Спектрометр с импульсным лазерным возбуждением для регистрации вторичных свечений

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПЕКТРОМЕТР С ИМПУЛЬСНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ВТОРИЧНЫХ СВЕЧЕНИЙ(71) Заявители Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Старухин Александр Степанович Крук Николай Николаевич Демьянов Сергей Евгеньевич(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Спектрометр с импульсным лазерным возбуждением для регистрации вторичных свечений, содержащий -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. 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. Недостатками спектрометра для регистрации вторичных свечений являются, 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 -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. 2 54722009.08.30 Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, где 1 - -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-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 -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-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. 3 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4