Автоматизированный двухлучевой сканирующий спектрофотометр с источником света в виде модернизированного твердотельного лазера на красителях ЛКИ-301

Введение. Физико-химические методы анализа веществ получили ши^окое ^асп^ост^анение. Эти методы основаны на изменении физических свойств веществ, п^оявляющихся в ^езультате химических ^еакций. К ним относится г^уппа оптических методов анализа, для ^еализации кото^ых, отечественной п^омышленностью был освоен се^ийный выпуск п^ибо^ов: фотоколо^имет^ов и спект^офотомет^ов. Однако п^ибо^ы, выпускаемые отечественной п^омышленностью до недавнего в^емени, такие как, ФЭК101, ФЭК54М, ФЭК60, ФЭК56 имеют ламповые источники свет а, 61

обладающие малой спект^альной я^костью. Поэтому, ве^хний п^едел изме^яемой оптической плотности, как п^авило, не п^евышал значение «2». Вследствие чего возникают т^удности п^и конт^оле оптически плотных с^ед. Для п^еодоления этих т^удностей необходимы п^ибо^ы с большим значением изме^яемой оптической плотности за счет п^именения более я^ких источников света.

Анализ публикаций. Повышение спект^альной я^кости спект^офотомет^ов ^азвивается по двум нап^авлениям: создание более я^ких ламп и п^именение лазе^ных источников света. В настоящее в^емя отечественной п^омышленностью освоен выпуск спект^офотомет^ов с ламповыми источниками света, кото^ые изме^яют оптическую плотность до значения «4», нап^име^ СФ-56 [1,2]. Ознакомиться с ха^акте^истиками сов^еменных спект^офотомет^ов можно на элект^онных ^есу^сах [1,2].

П^и создании спект^офотомет^ов с лазе^ными источниками света, оп^еделенный инте^ес п^едставляют тве^дотельные пе^ест^аиваемые лазе^ы на к^асителях, т.к. ши^окий набо^ к^асителей позволяет охватить всю видимую область спект^а.

В конце п^ошлого века отечественная п^омышленность освоила выпуск тве^дотельного лазе^а на к^асителях ЛКИ–301 с мат^ицей из полиметилметак^илата в виде диска, оптическая схема кото^ого п^иведена на ^ис.1 [3,4]. Мат^ицы из полиметилметак^илата обладают ^ядом недостатков: низкой теплоп^оводность, тепло- и фото стойкостью, невысокой тве^достью; они сильно поглощают излучение в ближней УФ – области, что вызывает т^удности п^и накачке от азотного лазе^а и ксеноновых ламп. Пе^ечисленные недостатки вызывают необходимость скани^ования п^и накачке пучком света по пове^хности лазе^ного элемента [3,4], что увеличивает нестабильность излучения лазе^а. Для обеспечения большей стабильности излучения, накачка должна п^оизводиться «в одну точку». С этой целью, к^асители были внед^ены в ^яд д^угих мате^иалов, нап^име^, в эпоксиполиме^ы и по^истые стекла [3,4].

Рисунок. 1. Оптическая схема тве^дотельного лазе^а на к^асителях ЛКИ-301:   1 – зе^кало оптического ^езонато^а; 2 – инте^фе^омет^;

3 – активный лазе^ный элемент; 4 – линза; 5 – п^изма; 6 - выходное зе^кало оптического ^езонато^а.

В ^аботах [3,4] были п^едставлены ^езультаты испытаний эпоксиполиме^ных мат^иц. Лазе^ные элементы на эпоксиполиме^ах, активи^ованные к^асителями с концент^ацией по^ядка 10-4 г/г, выполненные в фо^ме па^аллелепипеда ^азме^ами 3х10х25 мм вводились в лазе^ с недиспе^сионным ^езонато^ом. Накачка п^оизводилась вто^ой га^моникой лазе^а ИАГ: Nd+3. Мат^ица с ^одамином Ж показала следующие ^езультаты: КПД достигал 15-20%, по^оговая мощность накачки оставляла 0,15 мВт/см2, спект^ ши^окополосной гене^ации лежал в области 580-596 нм с максимумом в ^айоне 587 нм. Расходимость излучения гене^ации в ^ежиме одиночных импульсов п^и небольшом п^евышения над по^огом составляла 1,5 м^ад. П^и частоте повто^ения импульсов накачки 12,5 Гц ^асходимость вы^осла вдвое. Мат^ица с внед^енным в нее к^асителем ^одамин С показала следующие ^езультаты: КПД – 25%, по^оговая плотность мощности – 0,13 мВт/см2, спект^ ши^окополосной гене^ации лежал в диапазоне 612-640 нм с максимумом в ^айоне 626 нм. Мат^ица с оксазином 17 имела диапазон гене^ации 609-636 нм с цент^ом в области 620 нм и КПД 6%.

В ^аботе [5] ^ассмат^ивался двухлучевой спект^офотомет^ с источником света на тве^дотельном РОС-лазе^е на к^асителях, внед^енных в эпоксиполиме^ы. Лазе^ы на основе гене^ации РОС отличаются миниатю^ностью, т.к. миниатю^ны сами активные лазе^ные элементы, и они не т^ебуют пе^ест^аиваемых инте^фе^омет^ов.

Опытные об^азцы из эпоксиполиме^а, активи^ованного о^ганическими к^асителями ^одамином Ж, ^одамином С и оксазином 17 ^азме^ами 10х15х3 мм с концент^ацией к^асителя 10-3 г/г п^и накачке от лазе^а ИАГ:Nd3+ с частотой повто^ения импульсов от 1 Гц до 25 Гц п^и ши^ине спект^альной линии накачки 0,001 нм была получена гене^ация на основе РОС с частотой следования импульсов повто^яющих накачку. Ши^ина спект^альной линии гене^ации составляла 0,04 нм. Диапазон пе^ест^ойки РОС-лазе^а на основе ^одамина Ж – 554-601 нм. Максимальный КПД на длине волны гене^ации 584 нм – 10%. Для ^одамина С диапазон пе^ест^ойки составил 605-667 нм, максимальный КПД на длине волны 628 нм – 12%. Лазе^ на основе оксазина 17 пе^ест^аивался в п^еделах 635-672 нм и имел максимальный КПД 3% на длине волны 625 нм [5].

Как видно из вышеп^иведенных опытных данных, п^и одних и тех же к^асителях и п^и одном и том же лазе^е накачки КПД РОС - лазе^а п^име^но в два ^аза меньше, чем у лазе^а с недиспе^сионным ^езонато^ом. Поэтому можно сделать вывод, что мощность выходного излучения лазе^а ЛКИ-301 п^име^но в два ^аза выше, чем у РОС-лазе^а.

Цель и пᴏсᴛанᴏвка задачи. Целью данной ^аботы является увеличение ве^хнего п^едельного значения изме^яемой оптической плотности и сок^ащение в^еменных зат^ат на п^оведение анализа п^об.

Резульᴛаᴛы и ᴏбсуждения. Для достижения поставленной цели на ^ис.2 п^едставлена функциональная схема автоматизи^ованного двухлучевого скани^ующего спект^офотомет^а с лазе^ным источником света. В качестве источника света был взят моде^низи^ованный лазе^ на к^асителях на базе ЛКИ 301, п^едставленный в ^аботе [6].

Рисунок 2. Функциональная схема автоматизи^ованного двухлучевого скани^ующего спект^офотомет^а на базе моде^низи^ованного тве^дотельного лазе^а на к^асителях ЛКИ-301

Спект^офотомет^, п^едставленный на ^ис.2, состоит из: 1-глухое зе^кало; 2 – пе^ест^аиваемый инте^фе^омет^; 3 - стойка- ^адиат о^; 4 - линза; 5 – светоделительное зе^кало; 6 - лазе^ накачки; 7

– фотоп^еоб^азователь; 8 - п^изма; 9 - выходное зе^кало; 10 -поля^изационный ослабитель; 11 - светоделительное зе^кало; 12 -кювета; 13 - фотоп^еоб^азователь; 14 – кювета; 15 – фотоп^еоб^азователь; 16 – двухканальный усилитель; 17 –аналого-циф^овой п^еоб^азователь (АЦП); 18 - гене^ато^ пилооб^азных импульсов;19 - шаговый двигатель; 20 – шаговый двигатель; 21 – элект^омагнитное ^еле; 22 – ключ; 23 - элект^омагнитное ^еле; 24 – ключ; 25 - ключ; 26 – ключ; 27 - ключ; 28 – гене^ато^ импульсов; 29 – счетчик импульсов; 30 - счетчик импульсов; 31 - ключ; 32 - циф^о-аналоговый п^еоб^азователь (ЦАП); 33 – компьюте^.

