RU85235U1 - Спектрометр с импульсным лазерным возбуждением для регистрации вторичных свечений - Google Patents

Abstract

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.

Description

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 (λ_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 λ_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.

Claims (1)

1. 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.