Способ обнаружения алмазов с использованием когерентной антистоксовой рамановской спектроскопии и устройство для его реализации

Способ обнаружения алмазов с использованием когерентной антистоксовой рамановской спектроскопии и устройство для его реализации

Реферат

 

Изобретение относится к области спектрального анализа алмазов. В способе анализируемые частицы облучают лазерным излучением, сформированным фокусировкой многих лазерных лучей. По меньшей мере два луча имеют частоты, отличающиеся одна от другой в соответствии с характеристикой алмаза. В сфокусированном луче по меньшей мере некоторые компоненты лазерных лучей должны быть когерентно согласованы по фазе. В устройстве предусмотрено средство для определения, является ли сигнал рассеяния, излучаемый каждой частицей, характеристическим сигналом когерентной антистоксовой рамановской спектроскопии для алмаза. Технический результат - повышение эффективности. 2 с. и 17 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу обнаружения алмазов с использованием когерентной антистоксовой рамановской спектроскопии (КАСРС) и устройству для реализации этого способа.

Были предложения использовать рамановский отклик для обнаружения и сортировки алмазов. В известном способе предназначенные для сортировки частицы освещают лазерным лучом. Для алмаза взаимодействие лазерного луча с модами колебаний кристалла алмаза приводит к поглощению энергии фотонов лазерного излучения и генерирует рассеянные фотоны с длиной волны немного большей, чем падающий лазерный луч. Соответствующий сдвиг частоты соответствует энергии колебаний, величина которой для алмазов равна волновому числу 1332 см^-1.

Так называемый рамановский сдвиг не зависит от частоты лазерного излучения, но интенсивность излучения спонтанного рамановского рассеяния зависит от частоты и в общем случае мала. Хотя при более коротких длинах волн возбуждения происходит генерация несколько более сильных сигналов, такие длины волн обычно также возбуждают в алмазах флюоресценцию, которая может подавлять характерный рамановский сигнал и чрезвычайно затруднит надежное обнаружение алмазов.

Как отмечалось выше, КАСРС представляет собой третий вариант рамановского способа. В известном способе КАСРС одновременно на частицу направляют два лазерных луча, причем частоты двух лучей отличаются одна от другой в соответствии с количественной характеристикой материала, предназначенного для обнаружения, то есть, 1332 см^-1 в случае алмаза. Когерентность обеспечивают тем, что два луча находятся под определенным углом один к другому, обеспечивая таким образом согласование фаз. Лучи взаимодействуют с алмазом или кристаллической решеткой другого минерала и генерируют третий результирующий луч под определенным углом. Результирующий сигнал, интенсивность которого значительно больше, чем спонтанный рамановский сигнал, имеет более высокую частоту, чем частоты лазеров на входе. В случае алмаза сдвиг в сторону более высоких частот равен 1332 см^-1 по отношению к одной из частот возбуждения. Характеристический сигнал более высокой частоты находится вне полосы частот флюоресценции и, следовательно, может быть обнаружен без присутствующего в нем фона флюоресценции.

Как отмечено выше, проблема применения известного способа КАСРС для обнаружения алмазов заключается в том факте, что частицы, которые представлены для анализа, имеют шероховатые поверхности, которые преломляют лазерные лучи так, что невозможно обеспечить угловое разделение между лучами.

Настоящее изобретение направлено на решение этой проблемы.

Согласно одному из аспектов настоящего изобретения предложен способ обнаружения алмазов, заключающийся в том, что частицы облучают лучом лазерного излучения, сформированного путем фокусировки двух или более лазерных лучей, по меньшей мере два из которых имеют частоты, отличающиеся одна от другой на характерную для алмаза величину, при этом по меньшей мере некоторые компоненты лазерных лучей, сфокусированных для формирования облучающего луча лазерного излучения, являются когерентно согласованными по фазе, собирают сигнал рассеяния, излучаемый каждой частицей, и определяют, является ли такой сигнал характеристическим сигналом КАСРС для алмаза.

Согласно другому аспекту изобретения предложено устройство для обнаружения алмазов, содержащее средство для создания лучей лазерного излучения, по меньшей мере два из которых имеют частоты, отличающиеся одна от другой на характерную для алмаза величину, средство для фокусировки лазерных лучей для формирования облучающего луча лазерного излучения, которым облучают подвергающиеся анализу частицы, причем по меньшей мере некоторые компоненты лазерных лучей когерентно согласованы по фазе средствами фокусировки, средство для сбора сигнала рассеяния, излучаемого каждой частицей, и средство для определения, является ли такой сигнал характеристическим сигналом КАСРС для алмаза.

