Трехканальный детектор на основе РОС гетеролазеров InGaAs для мониторинга тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Наместников Дмитрий Юрьевич

ТРЕХКАНАЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР НА ОСНОВЕ РОС ГЕТЕРОЛАЗЕРОВ ТПСзАБ ДЛЯ МОНИТОРИНГА

Специальности 01 04 10 - "Физика полупроводников" 05 11 07 -' Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 200^ г

003070936

Работа выполнена на кафедре «Полупроводниковая электроника» Московского энергетического института (технического университета)

Научные Доктор физико-математических наук, лауреат Гос премии, руководители: профессор Бритов Александр Дмитриевич

Доктор технических наук, профессор Мирошникова Ирина Николаевна

Официальные Доктор технических наук, лауреат Ленинской премии, оппоненты: профессор Креопалов Владислав Иванович

Доктор физико-математических наук, профессор Яковлев Юрии Павлович

Ведущая АО зт «Новая лазерная техника (НОЛАТЕХ)» (г Москва)

организация

Защита диссертации состоится «24» мая 2007 г в аудитории К-102 в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157 Об при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу г Москва, ул Красноказарменная, д 14

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу 111250, г Москва, ул Красноказарменная, д 14, Ученый совет МЭИ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан <<_» апреля 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 3 57 06

д т к , профессор Мирошникова И Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Дистанционное обнаружение следовых концентраций различных газовых примесей в атмосфере является актуальной задачей научного и прикладного приборостроения Актуальность создания многоканального детектора (тес возможностью обнаружения нескольких газовых примесей одновременно - «Электронного носа», разработке которого посвящено ряд работ кафедры Полупроводниковая электроника) обосновывается задачами, когда решение принимается по совпадению сразу нескольких характерных признаков В частности для данной работы были выбраны три молекулярных обтекта - бномаркера химического поля человека СОг, СН4 и 1\тНз, как наиболее универсальные из продуктов жизнедеятельности человека Эти молекулярные объекты так же являются продуктами распада целого ряда взрывчатых вешеств относящиеся к аммиачно-селитренным взрывчатым веществам Они могут быть идентификаторами некоторых ядовитых веществ и наркотиков

В данной работе, выполненной на кафедре «Полупроводниковая электроника» Московского энергетического института (ТУ) совместно с отделом диодной лазерной спектроскопии Центра естественно-научных исследований института общей физики им А М Прохорова Российской академии наук (ОДЛС ЦЕНИ ИОФ РАН) представлен лазерно-спектроскопический метод, основанный на перестраиваемых по частоте полупроводниковых гетеролазерах, получивший название диоцная лазерная спектроскопия (ДЛС) В нашей стране первые молекулярные спектры высокого разрешения были получены практически одновременно тремя научными коллективами ИОФ РАН, НИИПФ и ИСРАН [1] но приборов, способных регистрировать одновременно несколько молекулярных объектов, созданных на гетеролазерах ближнего ИК диапазона нам не известно

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИИ состояла в разработке опытного образца оптико-электронной системы (ОЭС) для одновременной дистанционной регистрации спедовых количеств нескольких молекулярных объектов, позволяющей оценить качественные и количественные характеристики объектов

Для осуществления работы необходимо решить несколько задач 1 Выбрать оптимальную спектральную область аналитических линий поглощения искомых газов

2 Выбрать оптимальные лазеры и фотоприемники для использования в измерительной системе

3 Разработать программное обеспечение дчя управления системой с подавлением собственных механических шумов, а также для тестирования устройств, входящих в систему

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Как уже было сказано были выбраны три мочекулярных объекта -биомаркера химического поля человека СО2, СН4 и NH3

Для достижения поставленной задачи

» проведен детальный анализ спектров поглощения для данных газов с учетом пропускания атмосферы и выбраны рабочие линии поглощения для газов-биомаркеров,

• проведены комплексные исследования перестраиваемых одночастотных гетеролазеров с распределенной обратной связью (РОС) с волоконным выводом излучения, включающие исследование особенностей частотной перестройки и шумов излучения гетеролазеров,

• проведены исследования и найдено решение по устранению интерференционных помех в оптическом тракте ОЭС путем добавления в ток накачки гетеролазера нормальной шумовой составляющей,

• исследована структура ближнего поля излучения гетеролазера, которая определяет структуру дальнего поля рассеиваемого диффузным огражателем и определяет спекл-шум,

• исследованы характеристики фотоприемников, которые могут быть использованы в системе включая их спектральные, шумовые и пороговые характеристики,

• исследованы характеристики ОЭС, вкчючающей телескоп МСТ 180/1800 с оптической схемой Максутова-Кассегрена для сбора отраженного от топографического отражателя сигнала и электронного тракта обработки информации,

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

1 Впервые показана возможность одновременного обнаружения трех различных газов ОЭС на базе полупроводниковых лазеров к фотоприемников, позволяющей получить чувствительность на уровне 300 ppb для СН4, 500 ppb для NH3 и 30 ррт для С02 на трассе до 100 м в атмосфере

2 Проведены комплексные исследования перестраиваемых одночастотных РОС гетеролазеров на основе 1пСаАз с волоконным выводом излучения и характеристик полупроводниковых квантовых фотоприемников ближнего ИК-диапазона, применяемых для обнаружения следовых количеств газов, позволившие выйти на уровень чувствительности порядка 107 ррт

3 Исследованы зависимости ширины запрещенной зоны РОС гетеролазеров ближнего ИК - диапазона от температуры лазерного кристалла и тока накачки гетеролазера

4 Впервые показано, что введение дополнительной модуляции в трапециевидный сканирующий импульс генерации гетеролазера и применение корреляционных методов обработки сигнала позволяет значительно повысить устойчивость системы к механическим воздействиям и вести регистрацию линий поглощения на первой гармонике

5 Впервые реализованная система частотной стабилизации гетеролазера с двумя контурами обратной связи, обеспечивающая стабильность температуры на уровне 105 °С, позволила производить стабилизацию частоты РОС гетеролазера как по температуре, так и по реперной линии П01 лоашния

6 Добавление в ток питания РОС гетеролазера высокочастотного нормального шума с полосой генерации 30 МГц впервые позволило эффективно сбивать интерференцию в оптическом тракте и повысить чу! ствительность системы более чем на порядок, что обеспечивает чувствительность на уровне 0,1 ррт

7 Из исследований структуры ближнего поля излучения гетеролазера отмечено, что тонкая структура топографического отражателя не оказывает заметного влияния на характеристики регистрируемого сигнала, которые определяются статистическими свойствами рассеивающей поверхности

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в следующем

1 Впервые разработан и успешно испытан образец трехканалыюго детектора следов газов в атмосфере на основе трех РОС гетеролазеров ЖЗаАь с волоконными выводами излучения и телескопа МСТ 180/1800 для одновременного мониторинга трех газовых примесей с высокой чувствительностью и дальностью обнаружения, адекватной для применения в вертолетном варианте базирования

2 По ходу работы создано семейство одноканальных детекторов следов газов для работы с различными газами и в различных условиях

3 Написаны программы для исследования характеристик гетеролазеров, фотоприемников и оптико-электронных характеристик системы в целом в среде графического программирования Lab VIEW 7 1

ОБОСНОВАННОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ основывается на практической реализации и проведенном комплексном анализе полеченных результатов

ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

подтверждается непротиворечивостью полученных результатов публикациям других авторов, а также сопоставлением экспериментальных данных с теоретическими расчетами

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

Результаты исследований в виде программ, инженерных моделей, технических решений, методик испытаний и др используются в ЦЕНИ ИОФ РАН им А М Прохорова (г Москва), ИМФ РНЦ «Курчатовский институт», ФГУП «Hi И i Салют» (г Н-Новгород), Институте оптики атмосферы СО РАН (г Томск)

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на II, III, V, VI Общероссийских семинарах по диодной лазерной спектроскопии (ДЛС) (Москва, 2004, 2005, 2006 гг), Международных научно-методических семинарах «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва 2004, 2005 г) Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2004 г), VI Международной конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, 200^ г), Всероссийской конференции «Аналитика России» (Москва, 2004 г), Международных научно-технических конференциях «Информационные технологии в науке, технике и образовании» (Пицунда, 2005 2006 гг), Седьмом Всероссийском семинаре «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики» (Москва, 2005 г), 5" International Conference on Tunable Diode Laser Spectroscopy (Florence, 2005), Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые - на\ке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Москва, 2005 г), III Научно-технической конференции "Системы наблюдения мониторинга и дистанционного зондирования земли" (Сочи 2006 г) XVth Symposium on high resolution molecular spectroscopy HighRus-2006 (Tomsk. 2906 г)

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертации отражено в 6-ти печатных работах, список которых приведен в конце автореферата и 13 тезисах докладов часть из которых приведена там же

В большинстве работ, выполненных в соавторстве, постановка проблемы и эксперимента, интерпретация результатов выполнены диссертантом, расчеты проведены совместно с соавторами

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1 На основе проведенного анализа параметров гетеролазеров и приемников оптического излучения, а также условий эксплуатации систем мониторинга, предложено использовать для детектирования наличия заданных газов в атмосфере не основные линии поглощения, расположенные в дальней ИК области а более слабые составные и комбинационные в области 1,5 1,7 ьчсм (МН3 (1,51 мкм), С02 (1,60 мкм) и СН4 (1,65 мкм))

