СПОСОБ СПЕКТРОСКОПИИ НАКАЧКИ-ЗОНДИРОВАНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2021 года по МПК G01J3/42 G01J3/44 G01N21/63 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к вариантам способа спектроскопии накачки-зондирования («pump-probe»), иначе именуемого импульсным фотолизом.

Уровень техники

В настоящее время спектроскопия методом накачки-зондирования применяется для изучения переходных процессов в фотохимии, фотобиологии и иных науках. Один из таких методов, описанный в статье Tatsuo Nakagawa et al. Probing with randomly interleaved pulse train bridges the gap between ultrafast pump-probe and nanosecond flash photolysis // Optics letters. Vol. 41, No. 7 / April 1 2016, pp.1498-1501), осуществляется на установке, показанной на приложенной Фиг. 1. Анализируемый образец 1 облучается импульсом накачки от лазера 2 накачки и зондируется последовательностью импульсов от лазера 3 зондирующих импульсов. На Фиг. 1 ссылочными позициями 4.1 и 4.2 обозначены светоделители, 5.1 и 5.2 - зеркала, 6.1 и 6.2 - быстродействующие фотодетекторы. Лазер 3 генерирует суперконтинуум, т.е. когерентное излучение со сверхшироким спектром, из которого монохроматор 7 вырезает излучение требуемой частоты. Импульсы лазера 2 накачки следуют с частотой примерно 1 кГц, а лазер 3 генерирует зондирующие импульсы с частотой примерно 20 МГц. После монохроматора 7 луч разделяется в нейтральном фильтре 8 с плавной перестройкой, и один из полученных лучей облучает анализируемый образец 1, облученный перед этим возбуждающим импульсом от лазера 2 накачки. Прошедшие через образец 1 зондирующие импульсы проходят через апертуру 9 и фильтр 10 для минимизации флюоресценции от образца 1 и регистрируются фотодетектором 11.1 с предусилителем. Другой такой фотодетектор 11.2 с предусилителем регистрирует зондирующие импульсы от лазера 3 в качестве опорных. На осциллографе 12 записываются сигналы с четырех каналов: 13.1 - запускающий импульс с лазера 2 накачки, 13.2 - импульсы таймирования, 13.3 - отклик образца 1 (прошедшие через образец 1 зондирующие импульсы), 13.4 - опорная последовательность импульсов. Компьютер 14 производит обработку поступающих сигналов для выстраивания временного профиля переходного поглощения в образце 1.

Недостатком данного способа является отсутствие синхронизации между импульсом накачки и зондирующими импульсами, что не позволяет регулировать задержку последовательности зондирующих импульсов для более точного и быстрого нахождения упомянутого временного профиля.

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является способ, реализуемый в системе наносекундного импульсного фотолиза, описанной в патенте США №7817270 (опубл. 10.10.2010; в этой системе реализуется способ спектроскопии накачки-зондирования, заключающийся в том, что: формируют последовательность возбуждающих лазерных импульсов (импульсов накачки); направляют возбуждающие импульсы на анализируемый образец; формируют последовательность зондирующих лазерных импульсов и подают их на анализируемый образец; детектируют каждый из зондирующих лазерных импульсов, прошедших через анализируемый образец после его возбуждения возбуждающим лазерным импульсом; при этом задерживают зондирующие лазерные импульсы на заданную величину в пределах периода повторения возбуждающих импульсов.

Недостатком данного способа также является отсутствие синхронизации между импульсом накачки и зондирующими импульсами, что дает ограниченную точность определения временных задержек между импульсом накачки и зондирующими импульсами и невозможность регулировки задержки зондирующих импульсов в фемтосекундном диапазоне из-за ограничений на существующую электронику. Кроме того, недостатком является и излишняя сложность вследствие необходимости дополнительного лазерного источника импульсов.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в разработке такого способа спектроскопии накачки-зондирования, который обеспечивал бы технический результат, состоящий в упрощении, расширении функциональных возможностей и повышении точности измерений за счет обеспечения синхронизации между импульсом накачки и зондирующими импульсами.

Эта задача решается с достижением указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения за счет разработки способа спектроскопии накачки-зондирования, заключающегося в том, что: формируют последовательность исходных лазерных импульсов; выделяют из сформированной последовательности прореженные лазерные импульсы; направляют прореженные лазерные импульсы на анализируемый образец в качестве возбуждающих лазерных импульсов; подают на анализируемый образец по меньшей мере один из лазерных импульсов, следующих за каждым возбуждающим лазерным импульсом, в качестве зондирующих лазерных импульсов; детектируют каждый из зондирующих лазерных импульсов, прошедших через анализируемый образец после его возбуждения возбуждающим лазерным импульсом.

Эта же задача решается с достижением того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения за счет разработки способа спектроскопии накачки-зондирования, заключающегося в том, что: формируют последовательность исходных лазерных импульсов; выделяют из сформированной последовательности прореженные лазерные импульсы; направляют прореженные лазерные импульсы на анализируемый образец в качестве возбуждающих лазерных импульсов; выводят на нелинейный элемент излучение анализируемого образца после его возбуждения возбуждающим лазерным импульсом; подают на нелинейный элемент по меньшей мере один из лазерных импульсов, следующих за каждым возбуждающим лазерным импульсом, в качестве зондирующих лазерных импульсов; детектируют излучение, возникающее в нелинейном элементе при взаимодействии каждого из зондирующих лазерных импульсов с излучением анализируемого образца.

Особенность способа по обоим объектам настоящего изобретения состоит в том, что для обеспечения регулировки задержки зондирующих импульсов в фемтосекундном или пикосекундном диапазоне зондирующие лазерные импульсы могут задерживать с помощью оптической линии задержки на заданную величину в пределах периода повторения исходных лазерных импульсов.

Другая особенность способа по обоим объектам настоящего изобретения состоит в том, что возбуждающие и (или) зондирующие лазерные импульсы могут подвергать нелинейному оптическому преобразованию.

Еще одна особенность способа по обоим объектам настоящего изобретения состоит в том, что возбуждающие лазерные импульсы могут усиливать до заданного уровня.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение иллюстрируется приложенными чертежами. На Фиг. 1 приведена блок-схема системы для реализации известного способа спектроскопии накачки-зондирования.

На Фиг. 2 приведен один вариант блок-схемы системы для реализации способа спектроскопии накачки-зондирования по первому объекту настоящего изобретения.

На Фиг. 3 приведен другой вариант блок-схемы системы для реализации способа спектроскопии накачки-зондирования по второму объекту настоящего изобретения.

На Фиг. 4 приведены временные диаграммы, поясняющие способ спектроскопии накачки-зондирования по настоящему изобретению.

Подробное описание вариантов осуществления

Главная особенность способа спектроскопии накачки-зондирования по обоим объектам настоящего изобретения состоит в том, что в качестве лазера накачки и лазера зондирующих импульсов используется один и тот же лазер.

Способ спектроскопии накачки-зондирования по настоящему изобретению может быть реализован в системе, показанной на Фиг. 2. Эта систем содержит единственный лазерный генератор 21, представляющий собой генератор фемтосекундных или пикосекундных импульсов, следующих с частотой повторения, к примеру, 100 МГц. Длина волны лазерного генератора 21 может составлять, например, 800 нм. Однако указанные конкретные величины не являются обязательными и могут изменяться в зависимости от условий проведения измерений.

На выходе лазерного генератора 21 установлен первый светоделитель 22.1, обеспечивающий разделение лазерного излучения на два примерно одинаковых пучка. Один из этих пучков поступает в прореживатель 23, на выходе которого лазерные импульсы следуют с частотой, во много раз меньшей, чем частота импульсов на выходе лазерного генератора 21, к примеру, равной 1 кГц. В качестве прореживателя 23 может быть использовано любое подходящее средство, известное специалистам. Тем самым на выходе прореживателя 23 из исходной последовательности импульсов формируется последовательность прореженных лазерных импульсов, предназначенных для использования в качестве возбуждающих лазерных импульсов (импульсов накачки) анализируемого образца 27.

Опционально сигнал с выхода прореживателя 23 может поступать в первый преобразователь 24.1 длины волны, если длину волны исходных лазерных импульсов для целей спектроскопического исследования необходимо изменить. Например, исходное излучение с длиной волны 800 нм может быть преобразовано в излучение с длиной волны 400 нм. Для этого можно использовать любое подходящее средство, известное специалистам.