В дальнейшем изобретение описано более подробно со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых фиг.1-3 изображают первый, второй и третий варианты выполнения блок-схемы устройства для обнаружения алмазов согласно изобретению.

В первом варианте осуществления лазерные источники (фиг.1) генерируют два лазерных луча 12 и 14, поляризованных соответствующими поляризаторами 16 и 18. Луч 12 имеет длину волны 532 нм, а луч 14 - длину волны 573 нм. Разность длин волн соответствует характерной для алмаза разности частот 1332 см^-1.

Луч 12 отражают зеркалом 20 и дихроичной пластиной смешения 22, а луч 14 проходит через дихроичную пластину смешения 22. Лучи 12 и 14 затем объединяют, чтобы сформировать коллинеарный луч 24, который отражают зеркалом 26 и фокусируют линзой 28 так, чтобы получить конус 30 лазерного излучения, которым облучают частицу 32, подвергающуюся анализу.

В световом конусе 30 две лазерные частоты, т.е. частоты лучей 12 и 14, в действительности находятся в определенном диапазоне углов по отношению друг к другу, этот диапазон определяется углом, ограничивающим раствор конуса.

Несмотря на то, что частица 32 может иметь шероховатые и неровные поверхности, в пределах этого диапазона углов по меньшей мере некоторые пересекающиеся компоненты лучей удовлетворяют критерию согласования фаз, требуемому для успешной реализации способа КАСРС.

Сигнал рассеяния КАСРС от частицы 32 имеет форму конуса и обозначен цифрой 34. Сигнал проходит через собирающуюся линзу 36, которая восстанавливает коллимированный луч. Сигнал пропускают через фильтр 38, который устраняет все длины волн, отличающиеся от характеристической длины волны 497 нм для алмаза. Любой сигнал, прошедший через фильтр, отражают зеркалом 40 в спектрометр 42, настроенный на характеристическую длину волны. Соответствующий электронный процессор (не показан) осуществляет оценку того, свидетельствует ли полученный спектрометром сигнал о том, что частица 32 является алмазом.

На фиг. 2 показан второй видоизмененный вариант осуществления изобретения. Дихроичная пластина смешения заменена зеркалом 23, которое отражает лазерный луч 12, а лазерный луч 14 проходит мимо него. Поэтому здесь не получают коллинеарный, суммированный лазерный луч, как в первом варианте. Соответствующие лучи 12 и 14, находящиеся под углом один к другому, независимо отражают зеркалом 26 на фокусирующую линзу 28, формирующую конус 30 лазерного излучения, которым облучают подвергающуюся анализу частицу 32.

Лучи 12 и 14 имеют такие же частоты, как и в первом варианте осуществления, поэтому в конусе 30 происходит аналогичный эффект, т.е. соответствующие частоты находятся в некотором диапазоне углов, что позволяет получить условие согласования фаз КАСРС по меньшей мере для некоторых компонентов лучей.

Сигнал рассеяния КАСРС собирают в коллимированный луч фокусирующей линзой 36 и пропускают через фильтр 38, который устраняет все длины волн, отличающиеся от характеристической длины волны 497 нм для алмаза. Результирующий сигнал отражают зеркалом 40 на спектрометр 42, который в этом случае включает в себя третий поляризатор 44. Снова, если спетрометр обнаруживает характеристический сигнал КАСРС, то частица 32 может быть идентифицирована как алмаз.

В третьем варианте осуществления на фиг.3 лазерные лучи 12 и 14 с теми же самыми частотами, как и раньше, располагают параллельно друг другу и отражают призмой 46 на фокусирующую линзу 28, которая формирует конус 30 смешанного лазерного излучения, которым освещают частицу 32. Как и в первых двух вариантах осуществления, имеющийся в конусе 30 диапазон углов между различными частотами позволяет получить условие когерентности луча КАСРС по крайней мере для некоторых компонент соответствующих частот.

Полученный сигнал рассеяния КАСРС собирают фокусирующей линзой 36 в коллимированный луч и фильтруют при помощи фильтра 38, пропуская характеристический сигнал 497 нм, который направляют на спектрометр 42 зеркалом 40, и производят оценку того, свидетельствует ли такой сигнал о том, что частица 32 является алмазом.

