портативный лазерный микроанализатор

Формула изобретения

ПОРТАТИВНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ МИКРОАНАЛИЗАТОР, содержащий импульсный твердотельный лазер с модуляцией добротности, включающий блок питания лампы накачки и блок управления модулятором, фокусирующую систему, основание для крепления исследуемого образца, спектрограф и систему регистрации, отличающийся тем, что лазер выполнен работающим в импульсно-периодическом режиме и снабжен схемой стабилизации и регулирования энергии излучения, состоящей из блоков измерения и управления, причем блок измерения включает в себя установленный в активном термостате за задним зеркалом резонатора фотоприемник, выход которого подсоединен к входу устройства измерения и регистрации лазерного излучения, и размещенные между этим зеркалом и фотоприемником нейтральный светофильтр и диффузно-пропускающий оптический элемент, блок управления схемы стабилизации и регулирования содержит генератор и первый таймер, имеющие входы для подачи импульсов запуска, второй таймер, выполненный программируемым, компаратор и шифратор, при этом выход генератора подключен к первому входу компаратора и входу блока питания лампы накачки, выход первого таймера подключен к второму входу компаратора, выход которого соединен с управляющим входом генератора и первым входом второго таймера, второй вход которого соединен с выходом шифратора, а выход с входом блока управления модулятором, причем выход устройства измерения и регистрации энергии лазерного излучения соединен с входом шифратора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптики и может быть использовано в устройствах для спектрального анализа химического состава веществ.

Наиболее близким к изобретению является лазерный микроанализатор, содержащий импульсный твердотельный лазер с модуляцией добротности, включающий блок питания лампы накачки и блок управления модулятором, а также фокусирующую систему, основание для крепления исследуемого образца, спектрограф и систему регистрации.

Недостатком известного микроанализатора является малая точность проведения количественного анализа химического состава исследуемого вещества. Этот недостаток обусловлен, в частности, нестабильностью энергии излучения, генерируемого импульсным лазером, из-за нестационарного теплового режима его работы, что приводит к неодинаковым условиям возбуждения спектра исследуемого вещества, а следовательно, снижает точность проведения анализа.

Кроме того, известный микроанализатор не имеет возможности автоматического управления величиной энергии импульса лазерного излучения, возбуждающего спектр излучения исследуемого вещества, что приводит к необходимости увеличения чувствительности регистрирующего устройства и использованию лазера с большой импульсной мощностью из-за различной интенсивности излучения атомов химических веществ, зависящей от энергии их возбуждения и количественного химического состава вещества, что так же снижает точность проведения анализа химического состава вещества.

Технической задачей, решаемой изобретением, является создание лазерного микроанализатора, в котором устранены указанные недостатки.

Технический результат заключается в повышении точности проведения спектрального анализа химического состава веществ.

Это достигается тем, что в известном лазерном микроанализаторе лазер выполнен работающим в импульсно-периодическом режиме и снабжен схемой стабилизации и регулирования энергии излучения, состоящей из блоков измерения и управления, причем блок измерения включает в себя установленный в активном термостате за задним зеркалом резонатора фотоприемник, выход которого подсоединен к входу устройства измерения и регистрации энергии лазерного излучения и размещенные между этим зеркалом и фотоприемником нейтральный светофильтр и диффузно-пропускающий оптический элемент, блок управления схемы регулирования и стабилизации содержит генератор и первый таймер, имеющие входы для подачи импульсов запуска, второй таймер, выполненный программируемым, компаратор и шифратор, при этом выход генератора подключен к первому входу компаратора и входу блока питания лампы накачки, выход первого таймера подключен к второму входу компаратора, выход которого соединен с управляющим входом генератора и первым входом второго таймера, второй вход которого соединен с выходом шифратора, а выход с входом блока управления модулятором, причем выход устройства измерения и регистрации энергии лазерного излучения соединен со входом шифратора.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 временная диаграмма, поясняющая работу блока управления схемы регулирования и стабилизации энергии излучения лазера (а импульс "запуск"; б импульс генератора; в импульс на выходе таймера 11; г импульс на выходе компаратора; д импульс на выходе таймера 12; е импульс излучения лазера).

Лазерный микроанализатор содержит источник возбуждения спектра излучения исследуемого вещества импульсный твердотельный лазер с модуляцией добротности, работающий в импульсно-периодическом режиме и состоящий из излучателя 1, блока 2 питания лампы накачки активного элемента и блока 3 управления модулятором излучения, например электрооптическим затвором. Схема измерения и стабилизации энергии импульсов излучения лазера состоит из блока 4 измерения и блока 5 управления.

Блок измерения 4 содержит фотоприемник 6, нейтральный светофильтр 7, диффузно-пропускающий оптический элемент 8, устройство 9 измерения и регистрации энергии лазерного излучения.

