Анализ чувствительности интегрально-оптического сенсора газообразных веществ при наличии аддитивного случайного шума
А.A. Егоров
Т. К.Чехлова
В. И. Григорук
А. В. Коваленко
Аннотация
Проанализирована зависимость чувствительности интегрально-оптического волноводного сенсора от длины волноводной сенсорной ячейки, эффективности ввода лазерного излучения в волновод, сечения поглощения детектируемого вещества и уровня аддитивного случайного шума. По данным компьютерного моделирования установлено, что интегрально-оптический сенсор данного типа может обнаруживать содержание, например, газообразного аммиака в воздухе с предельной теоретической концентрацией около 0.1 ppm при сечении поглощения исследуемого вещества 4•10-16 см2, величине отношения сигнал/шум около 20, длине сенсорной ячейки примерно 4 см и эффективности ввода лазерного излучения в волновод не менее 40%. волноводный сенсор шум
Ключевые слова: интегрально-оптический сенсор, химический сенсор, лазерное излучение, газообразные вещества, численное моделирование, случайный шум.
В последние годы существует устойчивый интерес к развитию оптических сенсоров (датчиков) [1-13], который обусловлен в основном следующими их преимуществами: высокой чувствительностью, быстрым срабатыванием, простотой мультиплексирования сигнала, а также - применением интегральных технологий [2-14]. По-нашему мнению, среди оптических химических датчиков интегрально-оптические химические сенсоры [2-13] являются наиболее перспективными.
Принцип работы интегрально-оптического химического сенсора, например абсорбционного типа, основан на регистрации изменения интенсивности лазерного излучения, взаимодействующего с исследуемой газообразной (газ, пар) или жидкой средой на некоторых длинах волн, характерных для данной среды.
В оптико-лучевом приближении лазерное излучение, введенное в регулярный планарный волновод, распространяется вдоль волновода в виде плоских волн, двигающихся по зигзагообразному пути и испытывающих полное внутреннее отражение на границах волновода [14]. Оптическая энергия моды не ослабевает в результате интерференции волн отраженных на границах волновода, если полное изменение фазы в вертикальном направлении кратно 2 (выполнено резонансное условие).
При появлении рядом с волноводным сенсором газообразной или жидкой среды, у которой есть характерная линия поглощения, совпадающая с длиной волны лазерного излучения, будет наблюдаться затухание мощности волноводной моды за счет взаимодействия экспоненциально затухающего в воздухе поля ТЕ-моды с исследуемой средой. Именно этот эффект и лежит в основе работы интегрально-оптического химического датчика абсорбционного типа.
Несомненный интерес представляет также исследование интегрально-оптических датчиков, в которых используются вытекающие волны. Необходимо подчеркнуть, что в этом случае для анализа процессов распространения направляемых волноводных мод, а также процессов рассеяния излучательных волноводных мод неприменимы как метод Фурье разделения переменных, используемый для регулярных волноводов [1, 2], так и метод разложения по полной системе направляемых мод и мод излучения регулярного волновода [2, 7-15]. Поскольку постоянная распространения здесь комплексная и существует проблема ортогональности соответствующих мод [15-18]. В общем случае необходимо рассмотрение распространения и трансформации поляризованного монохроматического излучения в многослойном интегрально-оптическом трехмерном (3D) нерегулярном волноводе [15-18].
В настоящей работе основное внимание уделено исследованию чувствительности трехслойного интегрально-оптического датчика газообразных веществ в зависимости от длины волноводной сенсорной ячейки, эффективности ввода лазерного излучения в волновод и уровня аддитивного случайного шума. Как показали данные проведенного нами компьютерного моделирования, именно эти параметры оказывают важнейшее влияние на чувствительность волноводного химического сенсора.
Принцип действия интегрально-оптического абсорбционного сенсора
Схема, иллюстрирующая процесс детектирования газообразного вещества с помощью интегрально-оптического датчика (см., например, [11-13]) изображена на рис. 1. Интегрально-оптические химические датчики могут иметь волноводный слой из различных материалов. Это может быть пленка Та2О5, нанесенная с помощью катодного распыления на стеклянную подложку. Волноводный слой может быть изготовлен также методом твердотельной диффузии PbO2 в стеклянную пластину. Могут применяться и другие типы пленок, например, из полистирола, желатины или полиметилметакрилата. Поверхность использованной в наших экспериментах стеклянной пластинки (марки К8) была обработана по 14-му класса чистоты. Среднеквадратичная величина шероховатости поверхности этой пластинки не превышает 100 Е.
