эффективная оптическая система сбора рассеянного излучения для раман-спектрометра

Формула изобретения

Оптическая система сбора рассеянного излучения для раман-спектрометра, содержащая оптически связанные лазер и расположенные последовательно вдоль главной оптической оси эллиптическое зеркало, объектив и спектрометр, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены сферическое зеркало с радиусом, равным удвоенному фокальному радиусу эллиптического зеркала, и фокусирующая линза, при этом сферическое зеркало выполнено с отверстием в центре диаметром ( - длина волны лазера, F - фокус линзы, D - диаметр лазерного луча) и установлено на главной оптической оси так, что его центр кривизны совпадает с первым фокусом эллиптического зеркала, их зеркальные поверхности повернуты друг к другу, а его центр совпадает со вторым фокусом эллиптического зеркала, кроме того, фокусирующая линза установлена снаружи эллиптического зеркала на оптической оси лазера, которая ортогональна главной, и ее фокус совпадает с первым фокусом эллиптического зеркала, а эллиптическое зеркало выполнено с двумя отверстиями, расположенными в точках пересечения поверхности зеркала с оптической осью лазера, причем их диаметр совпадает с диаметром лазерного луча.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для увеличения интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света путем более эффективного сбора рассеянного излучения и может использоваться в газовых раман-спектрометрах.

Спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРС) является одним из наиболее перспективных направлений в области контроля и исследования многокомпонентных газовых сред. Основной трудностью при проведении КРС-газоанализа является крайне малая интенсивность сигнала КРС. Для решения данной проблемы используются различные оптические решения, направленные либо на эффективное возбуждение спектров КРС, либо на эффективный сбор рассеянного излучения (сигнала КРС). Однако современные газовые раман-спектрометры, использующие известные в настоящее время технические решения, часто не удовлетворяют современным требованиям по чувствительности из-за недостатка сигнала КРС. Известно, что интенсивность сигнала КРС в газовой среде зависит от угла сбора рассеянного излучения, т.е. увеличение угла сбора однозначно ведет к увеличению интенсивности сигнала КРС и, соответственно, к повышению чувствительности раман-спектрометра.

Известна оптическая схема, содержащая на одной оси лазер и фокусирующую линзу, а на ортогональной оси - сферическое зеркало и объектив, фокусы которых лежат в одной точке, где фокусируется лазерный луч [Применение спектров комбинационного рассеяния. / Под ред. А.Андерсона. - М.: Мир, 1977, с.204, рис.18]. Основным недостатком такой оптической схемы является малый угол сбора рассеянного излучения, обусловленный, в первую очередь, светосилой объектива.

Наиболее близкой по принципу действия является система, содержащая на одной оптической оси лазер и эллиптическое зеркало, в переднем фокусе которого находится рассеивающий объем, а во втором - вход световода, на выходе которого установлен объектив (линза), направляющий рассеянное излучение в спектрометр (патент US 6721049, 2004, G01N 21/63, G01N 21/65, G01J 1/04, G01J 3/00, G01J 3/02). Наличие эллиптического зеркала позволяет увеличить угол сбора рассеянного света (по сравнению с аналогом) и не требует светосильного объектива для этой цели. Основным недостатком такой системы является недостаточно большой угол сбора рассеянного излучения, по сравнению с полным углом сбора 4 стерадиан.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности сбора рассеянного излучения за счет увеличения угла сбора. Технический результат - увеличение интенсивности сигнала КРС и связанное с ним повышение чувствительности раман-спектрометра.

Указанный результат достигается тем, что в систему, содержащую оптически связанные лазер и расположенные последовательно вдоль главной оптической оси эллиптическое зеркало, объектив и спектрометр, дополнительно введены фокусирующая линза и сферическое зеркало. Радиус кривизны сферического зеркала равен удвоенному фокальному радиусу эллиптического зеркала (расстоянию между фокусами эллиптического зеркала). В центре сферического зеркала расположено отверстие для вывода рассеянного света из системы зеркал. Размер отверстия задается параметрами рассеивающего объема, который в свою очередь определяется фокусом линзы и диаметром лазерного луча [Schwiesow R.L. Optimum illumination geometry for laser raman spectroscopy // JOSA, 1969, V.59, № 10]. В данном случае диаметр отверстия , где - длина волны лазера, F - фокус линзы, D - диаметр лазерного луча. Фокусирующая линза установлена снаружи эллиптического зеркала на оптической оси лазера, которая ортогональна главной, и ее фокус совпадает с первым фокусом эллиптического зеркала, кроме того, эллиптическое зеркало выполнено с двумя отверстиями, расположенными в точках пересечения поверхности зеркала с оптической осью лазера, причем их диаметр совпадает с диаметром лазерного луча. Сферическое зеркало установлено на главной оптической оси так, что его центр кривизны совпадает с первым фокусом эллиптического зеркала, их зеркальные поверхности повернуты друг к другу, а его центр совпадает со вторым фокусом эллиптического зеркала.

На чертеже приведена схема предлагаемой оптической системы.

Система содержит эллиптическое зеркало 1, сферическое зеркало 2, объектив 3, спектрометр 4, фокусирующую линзу 5, источник излучения (лазер) 6.

Эллиптическое зеркало 1 и сферическое зеркало 2 ориентированы зеркальными поверхностями навстречу друг к другу. Центр кривизны С сферического зеркала совпадает с первым фокусом F1 эллиптического зеркала 1 и с фокусом лазерного луча 6, сформированным линзой 5. Центр сферического зеркала 2 совпадает со вторым фокусом F2 эллиптического зеркала 1 и передним фокусом объектива 3. В заднем фокусе объектива расположен спектрометр 4.

Система работает следующим образом.

Линза 5 фокусирует лазерный луч 6 в первом фокусе F1 эллиптического зеркала 1. Эллиптическое зеркало 1 направляет часть рассеянного излучения, попавшего на его поверхность, в свой второй фокус F₂. Другая часть рассеянного излучения, попавшего на сферическое зеркало 2, отражается в первый фокус F1 эллиптического зеркала, откуда также попадает в F2. Далее изображение рассеивающего объема объективом 3 передается на щель спектрометра 4.

Такое расположение зеркал 1 и 2 обеспечивает угол сбора, близкий к 4 стерадиан, что позволяет практически полностью собрать рассеянное излучение из рассеивающего объема. Потери рассеянного излучения минимизированы за счет расположения сферического зеркала во втором фокусе F2 эллиптического зеркала, где изображение рассеивающего объема минимально, а также введением и выведением лазерного луча через малые отверстия в эллиптическом зеркале.