RU2323433C9 - Laser micro vibratory spectrometer - Google Patents
Laser micro vibratory spectrometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2323433C9 RU2323433C9 RU2006101610/28A RU2006101610A RU2323433C9 RU 2323433 C9 RU2323433 C9 RU 2323433C9 RU 2006101610/28 A RU2006101610/28 A RU 2006101610/28A RU 2006101610 A RU2006101610 A RU 2006101610A RU 2323433 C9 RU2323433 C9 RU 2323433C9
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- laser
- optical
- spectrometer
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к лазерным техническим средствам измерений и может быть использовано для измерения параметров микроструктур различных искусственных и естественных, в том числе биологических, объектов.The invention relates to laser technical means of measurement and can be used to measure microstructural parameters of various artificial and natural, including biological, objects.
Известна диагностическая измерительная система, содержащая оптический контур с источником излучения оптического диапазона, выполненным в виде лазера непрерывного действия, конденсором из оптических призм и электрический контур преобразования светового излучения в информативные электрические сигналы с аналого-цифровым преобразователем и устройством регистрации, записи и воспроизведения измеряемых параметров (см. патент РФ №2141102, кл. G01D 5/353, опубл. 1997).A known diagnostic measuring system containing an optical circuit with an optical range radiation source made in the form of a continuous-wave laser, a condenser from optical prisms and an electric circuit for converting light radiation into informative electric signals with an analog-to-digital converter and a device for recording, recording and reproducing measured parameters ( see RF patent No. 2141102, class G01D 5/353, publ. 1997).
Однако данная система достаточно сложна в конструктивном отношении, обеспечивает измерение лишь статических параметров и предназначена для детектирования механических деформаций и перепадов температур технических объектов, что ограничивает область ее применения.However, this system is quite complex in terms of design, provides only static parameters and is designed to detect mechanical deformations and temperature differences of technical objects, which limits its scope.
Наиболее близкой к заявленному изобретению по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранная в качестве прототипа диагностическая измерительная система (Патент RU №2228518, кл. G01Н 9/00, G01М 7/02 от 14.10.2002), содержащая лазер, последовательно соединенные первую и вторую оптические призмы, пара которых образует конденсор, последовательно соединенные двухвходовой фотодетектор, усилитель мощности сигнала, аналого-цифровой преобразователь и компьютер, а также оптические фильтр и гетеродин, причем выход отраженного сигнала первой оптической призмы соединен со входом оптического гетеродина, выход которого соединен с первым входом двухвходового фотодетектора, второй вход которого соединен с выходом оптического фильтра, вход которого соединен с выходом отраженного сигнала второй оптической призмы, выход лазерного излучения которой является выходом оптического контура системы.Closest to the claimed invention in its technical essence and the achieved result is a diagnostic measuring system selected as a prototype (Patent RU No. 2228518, class G01H 9/00, G01M 7/02 of 10/14/2002) containing a laser connected in series to the first and a second optical prism, a pair of which forms a condenser, a two-input photodetector connected in series, a signal power amplifier, an analog-to-digital converter and a computer, as well as an optical filter and a local oscillator, the output of the reflected signal the first optical prism is connected to the input of the optical local oscillator, the output of which is connected to the first input of the two-input photodetector, the second input of which is connected to the output of the optical filter, the input of which is connected to the output of the reflected signal of the second optical prism, the laser radiation output of which is the output of the optical circuit of the system.
Недостатком известной системы является необходимость использования в ней датчика возмущения, который выполнен в виде светоотражающей пленки, нанесенной на рабочую поверхность детали, установленной с возможностью вращения. Эта система не обеспечивает измерения параметров глубинных слоев исследуемого вещества и вообще не предназначена для биологических объектов, что делает ее малопривлекательной. Основным недостатком является наклеиваемая отражательная пленка, которую невозможно наклеивать на исследуемые биологические объекты, тем более находящиеся не только на поверхности исследуемого материала.A disadvantage of the known system is the need to use a perturbation sensor in it, which is made in the form of a reflective film deposited on the working surface of a part mounted for rotation. This system does not provide measurements of the parameters of the deep layers of the test substance and is generally not intended for biological objects, which makes it unattractive. The main disadvantage is the glued reflective film, which cannot be glued to the studied biological objects, especially not only on the surface of the studied material.
