разработанного . газоанализатора позволило получить новую спектроскопическую информацию об интенсивностях ряда линий поглощения

водяного пар8 в полосах у1, v3 и в области составных колебаний.

5. Использование аналитических моделей для коэффициентов обратного рассеяния и объемного ослабления атмосферного аэрозоля позволяет оперативно определять его микрофязическпв параметры по данным многочастотного зондирования.

Апробация работы и публикации Результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на XII Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1985), Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1987), XIII Мэзду- ' народной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Минск, 1983), XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991), 4-й Международной конференции "Лазеры в науках о жизни" (Финляндия, 1992), семинаре Московского инженерно-физического института, семинаре Института глобального климата и экологии Росгидромета РАН (Москва), семинаре кафедры ОФ и ВП МГУ им. М.В.Ломоносова.

Основные результаты диссертации изложены в 20 публикациях, список которых приводен в конце автореферата.

Личный вклад соискателя Результаты, представленные в диссертации, получены лично соискателем или в соавторстве при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений и списка литературы, содержание диссертации из-локено на 120 страницах машинописного текста и иллюстрировано 45 рисунками. Список литературы включает '128 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность теш диссертации, сформулирована основная цель диссертации, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Глава 1. В глаЕе проанализировано современное состояние методов и аппаратуры лазерного дистанционного обнаружения газо-

вых примесей в атмосфере. Проанализированы различные спектроскопические методы определения концентраций малых газовых компонент атмосферы. Сформулировано отличие поставленной и решенной в диссертации задачи многокомпонентного газоанализа атмосферы от задач, рассмотренных другими авторами.

§1.1 посвящен выбору спектрального диапазона зондирования и источника зондирующего излучения. В результате анализа литературных данных показано, что

а) Одним из перспективных диапазонов зондирования является'3-х микронное окно прозрачности атмосферы;

б) Наиболее подходящие источники зондирующего излучения - параметрический генератор света или генератор разностной частоты.

§ 1.2 посвящен выбору ширины линии зондирующего излучения Приведены результаты предварительных исследований по зондированию атмосферы лидаром на основе параметрического генератора света (ПГС) и лазера на Ш с Р* центрами окраски. Показано, что ПГС на кристалле Ва2На№э5015 с широкой линией генерации (~2 см-1) обладает достаточной мощностью для работы на длинных трассах, но недостаточной чувствительностью для диагностики малых газовых компонент атмосферы; лазер на ЫР:?*, обладающий хорошим спектральным разрешением (~0,08 см-1), обеспечивает высокую концентрационную чувствительность. Ограничение спектрального разрешения на уровне 0,1 + 0,2 см~1 ширины линии поглощения газов при атмосферном давлении) является разумным, компромисом в проблеме получения достаточно мощного, перестраиваемое по частоте в широких пределах зондирующего излучения и обеспечения достаточно высокой точности определения концентраций малых газовых компонент атмосферы.

В § 1.3 конкретизированы цель и задачи диссертационной работы, кратко изложено содержание диссертации.

Глава II посвящена обсуждению особенностей диагностики атмосферы излучением произвольной (конечной) спектральной ширины. В главе предлагается оперативный метод анализа многокомпонентных газовых смесей, основанный на методе дифференциального поглощения и учитывающий указанные особенности. Пре'длагаемый метод позволяет проводить обработку результатов зондирования

непосредственно в процессе диагностики в режиме реального времени. Рассмотрена метода решения обратной задачи лазерного зондирования, проанализированы ошибки определения концентрации, определены оптимальные условия проведения диагностики.

В § 2.1 конкретизирован вид функции пропускания для излучения конечной спектральной сирины. Обоснована необходимость учета спектральной формы контура линии поглощения и линии зондирующего излучения.

В § 2.2 конкретизирован метод дпЗфэрзнцисльного поглощения для определения концентрации одной из газовых компонент атмосферы при зондировании излучением конечной спектральной сирины. Определены критерии выбора частот зондирования Уеп и , при выполнении которых на выбранных частотах мояно не учитывать вклад поглощения "мешающих" компонент атмосферы.

•В § 2.3 рассматривается случай зондирования атмосферы монохроматическим излучением. Оценены ошибки определения концентрации из данных лазерного зондирования а зависимости от ошибок измерений и уровня пропускания на шбраняой частоте зондирования. Определены условия минимизации указанных ошибок.

