Wykorzystywane zjawiska Rodzaje laserów Kontrolowane cechy

Transkrypt

1 ZASTOSOWANIE LASERÓW W OCHRONIE RODOWISKA W tym przypadku lasery pozwalaj na prowadzenie kontroli stanu sanitarnego - powietrza, - zbiorników wodnych, - powierzchni i pokrycia terenu. Stosowane rodzaje laserów - o mo liwie najmniejszej szeroko ci spektralnej generowanej linii (He-Ne), - mog ce pracowa z du cz stotliwo ci repetycji impulsów (Nd:YAG, He-Cd, CO 2, InSb, lasery azotowe i barwnikowe), - pozwalaj ce na generacj na kilku d ugo ciach fali jednocze nie (np. Ar, He-Cd), - o du ej niezawodno ci i mo liwo ci pracy w terenie. Wykorzystywane zjawiska Rodzaje laserów Kontrolowane cechy Rrozpraszanie wsteczne Mie i Rayleigha, luminescencja badanych obszarów. Rozpraszanie Ramana i rezonansowe rozpraszanie Ramana i Brillouina. Metody holograficzne. Lasery na ciele sta ym, barwnikowe, ekscymerowe. Lasery Nd:YAG z generacj wy szych harmonicznych, ekscymerowe. He-Ne, Ar, He-Cd. Zdalna kontrola wielkocz steczkowych i fluktuacyjnych zm tnie powietrza i wód. ledzenie ska e gazowych, p ynnych rozlewów organicznych, zrzutów ciep a, deformacji termicznych, ska e radioaktywnych. Identyfikacja zanieczyszcze aerozolowych. Lasery w ochronie rodowiska 1

2 Zjawiska fizyczne wykorzystywane w badaniach rodowiska laserami Rozpraszanie Rayleigha Zachodzi na cz steczkach o rozmiarach nie przekraczaj cych. Mo e by rozumiane jako rozpraszanie spr yste, gdy energia fotonu podczas rozpraszania nie zmienia si. Rayleigh obliczy, e nat enie wiat a rozpraszanego przez rozpraszacze dipolowe mo e by opisane wyra eniem N - liczba rozpraszaczy, - polaryzowalno, R - odleg o obserwatora od rozpraczaczy Rozpraszanie Rayleigha jest wykorzystywane w badaniach moleku, turbulencji atmosfery, do pomiarów redniej obj to ciowej g sto ci i temperatury oraz koncentracji zanieczyszcze powietrza. Rozpraszanie Mie (Gustaw Mie, 1908) - Dominuje na cz steczkach znacznie wi kszych od moleku, np. na chmurach, mgle, kurzu lub aerozolach, kiedy ich rozmiary s wi ksze lub porównywalne z d ugo ci fali wiat a rozpraszanego. - D ugo ci fali promieniowania padaj cego i rozproszonego s takie same. - Rozpraszanie Mie nie jest silnie zale ne od d ugo ci fali. - Rozpraszanie do ty u ma tu mniejsz intensywno ni rozpraszanie do przodu. Rozpraszanie Mie jest wykorzystywane do okre lania rozmiarów, koncentracji (lub zmian koncentracji) i pr dko ci py ów i aerozoli. Lasery w ochronie rodowiska 2

3 Rozpraszanie Rayleigha a rozpraszanie Mie Rozpraszanie Ramana Powstaje w procesie oddzia ywania padaj cego promieniowania z cz steczk i prowadzi do dodawania si lub odejmowania (przesuni cia antystokesowskie i stokesowskie) cz sto ci oscylacyjno-rotacyjnych cz steczki i cz sto ci promieniowania padaj cego. Rozpraszanie Ramana: a) stokesowskie, b) antystokesowskie Lasery w ochronie rodowiska 3

4 Rozpraszanie Ramana, cd Rozpraszanie ramanowskie umo liwia identyfikacj i kontrol zbioru pierwiastków chemicznych w atmosferze w czasie rzeczywistym i z dobr rozdzielczo ci przestrzenn. Przesuni cie linii widmowych rozpraszania ramanowskiego w stosunku do cz sto ci promieniowania lasera wzbudzaj cego dla ró nych cz steczek (pasmo antystokesowskie) zawartych w atmosferze. Rezonansowe rozpraszanie Ramana Nale y do rodziny nieliniowych efektów Ramana. Wyst puje, gdy poziom wirtualny w tym zjawisku jest jednym z poziomów w asnych moleku y. Badanie tego rozpraszania sta o si mo liwe dopiero po zbudowaniu laserów przestrajalnych. Przekrój czynny na Rezonansowe rozpraszanie Ramana jest o kilka rz dów wielko ci wi kszy ni na zwyk e rozpraszanie Ramana. To pozwala wykrywa nawet ladowe koncentracje sk adników w atmosferze. Lasery w ochronie rodowiska 4

