Эффективная оптическая система сбора рассеянного излучения для раман-спектрометра



Эффективная оптическая система сбора рассеянного излучения для раман-спектрометра

 


Владельцы патента RU 2474796:

Учреждение Российской академии наук Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения РАН (ИМКЭС СО РАН) (RU)

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в газовых раман-спектрометрах. Оптическая система сбора рассеянного излучения для раман-спектрометра содержит оптически связанные лазер и расположенные последовательно вдоль главной оптической оси эллиптическое зеркало, объектив и спектрометр. В устройство введены сферическое зеркало с радиусом, равным удвоенному фокальному радиусу эллиптического зеркала, и фокусирующая линза, при этом сферическое зеркало выполнено с отверстием в центре и установлено на главной оптической оси так, что его центр кривизны совпадает с первым фокусом эллиптического зеркала, их зеркальные поверхности повернуты друг к другу, а его центр совпадает со вторым фокусом эллиптического зеркала. Фокусирующая линза установлена снаружи эллиптического зеркала на оптической оси лазера, ортогональной главной оптической оси, и ее фокус совпадает с первым фокусом эллиптического зеркала. Эллиптическое зеркало выполнено с двумя отверстиями, расположенными в точках пересечения поверхности зеркала с оптической осью лазера, причем их диаметр совпадает с диаметром лазерного луча. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света и обеспечении возможности повышения чувствительности раман-спектрометра. 1 ил.

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для увеличения интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света путем более эффективного сбора рассеянного излучения и может использоваться в газовых раман-спектрометрах.

Спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРС) является одним из наиболее перспективных направлений в области контроля и исследования многокомпонентных газовых сред. Основной трудностью при проведении КРС-газоанализа является крайне малая интенсивность сигнала КРС. Для решения данной проблемы используются различные оптические решения, направленные либо на эффективное возбуждение спектров КРС, либо на эффективный сбор рассеянного излучения (сигнала КРС). Однако современные газовые раман-спектрометры, использующие известные в настоящее время технические решения, часто не удовлетворяют современным требованиям по чувствительности из-за недостатка сигнала КРС. Известно, что интенсивность сигнала КРС в газовой среде зависит от угла сбора рассеянного излучения, т.е. увеличение угла сбора однозначно ведет к увеличению интенсивности сигнала КРС и, соответственно, к повышению чувствительности раман-спектрометра.

Известна оптическая схема, содержащая на одной оси лазер и фокусирующую линзу, а на ортогональной оси - сферическое зеркало и объектив, фокусы которых лежат в одной точке, где фокусируется лазерный луч [Применение спектров комбинационного рассеяния. / Под ред. А.Андерсона. - М.: Мир, 1977, с.204, рис.18]. Основным недостатком такой оптической схемы является малый угол сбора рассеянного излучения, обусловленный, в первую очередь, светосилой объектива.

Наиболее близкой по принципу действия является система, содержащая на одной оптической оси лазер и эллиптическое зеркало, в переднем фокусе которого находится рассеивающий объем, а во втором - вход световода, на выходе которого установлен объектив (линза), направляющий рассеянное излучение в спектрометр (патент US 6721049, 2004, G01N 21/63, G01N 21/65, G01J 1/04, G01J 3/00, G01J 3/02). Наличие эллиптического зеркала позволяет увеличить угол сбора рассеянного света (по сравнению с аналогом) и не требует светосильного объектива для этой цели. Основным недостатком такой системы является недостаточно большой угол сбора рассеянного излучения, по сравнению с полным углом сбора 4π стерадиан.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности сбора рассеянного излучения за счет увеличения угла сбора. Технический результат - увеличение интенсивности сигнала КРС и связанное с ним повышение чувствительности раман-спектрометра.