Целью заявленного изобретения является расширение функциональных возможностей известной системы путем обеспечения анализа состояния биологических тканей, в том числе внутри биологических объектов без их разрушения за счет использования управляемого микровибрационного частотного модулятора.The aim of the claimed invention is to expand the functionality of the known system by providing an analysis of the state of biological tissues, including inside biological objects without destroying them through the use of a controlled micro-vibrational frequency modulator.
Указанная цель достигается тем, что лазерный микровибрационный спектрометр (ЛМС), содержащий лазер, последовательно соединенные первую и вторую оптические призмы, пара которых образует конденсор, последовательно соединенные двухвходовой фотодетектор, усилитель мощности сигнала, аналого-цифровой преобразователь и компьютер, а также оптические фильтр и гетеродин, причем выход отраженного сигнала первой оптической призмы соединен со входом оптического гетеродина, выход которого соединен с первым входом двухвходового фотодетектора, второй вход которого соединен с выходом оптического фильтра, вход которого соединен с выходом отраженного сигнала второй оптической призмы, выход лазерного излучения которой является выходом ЛМС, также содержит микровибрационный частотный модулятор и управляемый генератор электрических сигналов, вход которого соединен с выходом компьютера, а выход которого соединен с управляемым входом микровибрационного частотного модулятора, вход лазерного излучения которого соединен с выходом лазера, а выход лазерного излучения которого соединен со входом лазерного излучения первой оптической призмы.This goal is achieved by the fact that a laser microvibration spectrometer (LMS) containing a laser, a series of connected first and second optical prisms, a pair of which forms a capacitor, a two-input photodetector in series, a signal power amplifier, an analog-to-digital converter and a computer, as well as an optical filter and a local oscillator, the output of the reflected signal of the first optical prism connected to the input of the optical local oscillator, the output of which is connected to the first input of the two-input photodetector, W The swarm input of which is connected to the output of the optical filter, the input of which is connected to the output of the reflected signal of the second optical prism, the laser output of which is the LMS output, also contains a microvibration frequency modulator and a controlled generator of electrical signals, the input of which is connected to the output of the computer, and the output of which is connected with a controlled input of a microvibrational frequency modulator, the laser input of which is connected to the laser output, and the laser output of which is connected on the entrance of the laser radiation of the first optical prism.
Для достижения поставленной цели взят серийно выпускаемый маломощный гелий-неоновый лазер с непрерывным высокостабилизированным по частоте излучением и со встроенным поляризатором. Такой лазер одновременно формирует два оптических потока, имеющих взаимно ортогональные плоскости поляризации. Другие комплектующие элементы ЛМС являются элементами широкого применения в промышленности.To achieve this goal, a commercially available low-power helium-neon laser with continuous highly frequency-stabilized radiation and an integrated polarizer was taken. Such a laser simultaneously forms two optical streams having mutually orthogonal polarization planes. Other components of LMS are elements of widespread use in industry.
Технический результат заявленного изобретения состоит в обеспечении возможности производить неразрушающий спектральный анализ клеточных и молекулярных комплексов (нанообъектов) как на поверхности, так и в более глубинных слоях исследуемого вещества.The technical result of the claimed invention is to enable non-destructive spectral analysis of cellular and molecular complexes (nano-objects) both on the surface and in deeper layers of the test substance.
На чертеже представлена функциональная схема ЛМС.The drawing shows a functional diagram of the LMS.
Лазерный микровибрационный спектрометр содержит оптический контур с источником 1 высокостабилизированного по частоте излучения оптического диапазона, выполненный в виде маломощного непрерывного действия гелий-неонового лазера со встроенным поляризатором, микровибрационным частотным модулятором 2 и первой и второй оптическими призмами 3 и 4, составляющими конденсор 5.A laser microvibration spectrometer contains an optical circuit with a source 1 of a highly stabilized frequency range of the optical range, made in the form of a low-power continuous operation of a helium-neon laser with an integrated polarizer, a microvibration frequency modulator 2 and the first and second optical prisms 3 and 4 that make up the condenser 5.
Устройство содержит также оптический фильтр 6, оптический гетеродин 7, двухвходовый фотодетектор 8, усилитель мощности сигнала 9, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10, компьютер 11, управляемый генератор 12 электрических сигналов, выход 13 лазерного излучения ЛМС и вход 14 отраженного сигнала.The device also contains an optical filter 6, an optical local oscillator 7, a two-input photodetector 8, a signal power amplifier 9, an analog-to-digital converter (ADC) 10, a computer 11, a controlled electric signal generator 12, an output of the LMS laser radiation and an input 14 of the reflected signal.
