PL249096B1 - Sposób laserowej detekcji światła - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób laserowej detekcji światła, przeznaczony do stosowania systemach monitorowania zanieczyszczeń powietrza, wykrywaniu emisji oraz wycieków gazów, w którym wytwarzaną przez laserowy układ optyczny wiązkę światła (2) wprowadza się do światłowodu (3) z pustym rdzeniem, przez który przepuszcza badany gaz, przy czym na końcu światłowodu (3) umiejscowiony jest element odbijający światło (4), od którego wiązka światła (2) odbija się i biegnąc zwrotnie kierowana jest do detektora (5), który charakteryzuje się tym, że cześć wiązki światła (2), która wychodzi z laserowego układu optycznego, kieruje się na zwierciadło paraboliczne (8), z którego kolejno kieruje się ją do wyżej wymienionego światłowodu (3), a część zatrzymuje się na umiejscowionym na drodze tej wiązki światła (2) zwierciadle (9); zaś przechodząca zwrotnie przez światłowód (3), po odbiciu od umiejscowionego na jego końcu elementu obijającego światło (4), wiązka światła (2) pada na kolimujące ją wyżej wymienione zwierciadło paraboliczne (8), z którego kieruje się ją na wyżej wymienione usytuowane na drodze wiązki światła (2) zwierciadło (9), od którego w części odbitej kierowana jest do detektora (5).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób laserowej detekcji światła przeznaczony do stosowania w systemach monitorowania zanieczyszczeń powietrza, wykrywaniu emisji oraz wycieków gazów.

Laserowa/optyczna detekcja gazów polega na analizie stopnia pochłaniania światła o określonej długości fali przez próbkę gazu. Taka analiza wymaga aby wiązka światła propagowała się w badanej próbce gazu. Analizując zmianę transmisji w funkcji długości fali możemy określić stężenie wybranej molekuły w próbce. W laserowej detekcji gazów preferowane jest stosowanie fal z zakresu średniej podczerwieni. W tym zakresie spektralnym wiele gazów posiada najsilniejsze linie absorpcyjne co przekłada się na większą czułość detekcji (w porównaniu do fal z zakresu bliskiej podczerwieni, tzn. krótszych niż 3 pm),

Znane są układy do detekcji gazów, w których komórką pomiarową są światłowody typu hollowcore (HCF). W światłowodach tego typu istnieje możliwość wprowadzenia próbki gazu do pustego rdzenia, w którym dochodzi do interakcji pomiędzy wiązką światła i badanym gazem. Większość znanych dotychczas rozwiązań tego typu opiera się na zasadzie, wedle której wiązka światła jest sprzęgana do światłowodu z jednej strony, a detekcja sygnału po przejściu przez próbkę dokonywana jest po drugiej jego stronie. Wadą takiego rozwiązania jest konieczność posiadania ciągłego dostępu do obu końców światłowodu (źródło światła po jednej stronie, detektor po drugiej). Alternatywną powyższej konfiguracji jest wykorzystanie tylko jednej końcówki światłowodu do wprowadzania i wyprowadzania światła. Do tego celu używa się światłowodów z powietrznym rdzeniem w formie czujników endoskopowych. Dodatkową zaletą takich rozwiązań jest również dwukrotne wydłużenie drogi optycznej, na której dokonuje się pochłanianie światła, przez co wzrasta czułość detektora. W dotychczas znanych rozwiązaniach, w których wiązka światła wprowadzana jest do światłowodu HCF, a następnie w drodze powrotnej kierowana jest do detektora wymaga stosowania cyrkulatora optycznego. Jest to element światłowodowy dostępny jedynie w zakresie długości fali do około 2 pm. Takie rozwiązanie nie może być więc zastosowane dla fal w średniej podczerwieni 3 pm i więcej.