Каждое из описанных выше устройств может образовывать часть устройства сортировки, используемого для отсортировки алмазных частиц от попутных частиц жильной породы. Оперативный анализ частиц может быть осуществлен совместно с предусмотренными средствами для отделения частиц, которые идентифицированы как алмазы, от других частиц. Также в каждом из вышеописанных выше вариантов осуществления фокусировку линзой 28 осуществляют так, что ограничивают интенсивность излучения, действию которого подвергнуты частицы, уменьшая таким образом вероятность повреждения алмазных частиц.

Формула изобретения

1. Способ обнаружения алмазов, заключающийся в том, что частицы облучают лазерным лучом, сформированным путем фокусировки двух или более лазерных лучей, по меньшей мере два из которых имеют частоты, отличающиеся одна от другой на характерную для алмаза величину, при этом по меньшей мере некоторые компоненты лазерных лучей, сфокусированных для формирования облучающего луча лазерного излучения, являются когерентно согласованными по фазе, собирают сигнал рассеяния, излучаемый каждой частицей, и определяют, является ли такой сигнал характеристическим сигналом когерентной антистоксовой рамановской спектроскопии для алмаза.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частицы освещают конусом лазерного излучения, сформированного фокусировкой двух или более лазерных лучей.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что лазерные лучи коллинеарно объединяют и фокусируют для формирования конуса лазерного излучения.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что один лазерный луч отражают от дихроичной пластины смешения, а другой лазерный луч пропускают через дихроичную пластину смешения для его коллинеарного объединения с отраженным лучом.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что лазерные лучи наклоняют под углом один к другому и фокусируют для формирования конуса лазерного излучения.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что один лазерный луч отражают зеркалом, а другой лазерный луч направляют в обход зеркала под острым углом к отраженному лучу.

7. Способ по п. 2, отличающийся тем, что лазерные лучи устанавливают параллельными один другому и с пространственным разнесением одного от другого и фокусируют так, чтобы сформировать конус лазерного излучения.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что один лазерный луч отражают дихроичной пластиной смешения, а другой лазерный луч для того, чтобы он был параллелен и пространственно разнесен от отраженного луча, пропускают через дихроичную пластину смешения.

9. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что лазерные лучи являются поляризованными.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что сигнал рассеяния, излучаемый каждой частицей, фильтруют так, чтобы устранить те длины волн, которые не являются характеристическими для алмаза, и осуществляют анализ отфильтрованного сигнала, чтобы определить, является ли этот сигнал сигналом когерентной антистоксовой рамановской спектроскопии, характеристическим для алмаза.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что отфильтрованный сигнал является поляризованным.

12. Устройство для обнаружения алмазов, содержащее средство для формирования лучей лазерного излучения, по меньшей мере два из которых имеют частоты, отличающиеся одна от другой на характерную для алмаза величину, средство для фокусировки лазерных лучей для формирования облучающего луча лазерного излучения, которым облучают подвергающиеся анализу частицы, причем по меньшей мере некоторые компоненты лазерных лучей когерентно согласованы по фазе при помощи средства фокусировки, средства для сбора сигнала рассеяния, излучаемого каждой частицей, и средства для определения, является ли такой сигнал характеристическим сигналом когерентной антистоксовой рамановской спектроскопии для алмаза.

13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что средство фокусировки фокусирует лазерные лучи так, чтобы сформировать конус лазерного излучения для облучения частиц.

14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что оно содержит дихроичную пластину смешения, которая отражает один лазерный луч и пропускает другой лазерный луч коллинеарно отраженному лазерному лучу, и линзу для фокусировки коллинеарных лазерных лучей.

15. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что оно содержит средства для создания лазерных лучей, наклоненных под острым углом один к другому, и линзу для фокусировки наклоненных лазерных лучей.

16. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что оно содержит дихроичную пластину смешения, которая отражает один лазерный луч и пропускает другой лазерный луч параллельно первому, но с пространственным разнесением от отраженного луча, и линзы для фокусировки параллельных лучей.

17. Устройство по любому из пп. 12-16, отличающееся тем, что оно содержит поляризаторы для поляризации лазерных лучей.

18. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит фильтр для фильтрации сигнала рассеяния, излучаемого сигналом каждой частицы, для устранения тех длин волн, которые не являются характеристическими для алмаза, и средство анализа отфильтрованного сигнала для определения, является ли этот сигнал сигналом когерентной антистоксовой рамановской спектроскопии, характеристическим для алмаза.

19. Устройство по п. 18, отличающееся тем, что оно содержит поляризатор для поляризации отфильтрованного сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3