Указанный результат достигается тем, что в систему, содержащую оптически связанные лазер и расположенные последовательно вдоль главной оптической оси эллиптическое зеркало, объектив и спектрометр, дополнительно введены фокусирующая линза и сферическое зеркало. Радиус кривизны сферического зеркала равен удвоенному фокальному радиусу эллиптического зеркала (расстоянию между фокусами эллиптического зеркала). В центре сферического зеркала расположено отверстие для вывода рассеянного света из системы зеркал. Размер отверстия задается параметрами рассеивающего объема, который в свою очередь определяется фокусом линзы и диаметром лазерного луча [Schwiesow R.L. Optimum illumination geometry for laser raman spectroscopy // JOSA, 1969, V.59, №10]. В данном случае диаметр отверстия , где λ - длина волны лазера, F - фокус линзы, D - диаметр лазерного луча. Фокусирующая линза установлена снаружи эллиптического зеркала на оптической оси лазера, которая ортогональна главной, и ее фокус совпадает с первым фокусом эллиптического зеркала, кроме того, эллиптическое зеркало выполнено с двумя отверстиями, расположенными в точках пересечения поверхности зеркала с оптической осью лазера, причем их диаметр совпадает с диаметром лазерного луча. Сферическое зеркало установлено на главной оптической оси так, что его центр кривизны совпадает с первым фокусом эллиптического зеркала, их зеркальные поверхности повернуты друг к другу, а его центр совпадает со вторым фокусом эллиптического зеркала.

На чертеже приведена схема предлагаемой оптической системы.

Система содержит эллиптическое зеркало 1, сферическое зеркало 2, объектив 3, спектрометр 4, фокусирующую линзу 5, источник излучения (лазер) 6.

Эллиптическое зеркало 1 и сферическое зеркало 2 ориентированы зеркальными поверхностями навстречу друг к другу. Центр кривизны С сферического зеркала совпадает с первым фокусом F1 эллиптического зеркала 1 и с фокусом лазерного луча 6, сформированным линзой 5. Центр сферического зеркала 2 совпадает со вторым фокусом F2 эллиптического зеркала 1 и передним фокусом объектива 3. В заднем фокусе объектива расположен спектрометр 4.

Система работает следующим образом.

Линза 5 фокусирует лазерный луч 6 в первом фокусе F1 эллиптического зеркала 1. Эллиптическое зеркало 1 направляет часть рассеянного излучения, попавшего на его поверхность, в свой второй фокус F2. Другая часть рассеянного излучения, попавшего на сферическое зеркало 2, отражается в первый фокус F1 эллиптического зеркала, откуда также попадает в F2. Далее изображение рассеивающего объема объективом 3 передается на щель спектрометра 4.

Такое расположение зеркал 1 и 2 обеспечивает угол сбора, близкий к 4π стерадиан, что позволяет практически полностью собрать рассеянное излучение из рассеивающего объема. Потери рассеянного излучения минимизированы за счет расположения сферического зеркала во втором фокусе F2 эллиптического зеркала, где изображение рассеивающего объема минимально, а также введением и выведением лазерного луча через малые отверстия в эллиптическом зеркале.

Оптическая система сбора рассеянного излучения для раман-спектрометра, содержащая оптически связанные лазер и расположенные последовательно вдоль главной оптической оси эллиптическое зеркало, объектив и спектрометр, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены сферическое зеркало с радиусом, равным удвоенному фокальному радиусу эллиптического зеркала, и фокусирующая линза, при этом сферическое зеркало выполнено с отверстием в центре диаметром (λ - длина волны лазера, F - фокус линзы, D - диаметр лазерного луча) и установлено на главной оптической оси так, что его центр кривизны совпадает с первым фокусом эллиптического зеркала, их зеркальные поверхности повернуты друг к другу, а его центр совпадает со вторым фокусом эллиптического зеркала, кроме того, фокусирующая линза установлена снаружи эллиптического зеркала на оптической оси лазера, которая ортогональна главной, и ее фокус совпадает с первым фокусом эллиптического зеркала, а эллиптическое зеркало выполнено с двумя отверстиями, расположенными в точках пересечения поверхности зеркала с оптической осью лазера, причем их диаметр совпадает с диаметром лазерного луча.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для увеличения интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света (КРС) путем более эффективного использования возбуждающего лазерного луча и может использоваться в газовых раман-спектрометрах.

Изобретение относится к экспериментальной физике, в частности, к технике проведения оптических измерений температуры и состава веществ с высоким временным и пространственным разрешением.

Изобретение относится к спектральному анализу. .

Изобретение относится к области оптического приборостроения. .

