Лазерный микровибрационный спектрометр

Лазерный микровибрационный спектрометр

Реферат

Изобретение относится к лазерным техническим средствам измерений и может быть использовано для измерения параметров микроструктур различных искусственных и естественных, в том числе биологических, объектов.

Известна диагностическая измерительная система, содержащая оптический контур с источником излучения оптического диапазона, выполненным в виде лазера непрерывного действия, конденсором из оптических призм и электрический контур преобразования светового излучения в информативные электрические сигналы с аналого-цифровым преобразователем и устройством регистрации, записи и воспроизведения измеряемых параметров (см. патент РФ №2141102, кл. G01D 5/353, опубл. 1997).

Однако данная система достаточно сложна в конструктивном отношении, обеспечивает измерение лишь статических параметров и предназначена для детектирования механических деформаций и перепадов температур технических объектов, что ограничивает область ее применения.

Наиболее близкой к заявленному изобретению по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранная в качестве прототипа диагностическая измерительная система (Патент RU №2228518, кл. G01Н 9/00, G01М 7/02 от 14.10.2002), содержащая лазер, последовательно соединенные первую и вторую оптические призмы, пара которых образует конденсор, последовательно соединенные двухвходовой фотодетектор, усилитель мощности сигнала, аналого-цифровой преобразователь и компьютер, а также оптические фильтр и гетеродин, причем выход отраженного сигнала первой оптической призмы соединен со входом оптического гетеродина, выход которого соединен с первым входом двухвходового фотодетектора, второй вход которого соединен с выходом оптического фильтра, вход которого соединен с выходом отраженного сигнала второй оптической призмы, выход лазерного излучения которой является выходом оптического контура системы.

Недостатком известной системы является необходимость использования в ней датчика возмущения, который выполнен в виде светоотражающей пленки, нанесенной на рабочую поверхность детали, установленной с возможностью вращения. Эта система не обеспечивает измерения параметров глубинных слоев исследуемого вещества и вообще не предназначена для биологических объектов, что делает ее малопривлекательной. Основным недостатком является наклеиваемая отражательная пленка, которую невозможно наклеивать на исследуемые биологические объекты, тем более находящиеся не только на поверхности исследуемого материала.

Целью заявленного изобретения является расширение функциональных возможностей известной системы путем обеспечения анализа состояния биологических тканей, в том числе внутри биологических объектов без их разрушения за счет использования управляемого микровибрационного частотного модулятора.

Указанная цель достигается тем, что лазерный микровибрационный спектрометр (ЛМС), содержащий лазер, последовательно соединенные первую и вторую оптические призмы, пара которых образует конденсор, последовательно соединенные двухвходовой фотодетектор, усилитель мощности сигнала, аналого-цифровой преобразователь и компьютер, а также оптические фильтр и гетеродин, причем выход отраженного сигнала первой оптической призмы соединен со входом оптического гетеродина, выход которого соединен с первым входом двухвходового фотодетектора, второй вход которого соединен с выходом оптического фильтра, вход которого соединен с выходом отраженного сигнала второй оптической призмы, выход лазерного излучения которой является выходом ЛМС, также содержит микровибрационный частотный модулятор и управляемый генератор электрических сигналов, вход которого соединен с выходом компьютера, а выход которого соединен с управляемым входом микровибрационного частотного модулятора, вход лазерного излучения которого соединен с выходом лазера, а выход лазерного излучения которого соединен со входом лазерного излучения первой оптической призмы.

Для достижения поставленной цели взят серийно выпускаемый маломощный гелий-неоновый лазер с непрерывным высокостабилизированным по частоте излучением и со встроенным поляризатором. Такой лазер одновременно формирует два оптических потока, имеющих взаимно ортогональные плоскости поляризации. Другие комплектующие элементы ЛМС являются элементами широкого применения в промышленности.

Технический результат заявленного изобретения состоит в обеспечении возможности производить неразрушающий спектральный анализ клеточных и молекулярных комплексов (нанообъектов) как на поверхности, так и в более глубинных слоях исследуемого вещества.

На чертеже представлена функциональная схема ЛМС.

Лазерный микровибрационный спектрометр содержит оптический контур с источником 1 высокостабилизированного по частоте излучения оптического диапазона, выполненный в виде маломощного непрерывного действия гелий-неонового лазера со встроенным поляризатором, микровибрационным частотным модулятором 2 и первой и второй оптическими призмами 3 и 4, составляющими конденсор 5.

Устройство содержит также оптический фильтр 6, оптический гетеродин 7, двухвходовый фотодетектор 8, усилитель мощности сигнала 9, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10, компьютер 11, управляемый генератор 12 электрических сигналов, выход 13 лазерного излучения ЛМС и вход 14 отраженного сигнала.

На чертеже для пояснения показан исследуемый объект 15, не входящий в ЛМС.

Элементы (эл.) 1, 2, 3, 4 и выход 13 составляют последовательную цепь лазерного излучения. Выход отраженного сигнала эл.3 через эл.7 соединен с первым входом эл.8, второй вход которого через эл.6 соединен с выходом эл.4. Последовательная цепь эл.8, 9, 10, 11, 12 и управляющий вход эл.2 составляют цепь обработки отраженных сигналов, а также управления элементом 2 и отображения результатов на элементе 11.

Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.