На чертеже для пояснения показан исследуемый объект 15, не входящий в ЛМС.In the drawing, for explanation, the investigated object 15 is shown, which is not included in the LMS.
Элементы (эл.) 1, 2, 3, 4 и выход 13 составляют последовательную цепь лазерного излучения. Выход отраженного сигнала эл.3 через эл.7 соединен с первым входом эл.8, второй вход которого через эл.6 соединен с выходом эл.4. Последовательная цепь эл.8, 9, 10, 11, 12 и управляющий вход эл.2 составляют цепь обработки отраженных сигналов, а также управления элементом 2 и отображения результатов на элементе 11.Elements (el.) 1, 2, 3, 4 and output 13 comprise a sequential chain of laser radiation. The output of the reflected signal e. 3 through e. 7 is connected to the first input of e. 8, the second input of which through e. 6 is connected to the output of e. 4. The serial circuit of electric 8, 9, 10, 11, 12 and the control input of electric 2 comprise a circuit for processing the reflected signals, as well as controlling the element 2 and displaying the results on the element 11.
Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.The operation of the proposed device is as follows.
От источника 1 лазерного излучения квантовый поток энергии попадает через микровибрационный частотный модулятор 2 и конденсор 5 из оптических призм 3 и 4 на исследуемый объект 15 через выход 13 ЛМС, частично отражаясь от него и смешиваясь с собственным оптическим излучением исследуемого объекта, оптический сигнал через вход 14 попадает снова на оптическую призму 4, далее на оптический фильтр 6, частично не пропускающий собственное оптическое излучение исследуемого объекта на первый вход фотодетектора 8, в силу чего этот оптический сигнал является информационным, поскольку несет спектральную информацию об исследуемом объекте. Одновременно с этим часть светового потока, отражаясь от оптической призмы 3, через гетеродин 7 поступает на второй вход фотодетектора 8, в силу чего этот оптический сигнал является спорно-модулированным.From the laser radiation source 1, the quantum energy flux enters through the micro-vibrational frequency modulator 2 and the condenser 5 from the optical prisms 3 and 4 to the object under study 15 through the LMS output 13, partially reflected from it and mixed with the intrinsic optical radiation of the object under study, the optical signal through input 14 falls on the optical prism 4 again, then on the optical filter 6, which partially does not pass the intrinsic optical radiation of the studied object to the first input of the photodetector 8, due to which this optical signal is tsya information as bears spectral information about the object. At the same time, part of the light flux, reflected from the optical prism 3, through the local oscillator 7 enters the second input of the photodetector 8, due to which this optical signal is controversially modulated.
Оба полученных оптических сигнала в фотодетекторе 8 преобразуются в электрические, которые через усилитель 9 мощности сигнала поступают далее в АЦП 10 для соответствующей обработки и последующего отображения на мониторе компьютера 11 необходимых микровибрационных параметров исследуемого объекта. Компьютер 11 может изменять частоту управляемого генератора электрических сигналов 12 по командам оператора или адаптивной базы знаний ЛМС - интеллектуальной программной среды компьютера.Both received optical signals in the photodetector 8 are converted into electric ones, which are then transmitted through the signal power amplifier 9 to the ADC 10 for appropriate processing and subsequent display on the computer monitor 11 of the necessary microvibration parameters of the object under study. The computer 11 can change the frequency of the controlled generator of electrical signals 12 according to the instructions of the operator or the adaptive knowledge base LMS - the intellectual software environment of the computer.
Основным отличием ЛМС от других лазерных спектрометров является то, что за счет формирования лазерного сигнала с высокой степенью стабилизации несущей частоты, а также за счет применения микровибрационного частотного модулятора с управляемой модулирующей частотой, модулированный таким образом оптический сигнал возбуждает в молекулярных структурах вторичные акустические резонансные колебания на основной частоте (или гармониках) модуляции лазерного луча. Подобный оптоакустический резонансный эффект позволяет, применяя маломощный оптический сигнал (порядка 1 мВт), производить неразрушающее спектрометрическое зондирование не только поверхностных слоев вещества исследуемого объекта, но и получать спектральную информацию о более глубоких слоях структуры объекта.The main difference between LMSs and other laser spectrometers is that due to the formation of a laser signal with a high degree of stabilization of the carrier frequency, as well as through the use of a microvibrational frequency modulator with a controlled modulating frequency, the optical signal thus modulated excites secondary acoustic resonance vibrations in molecular structures the fundamental frequency (or harmonics) of the modulation of the laser beam. Such an optoacoustic resonance effect allows, using a low-power optical signal (of the order of 1 mW), to produce non-destructive spectrometric sounding not only of the surface layers of the substance of the object under study, but also to obtain spectral information about the deeper layers of the structure of the object.