Изобретение относится к области наноспектроскопического сканирования. .

Изобретение относится к области нелинейной оптики, а именно к спектральной измерительной технике, и может быть использовано для исследования структуры различных веществ, в том числе биологических объектов, по полученным эмиссионным спектрам в ИК (инфракрасном) среднем диапазоне.

Изобретение относится к аналитическим методам. .

Изобретение относится к геологическим, экологическим, технологическим и др. .

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для анализа состава многокомпонентных газовых сред. Облучают анализируемую газовую среду лазерным линейно-поляризованным монохроматическим излучением и последовательно регистрируют два спектра комбинационного рассеяния света J||(2) и J⊥(λ). Для первого электрический вектор рассеянного света параллелен электрическому вектору возбуждающего лазерного излучения, а для второго ортогонален. По изотропному спектру рассеяния, полученному из условия J ( λ ) = J | | ( λ ) − 4 3 ⋅ f ( λ ) ⋅ J ⊥ ( λ ) , где f(λ) - представляет собой отношение спектрального коэффициента пропускания аппаратурой излучения, электрический вектор которого параллелен электрическому вектору возбуждающего лазерного излучения, к аналогичному коэффициенту пропускания для ортогональной поляризации, определяют состав анализируемой среды. Изобретение обеспечивает возможность идентификации большего количества компонент исследуемой газовой среды и, соответственно, повышение достоверности анализа. 3 ил.

Способ содержит следующие этапы: стальную полосу с покрытием приводят в движение по дугообразной траектории на наружной поверхности (813) барабана (8), вращающегося вокруг оси (51), с цилиндрической стенкой, контактно направляющей полосу, абляционный лазерный луч направляют в полости внутри цилиндрической стенки таким образом, чтобы его оптическое падение происходило по оси нормали (41) к наружной поверхности барабана в точке-мишени (11) контакта полосы и барабана, прохождение луча через стенку происходит через отверстие (811) стенки, прозрачное для луча. Плазменное спектральное излучение от лазерной абляции в точке контакта отбирают за счет оптического отражения в направлении оси нормали (41) к наружной поверхности барабана и через отверстие, после чего направляют в блок спектрального измерения. Ось нормали (41) к наружной поверхности, соответствующей оптическому падению и отражению, приводят во вращение синхронно с барабаном. Технический результат - обеспечение измерения при спектральном анализе слоя металлического покрытия, наносимого на поверхность стальной полосы, находящейся в движении и имеющей разные форматы и разные скорости движения, потенциально превышающие 1 м/с. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано при оценке влияния структуры стали на аналитический сигнал при проведении эмиссионного спектрального анализа элементного состава. способ включает измерение интенсивностей входящих в состав стали химических элементов эмиссионно-спектральным методом на исходных и термообработанных образцах, что позволяет обеспечить высокую точность и информативность контроля элементного состава и структуры стали. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