От источника 1 лазерного излучения квантовый поток энергии попадает через микровибрационный частотный модулятор 2 и конденсор 5 из оптических призм 3 и 4 на исследуемый объект 15 через выход 13 ЛМС, частично отражаясь от него и смешиваясь с собственным оптическим излучением исследуемого объекта, оптический сигнал через вход 14 попадает снова на оптическую призму 4, далее на оптический фильтр 6, частично не пропускающий собственное оптическое излучение исследуемого объекта на первый вход фотодетектора 8, в силу чего этот оптический сигнал является информационным, поскольку несет спектральную информацию об исследуемом объекте. Одновременно с этим часть светового потока, отражаясь от оптической призмы 3, через гетеродин 7 поступает на второй вход фотодетектора 8, в силу чего этот оптический сигнал является спорно-модулированным.

Оба полученных оптических сигнала в фотодетекторе 8 преобразуются в электрические, которые через усилитель 9 мощности сигнала поступают далее в АЦП 10 для соответствующей обработки и последующего отображения на мониторе компьютера 11 необходимых микровибрационных параметров исследуемого объекта. Компьютер 11 может изменять частоту управляемого генератора электрических сигналов 12 по командам оператора или адаптивной базы знаний ЛМС - интеллектуальной программной среды компьютера.

Основным отличием ЛМС от других лазерных спектрометров является то, что за счет формирования лазерного сигнала с высокой степенью стабилизации несущей частоты, а также за счет применения микровибрационного частотного модулятора с управляемой модулирующей частотой, модулированный таким образом оптический сигнал возбуждает в молекулярных структурах вторичные акустические резонансные колебания на основной частоте (или гармониках) модуляции лазерного луча. Подобный оптоакустический резонансный эффект позволяет, применяя маломощный оптический сигнал (порядка 1 мВт), производить неразрушающее спектрометрическое зондирование не только поверхностных слоев вещества исследуемого объекта, но и получать спектральную информацию о более глубоких слоях структуры объекта.

Особенно это актуально при биологических исследованиях живых тканей и культур. Ожидается безвредное зондирование и визуализация микроструктур тканей человеческого организма с ранее недостижимыми микроскопическими разрешениями вплоть до клеточных и субмолекулярных структур. Характерные размеры структурных образований живых клеток составляют десятые и сотые доли микрона, что практически не позволяет производить спектрометрию этих объектов прямыми оптическими методами, поскольку размеры сканируемых объектов существенно меньше длины волны оптического диапазона. Применение же электромагнитных излучений с меньшей длиной волны (ультрафиолетового и рентгеновского) приводит к разрушению биологических объектов.

Если принять во внимание, что характерная длина волны собственных акустических колебаний структур материальных объектов имеет такой же порядок, как и размеры таких структур, то элементарное деление скорости звука в биологических тканях (порядка 10³ м/с) на длину волны собственных акустических колебаний структуры таких объектов (порядка 10^-6 м ... 10^-8 м) дает диапазон частот акустических колебаний порядка 1...100 ГГц. При частоте модуляции лазерного излучения такого же порядка в структуре исследуемого биологического объекта возникнут резонансные колебания, которые будут модулировать собственное электромагнитное излучение клеточных и субклеточных структур данного объекта (как правило, в инфракрасном диапазоне), а также модулировать отраженное от поверхностных слоев объекта оптическое излучение лазерной системы. Таким образом, создаются предпосылки спектрального анализа нанообъектов, т.е. молекулярных комплексов и даже отдельных молекул, размер которых в сотни раз меньше длины волны несущей частоты лазерного излучения.

Возможность ЛМС производить неразрушающий спектральный анализ молекулярных комплексов не только на поверхности, но и в более глубоких слоях вещества, позволяет на базе ЛМС создавать широкий класс детекторов веществ, которые найдут применение в различных системах безопасности и досмотра, системах технологического контроля и мониторинга, медицинской диагностике, научных исследованиях и т.д. В состав подобных детекторов веществ помимо ЛМС могут входить программно-информационные блоки обучения и самообучения, позволяющие заранее, т.е. до момента принятия решения, вводить в блок распознавания устройства информацию о спектральных кластерах как распознаваемых веществ, так и среды, в которой находятся анализируемые молекулярные комплексы.

При этом параллельным научным продуктом станут информационные базы знаний (фреймы, т.е. данные плюс программы обработки) спектральных кластеров разных типов сред и находящихся в них распознаваемых веществ. Такие базы данных в виде набора специализированных или перепрограммируемых чипов позволят распараллелить процесс научных исследований и сделать его существенно более эффективным за счет создания централизованных спектрометрических информационных банков. Особенно это актуально для современных исследований в области генной инженерии, медицины, фармацевтики и нанотехнологий для электроники будущего.

Лазерный микровибрационный спектрометр (ЛМС), содержащий лазер, последовательно соединенные первую и вторую оптические призмы, пара которых образует конденсор, последовательно соединенные двухвходовой фотодетектор, усилитель мощности сигнала, аналого-цифровой преобразователь и компьютер, а также оптические фильтр и гетеродин, причем выход отраженного сигнала первой оптической призмы соединен со входом оптического гетеродина, выход которого соединен с первым входом двухвходового фотодетектора, второй вход которого соединен с выходом оптического фильтра, вход которого соединен с выходом отраженного сигнала второй оптической призмы, выход лазерного излучения которой является выходом ЛМС, отличающийся тем, что в ЛМС также содержатся микровибрационный частотный модулятор и управляемый генератор электрических сигналов, вход которого соединен с выходом компьютера, а выход которого соединен с управляемым входом микровибрационного частотного модулятора, вход лазерного излучения которого соединен с выходом лазера, а выход лазерного излучения которого соединен со входом лазерного излучения первой оптической призмы.