|
А.И.Андреев, С.В.Мухин, В.В.Некрасов, В.А.Никитенко, А.В.Пауткина
Модульная многофункциональная оптоволоконная спектрометрическая система
Часть I
Устройство и принципы эксплуатации аппаратуры
1.6. Спектрометр спектрограф излучения
1.6.1. Измерение спектров комбинационного рассеяния (КР)
Техника экспериментов по КР - спектроскопия включает:
- источник параллельного монохроматического излучения;
- спектрометр для анализа спектрального состава рассеянного излучения;
- высокочувствительную фотоприёмную систему для регистрации сигнала слабого
рассеянного излучения.
Источники света. В долазерную эпоху источниками монохроматического излучения служили газоразрядные лампы большой мощности (использовались отдельные линии в спектрах излучения газа или пара, например, паров ртути). Первым лазером, который применили в рамановском рассеянии, стал He-Ne лазер непрерывного действия ( ), потом появились ионные лазеры и т.д. С помощью непрерывно перестраиваемых лазеров на красителях и центрах окраски в ионных кристаллах стали даже проводить рамановскую спектроскопию возбуждения (по аналогии со спектрами возбуждения люминесценции).
Спектрометры. В классической спектроскопии применяют три способа разложения в спектр: дифракционный, призменный и интерференционный. Последний очень точен и позволяет исследовать даже контур очень узких линий излучения, два первых более просты и менее громоздки (и получили большее распространение).
Последовательность операций, происходящих в призменных и дифракционных спектральных приборах можно представить следующим образом (принципиальная схема конкретного прибора обычно рассматривается в описании соответствующей лабораторной работы):
1) поток излучения, пройдя входную щель прибора, попадает на объектив (линзу), в фокусе которого и расположена входная щель;
2) объектив превращает расходящийся пучок в параллельный, который падает на призму или дифракционную решётку;
3) призма или дифракционная решётка отклоняет излучение различных длин волн на соответствующие углы, зависящие от длины волны;
4) выходной объектив фокусирует разложенное в спектр излучение на фокальную плоскость.
Спектр, лежащий в фокальной плоскости, можно рассматривать глазом с помощью окуляра. Такой прибор называется спектроскопом. В спектрографах такой спектр регистрируется на фотопластинку или иной многоканальный приёмник излучения.
Если выходную щель и отклоняющий свет элемент (призма или дифракционная решётка) перемещать друг относительно друга, то получим монохроматор, в котором используются разнообразные по принципу действия приёмники излучения.
В большинстве КР-экспериментов изучаемый сигнал на несколько порядков слабее упруго рассеянного лазерного излучения. Кроме того, частотный интервал между рамановским сигналом и сигналом от лазера очень мал (около 1% от опорной частоты).
В этой ситуации спектрометры КР должны иметь высокую спектральную разрешающую способность  >10P4P, чего можно добиться с помощью современных дифракционных решёток. Используемые решётки не должны давать «духов» и «сателлитов», которые можно принять за рамановские сигналы (в этом плане хороши голографические решётки). Спектрометр КР обязан иметь высокий коэффициент подавления ненужного рассеянного света (от зеркал, решёток, стенок и т.д.). Этот коэффициент определяется как отношение фона рассеянного света к сигналу и имеет значения 10P-4P÷10P-6P. Чтобы улучшить ситуацию часто применяют следующие меры:
1) делают поверхность образца идеально гладкой, что позволяет минимизировать упруго рассеянный свет от лазера;
2) ставят светофильтры, подавляющие лазерный свет;
3) используют системы с двойной и даже тройной монохроматизацией, соединяя последовательно два и более монохроматора (выходная щель одного монохроматора, служит входной щелью для другого).
Приёмники излучения. Раман регистрировал комбиационное рассеяние с помощью фотопластинок. Этот способ имеет ряд преимуществ: высокая чувствительность фотопластинок; они могут одновременно измерять сигналы на различных длинах волн, т.е. фотопластинки являются многоканальными приёмниками; наконец, они могут накапливать сигнал во времени. Тем не менее, очевидным недостатком такой регистрации является нелинейность интенсивности почернения фотопластинки относительно интенсивности падающего света, что затрудняет преобразование сигнала в цифровую форму.
В современной технике КР-эксперимента стали применять разнообразные фотоэлектрические методы регистрации фотосигнала: это и метод счёта фотонов, охлаждаемые фотоприёмникиTPPT, использование многоканальных приёмников на приборах с зарядовой связью (ПЗС-цепочки линейки и матрицы) которые, по сути, представляют собой миниатюрные телевизионные камеры, применение фотоумножителей с датчиками положения изображения и т.д.
Контрольные вопросы
1. Что в себя включает техника экспериментов по комбинационному рассеянию света?
2. Какие источники света используются в КР-спектроскопии?
3. Какие способы разложения света в спектр применяют в классической спектроскопии?
4. Опишите последовательность операций спектрального разложения света в призменных и дифракционных спектральных приборах.
5. Что применяют для подавления «паразитного» рассеянного света в КР-спектрометрах?
6. Какие приёмники излучения используют в спектроскопии КР?
|
ATP/ATR СПЕКТРОМЕТР 
О КОМПАНИИ