1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал аналитической химии
  4. T. 78, № 10, 2023

Журнал аналитической химии, 2023, T. 78, № 10, стр. 867-882

Перестраиваемые диодные лазеры для аналитики и диагностики

М. А. Большов a, *, **, Ю. А. Курицын a, В. В. Лигер a, В. Р. Мироненко a, Я. Я. Понуровский b

a Институт спектроскопии Российской академии наук
108840 Москва, Троицк, ул. Физическая, 5, Россия

b Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук
119991 Москва, ул. Вавилова, 38, Россия

* E-mail: mbolshov@mail.ru
** E-mail: bolshov@isan.troitsk.ru

Поступила в редакцию 23.05.2023
После доработки 06.06.2023
Принята к публикации 07.06.2023

Аннотация

Диодные лазеры (ДЛ) непрерывного действия с перестраиваемой длиной волны излучения нашли широкое применение в самых различных областях аналитической спектроскопии и диагностики. Перестраиваемые ДЛ работают в ближней и средней ИК-области спектра, поэтому они успешно используются для детектирования большого числа простых молекул, представляющих интерес для экологического мониторинга атмосферы, контроля производственных процессов, диагностики процессов в до- и сверхзвуковых газовых потоках. Отсутствие коммерческих ДЛ, работающих в спектральном диапазоне короче 400 нм, ограничило их использование в элементном анализе, поскольку резонансные линии подавляющего большинства свободных атомов элементов лежат в области 250−400 нм. Настоящий обзор посвящен обсуждению разнообразных вариантов применения ДЛ непрерывного действия, которые малоизвестны химикам-аналитикам. Кратко перечислены основные характеристики таких лазеров и обсуждены их достоинства, обеспечившие их успешное применение, как в решении традиционных задач аналитической спектроскопии, так и для диагностики параметров удаленных газовых объектов, включая диагностику процессов горения в смешивающихся газовых потоках.

Ключевые слова: диодные лазеры, абсорбционная спектроскопия, газовый анализ, диагностика горячих зон.

Список литературы

  1. Imasaka T. Diode lasers in analytical chemistry // Talanta. 1999. V. 48. № 2. P. 305. https://doi.org/10.1016/S0039-9140(98)00244-6

  2. Landgraf S. Application of semiconductor light sources for investigations of photochemical reactions // Spectrochim. Acta A. 2001. V. 57. № 10. P. 2029. https://doi.org/10.1016/S1386-1425(01)00502-9

  3. Zeller W., Naehle L., Fuchs P., Gerschuetz F., Hildebrandt L., Koeth J. DFB lasers between 760 nm and 16 μm for sensing applications // Sensors. 2010. V. 10. № 4. P. 2492. https://doi.org/10.3390/s100402492

  4. Li J., Yu B., Zhao W., Chen W. A Review of signal enhancement and noise reduction techniques for tunable diode laser absorption spectroscopy // Appl. Spectrosc. Rev. 2014. V. 49. № 8. P. 666. https://doi.org/10.1080/05704928.2014.903376

  5. Bolshov M.A., Kuritsyn Yu.A., Romanovskii Yu. V. Tunable diode laser spectroscopy as a technique for combustion diagnostics // Spectrochim. Acta B. 2015. V. 106. P. 45. https://doi.org/10.1016/j.sab.2015.01.010

  6. Goldenstein C.S., Spearrin R.M., Jeffries J.B., Hanson R.K. Infrared laser-absorption sensing for combustion gases // Prog. Energy Combust. Sci. 2017. V. 60. P. 132. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2016.12.002

  7. Liu C., Xu L. Laser absorption spectroscopy for combustion diagnosis in reactive flows: A review // Appl. Spectrosc. Rev. 2018. V. 54. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1080/05704928.2018.1448854

  8. Лигер В.В., Мироненко В.Р., Курицын Ю.А., Большов М.А. Диагностика горячих зон методом абсорбционной спектроскопии с диодными лазерами (обзор) // Оптика и спектроскопия. 2019. Т. 127. № 1. С. 55. (Liger V.V., Mironenko V.R., Kuritsyn Yu.A., Bolshov M.A. Diagnostics of hot zones by absorption spectroscopy with diode lasers (Review) // Opt. Spectrosс. 2019. V. 127. № 1. P. 49.) https://doi.org/10.1134/S0030400X19070166

  9. Понуровский Я.Я. Новое поколение газоаналитических систем на основе диодных лазеров // Аналитика. 2019. Т. 9. № 1. С. 68. https://doi.org/10.22184/2227-572x.2019.09.1.68.7

  10. Li J., Yu Z., Du Z., Ji Y., Liu C. Standoff chemical detection using laser absorption spectroscopy: A Review // Remote Sens. 2020. V. 12. № 17. P. 2771. https://doi.org/10.3390/rs12172771