2 В соответствии с выбором спектрального диапазона, показана целесообразность использования в качестве источников излучения РОС гетеролазеры на основе 1пСаАБ, а в качестве фотоприемников -неохлаждаемый фотодиод на основе ЬЮаАз для аналитического канала и фотодиоды на основе Се для реперных. каналов ОЭС При этом значительное повышение чувствительности системы достигается за счет осуществления перестройки излучения лазера по частоте специальным импульсом тока накачки и применением корреляционных методов обработки сигнала

3 Реализация системы частотной стабилизации гетеролазера с двумя контурами обрагноп связи обеспечивающая стабильность температуры на уровне 10"5сС, позволяет производить стабилизацию частоты РОС гетеролазера как по температуре, так и по реперной линии поглощения

4 С учетом выше сказанного впервые создана оп гик о—электронная система, позволяющая не только качественно детектировать наличие указанных газов на оптическом пути, но и уверенно определять их концентрацию с высокой чувствительностью и дальностью обнаружения, адекватной для применения в вертолетном варианте базирования

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, 8 приложений, материал изложен на 162 страницах и иллюстрирован 68 рисунками, содержи! 3 таблицы, 77 формул а также список использованных источников из 124 наименований

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи, научные положение, новизна, практическая значимость

Первый раздел носит обзорный характер В нем представлены основные методы, используемые для регистрации газовыз примесей, особое внимание уделено возможности дистанционного определения КН3, С02 и СН4 в режиме реального времени [1,2] Обоснована возможность использования спектрального диапазона 1,5 1,7 мкм Изложены характеристики гетеролазеров и фотоприемников для данного спектрального диапазона

Работы Хинкли (Е В Нтк1еу), положившие начало применению перестраиваемых полупроводниковых лазеров в молекулярной спектроскопии высокого разрешения, получили активное развитие в работах по созданию ОЭС [3, 4, 5] Проведен аналитический обзор современных гетеролазеров и путей создания обратной связи для полупроводниковых лазеров и достижения одночастотного режима генерации

В результате обзора литературы показаьо, что для спектроскопических применений лазера ключевым аспектом является его перестройка по частоте достаточно простыми аппаратными средствами Так как спектры излучения и контура усиления полупроводникового лазера зависят от энергии запрещенной зоны Е„, изменяющейся при воздействии внешних факторов, например, тока и температуры, изменение частоты производится путем изменения этих параметров Под действием тех же факторов происходит изменение диэлектрической проницаемости среды в области пика усиления, влекущее за собой изменение собственных частот резонатора, т е происходит тонкая и непрерывная перестройка частоты генерации отдельного типа колебаний [6]

Так же рассмотрены характеристики квантовых фотоприемников для применения в ОЭС

Второй раздел посвящен разработке трехканальной системы мониторинга и детальному исследованию характеристик РОС гетеролазеров, фотоприемников на основе 1пОаАз и Сте и селективных интерференционных фильтров

Для достижения высокой чувствительности и селективности, при дистанционной регистрации линий слабого поглощения в ближней ИК области спектра, требуются одночастотнке перестраиваемые РОС гетеролазеры на основе ЬЮаАв [8] Для исследования оптико-электронных характеристик лазерных модулей создан стенд диагностики включающий в

себя спектроанализатор Agilent 86143 В, монохроматор КСВУ-1, калиброванные фотоприемники, камеру ближнего ИК-диапазона, набор оптических элементов для передачи лазерного излучения в регистрирующий тракт. Результаты исследования типичных РОС гетер олазеров InGaAs в различных режимах генерации приведены на ркс. 1 (>=1.5 мкм) при токовой и температурной перестройках. Получены зависимости энергии запрещенной зоны (Eg) от температуры и тока накачки. На рис. 1 (справа) показана зависимость спектра усиления гетеролазера от температуры в диапазоне от О °С до 70 "С. Спектры были зарегистрированы для тока возбуждения близкого к пороговому значению при данной температуре.

Здесь можно увидеть узкую линию когерентного излучения для каждой температуры и широкий контур усиления спонтанного излучения. В формировании широкого спектра спонтанного излучения просматриваются несколько физических процессов. Прежде всего это энергия запрещенной зоны полупроводника Ег Затем это процесс релаксации избыточных носителей заряда и образование контура усиления.

Сдвиг контура усиления в сторону низких энергий с увеличением температуры главным образом связан с изменением ширины запрещенной зоны полупроводника от температуры. Эта зависимость показана пустыми маркерами на рис. 2. Заполненными маркерами показана температурная зависимость частоты генерации.

(ХН.5 мкм) и температурная зависимость сим ость спектра генерации

спектра усиления ^С гетеролазера.

Количество носителей заряда зависит от тока накачки. Этот факт объясняется фундаментальным дисперсионным уравнением Крамерса-Кронига (Kramers - Kronig) (1) и приводит к непосредственной перестройке частоты полупроводникового лазера током накачки [6].

п

Уравнение Крамерса-Кронига показывает фундаментальную связь между действительной - е' и мнимой - е" частями диэяеятричшгай

Рис. 3 Токовая перестройка спектра излучения гетеролазера

Рис 4 Спектральные зависимости фоточувстви-тетьносги Б фотодиодов ближнего ИК диапазона

Прямыми показаны расчетные зависимости фоточувствитель-ностч Б для

трех значений тг| - 1 (сплошная), 0 75 (пунктир) и 0 5 (короткий пунктир)

проницаемости электромагнитной волны в твердом теле и играет важную роль в диодной лазерной спектроскопии

Перестройка частоты гетеролазера током накачки определяет возможность его применения в спектроскопии На рис 3 показан пример перестройки лазера током накачки Экспериментально для данного лазера было получено <М(И = 0 022 см"'/мА

Для выбранного спектрального диапазона (1,5 1,7 мкм) возможно использование фотоприемников на основе Ое и 1пОаАзР (рис 4) Последний является более предпочтительным для использования в аналитическом канале, так как гарантированно перекрывает всю

спектральную область и имеет более высокую чувствительность

Проведенный анализ позвонил остановить выбор на спектроскопических РОС гетеролзерах 1,51 мкм, >.=1,60 мкм и ^=1,65 мкм для молекулярных объектов МЪ, С02 и СН4 соответственно, а так же фотоприемниках 1пСаАя для аналитического канала и Ое фотоприемниках для реперных каналов

Как результат предварительных исследований был разработан образец трехканальной оптоэлектронной системы дистанционного обнаружения следов газовых примесей (рис 5) с использованием одночастотиых перестраиваемых РОС

гстеролазеров InGaAs с волоконными выводами компании NTT Electronics, телескопа МСТ 180/1800 (оптическая схема Максутовг-Кассегрена) и рабочей станцией N1PXI-1031 DC [4]

Принцип работы системы заключается в следующем Излучение трех гетеролазеров (ДЛ) с волоконными выводами излучения с помощью Y-образных волоконных разветзителеи (BP) направляется в реперные и

ОЭС В реперных каналах излучение, после

аналитический каналы

Блок управления

Телескоп MST ] 80

ФП А К

Лазерный капа;: 1

Отражающая поверхность

Лазерный канал 2

Лазерный канал Ъ

Рис. 5 Блок-схема трехканального детектора следов газовых примесей в атмосфере на основе РОС гетеролазеров

прохождения кювет (РК) с калиброванными газовыми смесями с известными пропорциями содержания искомого газа (объем, концентрация, давление), регистрируется фотоприемниками соответствующих реперных каналов (ФП РК). Излучение аналитического канала отраженное от топографического отражателя (земля, листва деревьев, строения) принимается телескопической системой и фокусируется на фотоприемнике аналитического канала (ФП АК).

Управление работок прибора осуществляется рабочей станцией N1РХ1 -1031 DC, в которую установлены многоканальные платы ввбда/вывода N1 PXJ-6289M из специально написанной нами программы управления в программном обеспечении National Instruments Lab View?. I.

Данная конфигурация позволяет поддерживать функционирование до шести независимых лазерных каналов. В настоящей работе было задействовано три каната.

Третий раздел посвящен модельному расчету спектров поглощений для трех выбранных молекулярных объектов с учетом поглощения атмосферы на трассе 60 м (рис. 6), алгоритму регистрации и программному обеспечению для обеспечения работы системы и исследованию ее характеристик.

Это необходимо для задания режимов сканирования РОС гетеролазеров [10]. С помощью программного обеспечения, разработанного нами, гетеролззер выводится в необходимый частотный диапазон генерации при помощи температурной стабилизации [7], После этого на него подается импульс тока трапециевидной формы с наложением модуляции (рис. 7 а). Это позволяет сканировать линию поглощения два раза за один импульс сканирования частоты ж получать мечт и одновременно значений поглощения

на разных частотах, что в дальнейшем позволяет избавляться от механических помех системы путем математической обработки в алгоритме обработки сигнала Глубина модуляции выбирается из условия, чтобы изменение частоты при изменении тока было значительно меньше ширины линии поглощения

Сигнал, принимаемый фотоприемником при сканировании линии поглощения, в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Берра, будет выражаться как

/ = /0ехр(-/:( I) (2)

где 10 — интенсивность излучения без линии поглощения, к\ - коэффициент поглощения среды на данной длине волны, / - путь, проходимый излучением

После приема сигнала

фотоприемником, производится разделение массивов 81 и Б 2 внутри импульса сканирования (рис 7 б), берется логарифм отношения этих сигналов, в результате чего мы получаем функцию Х(1) (рис 7 в) После этого производится автокорреляция (Схх) сигнала реперного канала (Х(г)) и корреляция (Сух) сигнала аналитического канала (У(О) по реперному (Х(г))

(/) =Х(г) ® Г(/>= )х(!) У(1 + г) Л (3)

Из линейной подгонки корреляционных функций (4) получаем коэффициент а, характеризующий коэффициент корреляции сигналов в реперном и аналитическом каналах

Сху=а.Схх+Р (4)

где Р = 0 т к. корреляционные функции нормированы.