Znany jest z chińskiego zgłoszenia wynalazku CN104949920(A) odblaskowy system wykrywania gazu oparty na pustym w środku włóknie fotonicznym, Odblaskowy system wykrywania gazu składa się ze źródła światła, cyrkulatora. sondy czujnikowej i modułu demodulacji widma. Sygnały świetlne emitowane przez źródło światła wchodzą najpierw do portu pierwszego cyrkulatora. a następnie są wyprowadzane z portu drugiego cyrkulatora i wchodzą do sondy czujnikowej. Podczas sekwencyjnego przechodzenia przez włókno jednomodowe, włókno z kryształu fotonicznego z pustym rdzeniem i włókno wielomodowe w sondzie czujnikowej, sygnały świetlne odbijają się w zwierciadle o wysokim współczynniku odbicia na końcu włókna wielomodowego i kolejno odbite przechodzą przez włókno wielomodowe, włókno z kryształu fotonicznego z pustym rdzeniem i włókno jednomodowe, a następnie wracają do portu drugiego cyrkulatora. po czym są wyprowadzane z trzeciego portu cyrkulatora i wprowadzane do jednostki demodulacji widma w celu przetwarzania danych, tak aby można było obliczyć stężenie gazu, które ma zostać wykryte w pustym rdzeniu włókna z kryształu fotonicznego.

Celem według wynalazku jest rozwiązanie, które umożliwi wprowadzenie i wyprowadzenie światła z włókna mikrostrukturalnego bez konieczności stosowania cyrkulatora, w konsekwencji w sposób umożliwiający zastosowanie tego układu w średniej podczerwieni, gdzie znajdują się najsilniejsze linie absorpcyjne wielu gazów.

Sposób laserowej detekcji światła, w którym wytwarzaną przez laserowy układ optyczny wiązkę światła wprowadza się do światłowodu z pustym rdzeniem, przez który przepuszcza się badany gaz, przy czym na końcu światłowodu umiejscowiony jest element odbijający światło, od którego wiązka światła odbija się i biegnąc zwrotnie kierowana jest do detektora, według wynalazku charakteryzuje się tym, iż część wiązki światła, która wychodzi z laserowego układu optycznego, kieruje się na zwierciadło paraboliczne, z którego kolejno kieruje się ją do wyżej wymienionego światłowodu, a część zatrzymuje się na umiejscowionym na drodze tej wiązki światła zwierciadle; zaś przechodząca zwrotnie przez światłowód, po odbiciu od umiejscowionego na jego końcu elementu obijającego światło, wiązka światła pada na kolimujące ją wyżej wymienione zwierciadło paraboliczne, z którego kieruje się ją na wyżej wymienione usytuowane na drodze wiązki światła zwierciadło, od którego w części odbitej kierowana jest do detektora.

Korzystnie, stosuje się laserowy układ optyczny, w którym wychodzącą ze źródła światła wiązkę światła zatamuje się o kąt 45° na jednym zwierciadle płaskim, po czym kolejno o kąt 45° na drugim zwierciadle płaskim, z którego kolejno wiązka światła kierowana jest na wyżej wymienione zwierciadło paraboliczne.

Korzystnie, jako zwierciadło, które umiejscowione jest przed zwierciadłem parabolicznym, stosuje się zwierciadło o kształcie lilery D (zwierciadło typu D-shape).

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest brak potrzeby stosowania cyrkulatora co pozwala na zastosowanie go także w zakresie średniej podczerwieni. W konsekwencji, możliwa jest detekcja niższych stężeń gazów (w porównaniu do bliskiej podczerwieni) ze względu na obecność w średniej podczerwieni najsilniejszych linii absorpcyjnych wielu gazów. Rozwiązanie według wynalazku otwiera nowe pola zastosowań dla światłowodowych czujników gazów, niedostępne dla wcześniejszych konfiguracji transmisyjnych. Dodatkową zaletą układu odbiciowego jest fakt, iż światło pokonuje dwukrotnie większą drogę optyczną wewnątrz światłowodu.

Przedmiot wynalazku został bliżej objaśniony w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia układ optyczno-laserowy do realizacji sposobu według wynalazku, przy czym (a) przedstawia przebieg wiązki światła od źródła do końca światłowodu; (b) przebieg wiązki światła od końca światłowodu do detektora, fig. 2 (a) sygnały na wyjściu detektora zarejestrowane w czasie przestrajania źródła, dla światłowodu wypełnionego gazem zawierającym 1000 ppm metanu oraz azotem (0 ppm); (b) sygnały WMS (wavelength modulation spectroscopy) na wyjściu wzmacniacza fazoczułego zarejestrowane w czasie przestrajania źródła, dla światłowodu wypełnionego gazem zawierającym 1000 ppm metanu, 100 ppm metanu oraz azotem (0 ppm). W obu wykresach „punkty pomiarowe” odpowiadają długości fali emitowanej ze źródła.