Другой пучок из первого светоделителя 22.1 подается в оптическую линию 25 задержки, имеющую возможность регулировки времени задержки. В качестве такой линии задержки может быть использована, например, оптическая управляемая линия задержки по патенту РФ №2620763 (опубл. 29.05.2017) или регулируемая волоконно-оптическая пассивная линия задержки по патенту РФ №2707123 (опубл. 22.11.2019), либо любое иное подходящее устройство.

Опционально сигнал с выхода оптической линии 25 задержки может поступать во второй преобразователь 24.2 длины волны, если длину волны задержанных лазерных импульсов для целей спектроскопического исследования необходимо изменить. Например, исходное излучение с длиной волны 800 нм может быть преобразовано в излучение с длиной волны 400 нм. Для этого можно использовать любое подходящее средство, известное специалистам.

Последовательность зондирующих импульсов с выхода оптической линии 25 задержки (или второго преобразователя 24.2 длины волны, если он используется) разделяется во втором светоделителе 22.2, и один из пучков подается на анализируемый образец 27 в качестве зондирующих лазерных импульсов, а другой (опционально) - на фото детектор 28 в качестве опорных импульсов. На другой вход фотодетектора 28 поступают зондирующие лазерные импульсы, прошедшие через анализируемый образец 27 после его возбуждения возбуждающим лазерным импульсом (импульсом накачки). Выходной сигнал с фотодетектора 28 поступает в компьютер 29 для построения временного профиля переходного поглощения в анализируемом образце 27.

Вариант способа спектроскопии накачки-зондирования по второму объекту настоящего изобретения реализуется с помощью системы, блок-схема которой приведена на Фиг. 3. На этом чертеже для элементов, одинаковых с элементами на Фиг. 2, использованы те же ссылочные позиции. Однако, в отличие от Фиг. 2, анализируемый образец 27 облучают только прореженными возбуждающими импульсами с единственного преобразователя 24 длины волны, а излучение анализируемого образца 27 после его возбуждения возбуждающим лазерным импульсом выводят на нелинейный элемент 30, на который подают также зондирующие импульсы с оптической линии 25 задержки. Нелинейный элемент 30 обеспечивает генерирование сигнала суммарной частоты, который подается на фотодетектор 28.

Способ спектроскопии накачки-зондирования по первому объекту настоящего изобретения осуществляется следующим образом. Лазерный генератор 21 формирует последовательность исходных лазерных импульсов, показанную на верхнем графике Фиг. 4. Прореживатель 23 выделяет из сформированной последовательности прореженные лазерные импульсы, один из которых показан на втором графике Фиг. 4. Эти прореженные лазерные импульсы (опционально, с выхода первого преобразователя 24.1 длины волны) направляются на анализируемый образец 27 в качестве возбуждающих лазерных импульсов. Кроме того, на анализируемый образец 27 подают в качестве зондирующих лазерных импульсов по меньшей мере один из лазерных импульсов, следующих за каждым возбуждающим лазерным импульсом. Эти импульсы могут быть задержаны в оптической линии 25 задержки на заданную (переменную) величину. Такие задержанные на время т импульсы показаны на третьем графике Фиг. 4. Каждый из зондирующих лазерных импульсов, прошедших через анализируемый образец 27 после его возбуждения возбуждающим лазерным импульсом, детектируется фотодетектором 28. В результате компьютер 29 строит профиль переходного поглощения в анализируемом образце 27, показанный на четвертом графике Фиг. 4.

Возбуждающие и зондирующие лазерные импульсы могут быть подвергнуты нелинейному оптическому преобразованию в преобразователях 24.1 и 24.2 длины волны с выделением их ограниченного спектра, а возбуждающие лазерные импульсы могут усиливаться до заданного уровня в прореживателе 23.

Способ спектроскопии накачки-зондирования по второму объекту настоящего изобретения осуществляется сходным образом, однако в этом случае на анализируемый образец 27 воздействуют только возбуждающие лазерные импульсы (импульсы накачки), а излучение анализируемого образца 27 после его возбуждения возбуждающим лазерным импульсом выводят на нелинейный элемент 30. На этот же нелинейный элемент 30 подают в качестве зондирующих лазерных импульсов по меньшей мере один из лазерных импульсов, следующих за каждым возбуждающим лазерным импульсом. На фотодетекторе 28 детектируют преобразованное нелинейным элементом 30 излучение, возникающее от каждого из зондирующих лазерных импульсов при его взаимодействии с излучением образца.

Таким образом, способ спектроскопии накачки-зондирования по любому объекту настоящего изобретения обеспечивает синхронизацию возбуждающих импульсов (импульсов накачки) и зондирующих импульсов за счет использования единственного лазерного генератора, что дает технический результат в виде упрощения, расширения функциональных возможностей и повышения точности измерений. Кроме того, дополнительным техническим результатом является обеспечение регулировки задержки зондирующих импульсов в фемтосекундном и даже пикосекундном диапазоне с помощью оптической линии 25 задержки. При задержке Δt первого зондирующего импульса относительно возбуждающего, полученной с помощью оптической линии 25 задержки, измерения проводят при задержках (n-1)×L+Δt, где L - период повторения зондирующих импульсов и n - номер зондирующего импульса после возбуждающего.

Способ по настоящему изобретению может использоваться в микроскопии, в том числе микроскопии ближнего поля, когда зондирующие импульсы проходят через волоконный зонд микроскопа, а возбуждающий направлен непосредственно на объект исследования.

Изобретение относится к области спектроскопии и касается способа спектроскопии накачки-зондирования. Способ заключается в том, что формируют последовательность исходных лазерных импульсов, выделяют из сформированной последовательности прореженные лазерные импульсы. Прореженные лазерные импульсы направляют на анализируемый образец в качестве возбуждающих лазерных импульсов. Кроме того, на анализируемый образец подают по меньшей мере один из лазерных импульсов, следующих за каждым возбуждающим лазерным импульсом, в качестве зондирующих лазерных импульсов, и детектируют каждый из зондирующих лазерных импульсов, прошедших через анализируемый образец после его возбуждения возбуждающим лазерным импульсом. Технический результат заключается в упрощении способа, расширении функциональных возможностей и повышении точности измерений. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ спектроскопии накачки-зондирования, заключающийся в том, что:

- формируют последовательность исходных лазерных импульсов;

- выделяют из сформированной последовательности прореженные лазерные импульсы;

- направляют упомянутые прореженные лазерные импульсы на анализируемый образец в качестве возбуждающих лазерных импульсов;

- подают на упомянутый анализируемый образец по меньшей мере один из лазерных импульсов, следующих за каждым возбуждающим лазерным импульсом, в качестве зондирующих лазерных импульсов;

- детектируют каждый из упомянутых зондирующих лазерных импульсов, прошедших через упомянутый анализируемый образец после его возбуждения упомянутым возбуждающим лазерным импульсом.

2. Способ по п. 1, в котором задерживают упомянутые зондирующие лазерные импульсы на заданную величину с помощью оптической линии задержки в пределах периода повторения упомянутых исходных лазерных импульсов.

3. Способ по п. 1, в котором подвергают упомянутые возбуждающие и (или) зондирующие лазерные импульсы нелинейному оптическому преобразованию.

4. Способ по п. 1, в котором усиливают упомянутые возбуждающие лазерные импульсы до заданного уровня.

5. Способ спектроскопии накачки-зондирования, заключающийся в том, что:

- формируют последовательность исходных лазерных импульсов;

- выделяют из сформированной последовательности прореженные лазерные импульсы;

- направляют упомянутые прореженные лазерные импульсы на анализируемый образец в качестве возбуждающих импульсов;

- выводят на нелинейный элемент излучение упомянутого анализируемого образца после его возбуждения упомянутым возбуждающим лазерным импульсом;

- подают на упомянутый нелинейный элемент по меньшей мере один из лазерных импульсов, следующих за каждым возбуждающим лазерным импульсом, в качестве зондирующих лазерных импульсов;

- детектируют излучение, возникающее в упомянутом нелинейном элементе при взаимодействии каждого из упомянутых зондирующих лазерных импульсов с излучением упомянутого анализируемого образца.

6. Способ по п. 5, в котором задерживают упомянутые зондирующие лазерные импульсы на заданную величину с помощью оптической линии задержки в пределах периода повторения упомянутых исходных лазерных импульсов.

7. Способ по п. 5, в котором подвергают упомянутые возбуждающие и (или) зондирующие лазерные импульсы нелинейному оптическому преобразованию.

8. Способ по п. 5, в котором усиливают упомянутые возбуждающие лазерные импульсы до заданного уровня.