Концентрация искомого газа в аналитическом канале определяется по формуле (5) в относительных единицах ррт, что соответствует относительной концентрации молекул газа на данной трассе (1ррт-10'6 молекул в объеме)

(а),

Рабочая линия ! 1^1602 5 км _!

(6)1

„.AtUiiii.il.-[[Ь-

(В)

Ш'шш

ии

ы

Рис. 6 Спектры попощения

(а) - метана и воды

(б) - углекислого газа и воды

(в) - аммиака и воды

I

t о.

Bpawtfcrm ед.)

(a)

Время (сгк ед) (б)

0 20-j

£ 603

5

46 бэ ео ioo >20 140 160

Точки

(в)

С--

(г) Р; L{

Рис. 7. Этапы обработки принимаемого сигнала при определении концентрации

(а) - сигнал генерируемый лазером,

(б) - сигнал фотоприемника при сканировании линии поглощения,

(в) - Х(0 - логарифм отношения сигналов и 82,

(г) - функции автокорретяции реперного канала (СXX) и корреляции аналитического канала с реперным (СУХ)

10 \[ррт]

(5)

где а - коэффициент корреляции сигналов в реперном и аналитическом каналах, Pr — парциальное давление газа в реперном канале разбавленное до атмосферы азотом, РА - атмосферное давление, L& LA - расстояние проходимое лазерным излучением в реперном и аналитическом каналах соответственно

Для одновременного детектирования нескольких молекулярных объектов с помощью разных лазеров в данной работе используется метод временного мультиплексирования [4] На рис 8 приведен пример работы трехканального режима работы ОЭС в режиме мультиплексирования

Накачка трех РОС гетеролазеров осуществляется импульсами трапециевидной формы позволяющими производить сканирование частотного диапазона в пределах токовой перестройки с длительностью импульса для каждого лазера 500 мкс с частотой повторения импульсов от каждого лазера 0 55 кГц При этом между импульсами от разных лазеров осуществляется задержка 100 мкс Частота опроса каналов ЦАП/АЦП платы составляет 40 кГц Соответственно при работе в режиме мультиплексирования фотоприемником принимается последовательность импульсов трапециевидной формы от трех лазеров с частотой следования порядка 1 66 кГц

Обработка сигнала, при регистрации нескольких молекулярных объектов в режиме временного мультиплексирования состоит из нескольких этапов

ё о а.

m S СО X

a

i f / 1

-Г f • /.

s \ ......1 - ■ ч

/ / /

V i 'ft / / / / 1

• 'г-г '

Во-первых, производится разложение общего массива данных с аналитического фотоприемника на подмассивы данных от каждого из

После этого концентрации молекулярных производится в параллельном режиме программой обработки, специально написанной нами в N1 ЬаЬУ1еу,7 1

гетеролазеров определение каждого из объектов независимо

<000 1500 t, МКС

Рис 8 Работа трехканального детектора в режиме временного мультиплексирования

В четвертом

представлены исследования шумов

разделе результаты и помех

основных узлов трехкаьальной ОЭС Нами были специально написаны программы в среде графического программирования National Instruments LabViev, 7 1, позволяющие проведение анализа частотных составляющих сигнала и долговременных характеристик системы Кроме того, введение в сослав основных инструментов исследования характеристик ОЭС аначиза преобразования Фурье и дисперсии Аллана позвотило оптимизировать характеристики системы, минимизировать быстрые помехи связанные с наводками в электронном блоке управления и медленный дрейф базовой линии

Все элементы системы вносят свой вклад в итоговые шумы регистрируемого сигнала, которые определяют величину минимально обнаружимого коэффициента поглощения - K(v)„,n Пусть влияние внешней подсветки подавлено Тогда предельные относительные шумы регистрируемого сигнала системы с топографическим отражателем, определяются четырьмя основными механизмами (рис 9) шумы излучения полупроводникового лазера (ДЛ), шумы оптического тракта, определяющими из которых являются спекл- шумы, то есть шумы изображения тонкой структуры излучения лазера на фотопроемнике, дробовой шум фототока фотодиода (ФД) и шумы преду силителя (ПУ)

, JUL,)' ,eff 1

! V^l р0 J ч р J №~n{ и

Шум излучения ДЛ определяется квантовыми пгумами излучения гетеролазера и шумом источника тока накачки [7], что при используемых превышениях над порогом дает ДРдо/РО г 2 10"5 в полосе частот В = 58,5 кГц (определяется используемым предусилителем) Спекл шум, в системе с топографическим отражателем характеризуется величиной АРОП1УРо = 7 10"5 Ограничение чувствительности, связанное с дробовым шумом ФД, квантовыми шумами излучения ДЛ и спекл-шумом является при нципиальным

т

ДР„/Р

г

А'яробо.

ПУ

т

липу

Рис 9 Основные источники шумов ОЭС Дробовой шум фототока, шум излучения ДЛ и шумы ПУ имеют белый спектр, а спекл-шум является фликкерным По этой причине роль первых трех шумов уменьшается при усреднении (в (6) э го обстоятельство отражает величина N — число накоплений), а величина, связанная со спекл-шумом, от времени накопления не зависит.

Проведенный анализ шумов излучения лазерного модуля с термоэлементом Пельтье и волоконным выводом излучения лазера позволил реализовать систему частотной стабилизации с двумя контурами обратной связи осуществляющую стабилизацию частоты лазера как по температуре со стабильностью на уровне 10"5 сС, так и по реперной линии поглощения

Введение в ток питания лазера широкополосного нормального шума с полосой генерации 30 МГц позволило эффективно сбивать интерференцию в оптическом тракте и повысить чувствительность системы 6oj.ee чем на порядок, в результате чего удалось достичь чувствительности на уровне 0,1 ррш

Исследована структура ближнего поля излучения лазера, которая определяет тонкую структуру дальнего поля излучения лазера рассеиваемого диффузным отражателем Отмечено, что тонкая структура топографического отражателя не оказывает заметного влияния на характеристики регистрируемого сигнала, которые определяются статистическими свойствами рассеивающей поверхности

Шумы фотоприемного канала складываются из двух составляющих — собственных шумов фотоприемника и шумов предусилителя В свою очередь собственные дробовые шумы фотодиода определяются темновым током и фототоком На рис 10 представлена типичная зависимость величины тока шума фотодиода от величины фототока На этом же рисунке представлены

шумы фототока (прямая 1), мультипликативные шумы (прямая 2), шумы темнового тока фотодиода (пунктир 3) В качестве мультипликативных шумов взяты шумы дискрета АЦП платы 16 bit Таким образом, существуют три основных области, в которых доминирующими являются различные физические процессы Поэтому шумы в этих областях имеют различную зависимость от фототока константа в области малого сигнала (1<1 мкА), корневая зависимость в области большого сигнала (1 мкА<1<100 мкА), линейная зависимость в области доминирования мультипликативных шумов (1>100 мкА)

Необходимо также учитывать частотную зависимость спектра плотности мощности шума На рис 11 приведены экспериментально измеренные спектры шумов для фотоприемника и предусилителя аналитического канала Кривая 2 соответствует ситуации, когда вход телескопа был закрыт В этом случае шум сигнала составил 63 1 мкВ (площадь под кривой) Для получения кривой 1, телескоп был открыт и направлен на освещенную солнцем стену здания (выходное напряжение 4 В, а его шумы 223 мкВ)

Рис. 10 Зависимость ве шчины шумов тока фотодиода о г величины фототока (кружки)

Рис. И Спектральная плотность шумов на выходе предусилителя при освещении фотсприемника (1) и в отсутствии освещения (2) Из рисунка следует, что при увеличении фототока растет компонента шума типа 1Я° в частотном диапазоне до 100 Гц На больших частотах наблюдается белый шум а также видны узкие дополнительные пики, обусловленные наводками в системе электропитания которые могут быть максимально устранены путем оптимизации схемы предусилителя и электроники питания Для достижения предельных параметров системы при регистрации слабого сигнала необходима оптимизация предусилителя фотоприемника Следует отметить, что эта оптимизация является многопараметрической Она зависит от параметров фотодиода, от области его работы, от свойств используемого диодного лазера и режима его работы, от методики регистрации сигнала и его обработки