Sposób laserowej detekcji światła w przykładzie realizacji według wynalazku polega na tym, iż emitowaną przez laserowe źródło światła 1 wiązkę światła 2 wprowadza się do światłowodu 3 z pustym rdzeniem, przez który przepuszcza się badany gaz, przy czym na końcu światłowodu 3 umiejscowiony jest element odbijający światło 4, od którego wiązka światła 2 odbija się i biegnąc zwrotnie kierowana jest do detektora 5. Przed wprowadzeniem do wspomnianego powyżej światłowodu 3 wychodzącą ze źródła światła 1 wiązkę światła 2 załamuje się o kąt 45° na uchylnym zwierciadle płaskim 6, po czym kolejno o kąt 45° na kolejnym uchylnym zwierciadle płaskim 7, Następnie część wiązki światła 2 odbitej od drugiego zwierciadła płaskiego 7 kieruje się na zwierciadło paraboliczne 8, z którego kolejno kieruje się ją do wyżej wymienionego światłowodu 3, a część zatrzymuje się na umiejscowionym na drodze tej wiązki światła 2, to jest drodze wiązki światła 2 pomiędzy drugim zwierciadłem płaskim 7 a zwierciadłem parabolicznym, zwierciadle 9, Tak więc, wymieniony w istocie według wynalazku i zastrzeżeniu patentowym laserowy układ optyczny tworzą dwa wyżej wymienione zwierciadła płaskie 6, 7 oraz laserowe źródło światła 1. Przechodząca zwrotnie przez światłowód 3, po odbiciu od umiejscowionego na jego końcu elementu obijającego światło 4, wiązka światła 2 pada na kolimujące ją wyżej wymienione zwierciadło paraboliczne 8, z którego kieruje się ją na wyżej wymienione zwierciadło 9, które umiejscowione jest na drodze wiązki światła 2 pomiędzy drugim zwierciadłem płaskim 7 a zwierciadłem parabolicznym 8 i od którego w części odbitej kierowana jest do detektora 5. Sygnał z detektora 5 jest analizowany bezpośrednio na oscyloskopie cyfrowym lub za pośrednictwem odpowiedniego demodulatora, którego celem jest wyznaczenie stężenia badanej molekuły na podstawie pomiaru widma absorpcyjnego. Wejście światłowodu 3 umieszczone jest w szczelnej obudowie 10, do której podłączona jest pompa 11, dzięki której możliwe jest zassanie badanego gazu do wnętrza światłowodu 3 poprzez wytworzenie podciśnienia. Zwierciadło paraboliczne 8 może, ale nie musi, znajdować się wewnątrz obudowy 10, Jako zwierciadło 9, które umiejscowione jest przed zwierciadłem parabolicznym 8 stosuje się zwierciadło typu D-shape, przy czym zamiast zwierciadła typu D-shape może być użyte zwierciadło o innym kształcie. Istotne jest, aby powyższe zwierciadło 9 miało ostrą krawędź, umożliwiającą odbicie części wiązki światła 2 przy jednoczesnym pozostawieniu nienaruszonej pozostałej części wiązki (takie zwierciadła w literaturze określane są także jako „picking-off mirror” lub „pick-off mirror”). Zwierciadło 9 „picking-off mirror” musi być umieszczone w odpowiedniej pozycji, to znaczy w taki sposób, aby nie blokować w całości wiązki kierującej się do światłowodu 3. Właściwa pozycja zwierciadła 9 „picking-off mirror” zależy od warunków eksperymentalnych, w tym między innymi od tłumienności światłowodu mikrostrukturalnego, ilości światła powracającego ze światłowodu 3 i czułości detektora 5. Działanie rozwiązania według wynalazku polega na pomiarze widma absorpcyjnego. Na podstawie takiego widma, znając długość toru optycznego, możliwe jest wyznaczenie stężenia molekuły w oparciu o prawo Beera-Lamberta. Sposób analizy sygnału z detektora 5 może polegać na analizie widma absorpcyjnego (tzw. direct absorption spectroscopy, DAS), na przykład poprzez dopasowanie mierzonego sygnału za pomocą odpowiedniego modelu. Innym rozwiązaniem może być sinusoidalna modulacja długości fali ze źródła i demodulacja sygnału z detektora 5 za pomocą wzmacniacza fazoczułego (tzw, wavelength modulation spectroscopy, WMS). Rozwiązanie według wynalazku przetestowano w układzie, w którym źródłem światła był jednoczęstotliwościowy laser kaskadowy typu ICL emitujący w pobliżu 3.3 pm. Długość