Фазовый метод активно используется в изучении потерь электромагнитных колебаний и волн в различных объектах. Он заключается в измерении сдвига фазы модулированного по амплитуде излучения на выходе из объекта по сравнению с фазой излучения, падающего на объект. В оптике подобный способ используется с 1933 года для измерения времени жизни возбужденных состояний частиц. В 1980 году с его помощью было определено время жизни фотона в оптическом резонаторе, составленном из зеркал. 

Применительно к измерению поглощения этот метод принято назвать PS-CRDS (phase shift cavity ring-down spectroscopy, т.е. спектроскопия по фазовому сдвигу затухающего излучения, проходящего через резонатор) или CAPS (cavity attenuated phase shift – фазовый сдвиг при затухании излучения в резонаторе). В оптических исследованиях метод может использоваться на простых установках, но при этом он демонстрирует высокую чувствительность измерений порядка 10^-11 см^-1. Основное применение CAPS находит в газоанализе, в том числе при изучении атмосферы и в медицинских исследованиях, как правило, в ситуациях, когда требуется распознать газ в небольшой концентрации. Группа ученых из ФИАН им. Лебедева разработала новый метод, благодаря которому можно улучшить свойства газоанализатора. 

«Рингдаун-спектроскопия основывается на измерении времени затухания излучения, – рассказывает один из разработчиков нового метода газоанализа, ведущий научный сотрудник ФИАНа, к.ф.-м.н. Сергей Цхай. – Мы также обратились к его измерению, но регистрировали при этом не изменения интенсивности света, а модулировали его с определенной частотой и регистрировали сдвиг фазы модуляции света после прохождения резонатора. Таким образом мы ушли от измерения амплитуды, с которой в большей степени связано появление шумов». 

В своей работе физики использовали полупроводниковые диодные лазеры, наиболее перспективные в высокочувствительной спектроскопии, поскольку частотная перестройка в них осуществляется с помощью инжекционного тока. Такое управление позволяет обойтись без внешнего модулятора и облегчает контроль параметров лазерного излучения. 

Однако при использовании метода CAPS с диодным лазером возникает существенная проблема. Амплитудная модуляция интенсивности сопровождается частотной модуляцией, которая ограничивает чувствительность измерений и снижает разрешение регистрации спектра. Но исследователи нашли выход. 

«Диодный лазер управляется током. Мы можем задать ток определенной формы, меняющийся периодически по амплитуде, и модулировать излучение лазера на частоте, относительно низкой по сравнению с оптической. С одной стороны, это упрощает подавление шумов, а с другой – у диодного лазера при изменении тока меняется и амплитуда, и длина волны излучения», - говорит С.Цхай. Несмотря на это, физикам удалось выделить именно спектр поглощения. По изменениям фазы модуляции они определили, как меняется частота излучения лазера, и установили оптический спектр. 

Это было достигнуто с применением специальной формы импульса инжекционного тока с переменной глубиной модуляции. Такой прием не только сохраняет чувствительность фазового метода к поглощению на фиксированной длине волны, но и одновременно позволяет регистрировать спектр с высоким разрешением. Последнее весьма важно при работе с многокомпонентными следами, когда необходимо отнести поглощение к конкретному веществу с характеристическим спектром. 

Наиболее распространенный сегодня метод измерения поглощения по затуханию света в резонаторе (рингдаун) – это ICOS (integral cavity output spectroscopy). Запись спектра в ICOS происходит при непрерывном сканировании длины волны. В методах измерений по фазовому сдвигу PS-CRDS и в «чистом» CRDS запись спектра происходит «по точкам», то есть на каждой длине волны измеряется сдвиг фазы в PS-CRDS или время затухания в CRDS, хотя, реально в эксперименте все автоматизируется и запись спектра также производится непрерывно. В разработанной в ФИАНе модернизации метода PS-CRDS запись спектра может осуществляться так же как в ICOS – за одно сканирование длины волны. Кроме того, это сканирование можно осуществлять быстрее, чем в ICOS за счет специальной формы импульса тока с переменной модуляцией. «Для проведения сравнения записи одного и того же спектра нам не надо ничего менять в установке, только изменить форму импульса тока, которая задается с компьютера, и обработку сигнала. Анализ чувствительности измерений показал, что в нашей схеме чувствительность в 50-70 раз выше, чем в измерениях ICOS, на одной и той же аппаратуре», - поделился Сергей Цхай. 

В отличие от других высокочувствительных лазерных методов в этой сфере разработанный в ФИАНе способ позволяет использовать достаточно стандартную электронную и оптическую аппаратуру, перенеся центр тяжести на аппаратурно-программные процедуры. Пока процесс математической обработки данных довольно сложный, но исследователи уверены, что в ближайшее время удастся его упростить и в дальнейшем увеличить точность и чувствительность диодной спектроскопии. В частности, планируется оптимизация работы прибора для измерения содержания изотопов углерода ¹²C и ¹³C в углекислом газе. Такие газоанализаторы используются в геохимии – для регистрации испарения глубинных газов, а также в медицине, где по соотношению концентраций стабильных изотопов углерода в организме человека можно выявить ряд заболеваний желудочно-кишечного тракта.

На снимке – следы выхода вулканических газов; на рисунках – cравнение спектров, полученных при записи модифицированным методом CAPS и ICOS. 

Источник