Предельно достижимые параметры системы связаны в частности со свойствами используемой платы ввода вывода информации N1 ЭАС^ характеризующейся шумами ЦАП и АЦП При исследовании характеристик платы ввода/вывода N1 РХ1-6289М выявлена неэквидестантность платы, проявляющаяся в неоднозначном значении напряжения на ЦАП при оцифровке сигнала Эта помеха воспроизводится от реализации к реализации Данная помеха играет весьма заметную роль, особенно при использовании накоплений регистрируемого массива Наиболее эффективный способ борьбы с неэквидистантностью платы - калибровка как ЦАП, так и АЦП с использованием калибровочных массивов для коррекции данных Однако удобнее скомпенсировать неэквидистантность ЦАП с помощью записанной базовой линии

В пятом разделе описаны следующие проведенные натурные испытания трехханального детектора

• одновременная регистрация трех компонент в закрытом помещении на длине трассы 40 м,

• натурные испытания дистанционного обнаружения продуктов распада взрывчатых веществ, относящиеся к аммиачно-селитренным взрывчатым веществам (КН3 и СНд), в закрытом автомобиле с естественным диффузным отражателем,

• дистанционное обнаружение присутствия людей в закрытом помещении по биомаркеру С02,

• полигонные испытания по обнаружению утечки метана из газопровода и регистрации пространственного распределения концентрации,

• запущены системы долговременного контроля концентрации газов СОг и СН4

На рис 12 представлены результаты лабораторных

испытаний по дистанционной регистрации следов газов в атмосфере на трассе 50 м

В ходе эксперимента, по очереди с небольшими интервалами выпускались

контрольные газы Было выпущено С02 (99 96%) -5л, СН4 (99,99%) - 0,5 л и Ш3 (99,99%) - 0,01 л

1 -С02[ррт'ЮЭ! 2-СН4[ррт] ЫН3 [ррт'Ю]

15 25 15 30 15 35 15 40

Время

Рис. 12 Одновременная регистрация следов газов ХНЗ, СН4 и С02 на трассе 50 м

Здесь показаны графики результатов измерений концентраций этих газов во времени Приведены интегральные (по всей длине измеряемой трассы) значения концентраций газов Главным результатом данных, приведенных на рисунке можно считать отсутствие влияния выпуска калиброванной пробы одного вида газа на измерение содержания двух

—~ друтих Это обстоятельство

____' | является принципиальным и

I I

говорит о селективности метода измерения

На рис 13 представлены

результаты лабораторных

испытаний по дистанционной регистрации несанкционированного присутствия людей в помещении по молекулярному объекту С02 На верхнем графике (рис 13 а) представлены результаты

долговременных измерений

Отчетливо видно превышение концентрации СОг в районе 16 часов вызванное присутствием в помещении 5 человек в течение 10 минут На нижнем графике аналогичный эксперимент в котором участвовало 11 человек в течение 8 минут

Рис 13 Дистанционная регистрация несанкционированного присутствия людей в помещении

(а) - 5 человек в течение 10 мин,

(б) - 11 человек в течение 8 мин

В заключении представлены основные результаты и выводы

1 Впервые создана система мониторинга атмосферы с детектированием содержания трех заданных газов одновременно с чувствительностью на уровне 300 ррЬ для СН4, 30 ррт для С02 и 0 5 ррт для ЫН3 на трассе до 100 м

2 В основе системы мониторинга лежит детектирование более слабых линий поглощения указанных газов в ближней ИК области спектра, позволившее использовать РОС гетеролазеры на основе 1пОаАз и приемники излучения на основе ЬСаАз и ве, работающие без использования охлаждения жидким азотом, что обеспечивает экономичность и перспективность широкого применения разработанной системы

3 Для регистрации оптических сигналов, связанных с относительно низким поглощением указанных линий, использован метод сканирования частоты, путем изменения во времени тока накачки лазеров

4 Разработан алгоритм регистрации позволяющий не только эффективно детектировть наличие газов на трассе регистрации до 100 м в режиме реального времени с чувствительностью до 0,1 ррт, но и эффективно исключать фоновую подсветку и отфильтровать фликкерную составляющую шумов, включающую также различные механические вибрации и турбулентность атмосферы

5 На базе языка графического программирования National Instruments Lab VIEW 7 1 написана программа при помощи которой производится управление сигналами лазеров, температурной стабилизацией лазерного модуля, прием и обработка сигналов с фогоприемников и осуществляется алгоритм вычислений в параллельном режиме для каждого из каналов, что позволяет получать результат значения концентрации в каждом из лазерных каналов менее чем за 0,25 с с оптимальным накоплением сигнала

6 Введение системы частотной стабилизации с двумя контурами обратной связи позволило получить стабильность температуры на уровне 10° °С и осуществлять стабилизацию частоты РОС гетеролазера как по температуре, так и по реперной линии поглощения

7 Впервые предложен и реализован алгоритм подавления интерференционной помехи лазерного излучения путем добавления в ток питания лазера нормального высокочастотный шума с шириной полосы 30 МГц

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Электронный нос и проблемы безопасности / АГБерезин, АДБритов, Д Ю Наместников и др // Наука и техночогии в промышленности, 3/2005. конгресс по безопасности, спецвыпуск, стр 31

2 А Г Березин, А Д Бритов, А И Надеждинский, Д Ю Наместников / Диодно-лазерные датчики молекулярных примесей в атмосфере (ВВ, OB, СН4 и др) // Международная научно-техническая конференция ('Информационные технотогии в нал ке, технике и образовании», Сборник трудов том 3, 2005, Москва Стр 78-82

3 Remote helicopter-borne detector for searching of methane leaks /AG Berezm, SVMalyugm D Yu Namestnikov et al //Spectrochimica Acta Part A 66 (2007) p 803805

4 Трехканальный детектор на основе РОС гетеролазеров для мониторинга следов газов / АД Бритов, И Н Мирошникова, А И Надеждинский, Д Ю Наместников // "Вестник МЭИ", 3/2007, Москва

5 Оптоэлектронный меганометр на гетеролазере InGaAs / А Г Березин А Д Бритов, Д Ю Наместников и др /7 Международный научно-методический семинар «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» 9-12 ноября 2004 г, Москва Материалы докладов 2005 Москва стр 26

6 Differential Absorption with the Use of Diode Lasers in the Near- and Medium-IR Ranges as a Method of Remote Indication of Especially Dangerous Gaseous Compounds m Atmosphere / AI Nadezhdmskn, D Yu Namestmkov, Ya Yd Ponurovsku, et al // XVth Symposium on high resolution molecular spectroscopy HighRus-2006, July 18-21 2006 Abstracts of reports Tomsk 2006, p 68

7 А Д Бритов, А И Надеждинский, Д Ю Наместников Я Я Понуровский / Шумы излучения диодного чазера и температурная стабилизация /' Международный на^чно-методическии семинар «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», 15-18 ноября 2005 г, Материалы докладов Москва 2006г стр 59

8 Оптоэтектронная система определения следов газов / А Г Березин, А Д Бритов, ДЮ Наместников и др /,' Седьмой Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», май 2005, Москва, Тезисы докладов стр 178

9 Дистанционное обнаружение следов гззое / В М Белоконев, А Д Бритов Д Ю Наместников и др // III Научно-техническая конференция "Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования земти" 11-15 сентября 2006 года Сборник трудов, Москва МНТО РЭС им А С Попова, стр 32

10 Возможности метода диодно-лазерной спектроскопии по обнаружению взрывчатых веществ по их летучим компонентам / ВМ Белоконев, АД Бритов, ДЮ Наместников и др // III Научно-техническая конференция "Системы набтюдения, мониторинга и дистанционного зондирования земли" 11-15 сентября 2006 года Сборник трудов, Москва, МНТО РЭС им А С Попова, сгр 37

Подписано в печать 0 Зак. Ш Тир. №0 Пл. Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 МЕТОД ДЛС ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СЛЕДОВЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ГАЗОВЫХ ПРИМЕСЕЙ.

1.1 Регистрация газовых примесей в атмосфере.

1.1.1 Методы регистрации газовых примесей в атмосфере.

1.1.2 Модельные расчеты спектров газов в атмосфере.

1.2 Одночастотный перестраиваемый гетеролазер.

1.2.1 Современное состояние и пути создания одночастотных полупроводниковых гетеролазеров.

1.2.2 Генерация излучения гетеролазера.

1.2.3 Применение гетеролазеров для мониторинга следовых количеств газовых примесей в атмосфере.

1.3 Основные типы одночастотных гетеролазеров.

1.3.1 Одночастотный режим генерации полупроводникового лазера.

1.3.2 Полупроводниковые гетеролазеры с распределенной обратной связью (РОС).

1.3.3 Полупроводниковые гетеролазеры с распределенным брэгговским отражателем (РБО).

1.3.4 Полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором

1.3.5 Квантовый каскадный лазер.

1.4 Фотоприемники для системы регистрациигазов.

1.5 Шумы и методы исследования характеристик оптического и электронного трактов.

1.5.1 Шумы излучения лазера.

1.5.2 Шумы фотоприемника.

1.5.3 Анализ фурье-преобразования сигнала.

1.5.4 Анализ дисперсии Аллана.

Выводы.

2 РАЗРАБОТКА ТРЕХКАНАЛЬНОЙ ОПТИКО-ОЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ И ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ.

2.1 ОЭС газоанализатора на базе телескопа МСТ 180/1 800.

2.1.1 Принципиальная блок-схема.

2.1.2 Электронный блок сопряжения.