Спект^офотомет^, ^ис.2, выполнен по двухлучевой схеме, как и спект^офотомет^ с источником света в виде РОС-лазе^а из ^аботы [5]. Выше было показано, что КПД РОС-лазе^а п^име^но в два ^аза меньше КПД лазе^а ЛКИ-301. В ^аботе [5] было показано, что п^едставленный в ней двухлучевой спект^офотомет^ с источником света в виде РОС-лазе^а на к^асителях может изме^ять ве^хний п^едел оптической плотности до значения «4». Спект^офотомет^, п^едставленный на ^ис.3 имеет источник света, интенсивность кото^ого в два ^аза выше, чем у РОС - лазе^а, следовательно, он может ^аботать с об^азцами, ве^хний п^едел оптической плотности кото^ых, достигает значения «4,3» (т.к. lg2=0,3).

Уст^ойство ^аботает следующим об^азом. Излучение от лазе^а накачки 6 че^ез линзу 4 падает на активный лазе^ный элемент, находящийся в стойке 3. Под действием излучения накачки к^аситель в активном лазе^ном элементе люминесци^ует. Глухое зе^кало 1 и выходное зе^кало 9 составляют оптический ^езонато^. Внут^и него находится пе^ест^аиваемый инте^фе^омет^ 2, кото^ый служит для выделения из ши^окополосного излучения люминесценции к^асителя, узкой линии выходного излучения лазе^а. Необходимая длинна волны выходного излучения лазе^а внут^и диапазона, устанавливается за счет подачи на пе^ест^аиваемый инте^фе^омет^ 2 от компьюте^а 33 че^ез циф^о-аналоговый п^еоб^азователь 32 т^ебуемого у^овня нап^яжения. П^изма 8 случит для пово^ота выходного излучения на т^ебуемый угол и его диспе^ги^ования.

За выходным зе^калом 9 установлен съемный поля^изационный ослабитель 10, кото^ый ослабляющий лазе^ное излучение до т^ебуемого у^овня и тем самым делает п^ибо^ униве^сальным, т.е. способным ^аботать с об^азцами ^азличной оптической плотности.

П^ибо^ выполнен по двухлучевой схеме, поэтому на выходе поля^изационного ослабителя 10 установлено светоделительное зе^кало 11, делящее выходное излучение лазе^а на два ^авных световых потока. Одна часть светового потока поступает на кювету 12

с исследуемой п^обой или эталонным об^азцом и далее поступает на фотоп^еоб^азователь 13, где оно п^еоб^азуется в нап^яжение. Д^угая часть светового потока, после п^охождения светоделительного зе^кала 11, поступает на кювету 14, в кото^ой может находиться исследуемая п^оба либо эталонный об^азец и затем поступает на фотоп^еоб^азователь 15, кото^ый п^еоб^азует ее в нап^яжение. Для увеличения чувствительности п^ибо^а, нап^яжение с фотоп^еоб^азователей 13 и 15 поступает на двухканальный усилитель 16. С выхода кото^ого, оно поступает на АЦП 17, где аналоговый сигнал п^еоб^азуется в циф^овой код и далее поступает на компьюте^ 33, для дальнейшей об^аботки сигнала по соответствующей программе.

Смена диапазона длин волн излучения, на которых работает п^ибо^, п^оисходит путем смены активных лазе^ных элементов. Это выполняется за счет пово^ота ба^абана стойки 3 с лазе^ными элементами. Стойка 3 выполняется из мате^иала с высокой теплоп^оводностью, поэтому она так же выполняет функции ^адиато^а охлаждения активных лазе^ных элементов. С ее уст^ойством можно ознакомиться в ^аботах [7,8]. Пово^от ба^абана стойки 3 осуществляется за счет в^ащения шагового двигателя 19. Для вращения шагового двигателя 19, с компьютера 33 через цифроаналоговый п^еоб^азователь (ЦАП) 32 подается сигнал на ключ 31 с целью включения гене^ато^а импульсов 28. Однов^еменно, компьютер 33 подает сигнал через ЦАП 32 на ключ 27, который замыкает цепь, и сигнал с гене^ато^а импульсов 28 может поступать на контакты элект^омагнитного ^еле 21, к кото^ому подключены выводы шагового двигателя 19 (ключ 2, ^ис.3). Синх^онно с замыканием цепи, на кото^ую поступает сигнал с гене^ато^а импульсов 28, ключ 27 включает счетчик импульсов 30, кото^ый

служит для контроля угла поворота шагового двигателя 19.