Система может быть использована при исследовании свойств газовых сред, в том числе, с химическими реакциями, в малых объемах, методами спектроскопии рассеяния или поглощения света. Система включает способные перемещаться в направлении к точке фокуса сборки оптических элементов, каждая из которых содержит два плоских поворотных зеркала в юстировочной головке, обеспечивающей независимый наклон каждого зеркала в двух направлениях, и линзу между ними, установленную на двойном фокусном расстоянии по ходу пучка от измерительного объема. Сборки обеспечивают фокусировку отраженного пучка в той же точке. Одна сборка, содержащая линзу и плоское зеркало или только вогнутое зеркало, направляет лазерный пучок так, что он проходит весь свой путь в обратном направлении, при этом число проходов равно от 4 и более в зависимости от числа установленных сборок оптических элементов. Технический результат - повышение интенсивности полезного сигнала и уменьшение оптических искажений лазерного пучка за счет многократного прохождения лазерного пучка через измерительный объем. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области оптически активных сенсорных технологий, предназначенных для детектирования молекул газов или жидкостей, в том числе токсичных и взрывчатых веществ. В основе метода детектирования молекул с помощью чувствительного элемента на основе щелевых кремниевых микроструктур с наноструктурированным пористым слоем на поверхности кремниевых стенок лежит эффект комбинационного рассеяния света на характерных колебательных модах молекул, усиленный за счет частичной локализации света в среде с периодически модулированным показателем преломления (щелевой кремний). Дополнительное увеличение вероятности взаимодействия света с молекулами детектируемых газа или жидкости может достигаться за счет наличия развитой поверхности пористого слоя, что приводит к значительному повышению чувствительности газового сенсора. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области оптического анализа состава вещества по спектрам рамановского рассеяния и люминесценции и касается спектрально-селективного портативного раман-люминесцентного анализатора. Спектрально-селективный портативный раман-люминесцентный анализатор дополнительно содержит микроскопный объектив или микроскоп и подключенный к компьютеру одно- или двухкоординатный транслятор образца. Анализатор выполнен с возможностью управления устройством перемещения образца, а также синхронизации пошагового сканирования образца и идентификации вещества на каждом шаге с фокусировкой лазерного луча объективом микроскопа в пятно микронных или субмикронных размеров. Технический результат заключается в повышении чувствительности и разрешающей способности, а также в исключении необходимости расшифровки сложных спектров многокомпонентных смесей. 1 ил.
Изобретение относится к способу изготовления сенсора для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света (ГКР), который представляет собой стеклянный капилляр, на внутреннюю сторону которого нанесены наночастицы серебра. Наночастицы серебра получаются и прикрепляются к поверхности стекла с помощью реакции восстановления ионов серебра алкиламинами. Стеклянные капилляры промывают моющим раствором для оптики, дистиллированной водой при перемешивании ультразвуком, абсолютным этанолом и сушат на воздухе, помещают в тефлоновый стакан с реакционной смесью 1 ммоль/л AgNO3 и 1 ммоль/л алкиламина в этаноле, реакционную смесь нагревают при 45-50°С в течение 40 мин при интенсивном перемешивании вдоль оси капилляров. После реакции восстановления капилляры промывают этанолом и очищают с внешней стороны. Изобретение позволяет получить сенсор спектров ГКР с высоким разрешением. 1 з.п. ф-лы, 4 пр.

Изобретение относится к области оптических сенсоров, регистрирующих молекулярные группы и работающих в видимом диапазоне частот. Возобновляемая подложка для детектирования поверхностно-усиленного рамановского рассеяния состоит из наноструктурированной SERS-подложки и пассивирующего диэлектрического слоя. Изобретение позволяет устранить временную деградацию рабочей поверхности подложки при экспозиции на атмосферу, увеличении ресурса использования SERS-подложки для детектирования молекулярных групп. 3 ил.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и предназначено для качественного и количественного анализа природного газа (ПГ). Способ включает облучение газа линейно поляризованным монохроматическим лазерным излучением и одновременную регистрацию m спектров спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) эталонных газовых компонентов, входящих в состав ПГ, причем для них дополнительно регистрируется интегральная интенсивность облучающего лазерного излучения Ii, i=1..m, а величины относительных концентраций компонентов анализируемого ПГ из его спектра СКР определяются по формуле, в которую входят вклады спектров СКР эталонных газовых компонентов в зарегистрированный спектр СКР ПГ, вычисленные с помощью метода наименьших квадратов. При этом из спектра, зарегистрированного многоканальным фотоприемником, используются диапазоны 300-2500 см-1 и 3400-3750 см-1. Изобретение обеспечивает упрощение определения и повышение точности. 2 ил.

Изобретение относится к области океанологических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля состояния поверхности океана. Технический результат - повышение точности определения асимметрии распределения возвышений морской поверхности. Сущность: формируют короткие радиоимпульсы постоянной длительности, зондируют ими морскую поверхность в надир и регистрируют отражённые радиоимпульсы. По изменениям угла наклона на разных участках переднего фронта отраженного радиоимпульса определяют асимметрию усеченного, распределения возвышений морской поверхности. При этом дополнительно осуществляют прямые волнографические измерения возвышений морской поверхности и по данным этих измерений строят зависимость асимметрии распределения возвышений морской поверхности, полученной при волнографиче-ских измерениях, от асимметрии указаного усеченного распределения. Полученную зависимость учитывают при расчете асимметрии полного распределения возвышений морской поверхности. 1 н. п. ф-лы, 1 ил.
Наверх