2.1.3 Оптическая схема.

2.2 Исследование режимов генерации одномодового гетеролазера.

2.2.1 Методы исследования режимов генерации.

2.2.2 Исследование перестройки по частоте спектра генерации гетеролазера.

2.2.3 Температурная перестройка спектра излучения

РОС гетеролазера.

2.2.4 Токовая перестройка спектра излучения

РОС гетеролазера.

2.2.5 Частотная развертка лазерного импульса.

2.3 Исследование характеристик фотоприемного модуля.

2.3.1 Чувствительность фотоприемника.

2.3.2 Интерференционные оптические фильтры.

Выводы.

3 АЛГОРИТМ РЕГИСТРАЦИИ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ.

3.1 Модельные расчеты и выбор аналитических линий с учетом пропускания атмосферы.

3.2 Регистрация линий слабого поглощения.

3.2.1 Алгоритм регистрации.

3.2.2 Определение концентрации.

3.2.3 Режим временного мультиплексирования трехканальной ОЭС.

3.3 Программы для ОЭС.

3.3.1 Рабочая программа регистрации.

3.3.2 Программа для анализа быстрого фурье преобразования сигнала.

3.3.3 Программа анализа дисперсии Алана.

Выводы.

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ШУМОВ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ ОЭС.

4.1 Характеристики и шумы лазерного модуля.

4.1.1 Система температурной стабилизации частоты.

4.1.2 Применение генератора высокочастотного широкополосного шума для подавления интерференционных помех.

4.1.3 Спекл-шум.

4.2 Шумы фотоприемного модуля.

4.2.1 Шумы фотоприемника.

4.2.2 Шумы предусилителя.

4.3 Исследование характеристик электроники управления ОЭС

4.3.1 Характеристики платы ввода вывода PXI-6289M.

4.3.2 Характеристики электронного блока управления.

4.3.3 Калибровка каналов регистрации при абсолютных измерениях концентрации газов.

4.3.4 Предельная дальность работы системы с топографическим отражателем.

Выводы.

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ДАЛЬНОСТИ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ГАЗОВ С02, СН4, NH3.

5.1 Эксперимент по одновременной регистрации трех газов.

5.2 Дистанционное обнаружение следов газов в автомобиле.

5.3 Дистанционное обнаружение присутствия людей.

5.4 Измерение пространственного распределения метана с помощью дистанционного измерителя.

Выводы.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Дистанционное обнаружение следовых концентраций различных газовых примесей в атмосфере является актуальной задачей научного и прикладного приборостроения. Актуальность создания многоканального детектора (т.е. с возможностью обнаружения нескольких газовых примесей одновременно -«Электронного носа», разработке которого посвящено ряд работ кафедры Полупроводниковая электроника [1]) обосновывается задачами, когда решение принимается по совпадению сразу нескольких характерных признаков. В частности для данной работы были выбраны три молекулярных объекта -биомаркера химического поля человека: СО2, СН4 и NH3, как наиболее универсальные из продуктов жизнедеятельности человека. Эти молекулярные объекты так же являются продуктами распада целого ряда взрывчатых веществ относящиеся к аммиачно-селитренным взрывчатым веществам. Они могут быть идентификаторами некоторых ядовитых веществ и наркотиков.

В данной работе представлен лазерно-спектроскопический метод, основанный на перестраиваемых по частоте полупроводниковых гетеролазерах, получивший название диодная лазерная спектроскопия (ДЛС). В нашей стране первые молекулярные спектры высокого разрешения были получены практически одновременно тремя научными коллективами ИОФАН, НИИ ПФ и ИСИАН [2,3,4] но приборов, способных регистрировать одновременно несколько молекулярных объектов, созданных на гетеролазерах ближнего ИК диапазона нам неизвестно.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИИ состояла в разработке опытного образца оптико-электронной системы (ОЭС) для одновременной дистанционной регистрации следовых количеств нескольких молекулярных объектов, позволяющей оценить качественные и количественные характеристики объектов.

Для осуществления работы необходимо решить несколько задач: 1. Выбрать оптимальную спектральную область аналитических линий поглощения искомых газов.

2. Провести анализ и исследовать различные типы полупроводниковых лазеров и приемников излучения и выбрать оптимальные для применения в оптико-электронной системе.

3. Разработать программное обеспечение для управления оптико-электронной системой с подавлением собственных механических помех, а также для тестирования системы и элементов, входящих в ОЭС.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Как уже было сказано, были выбраны три молекулярных объекта -биомаркера химического поля человека: СО?, СН4 и NH3.

Для достижения поставленной задачи

• проведен детальный анализ спектров поглощения для данных газов с учетом пропускания атмосферы и выбраны рабочие линии поглощения для газов-биомаркеров;

• проведены комплексные исследования перестраиваемых одночастотных гетеролазеров с распределенной обратной связью (РОС) с волоконным выводом излучения, включающие исследование особенностей частотной перестройки и шумов излучения гетеролазеров;

• проведены исследования и найдено решение по устранению интерференционных помех в оптическом тракте ОЭС путем добавления в ток накачки гетеролазера нормальной шумовой составляющей;

• исследована структура ближнего поля излучения гетеролазера, которая определяет структуру дальнего поля рассеиваемого диффузным отражателем и определяет спекл-шум;

• исследованы характеристики фотоприемников, которые могут быть использованы в системе, включая их спектральные, шумовые и пороговые характеристики;

• исследованы характеристики ОЭС, включающей телескоп МСТ 180/1800 с оптической схемой Максутова-Кассегрена для сбора отраженного от топографического отражателя сигнала и электронного тракта обработки информации;

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

1. Впервые показана возможность одновременного обнаружения трех различных газов ОЭС на базе полупроводниковых лазеров и фотоприемников, позволяющей получить чувствительность на уровне 300 ppb для СН4, 500 ppb для NH3 и 30 рргп для С02 на трассе до 100 м в атмосфере.

2. Проведены комплексные исследования перестраиваемых одночастотных РОС гетеролазеров на основе InGaAs с волоконным выводом излучения и характеристик полупроводниковых квантовых фотоприемников ближнего ИК-диапазона, применяемых для обнаружения следовых количеств газов, позволившие выйти на уровень чувствительности порядка 0,1 ррш.

3. Исследованы зависимости ширины запрещенной зоны РОС гетеролазеров ближнего ИК - диапазона от температуры лазерного кристалла и тока накачки гетеролазера.

4. Впервые показано, что введение дополнительной модуляции в трапециевидный сканирующий импульс генерации гетеролазера и применение корреляционных методов обработки сигнала позволяет значительно повысить устойчивость системы к механическим воздействиям и вести регистрацию линий поглощения на первой гармонике.

5. Впервые реализованная система частотной стабилизации гетеролазера с двумя контурами обратной связи, обеспечивающая стабильность температуры на уровне 10"5оС, позволила производить стабилизацию частоты РОС гетеролазера как по температуре, так и по реперной линии поглощения.

6. Добавление в ток питания РОС гетеролазера высокочастотного нормального шума с полосой генерации 30 МГц впервые позволило эффективно сбивать интерференцию в оптическом тракте и повысить чувствительность системы более чем на порядок, что обеспечивает чувствительность на уровне 0,1 ррш.

7. Из исследований структуры ближнего поля излучения гетеролазера отмечено, что тонкая структура топографического отражателя не оказывает заметного влияния на характеристики регистрируемого сигнала, которые определяются статистическими свойствами рассеивающей поверхности.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в следующем:

1. Впервые разработан и успешно испытан образец трехканального детектора следов газов в атмосфере на основе трех РОС гетеролазеров InGaAs с волоконными выводами излучения и телескопа МСТ 180/1800 для одновременного мониторинга трех газовых примесей с высокой чувствительностью и дальностью обнаружения, адекватной для применения в вертолетном варианте базирования.

2. По ходу работы создано семейство одноканальных детекторов следов газов для работы с различными газами и в различных условиях.

3. Написаны программы для исследования характеристик гетеролазеров, фотоприемников и оптико-электронных характеристик системы в целом в среде графического программирования Lab VIEW 7.1.

ОБОСНОВАННОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ основывается на практической реализации и проведенном комплексном анализе полученных результатов.

ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ подтверждается непротиворечивостью полученных результатов публикациям других авторов, а также сопоставлением экспериментальных данных с теоретическими расчетами.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

Результаты исследований в виде программ, инженерных моделей, технических решений, методик испытаний и др. используются в ЦЕНИ ИОФ РАН им. А. М. Прохорова (г. Москва), ИМФ РНЦ «Курчатовский институт», ФГУП «НПП Салют» (г. Н-Новгород), Институте оптики атмосферы СО РАН (г. Томск).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на II, III, V, VI Общероссийских семинарах по диодной лазерной спектроскопии (ДЛС) (Москва, 2004, 2005, 2006 гг.); Международных научно-методических семинарах «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2004, 2005 г.); Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2004 г.); VI Международной конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, 2004 г.); Всероссийской конференции «Аналитика России» (Москва, 2004 г.); Международных научно-технических конференциях «Информационные технологии в науке, технике и образовании» (Пицунда, 2005, 2006 гг.); Седьмом Всероссийском семинаре «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики» (Москва, 2005 г.); 5th International Conference on Tunable Diode Laser Spectroscopy (Florence, 2005); Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Москва, 2005 г.); III Научно-технической конференции "Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования земли" (Сочи, 2006 г.); XVth Symposium on high resolution molecular spectroscopy HighRus-2006 (Tomsk, 2006 г.).

