Диссертация (Разработка методики и технических средств анализа нанообъектов на примере патогенных микроорганизмов в питьевой воде), страница 10

Они приведены в Таблице 3. В этой же таблице приведены показатели рассеяния для чистой воды из работы [112] и рассчитанные по [55] и[109] показатели ослабления ε, а также вероятность выживания фотона Λ.Минимальные величины κ=0,0045 (м-1) наблюдаются около длины волны420 нм. В спектральном окне прозрачности 400–440 нм показатель поглощенияслабо изменяется – от 0,0045 до 0,0066 (м-1).

За его пределами он быстро увеличивается и в коротковолновой, и, особенно, в длинноволновой областях спектра.60Так, в красной области при длине волны 720 нм величина κ превышает его минимальную величину при 420 нм в 274 раза.Таблица 3.Оптические свойства дистиллированной воды (Т = 20°С)λ,нмκ·103 σ·103 ε·103 Λλ,1/мнм1/м1/м380 1,345 11,4 5,917,3 0,34 530m390 1,344 8,55,313,80,38 5401,335 47,41,4048,80,029400 1,343 6,64,811,40,42 5501,334 56,51,3057,80,022410 1,343 4,74,49,10,48 5601,334 61,91,2063,10,019420 1,342 4,54,08,50,47 5701,334 69,51,1070,60,016430 1,341 5,03,68,60,42 5801,333 89,61,1090,70,012440 1,340 6,33,29,50,34 5901,333 135,1 1,00136,1 0,007450 1,340 9,22,912,10,24 6001,333 222,4 0,93223,3 0,004460 1,339 9,82,712,50,22 6101,332 264,4 0,87655,3 0,003470 1,338 10,62,413,00,18 6201,332 275,5 0,82276,3 0,003480 1,337 12,72,214,90,15 6401,332 310,8 0,72311,5 0,002490 1,337 15,02,017,00,12 6601,331 410,9 0,64410,6 0,001mκ·103 σ·103 ε·103 Λ1/м1/м1/м1,335 43,4 1,50 44,9 0,033Определим следующую метрологическую характеристику – диапазон рабочих длин волн возбуждающего излучения.Рассмотрим ближний ИК-диапазон возбуждающего излучения.

На Рис.3.2 представлен коэффициент пропускания воды [27].В диапазоне длины волны рассеяния от 0,6 до 1,4 мкм наблюдаетсянаименьшее влияние шумов воды. Однако стоит заметить, что в видимом диапазоне происходит люминесценция большого ряда веществ, которые принципиально не являются патогенными микроорганизмами, что несколько сокращаетвыбранный диапазон [107].61Рис. 3.2. Зависимость коэффициента пропускания воды в ближнеминфракрасном диапазонеНа Рис. 3.3 показана характеристика спектра для параметра затуханиястандартного одномодового оптоволокна из кварца [25]. Указанная особенностьхарактеризуется следующими утверждениями [64]:1.Общая динамика спада уровня затухания коэффициента α при переходе в длинноволновую область, зависящая от величины 4λ/l, поскольку присутствуют потери, вызванные Рэлеевским рассеянием;2.Резкий рост затухания в диапазоне длин волн более 1600 нм, возникающий из-за потерь при поглощении излучения кварцевым стеклом;3.Наличие локальных пиков, возникающих в результате резонансагармонических поглощений веществ гидроксогруппы ОН–.62Рис.

3.3. Типовой спектр параметра затухания унифицированного кварцевого оптического волокна для одномодового излученияТакже при подборе излучателей следует провести дополнительные исследования на сохранение заданных параметров при длительной работе прибора.Анализ показывает, что для экспериментальной установки необходимоподбирать рабочую длину волны рассеяния в диапазоне от 0,6 до 1,37 мкм.3.1.1.

Требования к метрологическим характеристикам лазерногоисточника излученияРассмотрим подробнее источники излучения, имеющие перспективу использования в экспериментальной установке. По ряду важных характеристикполупроводниковые лазеры существенно отличаются от других типов [13]:1.Квантовые переходы в лазерах, таких как твердотельные или газовые, выполняются на дискретными энергетическими уровнями, тогдакак в полупроводниковых лазерных источниках излучения переходына мпетастабильные уровни происходят за счет зонной полупроводниковой структурой материала.632.Полупроводниковые лазеры имеют очень малые размеры (~0,1 мм вдлину), и, так как активная область у них очень узкая (~1 мкм именьше), расхождение лазерного луча значительно больше, чем у лазера с дискретными уровнями.3.Пространственные параметры и особенности спектра генерируемогоизлучения п/п лазерного источника критически зависит от параметров подложки, на которой изготавливался квантовый переход(например, схема запрещенной области или параметр преломления).4.В лазере с р-n-переходом лазерное излучение возникает непосредственно под действием тока, протекающего через прямо-смещенныйдиод.

В результате система в-целом очень эффективна, посколькупозволяет легко осуществлять модуляцию излучения за счет модуляции тока. Так как полупроводниковые лазеры характеризуются оченьмалыми временами стимулированного излучения, модуляция можетпроводиться на высоких частотах.Твердотельные лазеры, в-целом, отличаются высокой яркостью и плотностью мощности излучения, за счет возможности работать в одномодовом (по поперечным индексам) режиме с хорошим качеством цуга волн в сочетании с режимом модуляции добротности, недоступным для лазеров иной природы [79].Благодаря повышенной пиковой плотности мощность имеется возможность эффективно производить передачу энергии твердотельного лазера из ближнего ИКдиапазона в видимый и ультрафиолетовый диапазоны спектра излучения, в томчисле и в средний ИК-диапазон.Как сказано выше, для работы экспериментальной установки необходимарабочая длина волны рассеяния в диапазоне от 0,6 до 1,37 мкм.

