RU130700U1

RU130700U1 - PORTABLE RAMAN-LUMINESCENT ANALYZER WITH SPECTRAL RANGE SELECTION

Info

Publication number: RU130700U1
Application number: RU2012149051/28U
Authority: RU
Inventors: Александр Борисович Ваньков; Леонид Викторович Кулик; Игорь Владимирович Кукушкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "РамМикс"
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2013-07-27

Abstract

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.1. Raman-luminescent analyzer with a choice of spectral range, consisting of a housing, a laser source, a focusing and filtering laser and scattered radiation, the entrance slit of a spectrometer, spectrometer, multi-channel CCD detector, signal processing controller and control unit, characterized in that a movable shutter-damper is installed in the optical circuit, installed directly in front of the plane of the multi-channel CCD detector so that it partially blocks the array of photosensitive elements o of a multichannel detector and selects the spectral range relevant for measurement. 2. Raman-luminescent analyzer according to claim 1, characterized in that the shutter-shutter is made with the possibility of movement under the action of an electric drive. Raman-luminescent analyzer according to claim 2, characterized in that the electric drive can be made with the possibility of multi-position fixation.

Description

Полезная модель относится к оптической и электронной промышленности и используется для анализа и идентификации органических и неорганических субстанций по спектрам рамановского рассеяния и фотолюминесценции.The utility model relates to the optical and electronic industries and is used to analyze and identify organic and inorganic substances from the Raman and photoluminescence spectra.

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.The Raman analysis method is based on the fact that the molecules of the test substance have a large number of rotational and vibrational degrees of freedom, which appear in the spectrum of scattered light in the form of a set of lines having individual spectral positions and relative intensities. Each substance has a unique Raman scattering spectrum. As applied to the problems of gemology and mineralogy, one can unambiguously identify the crystalline type of a mineral from the Raman scattering spectra. Similar to Raman spectra, the photoluminescence spectrum can contain information about the excited states of the substance under study, the presence and characteristics of color centers, impurity complexes in the crystal. Depending on the wavelength of the exciting radiation, the quantum yield of the photoluminescence process for different substances can be many orders of magnitude higher than the efficiency of Raman scattering of light. Accordingly, the intensity of the spectral lines of photoluminescence and Raman light scattering of the analyte can vary by several orders of magnitude. At the same time, for a number of problems, a comprehensive analysis of the Raman and photoluminescence spectra allows one to obtain substantially more complete information about the object under study.

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.In particular, for a class of gemological and geological problems, namely, problems of identifying the type of mineral and the quality of its crystal structure, the set of lines of Raman scattering of light is limited from above by Stokes shifts of ~ 2000 rel. cm ^-1 , and the photoluminescence lines in most cases come from impurity centers in the crystal lattice and have a fairly isolated position and a small spectral width. For such objects, the combination of the Raman and luminescent methods of analysis is especially important, because makes it possible to determine the type of crystal from the lines of Raman scattering of light, and to determine other parameters of the mineral from the lines of photoluminescence, including color, type and nature of luminescent impurities. Similarly, this technique can be used for identification and analysis of the origin of archaeological objects, ancient inscriptions, paintings, murals, etc. through determining the type of paints and minerals used. The invention of inexpensive portable Raman and Raman luminescent spectrometers gave impetus to the use of Raman and photoluminescent spectroscopy for analytical purposes. Portable spectrometers most often use a rigid spectrometer configuration (without moving parts and, accordingly, with a fixed spectral range), as well as a multi-channel CCD detector for simultaneously recording a wide spectral region in the visible and / or near infrared range. The use of a multichannel detector allows one to completely register radiation not only in the spectral region relevant for Raman scattering (~ 0 ... 5000 rel. Cm ^-1 ), but also to capture a wider part of the spectral range for the analysis of photoluminescence lines. At the same time, existing CCD detectors have a limit on the dynamic range of sensitivity, which makes it difficult to simultaneously register Raman and photoluminescent spectral lines for luminescent objects. By adjusting the photoexcitation power and / or the exposure time of the detector, an acceptable level of the photoluminescence signal can be achieved, but the ratio of the signal to the noise of the Raman lines is often unsatisfactory. As a result, with a limited dynamic range of the detector, the simultaneous recording of Raman and photoluminescence spectra with an acceptable signal to noise ratio for a huge class of color / luminescent objects becomes impossible.

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.For the closest solution, a Raman-luminescent spectrometer [1] was chosen, using photoexcitation in the visible range (532 nm), which has a wide spectral range (~ 140-6000 cm ^-1 ) and a narrow spectral resolution of ~ 6-7 cm ^-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.The technical result of the claimed utility model is a portable Raman-luminescent analyzer with a wide spectral range and high spectral resolution, which is capable of sequential recording of both Raman and luminescent spectra.