  11. Fu B., Zhang C., Lyu W., Sun J., Shang C., Cheng Y., Xu L. Recent progress on laser absorption spectroscopy for determination of gaseous chemical species // Appl. Spectrosc. Rev. 2022. V. 57. № 2. P. 112. https://doi.org/10.1080/05704928.2020.1857258

  12. Farooq A., Alquaity A.B.S., Raza M., Nasir E.F., Yao S., Ren W. Laser sensors for energy systems and process industries: Perspectives and directions // Prog. Energy Combust. Sci. 2022. V. 91. Article 100997. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2022.100997

  13. Smith B.W., Quentmeier A., Bolshov M., Niemax K. Measurement of uranium isotope ratios in solid samples using laser ablation and diode laser-excited atomic fluorescence spectrometry // Spectrochim. Acta B. 1999. V. 54. № 6. P. 943. https://doi.org/10.1016/S0584-8547(99)00022-1

  14. Quentmeier A., Bolshov M., Niemax K. Measurement of uranium isotope ratios in solid samples using laser ablation and diode laser atomic absorption spectrometry // Spectrochim. Acta B. 2001. V. 56. № 1. P. 45. https://doi.org/10.1016/S0584-8547(00)00289-5

  15. Li F., Yu X., Cai W., Ma L. Uncertainty in velocity measurement based on diode-laser absorption in nonuniform flows // Appl. Opt. 2012. V. 51. № 20. P. 4788. https://doi.org/10.1364/AO.51.004788

  16. Zybin A., Schnürer-Patschan C., Bolshov M., Niemax K. Elemental analysis by diode laser spectroscopy // Trends Anal. Chem. 1998. V. 17. P. 513. https://doi.org/10.1016/S0165-9936(98)00063-6

  17. Большов М.А., Курицын Ю.А., Лигер В.В., Мироненко В.Р., Леонов С.Б., Яранцев Д.А. Применение диодной лазерной спектроскопии для измерения параметров газа при плазменно-индуцированном сверхзвуковом горении // Квантовая электроника. 2009. Т. 39. № 9. С. 869. (Bolshov M.A., Kuritsyn Yu.A., Liger V.V., Mironenko V.R., Leonov S.B., Yarantsev D.A. Measurements of gas parameters in plasma-assisted supersonic combustion processes using diode laser spectroscopy // Quantum Electron. 2009. V. 39. № 9. P. 869.) https://doi.org/10.1070/QE2009v039n09ABEH014044

  18. Большов М.А., Курицын Ю.А., Леонов С.Б., Лигер В.В., Мироненко В.Р., Савелкин К.В., Яранцев Д.А. Измерение температуры и концентрации паров воды в сверхзвуковой камере сгорания методом абсорбционной спектроскопии // Теплофизика высоких температур. 2010. № 1. (доп. выпуск). С. 9.

  19. Bolshov M.A., Kuritsyn Yu.A., Liger V.V., Mironenko V.R., Leonov S.B., Yarantsev D.A. Measurements of the temperature and water vapor concentration in a hot zone by tunable diode laser absorption spectrometry // Appl. Phys. B. 2010. V. 100. № 2. P. 397. https://doi.org/10.1007/s00340-009-3882-4

  20. Gordon I.E., Rothman L.S., Hargreaves R.J., Hashemi R., Karlovets E.V. et al. The HITRAN2020 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2022. V. 277. Article 107949. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2021.107949

  21. Большов М.А., Курицын Ю.А., Лигер В.В., Мироненко В.Р., Колесников О.М. Измерение параметров нестационарных газовых потоков методом диодной лазерной абсорбционной спектроскопии при повышенных давлении и температуре среды // Оптика и спектроскопия. 2017. Т. 122. № 5. С. 20. (Bolshov M.A., Kuritsyn Yu.A., Liger V.V., Mironenko V.R., Kolesnikov O.M. Measurements of parameters of transient gas flows by a diode laser absorption spectroscopy at elevated pressures and temperatures // Opt. Spectrosс. 2017. V. 122. № 5. P. 705.)