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертации отражено в 6-ти печатных работах, и 13 тезисах докладов.

В большинстве работ, выполненных в соавторстве, постановка проблемы и интерпретация результатов эксперимента, выполнены диссертантом, расчеты проведены совместно с соавторами.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 1. На основе проведенного анализа параметров гетеролазеров и приемников оптического излучения, а также условий эксплуатации систем мониторинга, предложено использовать для детектирования наличия заданных газов в атмосфере не основные линии поглощения, расположенные в дальней ИК области, а более слабые составные и комбинационные в области 1,5. 1,7 мкм. (NH3 (1,51 мкм), С02 (1,60 мкм) и СН4 (1,65 мкм))

2. В соответствии с выбором спектрального диапазона, показана целесообразность использования в качестве источников излучения РОС гетеролазеры на основе InGaAs, а в качестве фотоприемников - неохлаждаемый фотодиод на основе InGaAs для аналитического канала и фотодиоды на основе Ge для реперных каналов ОЭС. При этом значительное повышение чувствительности системы достигается за счет осуществления перестройки излучения лазера по частоте специальным импульсом тока накачки и применением корреляционных методов обработки сигнала.

3. Реализация системы частотной стабилизации гетеролазера с двумя контурами обратной связи обеспечивающая стабильность температуры на уровне 10'5оС, позволяет производить стабилизацию частоты РОС гетеролазера как по температуре, так и по реперной линии поглощения.

4. С учетом выше сказанного впервые создана оптико-электронная система, позволяющая не только качественно детектировать наличие указанных газов на оптическом пути, но и уверенно определять их концентрацию с высокой чувствительностью и дальностью обнаружения, адекватной для применения в вертолетном варианте базирования.

ВВЕДЕНИЕ

Обнаружение следовых концентраций различных газовых примесей в атмосфере является актуальной задачей в наш век урбанизации жизни. В проблеме «Электронного носа» наряду с другими методами, разрабатываемыми на кафедре Полупроводниковая электроника [1], очень перспективным является альтернативный лазерно-спектроскопический метод, основанный на перестраиваемых по частоте полупроводниковых лазерах, получивший название диодная лазерная спектроскопия (ДЛС) [5, 6]. Этот метод имеет ряд неоспоримых преимуществ перед другими оптическими и физико-химическими методами по скорости измерений и чувствительности. Это и дистанционное обнаружение присутствия людей по химическому полю человека, и обнаружение взрывчатых веществ по их летучим компонентам, и утечек метана в газопроводах, и во многих других прикладных задачах.

Одним из уникальных свойств полупроводниковых лазеров является их способность к перестройке по частоте в достаточно широких пределах. Работа Хинкли (Е. D. Hinkley) [7] положила начало применению перестраиваемых диодных лазеров в молекулярной спектроскопии высокого разрешения. В нашей стране первые молекулярные спектры высокого разрешения были получены практически одновременно тремя научными коллективами ИОФАН, НИИ ПФ и ИСИАН [2, 3, 4], а дальнейшая история развития ДЛС представлена в [8].

Касаясь истории развития инжекционных лазеров нельзя не отметить, что именно профессор МЭИ В.А. Фабрикант еще в 1938 г. четко сформулировал квантовый способ усиления электромагнитных волн в средах и ввел понятие отрицательной температуры [9]. Первая работа о возможности использования полупроводников для создания лазера была опубликована в 1959 Н.Г. Басовым, Б.М. Вулом и Ю.М Поповым [10]. На полупроводниках режим генерации был реализован в 1962 г в лаборатории Холла (Hall R.N.) [11].

Дальнейшее прогрессивное развитие полупроводниковых лазеров связано с именем Ж.И.Алферова [12, 13] и с гетероструктурами на основе твердых растворов AmBv и AIVBVI [14.28]. В настоящее время гетеролазерами перекрыт спектральный диапазон от ближнего УФ до дальнего ИК [8, 14, 29].

Наиболее многообещающей областью ДЛС представляется применение гетеролазеров для аналитических и диагностических целей при анализе газовых смесей, для детектирования молекулярных микропримесей, при исследовании современных технологических процессов, в медицинской и криминалистической диагностике и т.д. Перспективность применения гетеролазеров для аналитических и диагностических целей была отмечена на первых же этапах развития этого направления. Первой демонстрацией таких применений был измеритель содержания СО в открытой атмосфере [30]. А в 1985 г. А. Д. Бритов, А. И. Надеждинский и др. были удостоены Государственной Премии за работу: «Перестраиваемые лазеры на полупроводниках AIVBVI и молекулярная спектроскопия высокого разрешения на их основе». В дальнейшем работы по ДЛС в нашей стране стали развиваться в ИОФАНе при поддержке академика А. М. Прохорова в отделе ДЛС под руководством профессора А. И. Надеждинского при активном участии профессора А. Д. Бритова и ряде других институтов. Работы по созданию гетеролазеров в настоящее время ведутся в ФТИ им. Иоффе (г. Санкт-Петербург) и НПО «Полюс» (г. Москва).

Уход от глубокого охлаждения и переход к аналитическим линиям в ближнем ИК диапазоне способствовало дальнейшему развитию работ в области ДЛС в ИОФАНе. Именно в этой области на основе одночастотных инжекционных гетеролазеров InGaAs и развивается диссертация, завершившаяся созданием образца трехканального детектора дистанционного обнаружения следов газов в атмосфере на основе перестраиваемых РОС гетеролазеров с оптоволоконным выводом излучения и на базе телескопа МСТ 180/1800 (оптическая схема Максутова-Кассегрена).

Развитие микро- и наиоэлектроиики и получение прецизионных многослойных наноструктур [14, 31] привело к созданию квантовых каскадных лазеров (KKJI) [32]. Физика внутризонных переходов позволяет получать генерацию до 10 мкм без охлаждения с мощностью излучения в одной моде более 1 Вт и потенциально расширить диапазон до 300 мкм (терагерцовый диапазон). В настоящее время уже показана возможность применения KKJI в лазерной спектроскопии. Однако их применение, ввиду высокой стоимости, сложности технологии и недостаточной надежности, пока относится к будущему лазерной спектроскопии.

Диссертация посвящена решению задач создания опытного образца прибора для одновременной дистанционной регистрации следовых количеств нескольких молекулярных объектов. Это необходимо для ситуации, когда решение принимается по совпадению сразу нескольких характерных признаков. В частности для данной работы были выбраны три молекулярных объекта -биомаркера химического поля человека: С02, СНЦ и NH3, как наиболее универсальные из всех продуктов жизнедеятельности человека. Необходимо отметить, что работы по регистрации и исследованию химического поля человека активно поддерживаются академиком Ю.В. Гуляевым [33]. Так же эти молекулярные объекты являются продуктами распада целого ряда взрывчатых веществ относящиеся к аммиачно-селитренным взрывчатым веществам (аммониты, аммоналы, динамоны, амматолы и др). Так же они могут быть идентификаторами некоторых ядовитых веществ и наркотиков.

Очевидно, что дистанционная регистрация этих биомаркеров с высокой чувствительностью актуальна в решении различных прикладных задач и особенно вопросов безопасности окружающей среды и жизнедеятельности человека. К тому же в мире не существует широко известных альтернативных приборов способных регистрировать одновременно несколько молекулярных объектов созданных на гетеролазерах ближнего ИК диапазона.

Выводы

1. В результате проведенных лабораторных и полевых испытаний подтверждена эффективность работы трехканальный детектор на основе рос гетеролазеров InGaAs для мониторинга.

2. Получены следующие результаты по чувствительности регистрации ОЭС следовых концентраций газовых примесей в атмосфере на оптической трассе до 100 м.:

- определение СН4 - 20 ppb

- определение NH3 - 50 ppb

- определение СО2,- ЗООррЬ

3. Подтверждена устойчивость системы регистрации к механическим вибрациям и помехам

4. Подтверждена эффективность алгоритма регистрации с исключением фоновой засветки методом введения интерференционных фильтров и программной обработки сигнала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые создана система мониторинга атмосферы с детектированием содержания трех заданных газов одновременно с чувствительностью на уровне 300 ppb для СН4, 30 ррт для С02 и 0,5 ррт для NH3 на трассе до 100 м.

2. В основе системы мониторинга лежит детектирование более слабых линий поглощения указанных газов в ближней Ж области спектра, позволившее использовать гетеролазеры и приемники излучения на основе InGaAs, работающие без использования охлаждения жидким азотом, что обеспечивает экономичность и перспективность широкого применения разработанной системы.

3. Для регистрации оптических сигналов, связанных с относительно низким поглощением указанных линий, использован метод сканирования частоты, путем изменения во времени тока накачки лазеров

4. Разработан алгоритм регистрации позволяющий не только эффективно детектировть наличие газов на трассе регистрации до 100 м в режиме реального времени с чувствительностью до 0,1 ррт, но и эффективно исключать фоновую подсветку и отфильтровать фликкерную составляющую шумов, включающую также различные механические вибрации и турбулентность атмосферы.