В § 2.4 получено приближенное аналитическое гурэкеште, описыващео зависимость пропускания от концентрации поглощающей примеси в случае зондирования излучением конечной спектральной ширина (см. таблицу 1). С помощью полученного выражения по экспериментальна измеренному значении пропускания и рассчитанным значениям озК(1>о[[, у) и Ь(уоп, уоП, у) оперативно вычисляется концентрация исследуемого газа. Аналогично § 2.3 оценз-ны ошибки определения концентрации и сформулированы критерии выбора оптимальных частот зондирования гог) и гвС( с целью максимального повышения точности определения концентрации.

§ 2.5 посвящен разработке методики анализа многокомпонентных газовых смесей, одновременно учитывающей перекрытие полос поглощения различных газов смеси и форму линии зовдирувого излучения. Описан конкретный алгоритм обработки экспериментальных данных многочастотного лазерного 'зондирования, основанный на решении системы нелинейных неоднородных уравнений. Приведены результаты численных экспериментов по анализу двух- и трехком-

Таблица 1. Параметры аппроксимирующей функции и Ь(уп„ vыt. 7)» сумма квадратов отклонений Ф(2Ш) аппроксш

Л1 •• IV ' ~

рованного значения 1^(21®) от точного Т Ч(2Ш)

газ оп' оГ Г СМ-1 Ь Ф(рк)

2879,71 2880,80 7,0035-Ю-23 0,6132 0,16270

н2о 2911,90 2913,50 8,7254-10"23 0,5236 0,01600

3087,18 3089,00 1,5558 И О-21 0,5591 0,13040

Н2С0 2797,96 2792,72 2943,18 2944,40 4,9121 -10"19 4,9419-Ю""20 0,8379 0,7731 0,01907 0,07128

сн* 2948,47 2946,90 3086,03 3084,60 1,7466-10"19 6,3699-10"19 0,5684 0,6190 0,05073 0,20740

С02 2388,00 2398,00 _Ъ 4 4,8077-10 0,7632 0,06314

НС1 2821,57 2825,00 3,9152- Ю-19 0,7121 0,20740

N¿,0 2577,28 2563,40 1,9330-10"20 0,9057 0,00226

мо2 2889,31 2906,60 2915,08 2906,60 3,9111-Ю-20 6,2829- Ю-20 0,9005 0,9938 0,01352 0,00198

аентных газовых смесей. Рассчитана точность восстановления нцвнтрации в зависимости от ошибок измерений. Определены пути вшизации ошибок восстановления концентрации.

Глава III посвящена выбору оптимальных частот зондирования оценке минимально обнаруявкой концентрат® ряда газовых ком-нент атмосферы.

В § 3.1 определены физические принципы выбора оптимальных стот зондирования для достижения наибольшей концентрационной вствитолькости при диагностике малых газовых компонент stmö-еры. На основе критериев, определенных в гласе II, внбранн :ткмалыше частоты зондирования в случае диагностики атмосферы лучением конечной спектральной ширины (см. таблицу 2).

В § 3.2 оценены минимально детектируемые концентрации ряда мпонент и загрязняющих примесей атмосферы (Н20, СН4, Н2СО, )2, н20, Н02, S02, HCl, НВг.НР, С3Н8, шз, ОД,, ацетон, толу-I, ксилол). Оценка произведена, исходя из характерной величины )томотрическои чувствительности, достигаемой при использовании шульспых источником зондирующего излучения.

В § 3.3 приведены оценки энергетических характеристик ла-фного излучателя для различных реюшов работы газоанализато-i: I) о зеркальным отражателем, 2) с топографическим отраяате-jm, 3) при рассеянии на атмосферном аэрозоле, полученные в редполоконии использования охлаадаемых твердотельных Ж фото-этекторов. Приведены оценки чувствительности регистрации сиг-эла обратного рассеяния в случав нелинейно-оптического преоб-ззования частоты ИК излучения в видимую область спектра.

Глава IV посвящена разработке и созданию лазерного трассо-эго газоанализатора атмосферы. Газоанализатор представляет эбой двухканальный лазерный абсорбционный ИК спектрометр, в этором один канал является калибровочным, а другой измеритель-ым. Калибровочный канал образован кюветой с известной смесью азов, а измерительный - атмосферой, находящейся между излуча-елем и выносным отражателем. Отражатель может быть как искуст-енным: зеркало, экран, уголковый отражатель, так и естествен-ым (топографическим): стены зданий, складки местности и т.п.