  22. Лигер В.В., Курицын Ю.А., Мироненко В.Р., Большов М.А., Понуровский Я.Я., Колесников О.М. Измерение параметров нестационарных газовых потоков методом диодной лазерной абсорбционной спектроскопии в условиях высоких температур и давлений // Теплофизика высоких температур. 2018. Т. 56. № 1. С. 92. (Liger V.V., Kuritsyn Yu.A., Mironenko V.R., Bolshov M.A., Ponurovskii Ya.Ya., Kolesnikov O.M. Measurement of non-stationary gas flow parameters using diode laser absorption spectroscopy at high temperatures and pressures // High Temperature. 2018. V. 56. № 1. P. 98.) https://doi.org/10.1134/S0018151X18010108

  23. Ma L., Li X, Sanders S.T., Caswell A.W., Roy S., Plemmons D.H., Gord J.R. 50-kHz-rate 2D imaging of temperature and H2O concentration at the exhaust plane of a J85 engine using hyperspectral tomography // Opt. Express. 2013. V. 21. № 1. P. 1152. https://doi.org/10.1364/OE.21.001152

  24. Liger V.V., Mironenko V.R., Kuritsyn Yu.A., Bolshov M.A. Temperature measurements by wavelength modulation diode laser absorption spectroscopy with logarithmic conversion and 1f signal detection // Sensors. 2023. V. 23. № 2. P. 622. https://doi.org/10.3390/s23020622

  25. Nasir E.F., Farooq A. Time-resolved temperature measurements in a rapid compression machine using quantum cascade laser absorption in the intrapulse mode // Proc. Combust. Inst. 2017. V. 36. P. 4453. https://doi.org/10.1016/j.proci.2016.07.010

  26. Понуровский Я.Я., Ставровский Д.Б., Шаповалов Ю.П., Спиридонов М.В., Кузьмичев А.С., Надеждинский А.И., Котков А.П., Гришнова Н.Д., Аношин О.С., Скосырев А.И., Полежаев Д.М. Контроль степени ректификационной очистки неорганических гидридов методом абсорбционной диодной лазерной спектроскопии // Неорганические материалы. 2020. Т. 56. № 12. С. 1356. (Ponurovskii Y.Y., Stavrovskii D.B., Shapovalov Y.P., Spiridonov M.V., Kuz’michev A.S., Nadezhdinskii A.I., Kotkov A.P., Grishnova N.D., Anoshin O.S., Skosyrev A.I., Polezhaev D.M. Monitoring the fractional distillation purification of inorganic hydrides by diode laser absorption spectroscopy // Inorg Mater. 2020. V. 56. P. 1284.) https://doi.org/10.1134/S0020168520120158

  27. Wang C., Sahay P. Breath analysis using laser spectroscopic techniques: breath biomarkers, spectral fingerprints, and detection limits // Sensors. 2009. V. 9. № 10. P. 8230. https://doi.org/10.3390/s91008230

  28. Понуровский Я.Я., Надеждинский А.И., Ставровский Д.Б., Шаповалов Ю.П., Спиридонов М.В., Кузьмичев А.С., Карабиненко А.А., Петренко Ю.М. Диодный лазерный спектрометр для скрининг-диагностики компонентов выдыхаемого воздуха // Современные технологии в медицине. 2020. Т. 12. № 5. С. 71. (Ponurovsky Ya.Ya., Nadezhdinsky A.I., Stavrovsky D.B., Shapovalov Yu.P., Spiridonov M.V., Kuzmichev A.S., Karabinenko A.A., Petrenko Yu.M. Diode laser spectrometer for diagnostic assessment of exhaled air components // Sovremennye tehnologii v medicine. 2020. V. 12. № 5. P. 71.) https://doi.org/10.17691/stm2020.12.5.08

  29. Karabinenko A.A., Nadezhdinsky A.I., Ponurovsky Ya.Ya., Presnova E.D., Nikitin I.G. Phenomena detected by the method of diode laser spectrometry of gaseous metabolites of the exhaled air of a human being // Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe. 2018. V. 29. № 1. P. 30.

  30. Плешков Д.И., Кулаков А.Т., Понуровский Я.Я., Шаповалов Ю.П., Надеждинский А.И. Устройство и способ измерения концентрации газообразных веществ. Патент РФ № 2598694С2. Заявка 2014151119/28, 2014.12.17 от 17.12.2014, опубл. 27.09.2016.

  31. Risby T.H., Tittel F.K. Current status of mid-infrared quantum and interband cascade lasers for clinical breath analysis // Opt. Eng. 2010. V. 49. № 11. Article 111123. https://doi.org/10.1117/1.3498768

  32. Li J.S., Chen W., Fischer H. Quantum cascade laser spectrometry techniques: A new trend in atmospheric chemistry // Appl. Spectr. Rev. 2013. V. 48. № 7. P. 523. https://doi.org/10.1080/05704928.2012.757232

  33. Du Z., Zhang S., Li J., Gao N., Tong K. Mid-infrared tunable laser-based broadband fingerprint absorption spectroscopy for trace gas sensing: A review // Appl. Sci. 2019. V. 9. № 2. P. 338. https://doi.org/10.3390/app9020338

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Журнал аналитической химии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал