УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИНФРАКРАСНОГО СПЕКТРА ЭМИССИИ ОБРАЗЦА Российский патент 2009 года по МПК G01J3/443 

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.

Возможность регистрировать ИК-эмиссию от образцов возникла в 90-х годах с появлением ИК-Фурье техники. Устройства регистрировали ИК-эмиссию от образца (пленки), нанесенного на металлическую подложку, и содержали нагревательный элемент или источник излучения - лазер, который нагревал подложку до температуры 100° и выше. При этом регистрируемые спектры не были чистыми, а представляли собой суммарные спектры излучения металлической подложки и собственных спектров ИК-эмиссии образца.

Известно устройство для регистрации спектра эмиссии образца [1], в котором внешний источник излучения установлен под углом к предметной плоскости (с образцом), помещенной в вакуумной камере с обеспечением подогрева, а сферическое зеркало, собирающее эмиссию от образца, расположено на пересечении под прямым углом оптических осей, проходящих через предметную плоскость и интерферометр.

Использование аргонового лазера с длиной волны 514,5 нм вызывало подъем температуры в образце до 170°С, что приводило к деструкции образца, поэтому получить качественные спектры могли только в вакууме.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому решению, выбранным в качестве прототипа, является устройство для регистрации инфракрасного спектра эмиссии образца [2], содержащее внешний источник монохроматического излучения, предметную плоскость, тороидное зеркало, оптически связанное с предметной плоскостью и плоским зеркалом, которое расположено на одной оси с воспринимающей оптической системой.

Недостатками устройства являются сложность оптической схемы и технических процедур по обслуживанию оптики, а также недостаточное получение информации о спектре.

Технической задачей решения является повышение информативности регистрируемых эмиссионных спектров и упрощение устройства.

Также технической задачей является расширение класса исследуемых объектов.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве для регистрации ИК-спектра эмиссии образца, содержащем внешний источник излучения, сферическое зеркало, оптически связанное с предметной плоскостью и плоским зеркалом, расположенным на одной оптической оси с воспринимающей системой, в него введены последовательно расположенные на одной оптической оси после источника излучения система конденсоров, оптически связанная с источником излучения, и дополнительное плоское зеркало, установленное в фокальной плоскости системы конденсоров и оптически связанное с предметной плоскостью, при этом воспринимающая система включает диафрагму и следующее за ней собирающее зеркало, установленные на одной оптической оси за первым плоским зеркалом и оптически связанные друг с другом. Диаметры сферического зеркала и диафрагмы, а также расстояние между ними согласованы между собой и определены тем, что излучение из плоского зеркала не выходит за пределы диаметра диафрагмы

В качестве источника излучения использована газоразрядная лампа, например ксеноновая (Хе) лампа.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой изображена оптическая схема устройства.

На фиг.2 изображены снятые с помощью устройства эмиссионные инфракрасные спектры: а) образца кремния с возбуждением через разные светофильтры; б) образца детского мыла.

Видно, что каждое исследуемое вещество характеризуется набором своих спектральных линий инфракрасной эмиссии.

На фиг.3 изображена схема устройства, выбранного за прототип.

Устройство (фиг.1) содержит источник излучения 1 (источник света когерентного или некогерентного, любая газоразрядная лампа - ртутная, ксеноновая, глобар); систему конденсоров 2, дополнительное плоское зеркало 3, расположенное под 45° к горизонтали, предметную плоскость 4 - металлическая подложка с исследуемым образцом (пленкой), сферическое зеркало 5, первое плоское зеркало 6, воспринимающую систему - ирисовую диафрагму 7 с программным управлением шага раскрытия диафрагмы и собирающее зеркало 8, приемник 9, регистрирующий излучение, и PC компьютер 10, обрабатывающий сигналы.

Устройство работает следующим образом: излучение от источника 1 фокусируется системой конденсоров 2 на плоское зеркало 3, которое отражает сфокусированное излучение на предметную плоскость с образцом 4. Образец может быть любой толщины и прозрачности, жидким или твердым. Под действием излучения оптического диапазона в образце происходит возбуждение и испускание ИК-квантов. Это эмиссия ИК-излучения, которая собирается сферическим зеркалом 5, формируется в слабо расходящийся пучок и направляется на плоское зеркало 6. Оно направляет полученную ИК-эмиссию на диафрагму 7. Меняя диаметр отверстия диафрагмы, получают соответствующие спектральные кольца, которые собираются зеркалом 8, регистрируются приемником 9 и обрабатываются компьютером 10. С помощью устройства получают и регистрируют спектры исследуемого образца в ИК-области.