5. На базе языка графического программирования National Instruments Lab VIEW 7.1 написана программа при помощи которой производится управление сигналами лазеров, температурной стабилизацией лазерного модуля, прием и обработка сигналов с фотоприемников и осуществляется алгоритм вычислений в параллельном режиме для каждого из каналов, что позволяет получать результат значения концентрации в каждом из лазерных каналов менее чем за 0,25 с с оптимальным накоплением сигнала.

6. Введение системы частотной стабилизации с двумя контурами обратной связи позволило получить стабильность температуры на уровне 10° °С и осуществлять стабилизацию частоты РОС гетеролазера как по температуре, так и по реперной линии поглощения.

7. Впервые предложен и реализован алгоритм подавления интерференционной помехи лазерного излучения путем добавления в ток питания лазера нормального высокочастотный шума с шириной полосы 30 МГц.

1. Анализатор атмосферы на основе матрицы резистивных газовых сенсоров / A.M. Гуляев, О.Б. Мухина, Сарач О.Б. и др. // Измерительная техника. 2006. - №2 - С. 59-61.

2. А.Д.Бритов, С.М.Караваев, Г.А.Калюжная и др.//Опто-механическая промышленность, 1978. №7. - С.13-19.

3. А.И.Надеждинский, В.Б. Анзин, М.В. Глушков и др.// Краткие сообщения по физике (ФИАН), 1978, №4, С.18-21.

4. Г.В. Веденеева, И.И. Засавицкий, В.Г. Колошников и др., Письма ЖТФ, 1978, Т.4, С.927-935.

5. Электронный нос и проблемы безопасности / А.Г. Березин, А.Д. Бритов, Д.Ю. Наместников и др. // Наука и технологии в промышленности, 2005, №3 спецвыпуск (конгресс по безопасности),С.31-35.

6. Оптико-электронный детектор утечек метана / А.Г. Березин, А.Д. Бритов, А.И. Надеждинский, Д.Ю. Наместников // Материалы международной научн.-техн. конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», Ч. 1, Москва-2004, С. 2091-2096.

7. E.D.Hinkley, Appl.Phys.Lett., 16, 351 (1970).

8. A.Nadezhdinskii, A.Prokhorov (Ed.) "Tunable Diode Laser Applications", Proceedings SPIE, 1992, 1724, P 364-378.

9. Московский энергетический институт. Документы on-line. Радиотехника, электроника, автоматика и вычислительная техника, Фабрикант Валентин Александрович // http://www.mpei.ru/ lang/rus/main/aboutuniversity/science/scienceschools/radioeng/fabrika ntva.asp

10. Басов Н.Г., Вул Б.М., Попов Ю.М. Квантовомеханические полупроводниковые генераторы и усилители электромагнитных волн // ЖЭТФ. 1959. Т.37. - №2. - С.587-589.

11. Hall R.N., Fenner G.E., Kingley J.D., SoltysT.J., Carlson R.O. Phys. Rev. Lett., 1963, 9 (9), P 366-372.

12. Ж.И. Алферов, B.M. Андреев, E.JI. Портной и др. / Инжекционные лазеры на основе гетеропереходов в системе AlAs-GaAs с низким порогом генерации при комнатной температуре // ФТП, 1969, Т.З, С. 1328-1332

13. Исследование влияния параметров гетероструктуры в системе AlAs-GaAs на пороговый ток лазеров и получение непрерывного редима генерации при комнатной температуре /

14. П.Г. Елисеев. Полупроводниковые лазеры от гомопереходов до квантовых точек. «Квантовая электроника», 2002. В. 32. -№12. - С. 1085-1 103.

15. Многокомпонентные полупроводниковые твердые растворы и их применение в оптоэлектронике / Ж.И. Алферов, Д.З. Гарбузов, Л.М. Долгинов, П.Г. Елисеев. // Вестник АН СССР, 1978, №4, С. 31-36

16. Инжекционные гетеролазеры в системе InGaAsP с длинной волны излучения 1,3-1,5 мкм / Ж.И. Алферов, А.Т. Гореленок, В.Н. Колышкин и др. // Письма ЖТФ, 1978, Т.4, В.22, С. 1329-1333

17. Климов К.И. Технология изготовления и исследование одночастотных полупроводниковых лазеров с волоконно-брэгговской решеткой: Дис. канд. техн. наук. М.2005

18. Спонтанно формирующиеся периодические InGaAsP структуры с модулированным составом / Н.А. Берт, Л.С. Вавилова, И.П.Ипатова, В.А. Капитонов и др. //ФТП, 1999, Т.ЗЗ, В.5, С.544-548

19. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Корольков В.И., Портной Е.Л., Третьяков Д.Н. / Когерентное излучение в эпитаксиальных структурах с гетеропереходами в системе // ФТП, 1968, 2, С. 15451549

20. Capasso F., Gmachl С, Paiella R et al. // IEEE J. Select. Topics Quantum Electron. 2000, 6 (6), P.931

21. Namjou K., Cai S., Whittaker E.A., Faist J., Gmachl C, Capasso F.,Sivco D.L., Cho A.Y. // Opt. Lett. 1998, 32 (3), P.219.

22. Shoen J.H., Kloc C, Batlogg B. // Science, 2000, 288, P.2338.

23. Алферов Ж.И., Казаринов // Р.Ф.А., 1963№ 181, 737 с.

24. Рекомбинационное излучение арсенида галлия / Д.Н. Наследов, А.А. Рогачев, С.М. Рывкин, Б.В. Царенко. // ФТТ, 1962, 4, С. 1062-1065

25. Басов Н. Г., Богданкевич О. В., Девятков А. Г. Оптический квантовый генератор на кристалле CdS с возбуждением быстрыми электронами. ДАН СССР, 1964, 155, №4, 78.

26. Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.И Бородулин и др. // ФТП, 1971, 5, №5, С.972.

27. Богданкевич О.В., Елисеев П.Г., Дарзнек С.А. Полупроводниковые лазеры, М.: Наука , 1976 г., 115 с.

28. R.T.Ku, E.D.Hinkley, J.О.Sample / Monitoring of the Atmosphere // Appl.Opt., 1975, 14, 854-860.

29. М.Херман Полупроводниковые сверхрешетки: Пер. с англ.-М.: Мир, 1989.- 240 с.

30. J. Faist, F. Capasso, D.L. Sivco, et al. //Chyo. Science, 1994. V.264. P. 553-559. '

31. Ю.В. Гуляев, Человек «выдает» себя полями и излучениями// Индустрия (инженерная газета) , 2005, №34(1309), Том 61, С 1.

32. Е.В. Степанов / Методы высокочувствительного газового анализа молекул-биомаркеров в исследованиях выдыхаемого воздуха // Труды института общей физики им. А.М.Прохорова, Том 61, 2005 стр. 5-47

33. Байерман К./ Определение следовых количеств органических веществ // М.: Мир, 1987. 462 с.

34. Multigas monitors for air quality evaluation. Part 1. Principles of detection / Arenas R.V., Carney K.R., Overton E.B. Portable, // Amer. Lab. 1992. V. 24. P. 17-28.

35. Preier H. / Physics and applications of IV-VI compound semiconductor lasers // Semicond. Sci. Technol. 1990. Vol. 5. P. S12-S20.

36. Хинкли Е.Д., Нилл К.В., Блум Ф.А. / Инфракрасная спектроскопия с использованием перестраиваемых лазеров // Лазерная спектроскопия атомов и молекул / Под ред. Г. Вальтера. М.: Мир, 1979. С. 155-235.

37. Курицын Ю.А. Инфракрасная спектроскопия с инжекцион-ными лазерами. Лазерная аналитическая спектроскопия. Под общей редакцией B.C. Летохова. М.: Наука, 1986. С. 120-173.

38. Собельман И. И., Введение в теорию атомных спектров, 2 изд., М., 1977.

39. HITRAN (vll.0) // http://cfa-www.harvard.edu/hitran

40. L.S.Rothman, et.al, The HITRAN molecular spectroscopic database: edition of 2000 including uptates through 2001, JQRST, 82, P. 5-44 (2003)

41. Гайтлер В., Квантовая теория излучения, пер. с англ., М., 1956;

42. R. Н. Hall, G. Е. Fenner,J. D. Kingsley et al. / "Coherent light emission from GaAs junction" // Phys. Rev. Lett, 1962, 9, P. 366-378

43. N.G. BASOV Semiconductor lasers, Nobel Lecture, December 11, 1964; N.G. Basov, B.M Vul and Yu.M. Popov // Soviet JETP (U.S.S.R.), 1959, 37, 585

44. Камия Т.: «Физика полупроводниковых лазеров». М. Мир, 1989.

45. D. N. Nasledov, A. A. Rogachev, S. М. Ryvkin, В. V. Tsarenkov / Recombination radiation of galium arsenic // Fiz. Tverd. Tela, 1962, 4, P. 1062-1065;

46. Ландсберг Г.С. Оптика M.Наука, 1976, гл.IX, § 46.

47. Басов Н.Г., Крохин О.Н., Попов Ю.М. Получение состояний с отрицательной температурой в р-п-переходах вырожденных полупроводников. ЖЭТФ. 1961. Т.40. - №2, 1879-1880.