fali była przestrajana w celu rejestracji linii absorpcyjnej metanu. Światło podczerwone było kierowane do światłowodu HCF za pomocą układu dwóch uchylnych zwierciadeł oraz zwierciadła parabolicznego, Pomiędzy zwierciadłami płaskimi 6, 7 i zwierciadłem parabolicznym 8 wstawione było zwierciadło 9 typu D-shape. Światło propagowało się w światłowodzie 3, a po odbiciu się od lustra umieszczonego na jego końcu zawracało i propagowało się w przeciwnym kierunku. Po opuszczeniu światłowodu 3 wiązka była kolimowana przez zwierciadło paraboliczne 8. Zwierciadło 9 typu D-shape kierowało część skolimowanej wiązki w stronę detektora 5. Sygnał z detektora 5 był demodulowany za pomocą wzmacniacza fazoczułego w celu wyselekcjonowania sygnału 2f WMS, którego amplituda jest proporcjonalna do głębokości linii absorpcyjnej (która jest powiązana ze stężeniem poprzez prawo Beera-Lamberta). Gaz był zasysany do detektora 5 poprzez szczelną obudowę 10, która umożliwiała także wtłaczanie gazu do światłowodu 3. Przykładowe sygnały zarejestrowane w układzie zaprezentowano na fig. 2. Punkty pomiarowe widoczne na obu wykresach odpowiadają długości fali. Na fig. 2 rysunku zaprezentowano sygnał zarejestrowany bezpośrednio na wyjściu detektora 5 dla dwóch przypadków, gdy światłowód 3 wypełniony był próbką gazu zawierającą 1000 ppm metanu (ppm od ang, parts per million) oraz próbką bez metanu (0 ppm). W zakresie przestrajania lasera widoczne są dwie linie absorpcyjne, pary wodnej (w pobliżu punktu pomiarowego 450) oraz metanu (w pobliżu punktu pomiarowego 1000). Linia pary wodnej jest widoczna, gdyż para wodna znajdowała się w części układu pomiędzy źródłem, światłowodem 3 i detektorem 5. Na fig. 2 rysunku zaprezentowano sygnały na wyjściu wzmacniacza fazoczułego, skorygowane o sygnał zarejestrowany dla światłowodu wypełnionego azotem (z tego powodu nie jest widoczny sygnał od pary wodnej). Sygnały widoczne na fig. 2 rysunku zostały zarejestrowane, gdy światłowód 3 wypełniony był próbką, zawierającą 1000 ppm metanu, 100 ppm metanu oraz azot (0 ppm metanu). Przedstawione na fig, 2 rysunku sygnały wskazują, że zaprezentowana metoda pozwala na rejestrowanie linii absorpcyjnych dla stężeń metanu na poziomic znacznie poniżej 1%, co może być korzystne na przykład w zastosowaniach takich jak monitorowanie wycieków gazów.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób laserowej detekcji światła, w którym wytwarzaną przez laserowy układ optyczny wiązkę światła wprowadza się do światłowodu z pustym rdzeniem, przez który przepuszcza się badany gaz. przy czym na końcu światłowodu umiejscowiony jest element odbijający światło, od którego wiązka światła odbija się i biegnąc zwrotnie kierowana jest do detektora, znamienny tym, że część wiązki światła (2), która wychodzi z laserowego układu optycznego, kieruje się na zwierciadło paraboliczne (8), z którego kolejno kieruje się ją do wyżej wymienionego światłowodu (3), a część zatrzymuje się na umiejscowionym na drodze tej wiązki światła (2) zwierciadle (9); zaś przechodząca zwrotnie przez światłowód (3), po odbiciu od umiejscowionego na jego końcu elementu obijającego światło (4), wiązka światła (2) pada na kolimujące ją wyżej wymienione zwierciadło paraboliczne (8), z którego kieruje się ją na wyżej wymienione usytuowane na drodze wiązki światła (2) zwierciadło (9), od którego w części odbitej kierowana jest do detektora (5).
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się laserowy układ optyczny, w którym wychodzącą ze źródła światła (1) wiązkę światła (2) załamuje się o kąt 45° na jednym zwierciadle płaskim (6), po czym kolejno o kąt 45° na drugim zwierciadle płaskim (7).
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako zwierciadło (9), które umiejscowione jest przed zwierciadłem parabolicznym (8), stosuje się zwierciadło o kształcie litery D.