В § 4.1 на примере параметрического генератора света, л<--

Таблица 2. Относительное содержание в атмосфера (фон), ЦЦК (среднесуточная), расчетные пороги чувствительности на трассе зондирования 1 км при детектируемом уровне поглощения 10%, оптимальные частоты зондирования лидарного комплекса.

газ фон, ррт пдк, ррт т vo„. Vf см-1

н2о (0,3 + 3)-104 3-ю2 2911,90 2913,50 2879,71 2880,80 3087,18 3089,00

с0£ (3 + 5)•1о2 6.102 3-101 2388,00 2398,00

(1.4 + 1,6) 7.101 2,0-ю"2 1,5-10"1 3086,00 3084,60 2948,00 2946,90

н2с0 <10_3 2.6-1сг2 9-ю"3 7 • 10-2 2797,96 2792,72 2943,18 2944,40

со (0,06 + 1) 4 7-ю"2 2172,76' 2171,00

n2o 0,5 4,1 -10"1 2577,28 2563,40

no2 ■ (0,05+2)-ю"2 4 • 10"2 7-10"3 2889,31 2906,60 2915,08 2906,60

s02 10"3+10"1 1,5-ю-1 2 2512,22 2501,00

hcl 1,2-10~1 3-ю"2 2821,57 2825,00

нвг 2.8.10"1 1,5-10"1 2621,00 2628,00

hp 2,2 'ю-2 2 • 10-2 4174,00 4170,00

с2н2 (1+2).10"4 1,3 2-ю"1 3313,00

C3H8 10"3 9-10"1 2967,00

nh3 ю-2 • 2,6-ю-1 9•1о"2 3336,00

ацетон 1,3«10"1 28 2971,59

толуол 1.4.10"1 3,9-ю"1 3027,00

ксилол 4•10-3 1 2937,00

зера на кристалле 11Р с центрами окраски и генератора разностной частоты проанализированы различные способы перестройки частоты излучения. Исследованы также пути повышения дифракционной эффективности решетки в лазере на ЫРгР* и в лазере на красителе (установка решетки в скользящем падении, использование признанных телескопов).

§ 4.2 посвящен выбору нелинейного кристалла, наиболее перспективного для использования в генераторе разностной частоты как источнике зондирующего излучения. Проведен анализ нелинейно-оптических свойств кристаллов ниобата лития ЬШЮ3, нио-бата калия Ш03, ниобата бария- натрия Ва^аШ^О^ (БНН), ио-дата лития И103 и калий-титанил- фосфата К110Р05 (КТР), используемых для генерации разностной частоты в 3-х микронной области спектра.

В § 4.3 исследован процесс генерации разностной частоты в кристалле КТР. Найдены пути повышения эффективности преобразования, заключающиеся в тщательном выборе параметров взаимодействующих излучений:

- интенсивность накачки - не менее 250+300 ЫВт/см2,

- установка кристалла КТР в перетяжке взаимодействующих излучений, диаметр которой - не менее 0,5 мм,

- относительная интенсивность взаимодействующих излучений - не менее 20:1.

§ 4.4 посвящен описанию лазерного ИК спектрометра трехмикронного диапазона с. разрешением 0,1 см"1.

В разделе 4.4.1 приведено описание оптической части ИК спектрометра. В основу построения излучателя положен принцип последовательного преобразования частоты опорного АИГ лазера в нелинейно-оптических кристаллах и лазере на красителе. Источником перестраиваемого ИК излучения является генератор разностной частоты на кристалле КТР, в котором происходит смешение излучений ЛОКа и второй гармоники излучения АИГа. Здесь также приведены основные технические характеристики ИК спектрометра: » энергия ИК излучения 0.1 мДж

» диапазон перестройки 2.7-4.5 мкм

* спектральное разрешение 0.2 см"1

» шаг сканирования частоты 0.04 см"1

* длительность импульса 15 не

* оптическая плотность 2.5 « длина трассы зондирования

с топографическим отражателем до 1-2 км

с уголковым отражателем до 10 км

* чувствительность 0,1-1,0 ррт

* измеряемые газы N20, Н0г, S02, С02, HCl, HBr, HP, Н2С0,

Н20, CH4, NH3, H2S, другие молекулы, содержащие ОН, ОН группы. В разделе 4.4.2 приведено описание системы автоматизации ИК спектрометра, обеспечивающей выполнение следующих функций:

- измерение мощностей излучений и ввод информации в ЭВМ;

- синхронная перестройка длин волн ЛОКа и генератора разностной частоты;

- управление работой блоков питания АИГ-лазера и АИГ-усилителя.

