W celu weryfikacji poprawności działania programu sterującego układem pomiarowym oraz w celu określenia możliwości funkcjonalnych dostępnych urządzeń (przede wszystkim rozdzielczości lasera przestrajalnego) autor zdecydował, iż przeprowadzi pomiary spektrum absorpcji acetylenu. Pomiary cienkich warstw acetylenu zostały przeprowadzone ze względu na fakt, iż element aktywny spektroskopowego czujnika został zaprojektowany właśnie do detekcji tego gazu.
Spektrum absorpcji acetylenu zostało wyznaczone dla następujących grubości warstw: 150, 300, 600, 1000 . Celka gazowa została przygotowana z wykorzystaniem mikroskopowych szkieł podstawkowych oraz nakrywkowych. Grubość pojedynczego szkiełka podstawkowego wynosiła 1 , a nakrywkowego 150 . Szkiełka te zostały wykorzystane jako elementy dystansowe, łącząc kilka z nich uzyskano pożądaną grubość. W następnym etapie, elementy dystansowe zostały zamknięte w worku strunowym zapewniającym szczelne jego zamknięcie. Jako element wspomagający i stabilizujący zaproponowane rozwiązanie, wykorzystano element mechaniczny z wyfrezowanym oknem. Ogólna koncepcja celki gazowej została zaprezentowana na poniższym rysunku (Rys. 8.3).
136
Rys. 8.3 Celka gazowa, widok: a) od przodu, b) z boku, c) pod kątem 45˚.
Zaprezentowana na powyższym rysunku (Rys. 8.3), przykładowa celka gazowa składa się z 4 mikroskopowych szkiełek nakrywkowych tworzących łącznie grubość 600 . Zaprojektowana celka gazowa wypełniona acetylenem została umieszczona w stanowisku pomiarowym, którego schematyczny widok został zaprezentowany na poniższym rysunku (Rys. 8.4).
Rys. 8.4 Schemat stanowiska pomiarowego do pomiarów spektrum absorpcji gazów.
Maksymalna wartość natężenia wybranego piku absorpcyjnego acetylenu występuje dla długości fali równej = 1531,588 (Rozdz. 6.1). W związku z tym, w celu zaobserwowania pełnego spektrum absorpcji w pobliżu wybranego piku, źródło światła generowało wiązkę światła o długości fali z zakresu od 1531,400 do 1531,750 z rozdzielczością 1 . Do lasera przestrajalnego za pomocą złącza APC (ang. „angled physical contact”) podłączono światłowód jednomodowy doprowadzający moc optyczną do zaprojektowanej celki gazowej. Na wyjściu toru pomiarowego umieszczono fotodetektor InGaAs, który charakteryzował się zakresem czułości od 700 do 1800 . W ostatnim etapie
137
sygnał optyczny z fotodetektora transmitowany jest do oscyloskopu DPO 7104 firmy Tektronix. Proces pomiaru w całości przeprowadzony był w sposób automatyczny dzięki wykorzystaniu zsynchronizowanego zarządzania urządzeniami pomiarowymi. Efekt ten został osiągnięty za pomocą stworzonego oprogramowania przez autora badań w środowisku LabView. Poszczególne etapy pomiaru i synchronizacji urządzeń zostały przeprowadzone wg następującego schematu:
a) definicja wstępnych parametrów pracy:
– lasera przestrajalnego obejmująca m.in. wartość mocy optycznej 10 , zakres długości fal 1531,400 − 1531,750 oraz rozdzielczość 1 ,
– oscyloskopu obejmująca m.in. numer kanału pomiarowego, wejściową impedancję, pasmo przenoszenia, typ akwizycji danych oraz liczbę wstępnie uśrednianych próbek na poziomie oscyloskopu,
– stanowiska pomiarowego, obejmująca m.in. liczbę pomiarów dla danej długości fali 200, liczbę powtórzeń całej serii pomiarowej 4, przesłanie końcowego wyniku oraz ewentualnych błędów na wskazaną przez użytkownika skrzynkę poczty elektronicznej.
