Портативный раман-люминесцентный анализатор с выбором спектрального диапазона
Полезная модель относится к оптической и электронной промышленности и используется для анализа и идентификации органических и неорганических субстанций по спектрам рамановского рассеяния и фотолюминесценции. Техническим результатом заявленной полезной модели является портативный раман-люминесцентный анализатор с широким спектральным диапазоном и высоким спектральным разрешением, который способен осуществлять последовательную регистрацию как рамановских, так и люминесцентных спектров. Указанный технический результат достигается за счет того, что портативный раман-люминесцентный анализатор с выбором спектрального диапазона, состоящий из корпуса, источника лазерного излучения, системы фокусировки и фильтрации лазерного и рассеянного излучения, входной щели спектрометра, спектрометра, многоканального ПЗС-детектора, контроллера обработки сигналов и блока управления, отличающийся тем, что в оптическую схему встроена подвижная шторка-заслонка, установленная непосредственно перед плоскостью многоканального ПЗС-детектора так, что она частично загораживает массив фоточувствительных элементов многоканального детектора и выделяет актуальный для измерения спектральный диапазон.
Полезная модель относится к оптической и электронной промышленности и используется для анализа и идентификации органических и неорганических субстанций по спектрам рамановского рассеяния и фотолюминесценции.
Рамановский метод анализа основан на том, что в молекулах исследуемого вещества имеется большое количество вращательных и колебательных степеней свободы, которые проявляются в спектре рассеянного света в виде набора линий, имеющих индивидуальные спектральные положения и относительные интенсивности. У каждого вещества спектр рамановского рассеяния уникален. В применении к задачам геммологии и минералогии по спектрам рамановского рассеяния можно однозначно идентифицировать кристаллический тип минерала. Аналогично спектрам рамановского рассеяния, спектр фотолюминесценции может содержать информацию о возбужденных состояниях исследуемого вещества, о наличии и характеристиках центров окраски, примесных комплексов в кристалле. В зависимости от длины волны возбуждающего излучения квантовый выход процесса фотолюминесценции для разных веществ может на много порядков превосходить эффективность рамановского рассеяния света. Соответственно интенсивность спектральных линий фотолюминесценции и рамановского рассеяния света анализируемого вещества могут различаться на несколько порядков величины. Вместе с тем, для ряда задач комплексный анализ спектров рамановского рассеяния и фотолюминесценции позволяет получить существенно более полную информацию об исследуемом объекте.
В частности, для класса геммологических и геологических задач, а именно задач идентификации типа минерала и качества его кристаллической структуры, набор линий рамановского рассеяния света ограничен сверху стоксовыми сдвигами ~2000 отн. см-1, а линии фотолюминесценции в большинстве случаев происходят от примесных центров в кристаллической решетке и имеют достаточно изолированное положение и малую спектральную ширину. Для таких объектов комбинирование рамановского и люминесцентного методов анализа особенно актуально, т.к. позволяет по линиям рамановского рассеяния света установить тип кристалла, а по линиям фотолюминесценции определять другие параметры минерала, включая цветность, тип и характер люминесцирующих примесей. Аналогично данная методика может быть использована для задач идентификации и анализа происхождения археологических предметов, древних надписей, картин, росписи и т.д. через определения вида используемых красок и минералов. Изобретение недорогих портативных рамановских и раман-люминесцентных спектрометров дало импульс к применению рамановской и фотолюминесцентной спектроскопии в аналитических целях. В портативных спектрометрах чаще всего применяется жесткая конфигурация спектрометра (без подвижных частей и соответственно с фиксированным спектральным диапазоном), а также многоканальный ПЗС-детектор для одновременной регистрации широкой спектральной области в видимом и/или ближнем инфракрасном диапазоне. Использование многоканального детектора позволяет целиком регистрировать излучение не только в спектральной области, актуальной для рамановского рассеяния (~0
5000 отн. см-1), но и захватить более широкую часть спектрального диапазона для анализа линий фотолюминесценции. В то же время, существующие ПЗС-детекторы имеют ограничение по динамическому диапазону чувствительности, что затрудняет одновременную регистрацию рамановских и фотолюминесцентных спектральных линий для люминесцирующих объектов. Регулировкой мощности фотовозбуждения и/или времени экспозиции детектора можно добиться приемлемого уровня сигнала фотолюминесценции, но при этом отношение сигнала к шуму рамановских линий часто оказывается неудовлетворительным. В результате, при ограниченном динамическом диапазоне детектора одновременная регистрация спектров рамановского рассеяния и фотолюминесценции с приемлемым отношением сигнал/шум для огромного класса цветных/люминесцирующих объектов становится невозможным.
За наиболее близкое решение выбран раман-люминесцентный спектрометр [1], использующий фотовозбуждение в видимом диапазоне (532 нм), который обладает широким спектральным диапазоном (~140-6000 см-1) и узким спектральным разрешением ~6-7 см-1.
Техническим результатом заявленной полезной модели является портативный раман-люминесцентный анализатор с широким спектральным диапазоном и высоким спектральным разрешением, который способен осуществлять последовательную регистрацию как рамановских, так и люминесцентных спектров.