Для ввода и вывода лазерного излучения в волноводный сенсор могут использоваться призмы, дифракционные решетки. Может использоваться также торцевой ввод лазерного излучения. Выбор конкретного типа волновода и способа ввода/вывода лазерного излучения в интегрально-оптический волновод определяется конструкцией сенсора, типом исследуемого вещества, а также - предъявляемыми к датчику технологическими требованиями.
Общая схема экспериментальной установки дана на рис. 2. Для конкретности мы выбрали в качестве исследуемого вещества аммиак (NH3). В качестве источника когерентногоизлучения используется лазер 1 с длиной волны , совпадающей с одной из полос поглощения детектируемого газообразного аммиака, либо находящейся в ее окрестности.
Отметим, что в традиционной спектроскопии известны следующие полосы поглощения газообразного аммиака: 110-230 нм,[1] около 790 нм, около 1300 нм, около 3000 нм, около 9000 нм, около 10300 нм и около 10700 нм [3, 5, 8]. Менее известна и пока все еще слабо изучена область поглощения NH3 в диапазоне 549-653 нм [3, 5, 8, 9]. Эти работы выполнены с использованием классических источников излучения (типа ламп накаливания).
Рис. 1. Схема детектирования газообразного вещества. Интегрально-оптический волновод, образованный средами 1-3: 1 - воздух, 2 - волноводный слой; 3 - подложка; h - толщина волноводного слоя; L - длина волноводной сенсорной ячейки.
Схематично показан экспоненциальный спад напряженностей электромагнитного поля направляемой ТЕ0-моды в воздухе.
В работах по интегрально-оптическим датчикам, выполненным за последние пятнадцать лет, используются преимущественно лазерные источники излучения (газовые и полупроводниковые лазеры). В ряде этих работ обнаружена удовлетворительная чувствительность интегрально-оптических сенсоров к аммиаку, как в окрестности 600 и 633 нм [3, 8, 13], так и в диапазоне длин волн от примерно 500 до 700 нм [5].
Вместе с тем особенности работы различных интегрально-оптических сенсоров в видимом диапазоне длин волн изучены пока еще слабо. Нет, например, достоверных данных о взаимодействии молекул аммиака, как с поверхностью конкретного сенсора, так и с приповерхностным слоем сенсора в поле лазерного излучения волноводной моды. Хотя еще в первых работах по интегрально-оптическим датчикам отмечались возможности сложного взаимодействия детектируемого вещества и сенсора [2].
В типичной экспериментальной установке (рис. 2) лазерный луч разделяется полупрозрачным зеркалом 2 на опорный и сенсорный лучи. Сенсорный луч вводится в оптический волновод 3 через вводную призму под углом, который соответствовал резонансному возбуждению ТЕ0-моды. Эффективность ввода лазерного излучения в волноводную сенсорную ячейку в наших экспериментах была не ниже 20%.
Введенное в волноводную сенсорную ячейку излучение распространяется по ней, частично проникая в верхнюю обрамляющую среду, и в присутствии исследуемого газа на выходе выводной призмы наблюдается уменьшение амплитуды сигнала, регистрируемого фотоприемником (ФП 1). Сигнал опорного луча фиксируется вторым фотоприемником (ФП 2). В качестве фотоприемников могут использоваться кремниевые фотодиоды типа ФД-256. При низком отношении сигнал/шум (SNR) предпочтительнее применять фотоэлектронные умножители.
Сигналы с фотоприемников поступают на электронную схему сравнения 4. После аналого-цифрового преобразования сигнал регистрировался и обрабатывается компьютером 5. Наличие сигналов от опорного и сенсорного фотоприемников позволяет повысить отношение сигнал/шум и улучшить чувствительность датчика.
При использовании интегрально-оптического интерферометра типа Маха-Цендера оба плеча будут оптическими, что позволяет сделать всю схему более компактной и более устойчивой к внешним воздействиям и помехам. Действительно, отношение сигнал/шум при измерениях является одним из важных лимитирующих чувствительность датчика факторов, его повышению следует уделять особое внимание.