Особенно это актуально при биологических исследованиях живых тканей и культур. Ожидается безвредное зондирование и визуализация микроструктур тканей человеческого организма с ранее недостижимыми микроскопическими разрешениями вплоть до клеточных и субмолекулярных структур. Характерные размеры структурных образований живых клеток составляют десятые и сотые доли микрона, что практически не позволяет производить спектрометрию этих объектов прямыми оптическими методами, поскольку размеры сканируемых объектов существенно меньше длины волны оптического диапазона. Применение же электромагнитных излучений с меньшей длиной волны (ультрафиолетового и рентгеновского) приводит к разрушению биологических объектов.This is especially true for biological studies of living tissues and cultures. A harmless sounding and visualization of the microstructures of the tissues of the human body with previously unattainable microscopic resolutions up to cellular and submolecular structures is expected. The characteristic sizes of the structural formations of living cells are tenths and hundredths of a micron, which practically does not allow spectrometry of these objects by direct optical methods, since the sizes of the scanned objects are significantly less than the wavelength of the optical range. The use of electromagnetic radiation with a shorter wavelength (ultraviolet and x-ray) leads to the destruction of biological objects.
Если принять во внимание, что характерная длина волны собственных акустических колебаний структур материальных объектов имеет такой же порядок, как и размеры таких структур, то элементарное деление скорости звука в биологических тканях (порядка 103 м/с) на длину волны собственных акустических колебаний структуры таких объектов (порядка 10-6 м ... 10-8 м) дает диапазон частот акустических колебаний порядка 1...100 ГГц. При частоте модуляции лазерного излучения такого же порядка в структуре исследуемого биологического объекта возникнут резонансные колебания, которые будут модулировать собственное электромагнитное излучение клеточных и субклеточных структур данного объекта (как правило, в инфракрасном диапазоне), а также модулировать отраженное от поверхностных слоев объекта оптическое излучение лазерной системы. Таким образом, создаются предпосылки спектрального анализа нанообъектов, т.е. молекулярных комплексов и даже отдельных молекул, размер которых в сотни раз меньше длины волны несущей частоты лазерного излучения.If we take into account that the characteristic wavelength of natural acoustic vibrations of the structures of material objects has the same order as the sizes of such structures, then the elementary division of the speed of sound in biological tissues (about 10 3 m / s) by the wavelength of natural acoustic vibrations of the structure of such objects (of the order of 10 -6 m ... 10 -8 m) gives the frequency range of acoustic vibrations of the order of 1 ... 100 GHz. At a frequency of modulation of laser radiation of the same order in the structure of the biological object under study, resonant oscillations will arise that will modulate the intrinsic electromagnetic radiation of the cellular and subcellular structures of this object (usually in the infrared range), and also modulate the optical radiation of the laser system reflected from the surface layers of the object. . Thus, the prerequisites for the spectral analysis of nano-objects, i.e. molecular complexes and even individual molecules whose size is hundreds of times smaller than the wavelength of the carrier frequency of the laser radiation.
Возможность ЛМС производить неразрушающий спектральный анализ молекулярных комплексов не только на поверхности, но и в более глубоких слоях вещества, позволяет на базе ЛМС создавать широкий класс детекторов веществ, которые найдут применение в различных системах безопасности и досмотра, системах технологического контроля и мониторинга, медицинской диагностике, научных исследованиях и т.д. В состав подобных детекторов веществ помимо ЛМС могут входить программно-информационные блоки обучения и самообучения, позволяющие заранее, т.е. до момента принятия решения, вводить в блок распознавания устройства информацию о спектральных кластерах как распознаваемых веществ, так и среды, в которой находятся анализируемые молекулярные комплексы.The ability of LMS to perform non-destructive spectral analysis of molecular complexes not only on the surface, but also in deeper layers of the substance, makes it possible to create a wide class of substance detectors based on LMS that can be used in various security and inspection systems, technological control and monitoring systems, medical diagnostics, scientific research etc. In addition to LMS, the composition of such substance detectors can include program-information blocks of training and self-training that allow in advance, i.e. Until the decision is made, enter information on the spectral clusters of both recognizable substances and the medium in which the analyzed molecular complexes are located in the recognition unit of the device.