Глава V посвящена использованию описанного выше газоанализатора в качестве лабораторного ИК спектрометра и в качестве трассового газоанализатора.

В § 5.1 описана методика проведения экспериментов и предварительной обработки результатов зондирования. Показано, как осуществляются относительная и абсолютная призязки частоты.

§ 5.2 посвящен определению спектральной форглы линии зондирующего излучения. Описаны проведенные эксперименты и соответствующие расчеты. Показано, что форма линии является лорен-цевской с шириной 0,1 см"1 (см. рис.1).

В § 5.3 приведены результаты лабораторных исследований спектров пропускания различных газов.

В разделе 5.3.1 на основе полученных спектров пропускания уточнены спектроскопические данные ряда линий поглощения молекулы воды в области 0,9 + 1,0 мкм и в области 2,5 + '4,5 мкм (см. таблицу 3).

Раздел 5.3.2 посвящен созданию экспериментального банка данных поглощения ряда приоритетных загрязнителей атмосферы, отсутствующи в банке спектроскопических данных GEISA. Приведены оценки порогов чувствительности газоанализатора для детекти-

Рис.1. Спектр пропускания метана в кювете длиной 1 м ' при давлении 30 торр (точки) и соответствующие расчетные спектры: 1 - в предположении Лорен-цевой и 2 — в предположении Гауссовой формы^ линии зондирующего излучения для У =0,1 см

Таблица 3. Спектроскопические данные ряда линий поглощения молекулы воды, приведенные в двух версиях атласа спектроскопических данных и полученные в результате эксперимента.

Интегральная интенсивность линий поглощения

v, см-1 согласно

[1 ] эксперимент [2]

3596,24 1,17-10"22 3,96-10'21 4,94-Ю"21

3626,21 2,43-Ю"22 1,20-10"20 9,29-Ю-21

10438,79 3,73-10~24 1,37-10-23 3,73-Ю-24

10440,24 1,30-Ю-24 6,70- Ю-24 1,30-10"24

10509,44 нет 2,01 • Ю-23 нет

10517,36 1,31-10-24 9,20.10"23 1,31-10~24

10532,37 7,37-10~25 5,32-10"23 7,37-10~25.

10531,25 6,03-Ю"24 8,10-Ю"23 6,03-10"24

[1] Clatchey R.A.Mc., Benedict ïï.C.,Clough S.A.

Atmospheric Abserptlon line Parameters Compilation. A.P.C.R.L.-TR-73-0096, 1973. 12) -Chedin A., Hus3on N. The GEISA data bank 1S34 version, laboratolr de Meteorologie Dynamique du C.N.R.S., 1986.

рования указанных загрязнителей.

В § 5.4 описан модельный эксперимент по зондированию водяного пара и метана на трассе 120 м (туда и обратно) рис.2. Проиллюстрированы две методики определения концентраций Н20 и СН4:

1) по неперекрывающимся линиям поглощения В20 и СН4, используя приближенное аналитическое выражение (см.§ 2.4);

2) в результате анализа двухкомпонентной газовой смеси (см.§ 2.5).

В § 5.5 приведены результаты натурных экспериментов по трассовому газоанализу атмосферы в морской экспедиции (длина трассы 110 м) - определялась концентрация водяного пара и метана, в аэропорту Внуково г.Москвы (длина трассы 70 м) - зондировались выхлопные газы самолетов и на заводе синтетического каучука в г. Воронеже (длина трассы 1 км) - исследовались превышения ВДК по наличию паров органических растворителей в атмосфере завода. .

Приложение 1 посвящено разработке аналитической модели • полидисперсного коэффициента обратного рассеяния для задач лазерной диагностики атмосферного аэрозоля.

В приложении 2 исследованы нелинейно-оптические свойства кристалла КТР. Найдены коэффициенты Селмейера для вычисления показателей преломления кристалла КТР в области его прозрачности 0,35 + 4,5 мкм. .Проведено сравнение предлагаемых коэффициентов с коэффициентами, полученными другими авторами. Рассчитаны угловые перестроечные характеристики для различных типов трех> частотных взаимодействий и проведена их экспериментальная проверка.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Для метода лазерной абсорбционной спектроскопии в 3-х микронном окне прозрачности атмосферы при использовании перестраиваемого по частоте излучения с конечной шириной линии оптимизированы и конкретизированы:

а) частоты зондирующего излучения для диагностики ряда газовых составляющих атмосферы (Н О, СН , Н,С0, СО-, N_0, N03,

^ ¿ w С С.