Затухание направляемой волноводной моды определяется по известным методикам [8, 13, 14]. Расстояние между вводом и выводом лазерного излучения в волновод определяет длину сенсорной ячейки и может, например, при использовании призменного ввода/вывода варьироваться в пределах длины волноводной подложки.
Запись данных экспериментов в цифровом виде может производиться, например, с помощью компьютеризированной виртуальной лаборатории типа «PC-LAB», возможности которой могут быть расширены последующей математической обработкой полученных данных [13]. Данные измерений, сохраненные на компьютере, могут затем обрабатываться как с помощью различных компьютерных программ или с помощью таких систем компьютерной математики как «MathCAD» или «MathLab».
Рис. 2. Типичная схема измерительной установки: 1 - лазер; 2 - полупрозрачное зеркало; 3 - интегрально-оптический волноводный сенсор; 4 - электронная схема сравнения; 5 - компьютер.
Для расчетов концентрация газообразного аммиака в экспериментах можно использовать закон Бугера-Ламберта-Бэра в интегральной форме [13]:
, (1)
где P и P0 - мощность лазерного излучения на выходе волноводной сенсорной ячейки в присутствии и в отсутствие аммиака соответственно; L - толщина слоя исследуемой среды (длина сенсорной ячейки); и - сечение поглощения и распределение концентрации определяемого вещества вдоль оси ; - локальный коэффициент затухания лазерного излучения направляемой моды.
Результаты исследования чувствительности интегрально-оптического датчика газообразных веществ и их обсуждение
На рис. 3 и рис. 4 приведены два из ряда полученных графиков зависимости коэффициента затухания основной волноводной ТЕ-моды, который обусловлен наличием газообразного аммиака. Расчеты выполнены для экспериментальных условий измерения.
Полученные зависимости (см. рис. 3 и рис. 4) характеризуют определенную минимальную чувствительность рассматриваемого интегрально-оптического датчика в зависимости от длины сенсорной ячейки при заданной величине сечения поглощения 4•10-16 см2 определяемого вещества, в качестве которого выбран аммиак (см., например, указанную выше базу данных МФТИ по сечениям поглощения молекул).
Подчеркнем, что применение этой величины в более широком оптическом диапазоне длин волн требует проведения высокоточных экспериментов с использованием прецизионных генераторов газов, которые являются эталонной мерой и предназначены для воспроизведения размера единицы массовой концентрации определяемых примесей в воздухе. На данный момент нам не удалось найти достоверных данных для в видимом диапазоне длин волн. Существующие в литературе данные, получены в традиционной спектроскопии с использованием классических источников излучения (типа ламп накаливания). Обоснованность их применения в измерениях с лазерными источниками требует дополнительных трудоемких и дорогостоящих исследований. Отметим, что близкая к указанной выше величина у аммиака наблюдается в традиционной спектроскопии в окрестности длин волн[2] 110 нм и 190 нм.
Рис. 3. Зависимость минимальной чувствительности интегрально-оптического датчика в зависимости от длины сенсорной ячейки L (полагается, что L = z). На рисунке обозначены: 1 - зависимость при 20; 2 - уровень см-1, соответствующий концентрации газообразного аммиака в воздухе 0.1 ppm.
Минимальное значение коэффициента затухания волноводной моды в присутствии аммиака и при наличии случайного аддитивного шума рассчитывалось по простой формуле:
, (2)
где - мощность сигнала, при котором отношение сигнал/шум в среднем не ниже заданного уровня; - мощность случайного аддитивного шума.
На рис. 3 обозначен также уровень , соответствующий концентрации газообразного аммиака в воздухе 0.1 ppm. Как видно из рис. 3, при среднем значении 20 и эффективности ввода лазерного излучения в волноводную сенсорную ячейку около 40%, для достижения уровня чувствительности 0.1 ppm длина сенсорной ячейки должна быть не менее 4 см.
На рис. 4 приведены результаты расчетов для предельного отношения сигнал/шум 1. Параметры и здесь те же, что и на рис. 3. В этом случае для достижения уровня чувствительности 0.1 ppm длина сенсорной ячейки должна быть увеличена как минимум до 50 см. Следовательно, здесь требуется брать почти на порядок больше, чем при 20.