b) przestrojenie lasera na pierwszą długość fali z podanego zakresu (1531,400 ) oraz ustawienie moc optycznej wiązki na 10 ,
c) weryfikacja poprawności ustawienia żądanych wartości parametrów optycznych lasera (długość fali, moc optyczna); w przypadku pozytywnego wyniku oprogramowanie przechodzi do punktu d), w przypadku negatywnego wyniku powtarza etap b),
d) odczyt 200 wartości próbek napięcia dla danych wartości parametrów optycznych lasera (wartości te są na bieżąco prezentowane użytkownikowi oprogramowania), e) uśrednienie pobranych 200 wartości próbek napięcia oraz graficzna prezentacja
pierwszego punktu pomiarowego na wykresie,
f) przestrojenie lasera na kolejną długość fali z podanego zakresu zgodnie z zdefiniowaną rozdzielczością oraz ustawienie moc optycznej wiązki na 10 , Punkty od c) do f) są powtarzane do chwili osiągnięcia końcowej wartości zakresu długości fal. W następnym etapie cała seria pomiarowa jest powtarzana, a wyniki tych serii są na bieżąco uśredniane w dziedzinie długości fali. Liczba powtórzeń serii pomiarowych w przypadku prezentowanych wyników wynosiła 4.
Wynik końcowy w postaci graficznej oraz numerycznej przesłany został na wskazaną skrzynkę poczty elektronicznej.
138
Wyniki przeprowadzonych pomiarów spektrum absorpcji acetylenu w pobliżu interesującego piku zostały zaprezentowane na poniższych rysunkach, które stanowią okno prezentacji danych oprogramowania (Rys. 8.5).
Rys. 8.5 Eksperymentalny pomiar spektrum absorpcji acetylenu o grubości: a) 1000 µm, b) 600 µm, c) 300 µm, d) 150 µm.
a)
b)
c)
139
Powyżej zaprezentowane wyniki zostały uzyskane dla grubości celek gazowych odpowiednio wynoszących 1000, 600, 300 oraz 150 . Krzywe koloru białego to wyniki pomiarów eksperymentalnych, a krzywe koloru czerwonego to teoretyczne dane zaczerpnięte z bazy spektroskopowej HITRAN2008 [116] dla danej grubości celki gazowej.
Na powyższych rysunkach (Rys. 8.5), po lewej stronie, można zauważyć okna dialogowe informujące użytkownika o kolejnych etapach pomiaru (numer powtórzenia całej serii pomiarowej, bieżąca wartość długości fali, numer pobranej próbki napięcia) oraz uzyskiwanych wartościach (wartość napięcia dla bieżącej, pobranej próbki napięcia oraz wartość uśredniona napięcia z dotychczasowych pobranych próbek napięcia).
Z karty katalogowej [128] wykorzystywanego lasera przestrajalnego ECL-210 firmy Santec wynika, iż rozdzielczość przestrajania długości fali wynosi 1 . Jednakże, przeprowadzone pomiary eksperymentalne wskazują jednoznacznie, iż rozdzielczość ta wynosi 24 . Wartość ta została wyznaczona bazując na otrzymanych „schodkach pomiarowych”, które można zaobserwować na zaprezentowanym rysunku Rys. 8.5. W związku z uzyskaną rozbieżnością wartości rozdzielczości, wysłano odpowiednie zapytanie do producenta lasera. Uzyskana odpowiedź była interesująca i zaskakująca. Producent po przeprowadzeniu dodatkowych pomiarów poinformował, iż rzeczywista wartość rozdzielczości wynosi właśnie 24 , że w karcie katalogowej jest błąd, oraz że autor jest pierwszym użytkownikiem, który to niedopatrzenie zweryfikował eksperymentalnie, pomimo iż laser ten został wprowadzony na rynek w roku 2000. Uzyskana informacja, dla autora badań, jest niekorzystna z punktu widzenia zaprojektowanego czujnika acetylenu na bazie dwuwymiarowego kryształu fotonicznego.