Сущность технического решения заключается в следующем. Слабоинтенсивное, частично когерентное излучение от источника видимого света фокусируется в плоскости образца, в котором происходит раскачка молекулярных колебаний, сфазированных в объеме светового пятна возбуждающего излучения. Вследствие этого возбуждения диполи молекул образца испускают под различным углом ИК-кванты эмиссии. С помощью оптических зеркал излучение направляется на диафрагму, шаг раскрытия которой управляется программой. Зарегистрированные приемником и обработанные компьютером спектры дают сразу полную картину об образце, а использование в качестве источника излучения газоразрядной лампы с полихроматическим излучением (широким участком спектра видимого света) возбуждает все моды при воздействии на образец. Это дает возможность расширить класс исследуемых объектов.

Было создано и испытано устройство для регистрации спектра эмиссии. Источник видимого света - ксеноновая лампа мощностью 100 Вт, лучи от нее фокусировались системой короткофокусных линз диаметром 20 мм. Первое сферическое зеркало устанавливалось на расстоянии 5 см от диафрагмы. Это предотвращало попадание на приемник паразитных излучений.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:

- устройство имеет повышенные технические возможности, поскольку использование широкополосной накачки от лампы позволяет получать полную информацию о спектре исследуемого вещества (при использовании лазера не все колебания активны) по ориентации дипольных моментов, определять структуру вещества без использования изотопов;

- расширение спектральных границ, т.е. регистрация большего количества спектральных линий в диапазоне от 400 до 2000 см^-1 и возможность регистрировать обертона и составные частоты. Возможность наблюдать не только ИК-переходы, а также переходы в комбинационном рассеянии;

- получать более достоверные и точные спектры, поскольку вышедший свет от образца используется полностью;

- расширяется класс исследуемых объектов: можно при комнатной температуре и атмосферном давлении без специальной подготовки исследовать биологические структуры и объекты без их деструкции, а также пленки, газы, кристаллы, жидкости;

- по сравнению с громоздким, сложным в изготовлении прототипом с многочисленными технологическими операциями по подготовке устройства к работе (с чувствительной оптикой к акустическим шумам, звукам, колебаниям, температуре и влажности, что требует многократной юстировки и специально обученного персонала), предлагаемое устройство имеет упрощенную оптическую схему, компактно (размеры устройства 300×20×100 мм), его легко переносить, оно дешевле в изготовлении, просто и удобно в работе;

- взаимодействие оптических элементов дает возможность получить пространственное разделение частот, что позволяет обходиться без ИК-Фурье спектрометра, дисперсионных оптических элементов интерферометра.

Источники информации

1. «Applications of Laser-Induced Thermal Emission Spectroscopy to Various Samples», A.Tsuge, V.Uwamino, and T.Ishisuka, Applied Spectroscopy, Volume 43, №7, 89.

2. «Preliminary Studies of Laser-Induced Thermal Emission Spectroscopy of Condensed Phases», L.T.Lin, D.D.Archibald and D.E.Honigs, Applied Spectroscopy, Volume 42, №3, 1988 - прототип.

Устройство для регистрации инфракрасного спектра эмиссии образца содержит источник излучения, сферическое зеркало, оптически связанное с плоскостью образца и первым плоским зеркалом, расположенным на одной оптической оси с воспринимающей системой, приемник, регистрирующий излучение, и компьютер, обрабатывающий сигналы. Также в устройство введены последовательно расположенные на одной оптической оси с источником излучения система конденсоров и дополнительное плоское зеркало, установленное в фокальной плоскости системы конденсоров и оптически связанное с плоскостью образца. Воспринимающая система установлена за первым плоским зеркалом по ходу оптических лучей от него и содержит последовательно расположенные диафрагму с программным управлением шага ее раскрытия и собирающее зеркало, оптически связанные друг с другом. При этом диаметры сферического зеркала и диафрагмы и расстояние между ними согласованы между собой и определены тем, что излучение со сферического зеркала не выходит за пределы диаметра диафрагмы. В качестве источника излучения использована, например, ксеноновая лампа мощностью 100 Вт. Технический результат - повышение информативности регистрируемых эмиссионных спектров и упрощение устройства. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для регистрации инфракрасного спектра эмиссии образца, содержащее источник излучения, сферическое зеркало, оптически связанное с плоскостью образца и первым плоским зеркалом, расположенным на одной оптической оси с воспринимающей системой, приемник, регистрирующий излучение и компьютер, обрабатывающий сигналы, отличающееся тем, что в него введены последовательно расположенные на одной оптической оси с источником излучения система конденсоров и дополнительное плоское зеркало, установленное в фокальной плоскости системы конденсоров и оптически связанное с плоскостью образца, а воспринимающая система установлена за первым плоским зеркалом по ходу оптических лучей от него и содержит последовательно расположенные диафрагму с программным управлением шага ее раскрытия и собирающее зеркало, оптически связанные друг с другом, при этом диаметры сферического зеркала и диафрагмы и расстояние между ними согласованы между собой и определены тем, что излучение со сферического зеркала не выходит за пределы диаметра диафрагмы.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника излучения использована, например, ксеноновая лампа мощностью 100 Вт.