48. Stimulated emission of radiation from GaAs p-n junctions / M. I. Nathan, W. P. Dumke, G. Burns et al. " // Appl. Phys. Lett, 1962, 1, P. 62-64.

49. N. Holonyak Jr., S. F. Bevacgua. Coherent (visible) light emission from Ga (Asj. Fg junctions. Appl. Phys. Lett, 1962, 1, P.83-83.

50. Машкевич B.C. Кинетическая теория лазеров, Наука, М: Наука, 1971

51. Morthier G., Vankwikelberge P., Handbook of distributed feedback laser diodes, Artech House, Boston, 1997.

52. Крючков Ю.И. Использование соотношений Крамерса-Кронига для определения оптических и электрофизическиххарактеристик поверхности твердых тел // Вестн. Сиб. геодез. акад. 2000 . Вып. 5. С. 126-129.

53. Грибковский В. П. Полупроводниковые лазеры, Университетское, Минск, 1988.

54. Ж. Панков Оптические процессы в полупроводниках /Под ред. Ж.И. Алферова и B.C. Вавилова. М.: Мир, 1973. 156 с.

55. H.Statz, С.Tang, J.Lavine, J.Appl.Phys. 1964, 35, P. 2581.

56. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Электродинамика сплошных сред, Наука, Главная редакция физ-мат литературы, М, 1982.

57. Ансельм А.И., Введение в теорию полупроводников, Наука, Главная редакция физ-мат литературы, М, 1978.

58. Morthier G., Vankwikelberge P., Handbook of distributed feedback laser diodes, Artech House, Boston, 1997.

59. Уфимцев В.Б., Акчурин P. X. Физико-химические основы жидкофазной эпитаксии.- М.: Металлургия, 1983.

60. Асеев А. Л. «Нанотехнологии в полупроводниковой электронике». Новосибирск, 2004.

61. J.Reid, J.Shewchun, B.S.Garside, and A.E.Ballik, Appl.Opt. 1978, 17, P. 300

62. H.I.Schiff, G.I.Mackay, J.Bechara, / Air Monitoring by Spectroscopic Techniques / M.W.Sigrist, 1994 (Ed.), Wiley, N.Y,.

63. C.Webster, R.Menzies, E.Hinkley / Infrared Laser Absorption: Theory and Applications, in Laser Remote Chemical Analysis, // ed. R.Measures (Wiley, NY, 1988), p. 163

64. E.Hinkley, R.Ku, P.Kelley, / Laser monitoring of atmosphere, // (Springer Verlag, Berlin 1976), 237-295

65. Курицин Ю.А., в сб. "Лазерная аналитическая спектроскопия" под ред. В.В.Летохова, 1986, М., Наука, С.120-173

66. D.Brassington, R.Hester, R.Clark / Spectroscopy in Environment Science // Advances in Spectroscopy, 1994, vol 24, Wiley, Chichester, p.85-148.

67. Brassington D., / Spectroscopy in Environment Science // R.Clark, R.Hester (eds.), Wiley, NY, 85-147 (1995)

68. Werle P., Spectrochimica Acta A, 1998, 54, P. 197-236

69. F.Tittel, D.Richter, A.Fried, / Solid-State Mid-IR Laser Sources // T.Sorokina, K.Vodopyanov (eds), Topics Appl.Phys. 2003, 89, P. 445-510

70. L.Rothman, et.al., HITRAN Database, JQRST, 60 (1998) 665.

71. Особенности фокусировки выходного излучения в лазере с распределенным брэгговским зеркалом с искривленными штрихами /Г.С. Соколовский, В.В. Дюделев, И.М. Гаджиев и др. // Письма в ЖЭТФ, Т. 31, В. 19, С. 28.

72. Одночастотный полупроводниковый лазер на X = 1,06 мкм с распределенным брэгговским зеркалом в волоконном световоде. / Дураев В.П., Неделин Е.Т., Недобывайло Т.П и др. // "Квантовая электроника", 1998, т.25, N40, с.301-302.

73. Appl. Phys. Lett.,1978, V32, pp.647-649.

74. Sale Т. E. Vertical Cavity Surface Emitting Lasers. NY: John Wiley & Sons Inc., 1995.

75. Wilsmen C. W., Temkin H., Coldren L. Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers; Design, Fabrication, Characteriza tion and Application / Cambridge: University Press, 1999.

76. Cheng J., Dutta N. K. Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers: Technology and Applications, Gordon and Breach Science Publishers. 2000.

77. Li H. E., Kenichi Iga. Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, Devices. Berlin: Springer Verlag, 2002.

78. И. И. Засавицкий, Квантовые каскадные лазеры. Учебное пособие к спецкурсу «Полупроводниковые гетероструктуры», Москва 2002 г.

79. Р. Ф. Казаринов, Р. А. Сурис. ФТП, 5, 797 (1971).

80. Alpes Lasers, Boston Electronics Corporation, 91 Boylston Street, Brookline, Massachusetts, 02445 USA (800)347-5445 or (617)566-3821 fax (617)731-0935, www.boselec.com

81. A. A Kosterev, R. F. Curl, F. K. Tittel et al. // Laser Phybics, 2001, 11, P. 39

82. Мирошникова И.Н. Глубокоохлаждаемые фотоприемники на основе антимонида индия: Дис. доктора техн. наук. М. 2005.

83. Дулин В.Н. Электронные приборы, 1977, 424 с.

84. Handbook of optics/sponsored by the Optical Society of America; M.Bass, editor in chief. 2nd ed. McGraw-Hill, Inc., NY, 1995.

85. Физика микросхем: учеб. Пособие / В.А. Гридчин, И.Г. Неизвестный, В.Н. Шумский. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006 - 496. - («Учебники НГТУ». 4.2)

86. Конников С.Г. Современные методы диагностики в твердотельной электронике. // Конференция Соросовских учителей

87. Klauder J.R. and Sudarshan E.C.G., Fundamentals of Quantum Optics, W.A.Bengamin, Inc., NY, Amsterdam, 1968; русский перевод Дж.Клаудер, Э.Сударшан, Основы квантовой оптики, ред. С.А.Ахманов, "Мир", М, 1970

88. C.H.Townes, Nuovo Cimento Suppl., 5, 222 (1957).

89. Glauber R.J., Quantum Optics and Electronics, ed. C.DeWitt, A.Blandin, C.Cohen-Tannoudji, NY, 1964; русский перевод в сборнике «Квантовая оптика и квантовая радиофизика», Мир, 1966.

90. Lax М., Phys.Rev., 160, Р. 290, 1967.

91. Ланцош К. Практические методы прикладного анализа. Справочное руководство». Государственное издательство Физико-математической литературы. Москва 1961 г.

92. Allan D. Proc. IEEE, 1966, 54, 221.

93. Werle P., Mucke R., Slemr F., Appl. Phys. B, 1993, 57, P.131-139

94. А.П.Астахова, Т.Н.Данилова, А.Н.Именкова, Ю.П.Яковлев: Одномодовые быстроперестраиваемые лазеры для диодно-лазерной спектроскопии // Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 8

95. Попов А.К. Лазерная спектроскопия, ограниченная доплеровским уширением // Сорсовский образовательный журнал №3, 1998

96. A.Nadezhdinskii, Diode laser frequency tuning, Spectrochimica Acta, 1996, A52, P. 959-965

97. Бугер П., Оптический трактат о градации света, пер. с франц., М., 1950;

98. Ю.В.Косичкин, А.И.Кузнецов, А.И.Надеждинский и др. // Квантовая электроника, 9, №4, 822-825 (1982)

99. И.И.Засавитский, . А.И.Надеждинский, и др. // Письма в ЖТФ, 8, №10, 1168-1171 (1982)

100. Smith R., Jones F., Chasmar R., Detection and measurement of infrared radiation, Oxford University, London, (1957)

101. Трехканальная оптоэлектронная система дистанционного обнаружения следов газов на базе диодных полупроводниковых лазеров / А.Г.Березин, И.Е.Вязов, . Д.Ю. Наместников и др. // VI

102. А.Д. Бритов, И.Н. Мирошникова, А.И. Надеждинский, Д.Ю. Наместников / Трехканальный детектор на основе РОС гетеролазеров для мониторинга следов газов. // "Вестник МЭИ", 3/2007, Москва

103. Сайт производителя отоэлектронного оборудования (приемники и источники излучения в широком спектре) // http://sales.hamamatsu.com

104. Оптоэлектронная система определения следов газов. / А.Г. Березин, А.Д. Бритов, . Д.Ю. Наместников и др. / / Седьмой Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», май 2005, Москва, Тезисы докладов.

105. Электронный нос и проблемы безопасности / А.Г.Березин, А.Д.Бритов. Д.Ю. Наместников и др. // Наука и технологии в промышленности, 3/2005, конгресс по безопасности, спецвыпуск, стр.3 1

106. Дистанционное детектирование ВВ методами диодной лазерной спектроскопии (ДЛС) / А.Г.Березин, С.Л.Малюгин,

107. Remote helicopter-borne detector for searching of methane leaks / A.G. Berezin, S.V Malyugin, . D.Yu. Namestnikov et al. // Spectrochimica Acta Part A 66 (2007) p. 803-806

108. Физические величины, Справочник, ред. И.С.Григорьев, Е.З.Мелихов, М., Энергоатомиздат, (1991).