Спектрометр с импульсным лазерным возбуждением для регистрации вторичных свечений
Полезная модель предназначена для исследований оптических характеристик молекул и кристаллов, в частности, для записи спектров люминесценции при селективном лазерном возбуждении при температуре жидкого гелия и спектров резонансного комбинационного рассеяния при лазерном возбуждении. Указанные спектры являются «откликом» исследуемых молекул и кристаллов и обобщаются термином - вторичные свечения. Результаты, полученные при изучении данных спектров, могут быть использованы в области нанооптики и при создании новых материалов для полупроводниковой техники, а также при анализе канцерогенных примесей в углеводородном топливе, маслах и кормовых дрожжах. Технической задачей полезной модели является создание спектрометра с импульсным лазерным возбуждением для регистрации вторичных свечений с высоким спектральным разрешением, возможностью перестройки длины волны возбуждающего излучения и регистрации сигнала в узком временном окне (стробе), что позволяет реализовать высокое соотношение сигнал/шум при небольшой частоте повторения импульсов лазерного излучения. Поставленная техническая задача решается тем, что в спектрометре с импульсным лазерным возбуждением для регистрации вторичных свечений, содержащем Nd-ИАГ - лазер, стеклянную делительную пластинку, кювету с образцом, оптический гелиевый криостат, монохроматор, фотоумножитель, фотодиод, компьютер, содержится импульсный лазер на красителях и двухканальный стробируемый интегратор импульсных сигналов. Стеклянная делительная пластинка оптически связана с импульсным лазером на красителях, а двухканальный стробируемый интегратор импульсных сигналов электрически связан с фотоумножителем, фотодиодом и компьютером.
Полезная модель предназначена для исследований оптических характеристик молекул и кристаллов, в частности, для записи спектров люминесценции при селективном лазерном возбуждении при температуре жидкого гелия и спектров резонансного комбинационного рассеяния при лазерном возбуждении. Указанные спектры являются «откликом» исследуемых молекул и кристаллов и обобщаются термином - вторичные свечения. Результаты, полученные при изучении данных спектров, могут быть использованы в области нанооптики и при создании новых материалов для полупроводниковой техники, а также при анализе канцерогенных примесей в углеводородном топливе, маслах и кормовых дрожжах.
Известен спектрометр для регистрации вторичных свечений, использующий монохроматор, лазер с непрерывным во времени излучением и систему регистрации в режиме счета фотонов [1]. Такой спектрометр для регистрации вторичных свечений имеет высокие спектральные характеристики и чувствительность и достаточно прост в эксплуатации.
Недостатком спектрометра для регистрации вторичных свечений является, как правило, отсутствие перестройки длины волны излучения (обычно используют для возбуждения свечения линии генерации аргонового и криптонового лазеров), высокая стоимость эксплуатации и необходимость замены дорогостоящих излучающих элементов. Данный спектрометр не позволяет регистрировать спектры вторичных свечений при использовании импульсных лазеров, работающих в частотном режиме, в качестве источников возбуждения. В то же время, данные лазеры производятся несколькими фирмами в Республике Беларусь и обладают сравнительно невысокой стоимостью и длительным сроком эксплуатации.
Технической задачей полезной модели является создание спектрометра с импульсным лазерным возбуждением для регистрации вторичных свечений с высоким спектральным разрешением, возможностью перестройки длины волны возбуждающего излучения и регистрации сигнала в узком временном окне (стробе), что позволяет реализовать высокое соотношение сигнал/шум при небольшой частоте повторения импульсов лазерного излучения.
Поставленная техническая задача решается тем, что в спектрометре с импульсным лазерным возбуждением для регистрации вторичных свечений, содержащем Nd-ИАГ - лазер, стеклянную делительную пластинку, кювету с образцом, оптический гелиевый криостат, монохроматор, фотоумножитель, фотодиод, компьютер, содержится импульсный лазер на красителях и двухканальный стробируемый интегратор импульсных сигналов. Стеклянная делительная пластинка оптически связана с импульсным лазером на красителях, а двухканальный стробируемый интегратор импульсных сигналов электрически связан с фотоумножителем, фотодиодом и компьютером.
Предлагаемый спектрометр с импульсным лазерным возбуждением для регистрации вторичных свечений позволяет использовать в качестве источника возбуждения плавно перестраиваемое излучение импульсного лазера на красителях с небольшой частотой повторения импульсов (до 100 Гц) и измерять сигналы в широком динамическом диапазоне и высоким соотношением сигнал/шум. Скважность импульсов возбуждения достаточно низкая (отношение длительности импульсов к периоду их следования составляет около 10-7), поэтому использование стандартных электронных систем регистрации спектров (по постоянному току, режим счета одиночных импульсов и т.д.) приводит к низкому соотношению сигнал/шум. Использование режима стробоскопической регистрации, т.е. измерение импульсов тока в узком временном окне (стробе) позволяет значительно улучшить соотношение сигнал/шум, поскольку время регистрации шума и возможных помех ограничено длительностью строба.