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.The specified technical result is achieved due to the fact that a portable Raman-luminescent analyzer with a choice of the spectral range, consisting of a housing, a laser source, a focusing and filtering laser and scattered radiation, the entrance slit of the spectrometer, spectrometer, multi-channel CCD detector, signal processing controller and a control unit, characterized in that a movable shutter-flap installed directly in front of the plane of the multi-channel CCD detector is integrated in the optical circuit So that it partially blocks the array of photosensitive elements of the multichannel detector and selects the spectral range relevant for measurement.

Шторка-заслонка может быть выполнена с возможностью движения под действием электропривода.The shutter-flap can be made with the possibility of movement under the action of an electric drive.

Электропривод может быть выполнен с возможностью многопозиционного фиксирования положения.The electric drive can be made with the possibility of multi-position fixation.

Полезная модель поясняется чертежами.The utility model is illustrated by drawings.

На Фиг.1 показана принципиальная схема портативного раман-люминесцентного анализатора с выбором спектрального диапазона.Figure 1 shows a schematic diagram of a portable Raman-luminescent analyzer with a choice of spectral range.

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.Figure 2 shows the spectra of Raman scattering and photoluminescence of a ruby crystal, separately recorded using an automatic shutter and at different powers of photoexcitation and exposure time.

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.The proposed solution is the separate recording of Raman and photoluminescent spectra in portable devices with a rigid spectrometer configuration by selecting the current spectral range using a mechanical damper.

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).To achieve this technical result (see Figure 1) into the optical path of the Raman-luminescent analyzer described in the invention [1], consisting of a housing (1), a laser radiation source (2), a focusing and filtering laser and scattered radiation ( 3), the entrance slit of the spectrometer (4), spectrometer (5), a multi-channel CCD detector (6), a signal processing controller and a control unit (7), an opaque automated shutter-flap (8) is built in.

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.The radiation detected as a result of photoexcitation from the object under study is filtered and falls on the entrance slit of the spectrometer (4), after which it is expanded into the spectrum and recorded by a multichannel CCD detector (6). To select the current recorded spectral range, an automated damper (8) blocks the analysis of the analyzed light signal from the multichannel CCD detector (6) in certain spectral regions. For this, an opaque shutter-flap (8) is installed directly in front of the plane of the multi-channel CCD detector. The movement of the curtain is carried out using an electric drive controlled by the control unit (7), or in other ways. The greatest flexibility is provided by the use of an electric drive with the possibility of multi-position fixation, such as a servo drive, linear drive, etc. To realize a specific path of overlapping the photosensitive part of the detector, various shapes and sizes of the curtain profile can be used, as well as various kinds of translational-rotational mechanisms and gearboxes. The boundaries of the open / closed range of the detector are the areas of intersection of the array of photosensitive elements with the projection of the curtain profile in the light beam converging to the detector. Separate registration of Raman and photoluminescence lines for a wide class of substances becomes possible due to the fact that a set of Raman lines extends into the Stokes part of the spectrum from the position of the laser line by ~ 1000-4000 cm ^-1 . If the photoluminescence lines are located in a redder region of the spectrum than all or at least part of the set of Raman lines, then it is advisable to use a shutter to register the latter to block the red part of the recorded spectrum. A more intense photoluminescence spectrum is supposed to be recorded separately with the curtain open and with optimal parameters of the laser output power and exposure time. The hardware-software complex of the Raman-luminescent analyzer [1], sequentially records the measured spectra of Raman scattering and photoluminescence with an indication of the measurement parameters. Figure 2 shows the spectra of Raman scattering and photoluminescence of a ruby crystal with photoexcitation at a wavelength of 532 nm. To obtain the Raman spectrum at a laser power of 20 mW and an exposure time of 1 second, an automatic shutter-shutter was set to overlap the luminescence zone of the spectral range from 1200 cm ^-1 to 6000 cm ^-1 . The luminescence signal of ruby impurity centers exceeds the Raman scattering signal by 6 orders of magnitude, and was therefore recorded at a significantly lower laser power of 6 μW and a short exposure time of 20 ms.

Источники информацииInformation sources

1. Международная заявка WO/2011/149855 (01.12.2011)1. International application WO / 2011/149855 (01/01/2011)

Claims

1. Raman-luminescent analyzer with a choice of spectral range, consisting of a housing, a laser source, a focusing and filtering laser and scattered radiation, the entrance slit of a spectrometer, spectrometer, multi-channel CCD detector, signal processing controller and control unit, characterized in that a movable shutter-damper is installed in the optical circuit, installed directly in front of the plane of the multi-channel CCD detector so that it partially blocks the array of photosensitive elements o of a multichannel detector and highlights the spectral range relevant for measurement.

2. Raman-luminescent analyzer according to claim 1, characterized in that the shutter-shutter is made with the possibility of movement under the action of an electric drive.

3. Raman-luminescent analyzer according to claim 2, characterized in that the electric drive can be made with the possibility of multi-position fixation.