Блок управления 5 содержит генератор 10, таймер 11 и программируемый таймер 12, компаратор 13, шифратор 14. Микроанализатор содержит также систему 15 фокусировки пучка лазерного излучения на поверхности исследуемого образца 16, спектрограф 17 и систему 18 регистрации, например персональную ЭВМ.

Лазерный микроанализатор работает следующим образом.

Перед проведением микроанализа исследуемого образца вещества устанавливается величина энергии возбуждения его спектра при помощи шифратора 14 (управляемого вручную или ПЭВМ), устанавливающего код задержки срабатывания программируемого таймера 12.

При подаче импульса внешнего запуска (вручную или от ПЭВМ) на входы таймера 11 и генератора 10, последний начинает генерировать серию импульсов напряжения, продолжительность которой задается таймером и определяется временем установления квазистационарного теплового режима работы лазера ( 0,5 с), обеспечивающего генерацию оптических импульсов излучения с нестабильностью энергии импульсов, не превышающей 1%

Импульсы с выхода генератора 10 поступают одновременно на первый вход (вход А) компаратора 13 и блок питания 2 лампы накачки 19. Происходит включение блока питания 2 и производится оптическая накачка активного элемента 20 лазера излучением импульсной лампы накачки и тем самым осуществляется выравнивание теплового режима работы оптических элементов лазера и электрорадиоэлементов блока 2 питания, при этом генерация импульсов излучения лазера не происходит, так как на его электрооптический затвор 21 не поступает отпирающий его импульс напряжения от блока управления 3.

По окончании времени установления квазистационарного теплового режима работы лазера на выходе таймера 11 (см. фиг. 2) генерируется импульс напряжения, длительность которого больше периода следования импульсов генератора 10, поступающих на второй вход (вход Б) компаратора 13. При этом при поступлении импульса от генератора 10 на вход А компаратора 13 и блок питания 2 на выходе компаратора (выход С) генерируется импульс управления, включающий программируемый таймер 12, формирующий задержанный относительно импульса генератора 10 импульс включения блока управления 3 электрооптическим затвором и выключающий генератор 10, и производится оптическая накачка активного элемента лазера.

По истечении времени задержки, установленного при помощи шифратора 14 (вручную или ПЭВМ) и пропорционального заданной величине энергии возбуждения спектра излучения исследуемого образца вещества, на выходе программируемого таймера 12 генерируется импульс запуска блока 3 управления, который отпирает электрооптический затвор. Лазер генерирует оптический импульс мощностью 10⁷ Вт и длительностью 10 нс, поступающий на вход системы фокусировки 15. При этом часть лазерного излучения, проходящая через заднее зеркало резонатора лазера 1, поступает на фотоприемник 6, выходной сигнал которого пропорционален энергии излучения лазера. Элементы 7 и 8, установленные между задним зеркалом резонатора лазера 1 и фотоприемником 6, предназначены для согласования диапазона линейности работы фотоприемника и снижения погрешности измерений, обусловленной неравномерностью чувствительности фотоприемника 6 в пределах световой апертуры.

Фотоприемник 6 преобразует падающий на него поток излучения в пропорциональный ему импульс фототока, поступающий в устройство измерения и регистрации 9, которое осуществляет его преобразование в электрический сигнал, пропорциональный энергии импульса излучения лазера, регистрацию значения этого сигнала и индикацию его абсолютного значения в джоулях.

При "уходе" энергии импульса излучения лазера от заданного значения сигнал, поступающий с устройства измерения и регистрации 9 на шифратор 14, изменяет время задержки срабатывания электрооптического затвора относительно импульса накачки активного элемента, что приводит к изменению энергии излучения и ее автоматическому возврату к заданному уровню.

Система фокусировки 15 пучка лазерного излучения формирует на поверхности исследуемого образца пучок лазерного излучения диаметром 50-100 мкм с плотностью мощности излучения 10⁹-10¹² Вт/см², что приводит в месте взаимодействия излучения с веществом к образованию облака расширяющейся плазмы-факела, спектр излучения которого измеряется спектрографом 17, а результат спектрального анализа вещества регистрируется устройством 18.

Повышение точности измерения энергии лазерного излучения достигается за счет использования канала измерения со светоделительными пластинами.

Размещение фотоприемника в активном термостате 22 обеспечивает постоянную спектральную чувствительность в зависимости от температуры окружающей среды, что также приводит к повышению точности измерения энергии лазерного излучения.

Таким обpазом, предлагаемый лазерный микроанализатор за счет повышения точности измерения энергии лазерного излучения, повышения ее стабильности и обеспечения возможности регулирования в соответствии с энергией возбуждения спектра исследуемого вещества, позволяет, в конечном счете, повысить точность проведения спектрального анализа химического состава исследуемых веществ.