Указанный технический результат достигается за счет того, что портативный раман-люминесцентный анализатор с выбором спектрального диапазона, состоящий из корпуса, источника лазерного излучения, системы фокусировки и фильтрации лазерного и рассеянного излучения, входной щели спектрометра, спектрометра, многоканального ПЗС-детектора, контроллера обработки сигналов и блока управления, отличающийся тем, что в оптическую схему встроена подвижная шторка-заслонка, установленная непосредственно перед плоскостью многоканального ПЗС-детектора так, что она частично загораживает массив фоточувствительных элементов многоканального детектора и выделяет актуальный для измерения спектральный диапазон.
Шторка-заслонка может быть выполнена с возможностью движения под действием электропривода.
Электропривод может быть выполнен с возможностью многопозиционного фиксирования положения.
Полезная модель поясняется чертежами.
На Фиг.1 показана принципиальная схема портативного раман-люминесцентного анализатора с выбором спектрального диапазона.
На Фиг.2 показаны спектры рамановского рассеяния и фотолюминесценции кристалла рубина, раздельно записанные с использованием автоматичекской шторки и при разных мощностях фотовозбуждения и времени экспозиции.
Предлагаемым решением является раздельная регистрация рамановских и фотолюминесцентных спектров в портативных приборах с жесткой конфигурацией спектрометра за счет выбора актуального спектрального диапазона с помощью механической заслонки.
Для достижения данного технического результата (см. Фиг.1) в оптический путь раман-люминесцентного анализатора, описанного в изобретении [1], состоящего из корпуса (1), источника лазерного излучения (2), системы фокусировки и фильтрации лазерного и рассеянного излучения (3), входной щели спектрометра (4), спектрометра (5), многоканального ПЗС-детектора (6), контроллера обработки сигналов и блока управления (7), встраивается непрозрачная автоматизированная шторка-заслонка (8).
Регистрируемое в результате фотовозбуждения излучение от исследуемого объекта проходит фильтрацию и попадает на входную щель спектрометра (4), после чего раскладывается в спектр и регистрируется многоканальным ПЗС-детектором (6). Для выбора актуального регистрируемого спектрального диапазона автоматизированная заслонка (8) блокирует попадание анализируемого светового сигнала на многоканальный ПЗС-детектор (6) в определенных спектральных областях. Для этого непрозрачная шторка-заслонка (8) устанавливается непосредственно перед плоскостью многоканального ПЗС-детектора. Движение шторки осуществляется с помощью электропривода, управляемого блоком управления (7), либо другими способами. Наибольшую гибкость обеспечивает применение электропривода с возможностью многопозиционного фиксирования положения, как например сервопривод, линейный привод и др. Для реализации конкретной траектории перекрытия фоточувствительной части детектора могут использоваться различные формы и размеры профиля шторки, а также различного рода поступательно-вращательные механизмы и редукторы. Границами открытого/закрытого диапазона детектора служат области пересечения массива фоточувствительных элементов с проекцией профиля шторки в сходящемся к детектору световом пучке. Раздельная регистрация линий рамановского рассеяния и фотолюминесценции для широкого класса веществ становится возможной благодаря тому факту, что набор линий рамановского рассеяния простирается в стоксову часть спектра от позиции линии лазера на ~1000-4000 см-1. Если линии фотолюминесценции расположены в более красной области спектра, чем все или хотя бы часть набора рамановских линий, то для регистрации последних целесообразно использовать шторку для блокирования именно красной части регистрируемого спектра. Более интенсивный спектр фотолюминесценции предполагается регистрировать отдельно при открытом положении шторки и оптимальных параметрах выходной мощности лазерного излучения и времени экспозиции. Программно-аппаратный комплекс раман-люминесцентного анализатора [1], производит последовательную запись измеренных спектров рамановского рассеяния и фотолюминесценции с указанием параметров измерения. На Фиг.2 отображены спектры рамановского рассеяния и фотолюминесценции кристалла рубина с фотовозбуждением на длине волны 532 нм. Для получения рамановского спектра при мощности лазера 20 мВт и времени экспозиции 1 сек автоматическая шторка-заслонка была выставлена для перекрытия зоны люминесценции спектрального диапазона от 1200 см-1 до 6000 см-1. Сигнал люминесценции примесных центров рубина на 6 порядков величины превосходит сигнал рамановского рассеяния, и поэтому был записан при существенно более слабой мощности лазера 6 мкВт и малом времени экспозиции - 20 мсек.
Источники информации
1. Международная заявка WO/2011/149855 (01.12.2011)
1. Раман-люминесцентный анализатор с выбором спектрального диапазона, состоящий из корпуса, источника лазерного излучения, системы фокусировки и фильтрации лазерного и рассеянного излучения, входной щели спектрометра, спектрометра, многоканального ПЗС-детектора, контроллера обработки сигналов и блока управления, отличающийся тем, что в оптическую схему встроена подвижная шторка-заслонка, установленная непосредственно перед плоскостью многоканального ПЗС-детектора так, что она частично загораживает массив фоточувствительных элементов многоканального детектора и выделяет актуальный для измерения спектральный диапазон.
2. Раман-люминесцентный анализатор по п.1, отличающийся тем, что шторка-заслонка выполнена с возможностью движения под действием электропривода.
3. Раман-люминесцентный анализатор по п.2, отличающийся тем, что электропривод может быть выполнен с возможностью многопозиционного фиксирования положения.