При этом параллельным научным продуктом станут информационные базы знаний (фреймы, т.е. данные плюс программы обработки) спектральных кластеров разных типов сред и находящихся в них распознаваемых веществ. Такие базы данных в виде набора специализированных или перепрограммируемых чипов позволят распараллелить процесс научных исследований и сделать его существенно более эффективным за счет создания централизованных спектрометрических информационных банков. Особенно это актуально для современных исследований в области генной инженерии, медицины, фармацевтики и нанотехнологий для электроники будущего.At the same time, information knowledge bases (frames, i.e. data plus processing programs) of spectral clusters of different types of media and recognizable substances contained in them will become a parallel scientific product. Such databases in the form of a set of specialized or reprogrammable chips will make it possible to parallelize the research process and make it much more efficient by creating centralized spectrometric information banks. This is especially true for modern research in the field of genetic engineering, medicine, pharmaceuticals and nanotechnology for the electronics of the future.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006101610/28A RU2323433C9 (en) | 2006-01-23 | 2006-01-23 | Laser micro vibratory spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006101610/28A RU2323433C9 (en) | 2006-01-23 | 2006-01-23 | Laser micro vibratory spectrometer |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006101610A RU2006101610A (en) | 2007-07-27 |
| RU2323433C2 RU2323433C2 (en) | 2008-04-27 |
| RU2323433C9 true RU2323433C9 (en) | 2008-08-10 |
Family
ID=38431498
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006101610/28A RU2323433C9 (en) | 2006-01-23 | 2006-01-23 | Laser micro vibratory spectrometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2323433C9 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013089581A1 (en) * | 2011-12-16 | 2013-06-20 | Garyaev Petr Petrovich | Method and device for recording radio wave spectra of objects |
-
2006
- 2006-01-23 RU RU2006101610/28A patent/RU2323433C9/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006101610A (en) | 2007-07-27 |
| RU2323433C2 (en) | 2008-04-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10620251B2 (en) | Spin-based electrometry with solid-state defects | |
| US8456629B2 (en) | Apparatus and method for multiple-pulse impulsive stimulated raman spectroscopy | |
| US5938617A (en) | Advanced synchronous luminescence system for the detection of biological agents and infectious pathogens | |
| US7582870B2 (en) | Imaging apparatus for IR four-wave mixing polarization microscopy | |
| JP2021507271A (en) | Atom-based electromagnetic field sensing elements and measurement systems | |
| JP5649828B2 (en) | Laser microscope equipment | |
| WO2017123926A1 (en) | System and method for multi-parameter spectroscopy | |
| CN102576971A (en) | Optical signal processing with modelocked lasers | |
| CN110383605A (en) | Observation of stimulated Raman scattering instrument based on passive Q-switch and its use in industrial molecular analysis | |
| Odularu | Worthwhile relevance of infrared spectroscopy in characterization of samples and concept of infrared spectroscopy-based synchrotron radiation | |
| CN113155742A (en) | Single resonant cavity photoacoustic spectroscopy system and method for simultaneously detecting multiple gases | |
| RU2323433C2 (en) | Laser micro vibratory spectrometer | |
| Patrick et al. | Cavity attenuated phase shift Faraday rotation spectroscopy | |
| KR102261858B1 (en) | System for 2D spectroscopy and method of 2D spectroscopic analysis | |
| JP2003279412A (en) | Spectrometry device using white electromagnetic wave emitted from photonic crystal member generated by single pulse photoexcitation as light source | |
| Sparapassi et al. | Transient measurement of phononic states with covariance-based stochastic spectroscopy | |
| CN105466887B (en) | The detecting system and method for thin-walled closed glass chamber optical parameter | |
| Kameyama et al. | Fast, sensitive dual-comb CARS spectroscopy with a quasi-dual-comb laser | |
| Rost et al. | A combined Phase Contrast Imaging and heterodyne interferometer for multiscale fluctuation measurements in tokamak plasmas | |
| US20240036094A1 (en) | Detecting Radio Frequency Electromagnetic Radiation Using Vapor Cell Sensors and Comb Spectra | |
| Muddiman et al. | Spectral interferometric polarization-CARS for hyperspectral imaging | |
| Borowski et al. | Improved photoacoustic generator | |
| ALMUHAWISH | Materials analysis using a THz imaging system based on atomic vapour | |
| Patel et al. | A review on photoacoustic spectroscopy | |
| Strohkendl et al. | Degenerate four-wave mixing spectrum of C60 between 0.74 and 1.7 um |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TH4A | Reissue of patent specification | ||
| TH4A | Reissue of patent specification | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110124 |