Проведем анализвыполненных ранее исследований с использованием лазерного излучения надлинах волн λ1=0,67, λ2=0,8, λ3=1,017 мкм. На Рис. 3.4. показаны примеры спектральных распределений лазерной моды после прохождения водопроводной воды (а, б, в – различные номера измерений для длины волны λ1=0,67 мкм, г –для λ3=1,017 мкм).64абРис. 3.4. Спектральные распределения лазера, прошедшего кювету с водопроводной водой (с длиной волны а, б, в – λ1=0,67 мкм, г – λ2=0,67 мкм)65вгРис.

3.4. Спектральные распределения лазера, прошедшего кювету с водопроводной водой (с длиной волны а, б, в – λ1=0,67 мкм, г – λ2=1,017 мкм)Статистическая обработка показала, что излучение лазера с рабочей длиной волны λ=0,67 мкм сильно подвержено влиянию неорганического состава во-66допроводной воды, расщепляющего основную лазерную моду, что не позволяетиспользовать его в качестве источника излучения для наших исследований.Излучение от источников диапазона от 0,8 до 1,017 мкм достаточно стабильно, чтобы использовать его для исследований комплексного метода ВРМБ.На этапе проведения лабораторных экспериментов в качестве источникаизлучения выбран блок полупроводниковых излучателей.

Для стабильной работы во время длительной эксплуатации оборудования, основанного на разрабатываемом методе, следует использовать твердотельные источники излучения.Лабораторный лазерный модуль (ИЛПН-246) был специально разработанв НПО «ПОЛЮС» и выполнен в виде блока, состоящего из нескольких лазерныхгенераторов с длинами волн λ = 830, 1013 нм, имеющих возможность сопряженния с оптоволокном. Метрологические параметры блока излучателей, взятые изтехнических условий на данное устройство, представлены в Таблице 4.Таблица 4Наименование параметра,единица измеренияСредняя мощность лазерного излучения, мВтШирина спектральной линии лазерного излучения, МГцРазмер выходного пучка лазерного излученияв плоскости, параллельной p–n переходу нарасстоянии, мм:(10 ± 1) см;(60 ± 1) см:Размер выходного пучка лазерного излученияв плоскости, перпендикулярной p–n переходуна расстоянии, мм:(10 ± 1) см;(60 ± 1) см:Норма,не менее150-Норма,номинал-Норма,не более102,12,12,52,13,12,13,93,9-5,05,0-5,35,310-3Расходимость лазерного излучения, радПовышенная температура среды:Рабочая, °СПредельная (излучатель в выключенном состоянии), °СПониженная температура среды:Рабочая, °СПредельная (излучатель в выключенном состоянии), °СИзменение температуры окружающей среды от –50 до +50 °С305015-50673.1.2.

Требования к метрологическим характеристикамоптоволоконного трактаКак сказано ранее, для точности эксперимента необходима стабильностьвозбуждающего излучения. От лазерного источника излучение следует подаватьна исследуемый раствор по оптическому одномодовому волокну, производствокоторого налажено, широко используется в современных оптоволоконных линиях связи. Для решения подобного рода задач наиболее часто применяются стандартные одномодовые волокна (Single mode fiber), удовлетворяющие рекомендациям международного стандарта ITU G.652.Передача выходного излучения на анализатор оптического спектра производится при помощи собирающей оптики, направляющей рассеянное излучение по многомодовому градиентному волокну.

Выбор типа оптоволокна основанна том, что рассеянное излучение может содержать несколько частотных максимумов, несущих в себе полезный сигнал. В соответствии с международнымстандартом FDDI оптическое волокно в диапазоне длин волн от 0,85 до 1,3 мкмимеет широкополосность порядка 160-500 МГц∙км. Однако, этот показатель рассчитан для случая использования слабо когерентного источника, и может бытьзначительно меньшим для выбранного нами выше блока лазеров.Способ сопряжения волокна с элементами оптоволоконного тракта, источником излучения и анализатором спектра соответствует [21, 84] и являетсястандартным для современных линий оптоволоконной связи.Разработаем требования к необходимым в схеме оптическим элементам ирассмотрим возможные варианты отечественных и зарубежных компонентов.Оптическое кварцевое стекло предназначено для производства оптических деталей работающих в диапазоне от 0,16 до 3,5 мкм [111]. Кварцевое стеклоимеет существенно меньшую плотность, чем кристаллический кварц, однакопрочностные характеристики данного материала достаточно высоки [116].

Проведем анализ современного рынка компонентов оптоволоконного тракта.68В зависимости от области спектрального пропускания современный рынок представлен следующими марками кварцевого стекла:1. Стекло кварцевое КУ-1.Стекло КУ-1 кварцевое оптическое, прозрачное в ультрафиолетовой ивидимой частях спектра без полос поглощения рабочей области по длинам волнизлучения от 172 до 251 нм, с интенсивной полосой поглощения в интервале от2600 до 2800 нм, нелюминесцирующее, радиационно-оптически устойчивое.Спектр пропускания стекла из материала КУ-1 толщиной 10 мм представлен на Рис.

3.5 [120].Рис. 3.5. Спектр пропускания кварцевого стекла КУ-12. Стекло кварцевое КВ.Стекло КВ кварцевое оптическое, прозрачное в исследуемых областяхдлин волн излучения, с заметными полосами поглощения в интервале длин волнот 172 до 251 нм дял контроля и без полос в рабочем диапазоне длин волн.Спектр пропускания стекла из материала КВ толщиной 10 мм показан наРис. 3.6 [120].3.