Тема: Спектрометр комбинационного рассеяния

[Gall]

Вижу, что тема интересна, поэтому хочу обсудить в несколько ином ключе.

Есть явление комбинационного рассеяния (эффект Рамана). В самых общих чертах это изменение длины волны света при отражении, и оно несет информацию о веществе.

Есть много лженаучных (и неработающих) способов работы с этим (это мы уже обсуждали в других темах), но есть и настоящие, работающие. На этом принципе делаются серийные (и дорогие) приборы, например вот такие: http://www.everest-tech.ru/analytical/raman/jasco-nrs7000.html

Однако, судя по всему, несложный Раман-спектрометр на основе гелий-неонового лазера можно сделать в любительских условиях. Не говоря уж об условиях средней лаборатории. Хочется придумать несложную конструкцию без дефицитных деталей, чтобы она была доступна для многих любителей. Ну примерно как простой азотный лазер, фузор (термоядерный реактор) или туннельный микроскоп.

Обсудим?

[ozzy_72]

Нашёл тему по поиску, зарегистрировался.  Если автору ещё интересно давайте её развивать.
Для начала надо понять такие вещи. Нужен ли гелий-неоновый лазер или можно взять синюю, допустим, лазерную указку.  Как я понимаю если смотреть Раман спектры в зелёной -красной зоне то отсечь синий будет не очень сложно.

Второе первоначальные цели такого спектрографа. Мне например интерено померять содержание разной органики в спиртных напитках собственного производства   Я этим серьёзно занимаюсь, в смысле делаю экзотику в малых количествах,  можете посмотреть я под тем-же ником на форуме самогонщиков.

С оптикой связывался мало, в основном как пользователь материаловед или когда учился в Харьковском универе на физ-техе (материаловедение реакторостроения) но разобраться смогу. Копать самому с нуля ВСЁ просто не хватит времени жизни.

Поэтому у кго есть какие идеи в копилку, опыт работы с Раман спектрографами пониманиее необходимых параметров пишите пожалуйста.

[ozzy_72]

 Информации на данную тему мало, я имею ввиду конкретной, технической позволяющей разобраться что там можно чего нельзя.  Поэтому общественность можно попросить даже о ссылках на книги, или дать названия где это подробно разобрано. Я пока не нашёл ничего, только очень общее или чистая теория.  Или таблицы спектров.

[Gall]

Самое главное, что требуется - это стабильный лазер. Гелий-неоновый, гелий-кадмиевый или что-то в том же духе. Мощность не нужна (1 мВт хватит), так что нет смысла брать синюю указку, красной достаточно. Но. Стабильность. У указок это проблема, а у мощных - особенно. Я смотрел их спектр, там кошмар. Респект и уважуха тому, кто из этого сделает что-то пригодное для измерений.

Моя идея для старта была: на основе гелий-неоновой трубки за ~$50, которых на eBay пруд пруди, сделать стабилизированный лазер. Потребуется делительный кубик, парочка OPT101P и намотать нагреватель на лазер. (Такая схема использовалась, например, в ЛГН-303).

Ну и чем разворачивать спектр. Я делал самодельные интерферометры Фабри-Перо, это реально. А значит, можно развернуть с любым наперед заданным разрешением.

А органику на ИК смотреть лучше, не? По ИК-спектрам есть очень много справочных данных. FTIR должен в принципе тоже делаться, он устроен несложно, с прямыми руками это возможно.

[ozzy_72]

По поводу ИК спектроскопии. Отвечу цитатами ибо я разобравшись в меру своего понимания с ними согласен. Цитаты отсюда http://femto.com.ua/articles/part_1/1697.html

"Колебат. спектры молекул, возникающие при непосредств. переходах между колебат. уровнями энергии , лежат в ИК-области спектра. Они определяются др. правилами отбора, поэтому спектры К. р. с. и инфракрасные спектры не дублируют, а дополняют друг друга. Напр., в случае молекул, обладающих центром симметрии, все линии, разрешённые в К. р. с., запрещены в ИК-спектре, и наоборот."  Конец цитаты.