Сущность полезной модели поясняется фигурой 1, где:
1 - Nd-ИАГ-лазер;
2 - импульсный лазер на красителях;
3 - стеклянная делительная пластинка;
4 - оптический гелиевый криостат КГ-14.01;
5 - кювета с образцом;
6 - монохроматор ДФС-24
7 - фотоумножитель;
8 - фотодиод;
9 - двухканальный стробируемый интегратор импульсных сигналов;
10 - компьютер.
Спектрометр с импульсным лазерным возбуждением для регистрации вторичных свечений работает следующим образом.
Излучение импульсного лазера на красителях 2 фокусируют на кювету с образцом 5, помещенную в оптический гелиевый криостат КГ-14.01 - 4 как показано на фиг.1. В оптический гелиевый криостат КГ-14.01 - 4 заливают жидкий гелий, в который погружают кювету с исследуемым образцом 5. Возбуждение генерации импульсного лазера на красителях 2 производят излучением второй либо третьей (
ген=532 и 354 нм) гармоник Nd-ИАГ-лазера 1 (мощность в импульсе до 1 МВт, частота следования импульсов до 25 Гц). Люминесценцию образца фокусируют на входную щель монохроматора ДФС-24 - 6. Импульсный сигнал флуоресценции регистрируют фотоумножителем 7. Часть возбуждающего излучения лазера на красителях 2 с помощью стеклянной делительной пластинки 3 отводят на фотодиод 8, который служит для измерения энергии импульсов фотовозбуждения и синхронизации работы Nd-ИАГ-лазера 1 с двухканальным стробируемым интегратором импульсных сигналов 9. Измерение отношения сигналов фотоумножителя 7 и фотодиода 8 позволяет повысить точность однократного отсчета сигнала вторичных свечений и учесть флуктуации энергии выходных импульсов лазера при длительном сканировании спектра.
В качестве примера применения данного спектрометра с импульсным лазерным возбуждением для регистрации вторичных свечений на фиг.2 показан спектр флуоресценции Mg-порфина (фиг.3) в твердом тетрагидрофуране при температуре 4,2 К и селективном лазерном возбуждении возб=570,3 нм, приведенный в статье [2].
Ток фотоумножителя 7 при малых уровнях сигнала представляет собой пакет одноэлектронных импульсов, мгновенная интенсивность которых повторяет форму оптического сигнала. Для измерения таких сигналов обычные устройства выборки и хранения, фиксирующие амплитуду сигнала, не подходят и применяются интегрирующие устройства выборки и хранения, измеряющие площадь (заряд) сигнала за время строба. Для регистрации сигналов вторичных свечений в предлагаемой полезной модели создан двухканальный стробируемый интегратор импульсных сигналов 9, который позволяет регистрировать сигналы в узком временном окне (до 10-8 с), накапливать сигнал, усреднять его и нормировать на интенсивность возбуждающего излучения. Погрешность отсчета сигнала определяется количеством фотоэлектронов в пределах строба. Для получения заданной точности измерения производят усреднение регистрируемых сигналов.
Строб формируется по фронту сигнала фотодиода 8 с задержкой, которая определяется экспериментально. Измерения проводятся с постоянной или переменной задержкой. В первом случае задержку строба выбирают так, чтобы получить максимальное отношение сигнал/шум (здесь шум - это паразитный сигнал детектирования импульса возбуждения и собственный шум фотоумножителя). При переменной задержке измеряется форма сигнала. Управление спектрометром с импульсным лазерным возбуждением для регистрации вторичных свечений осуществляется компьютером 10 через СОМ-порт с помощью специально разработанного пакета программного обеспечения.
Источники информации:
[1] Ксенофонтов М.А., Ксенофонтова Н.М., Островская Л.Е., Гавриленко О.О. // Журнал прикладной спектроскопии, 1991. Т.54, 
2, 206-210.
[2] Старухин А.С., Шульга A.M. // Оптика и спектроскопия, 2005. Т.98, 5, 850-856.
Спектрометр с импульсным лазерным возбуждением для регистрации вторичных свечений, содержащий Nd-ИАГ-лазер, стеклянную делительную пластинку, кювету с образцом, оптический гелиевый криостат, монохроматор, фотоумножитель, фотодиод, компьютер, отличающийся тем, что содержит импульсный лазер на красителях и двухканальный стробируемый интегратор импульсных сигналов, при этом стеклянная делительная пластинка оптически связана с импульсным лазером на красителях, а двухканальный стробируемый интегратор импульсных сигналов электрически связан с фотоумножителем, фотодиодом и компьютером.