Рис.2. Фрагмент спектра пропускания атмосферы на трассе 120 м: точки - эксперимент (Москва, Ленинские горы, сентябрь 1991 г.); сплошная кривая - расчет (концентрация Н20 - 9300 ррт, СЕЦ - 2,5 ррт). Стрелочками показаны линии поглощения метана.

S02, HCl, gBi\ C3HQl NH3, CgHg. ацетон, толуол, ксилол),

(3) пределы обнаружения указашшх газов (см. таблицу 2),

в) необходимые спектральные и моцностные характеристики лазерной аппаратуры зондирования.

2. Отработана метода®а и разработаны алгоритмы дистанционной диагностики молекулярных составляющих атмосферы источниками с непрерывной перестройкой частоты. Разработан пакет программ для оперативной обработки результатов зондирования.

3. В качестве источников зондирующего излучения лазерного спектрометра исследованы характеристики различных источников с непрерывной перестройкой частоты в ИК области спектра: параметрического генератора света, лазера на кристалле L1P с F* центрами окраски.и генератора разностной частоты. Определены области их эффективного использования для диагностики атмосферы.

4. Определены константы уравнений Селмейера для вычисления показателей преломления кристалла КТР во всей области его прозрачности 0,35 + 4,5 мкм. Рассчитаны угловые перестроечные характеристики для различных типов трехчастотных взаимодействий и проведена их экспериментальная проверка.

5. Экспериментально исследованы спектры пропускания ряда атмосферных газов в области 0,9 + 1,0 мкм и в области 2,5 + 4,5 мкм. На основе полученных данных уточнена спектроскопическая информация об интенсивностях ряда линий поглощения молекул Н20 в указанных спектральных диапазонах (см. таблицу 3).

S. При активном участии автора настоящей диссертации разработан и создан макет лазерного . трассового газоанализатора атмосферы' с 3-мя типами излучателей, плавно перестраиваемых по частоте в ближней и средней ИК областях спектра. Возможность его эффективного использования для газоанализа атмосферы подтверждена рядом модельных и натурных испытаний в реальной атмосфере.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кузнецов В.И., Мигулин. A.B., Прялкин В.И., Разумихина Г.Б., Холодных А.И. "Использование параметрических генераторов

света в лидэрных исследованиях." В кн. Лазерные абсорбцкЭнные методы анализа микроконцентраций газов, М.: Энергоатомиздат, 1984, с.103-109.

2. Бойченко В.Л., Разуюшша Т.Б., Яковлев Д.В. "Диагностика атмосферного аэрозоля с помощью 4-х частотного лидера." IV-я научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов, Тезисы докладов, Нальчик, 1935, с.20.

3. Кузнецов В.И., Пикулев C.B., Разумихина Т.Б., Роадест-Бвнская В.И., Холодных А.И., Яковлев Д.В. "Измерение микропараметров атмосферного аэрозоля при четырехчастотном зондировании." XII-я Всесоюзная конференция по когерентной и нелинейной оптике, Тезисы докладов, ч. II, Москва, 1985, с.540-541.

4. Кузнецов В.И., Пикулев C.B., Разумихина Т.Б., Рождественская В.И., Холодных А.И., Яковлев Д.В. "Измерение шкропара-метров атмосферного аэрозоля при четырехчастотном зондировании." Известия АН СССР, Сер. физическая, 1986, т.50, » 11, с.2262-2267.

5. Кузнецов В.И., Мигулин A.B., Прялкин В.И., Разумихина Т.Б., Холодных А.И. "Измерение влажности ПГС-лидаром". ЖПС, 1986, Т.45, J63, с.468-473.

6. Бойченко В.Л., Куравлева Н.Г., Кузнецов В.И., Легович Ю.С., Назаров U.M., Разуюшша Т.Б., Рождественская В.И., Фрид- • ман Ш.Д., Холодные А.И. "Автоматизированный лидарный комплекс для контроля 83p030JffiHHX ЕЫбросов". ВДНХ СССР, Павильон "Гидрометеорология и контроль природной среды", Гидрометеоиздат 1986.

7. Бойченко В.Л., Разумихина Т.Б., Ровдественская В.И., Холодных А.И. "Аналитическая модель полидисперсного коэффициента обратного рассеяния для целей лазерного зондирования атмосферы". Вестник МГУ, серия 3. Физика. Астрономия. .1989, т.30, JÉ 1, с.67-70.