Мне собственно удалось достаточно разобраться в физике процесса чтоб понять:
Поскольку линии КР сдвинуты в длинноволновую часть спектра в случае Стоксовых линий, а не имеют какой-ли бо фиксированной частоты как в "нормальной" спектроскопии, то для того чтобы линии были узкими и их можно было отделить от линейной, сотавляющей - излучения лазера рассеянного бкз изменения частоты, Рэлеевская составляющая, надо чтобы лазер был монохромотичен "до упора".

Чем он более монохроматичен, тем меньше проблем ожидает нас впереди.

Второе. Мощность. Кипятить образец неохота, испарять тоже, но и накапливать фотоны часами на свехчуствительных датчикх тоже неохота. Поэтому лазер желательно не на 1 миливатт.   Как вариант облучения жилких прозрачных срез есть исполнение когда везщество в длинной прозрачной кювете из торца которой и снимается излучение. А освещается весьма рсфокусированным лучом по длинной строне.

Оценивать правильность схем я не могу. Моё понимание процессов пока только качественное,а не количественное.  И я был бы рад если бы подключались люди с практичеким опытом в данной сфере.

То есть нужен монохроматичный "неслабый"   источник,. Вопрос, нельзя-ли монохроматор воткнуть внутрь резонатора?  Чтобы сузить полосу? Или я что то не то говорю?

Далее.  удалить из изучаемого излучения полосу собственно лазера которая мощнее излучения КР на шесть-семь порядков.  полосовой фильтр.
Вопрос к практикам. Что можно использовать, и что из того что в принципе подходит можно купить не за сумашедшие деньги или открутить от чего то дешёвого. Ход мыслей понятен.

Далее излучение надо превратить в спектр.

Чем лучше это сделать? Я так понимаю что отражающей дифрацкионной решеткой. Где и за сколько можно купить?

И регистратор.  Кто либо сталкивался с исполтзоваием регистраторов от датчиков штрих-кодов?   Со схемами управления на них?  Отзывы о них как о датчиках к спектрографу по металлам мелькали хорошие, когда то видел, на иных форумах, но там автора похвастался дал пару фото и пропал. Его судьбу выяснить не удалось. Может что то случилось, может забил, но он вообще отовсюду пропал.
В других местах по поводу датчиков от штрих кодов данные есть но я ещё не рыл серьёзно, и я не электронщик.

[Gall]

По мощности. 1 мВт - это адская мощность, датчики от нее зашкаливает. Около 10 мВт даст запас. Все, что больше, будет просто перегружать детектор. 100 мВт может повредить образец.

Да, именно в монохроматичности и засада. С полупроводниковыми лазерами проблема. С гелий-неоновым достаточно хороший луч достигается относительно легко. Поэтому начинать лучше с гелий-неонового.

Резонатор лазера сам по себе является монохроматором, и иногда его действительно улучшают дополнительно. Идея совершенно верная: в лазерах на красителях добавляют дифракционную решетку. В газовых лазерах это не требуется, поскольку ширина полосы генерации и так мала, и при достаточно коротком лазере больше одной моды резонатора Фабри-Перо не захватывается. В гелий-неоновом лазере небольшой длины достаточно просто двух классических зеркал, как в школьном учебнике. А вот в лазере на органическом красителе пришлось бы мудрить.

Фильтр. Проще всего сразу же разлагать излучение в спектр, например, дифракционной решеткой, и просто сделать, чтобы луч лазера выходил из решетки мимо датчика. Шесть порядков поглотить трудно, а вот отклонить в сторону, чтобы ушло мимо - без проблем.

Датчиков есть несколько вариантов. Можно использовать единственный хороший фотодиод или ФЭУ, а развертку спектра сделать методом Фурье. Либо можно развернуть спектр дифракционной решеткой или Фабри-Перо, а регистрировать линейкой ПЗС. Линейка ПЗС берется от старого сканера, лучше черно-белого (сканер должен быть именно CCD, а не CIS). Либо можно использовать достаточно старую камеру (тоже CCD, а не CMOS). Те же методы годятся для ИК-спектроскопии.

Поскольку все упирается в развертку спектра, я бы сначала научился разворачивать спектр (пробовать можно на ИК), а потом уже делал Рамана. Может оказаться, что Рамана вообще делать не придется, хватит одного лишь умения делать FTIR.

[newnever]

По опыту. Чувствительности ФЭУ-79 в режиме счета фотонов (!) едва хватает, чтоб регистрировать КР при возбуждении лазером в несколько ватт. Для получения спектра в этом примере используется двойной монохроматор ДФС-24, один из самых светосильных приборов советских лет.  Вот такая интенсивность комбинационного рассеяния, говоря "на пальцах". Про матрицы от сканера забудьте, таким образом 

[Gall]

Рассеяния на каком образце? У нас побольше было. У нас была охлаждаемая ПЗС.

[ozzy_72]

А чем его тогда детектируют?  Излучение в смысле, особенно в мобильных приборах.  Там всё происходит "быстро и весело".

[Gall]

Да хоть и ФЭУ. В мобильных приборах точно Фурье-принцип. Вся соль в светосиле: если фотоны долго гонять через оптику, они по дороге потеряются, а у Фурье-метода на выход попадает практически все. Есть еще разного рода детекторы на ПЗС, там фотон куда-нибудь да попадет, и это эффективно. У хороших современных ПЗС чувствительность как у ФЭУ, счет фотонов, но шум больше. Поэтому обычно их охлаждают. С элементами Пельтье можно догнать где-то до -50, дальше обычно смысла нет. Криокулером можно сделать и температуру азота, но это дорого и более громоздко.

Если что, ФЭУ бояться не надо. Это хороший прибор. Им требуется высокое для питания, но есть (у фирмы Hamamatsu подсмотренный) способ их питания, когда не резисторами делят напряжение, а наоборот, умножают. Так легче: не нужны большие токи. Hamamatsu умеет делать блоки питания для ФЭУ прямо внутри ламповой панельки (HC123, если правильно помню марку).

[ozzy_72]

А сколько приблизительно денег такое стоит?  Если есть возможность дай ссылку, может не только меня заинтересует.

[Gall]

Порядка 100 долларов, если память не изменяет. Я когда-то прикидывал, что лучше: купить готовый или спаять. Спаял. (В документации к готовому есть схема, я ее просто повторил. Номиналы только рассчитать надо, там без номиналов.)

[newnever]

Современные ПЗС есть очень хорошие, это факт. Но про накачку в 1 мВт не верю.  Порядка 1 Вт нужно возбуждение, ну может сотни милливатт, если образец - органика с большими сечениями КР. Важно, чтоб линия лазера была максимально узка, т к наблюдаемый спектр есть свертка реального спектра и аппаратной функции, в которую, в частности, входит ширина лазерной линии. Грубо говоря иными словами, наблюдаемая линия будет шириной не менее лазерной линии, а типичные КР линии составляют единицы-десятки обратных см. Лазер, таким образом, нужен газовый или одночастотный твердотел, что дорого. Это что касается традиционной развертки спектра монохроматором

[Gall]

Не прокатит с твердотелом, если только оптическую схему не делать очень сложной с эталонами в резонаторе. У них полоса усиления широкая слишком. Нужен газ. Можно на парАх металлов.

Я видел портативный прибор на милливаттных мощностях, но там, скорее всего, не разворачивали спектр, а регистрировали только наличие одной какой-то линии. Которая, вероятно, была очень сильна сама по себе. Скорее всего, редкое исключение.

[ozzy_72]

А лазер на красителях и интерферометром внутри? Чтоб полосу вырезать и только её между резонаторами гонять?