5 LIDAR Jest to uk ad do badania rozpraszaniem wiat a do ty u w stosunku do kierunku padania, przez o rodek rozpraszaj cy znajduj cy si w powietrzu. S owo LIDAR jest akronimem angielskiej nazwy Light Detection And Ranging i jest oczywi cie podobne do s owa RADAR b d cego akronimem nazwy Radio Detection And Ranging. Podobie stwo dotyczy zreszt nie tylko nazw - obydwa urz dzenia pracuj na podobnej zasadzie. Lidar sk ada si z nast puj cych elementów: 1. lasera impulsowego generuj cego krótkie i silne impulsy wiat a o wybranych d ugo ciach fali, 2. uk adu optycznego pozwalaj cego kierowa wiat o lasera w wybranym kierunku, 3. teleskopu (Newtona) zbieraj cego wiat o laserowe rozproszone do ty u, 4. detektora promieniowania rejestruj cego nat enie wiat a rozproszonego, 5. uk adu elektronicznego synchronizuj cego pomiary, 6. komputera steruj cego ca o ci. Lasery w ochronie rodowiska 5

6 Budowa lidaru, cd - W lidarach stosowane s lasery impulsowe wytwarzaj ce impulsy wiat a o czasie trwania oko o 10 ns. S to wi c "paczki" promieniowania o wymiarach pocisku artyleryjskiego p dz ce wzd u linii prostej z pr dko ci wiat a. - Z ka dego miejsca wzd u drogi tego "pocisku wietlnego" cz wiat a jest rozpraszana we wszystkie strony, a wi c i do ty u. wiat o rozproszone do ty u zbierane jest za pomoc teleskopu, a jego nat enie mierzy si u ywaj c odpowiedniego detektora promieniowania (fotopowielacz lub fotodioda). - Pomiar czasu jaki up yn od chwili wys ania impulsu laserowego do chwili zarejestrowania impulsu wiat a rozproszonego do ty u (sygna u) pozwala wyznaczy po o enie ród a rozpraszaj cego wiat o laserowe w przestrzeni. - Nat enie zmierzonego sygna u jest proporcjonalne do koncentracji czynnika powoduj cego rozpraszanie. Schemat blokowy lidaru zbudowanego w Instytucie Fizyki Do wiadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego. Lasery w ochronie rodowiska 6

7 Pomiar lidarem z zastosowaniem techniki DIAL DIAL - Differential Absorption Lidar W technice DIAL mierzy si nat enie wiat a rozproszonego na zanieczyszczeniach powietrza wzd u drogi rozchodzenia si impulsu laserowego dla dwóch laserów - np. jednego o d ugo ci fali, a drugiego o d ugo ci fali. Smuga nad kominem B zawiera dodatkowo (w porównaniu ze smug A) zanieczyszczenie (np. SO 2 ), którego moleku y absorbuj rezonansowo fale o d ugo ci. D ugo fali pierwszego lasera jest tak dobrana aby energia fotonów odpowiada a energii oscylacji moleku y SO 2. Ta wi zka laserowa b dzie poch aniana w tym obszarze przez te w a nie moleku y i rozpraszana przez pozosta e zanieczyszczenia. D ugo fali drugiego lasera, niewiele ró ni ca si od, nie jest poch aniana przez moleku y SO 2, a przez pozosta e zanieczyszczenia jest rozpraszana tak samo jak. W obszarze B fotony o d ugo ci s cz ciowo absorbowane, nie mog si wi c pojawi w wi zce wiat a rozproszonego w kierunku detektora lidaru. W a nie z tego powodu strumie wiat a o tej d ugo ci fali b dzie mia w tym obszarze mniejsze nat enie. Lasery w ochronie rodowiska 7

8 Pomiar lidarem z zastosowaniem techniki DIAL, cd Podsumowuj c: 1. Wzrost sygna u wiadczy zawsze o szczególnie du ej lokalnej koncentracji ró nych zanieczyszcze. 2. Wzgl dne obni enie sygna u lasera w stosunku do, wiadczy o rezonansowym oddzia ywaniu fotonów lasera z moleku ami zanieczyszczenia, którego koncentracj chcemy wyznaczy. Nat enie wiat a rozproszonego wstecz (sygna ) zarejestrowane przez lidar w funkcji odleg o ci od detektora. Rozk ad g sto ci SO 2 w obszarze dymu, otrzymany po komputerowej analizie. Zalety lidarów Mo na za ich pomoc zdalnie mierzy koncentracje sk adników (w tym zanieczyszcze ) powietrza. Pozwalaj one tak e prowadzi "lotne" kontrole sk adu dymów kominowych. Wady i ograniczenia lidarów Zasi g lidarów jest niedu y w stosunku do typowych potrzeb monitorowania stanu atmosfery. Stosowalno lidaru zale na jest w du ym stopniu od pogody, lidar nie mo e dzia a w czasie zbyt g stej mg y lub deszczu. Lasery w ochronie rodowiska 8