8. Бойченко В.Л., Разумихина Т.Б., Холодных А.И. "Детектирование ИК-сигналов обратного рассеяния с помощью нелинейно-оптического преобразования чзстоты". Труды Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, 1937, 4.II, с.276-279.

9. Дьяков В.А., Красников В.В., Прялкин В.И., Пшеничников

M.С., Разумихина Т.Б., Соломатин B.C., Холодных А.И. "Уравнение Селмейера и исследование перестроечных характеристик преобразователей частоты на кристалле КТР в области 0,4 + 4,0 мкм". ' Квантовая электроника, 1988, т.15, » 9, с. 1703-1704.

10. Мигулин A.B., Разумихина Т.Б. "Обобщение закона Бугера для описания пропускания лазерного излучения средой с нерегулярной структурой спектра поглощения в задачах лазерного зондирования". ЖПС, 1989, т.50, » 4, с.604-609.

11. Дьяков В.А., Красников В.В., Прялкин В.И., Пшеничников М.С., Разумихина Т.Б., Соломатин B.C., Холодных А.И. "Генерация суммарных и разностных частот в кристалле КТР". XIII-я Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике, Тезисы докладов, ч. II, Минск, 1988, с.167-168.

12. Красников В.В., Пшеничников М.С., Разумихина Т.Е., Соломатин B.C., Холодных А.И. "Лазерный автоматизированный ИК спектрометр трехмикронного диапазона". XIII-я Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике. Тезисы докладов, Ч. II, Минск, 1988, с.225-226.

13. Мигулин A.B., Разумихина Т.Б., Холодных А.И., Хулугу-ров В.М. "Лидар с излучателем на F* - центрах окраски для трассовой спектроскопии атмосферы в диапазоне 0,9 + 1,0 »лкм". Оптика атмосферы, 1988., т.1, JS12, с.36-41.

14. Курбатов A.B., Мигулин A.B., Разумихина Т.Б., Холодных к.И. "Трассовая спектроскопия атмосферы в диапазоне 0,9...1,0 «км". Сборник трудов ИПГ.

15. Красников В.В., Пшеничников М.С., Разумихина Т.В., Золоматин B.C., Холодных А.И. "Трассовый газоанализ атмосферы с юмощью лазерного ИК спектрометра трехмикронного диапазона с разрешением 0,1 см-1". Оптика атмосферы, 1990, т.З, » 4, с.436-143.

16. Ахманова М.В., Быков И.В., Должиков B.C., Дубовик V.H., Карпов B.C., Корбут М.В., Криворотов Г.С., Кузнецов В.А., 'азумихина Т.Е., Холодных А.И. "Лазерный трассовый газоанализа-;ор атмосферных загрязнений". XIV-я Международная конференция га когерентной и нелинейной оптике. Тезисы докладов, ч. III, ¡.-Петербург, 1991, с.44-45.

17. Красников В.В., Макаров А.А.«Пшеничников М.С., Рвз#я1-хина Т.Е., Соломатин B.C., Холодных А.И. "Лазерный трассовый газоанализатор атмосферных загрязнений". Изв. РАН, 1992, т.66, Я 12,'с.215-221..

18. Chugunov А. V., Kholodnykh A.I., Krasnikov V.V. Panchenko V.Ya., Pehenychnykov M.S., Razumikhlna Г.В., Solomatln V.S. "Mobile laser Long-path Gas Analyzer of the Atmosphere", Technical Digests of the "4th International Conference on Laser Applications In Life Sciences", Finland* September 1992, p.150.

19. Chugunov A.V., Kholodnykh A.I., Krasnikov V.V., NoYoderezhkln V.I., Panchenko V.Ya., Razumikhlna T.B., Solomatln V.S. "Multi-function laser gas analyzer". Will be published in SPIE (1993)

20. Chugunov A.V., Novoderezhkin V.I., Panchenko V.Ya., Razumikhlna T.B. "The analysis of expired lung air by laser spectroscopy method for diagnosis of diseases". Will be published in SPIE (1993)

21. Иванов С.В., Панченко В.Я., Разумихина Т.Е. "Лазерный газоанализ многокомпонентных смесей с перекрывающимися спектрами: теория и программа обработки экспериментальных данных". Оптика атмосферы, послана в печать в январе 1993 г..