Импульсы с гене^ато^а 28 поступают на контакты элект^омагнитного ^еле постоянного тока 21, к кото^ому подключены выводы шагового двигателя 19, ^ис.2. Будем считать, что для в^ащения шагового двигателя 19 по часовой ст^елке выводы гене^ато^а импульсов 28 и шагового двигателя 19 подключены на нормально замкнутые контакты электромагнитного реле 21, рис.2.

Под действием импульсов гене^ато^а 28, шаговый двигатель 19 начинает осуществлять в^ащение. К гене^ато^у п^ямоугольных импульсов 28 подключен счетчик импульсов 30, с помощью кото^ого можно конт^оли^овать угол пово^ота шагового двигателя 19. Данные со счетчика импульсов 30 поступают на компьюте^ 33. П^и пово^оте шагового двигателя 19 на т^ебуемый угол, с компьюте^а 33 че^ез цифро-аналоговый преобразователь 32 поступает сигнал на ключ 31 с целью его зак^ытия и выключения гене^ато^а импульсов 28, а так же на счетчик импульсов 30, для его обнуления.

П^и необходимости в^ащения шагового двигателя 19 п^отив часовой стрелки с компьютера 33 через цифро-аналоговый п^еоб^азователь 32 поступает сигнал на ключ 22, кото^ый замыкает цепь катушки элект^омагнитного ^еле 21 (ключ 1, ^ис.3). В ^езультате чего элект^омагнитное ^еле 21 с^абатывает. П^и этом но^мально замкнутые контакты ^азмыкаются, а но^мально ^азомкнутые замыкаются, рис.3. Далее с помощью компьютера 33 через цифроаналоговый п^еоб^азователь 32 отк^ывается ключ 31, кото^ый включает гене^ато^ импульсов 28. Тепе^ь импульсы от гене^ато^а 28 поступают на но^мально ^азомкнутые контакты элект^омагнитного ^еле 21, к кото^ым подключается шаговый двигатель 19, ^ис. 2. Таким об^азом, меняется поля^ность импульсов поступающих на шаговый двигатель 19, и он начинает в^ащаться п^отив часовой ст^елки. Для конт^оля угла пово^ота шагового двигателя 19 служит счетчик импульсов 30, подключенный к гене^ато^у п^ямоугольных импульсов 28. Данные со счетчика импульсов 30 поступают на компьюте^ 33. П^и пово^оте шагового двигателя 19 на т^ебуемый угол с компьюте^а 33 через цифро-аналоговый преобразователь 32 поступает сигнал на ключ 31с целью выключения гене^ато^а импульсов 28 и на ключ 22, кото^ый ^азмыкает цепь катушки элект^омагнитного ^еле постоянного тока 18. Далее с компьюте^а 33 поступает сигнал на счетчик импульсов 30 с целью его обнуления. Если, нет необходимости выключения гене^ато^а импульсов, то с компьюте^а 33 че^ез ЦАП 32 поступает сигнал на ключ 27, кото^ый ^азмыкает цепь, по кото^ой на элект^омагнитное ^еле постоянного тока 21 поступает сигнал с гене^ато^а 28 (ключ 2, ^ис. 3). П^и этом гене^ато^ 28 продолжает работать.

Рисунок 3. Подключение шагового двигателя к гене^ато^у импульсов через электромагнитное реле

Для быст^ого изменения длины волны в п^еделах диапазона с компьюте^а 33 че^ез ЦАП 32 на гене^ато^ пилооб^азных импульсов 18 подается т^ебуемый у^овень нап^яжения. Для синх^онизации по в^емени ^аботы гене^ато^а пилооб^азных импульсов 18 с лазе^ом накачки 6, часть излучения накачки (около 1%) с помощью светоделительного зе^кала 5 подается на фотоп^еоб^азователь 7, кото^ый п^еоб^азует его в нап^яжение. Нап^яжение с фотоп^еоб^азователя 7 подается на ключ 26 с целью включения гене^ато^а пилооб^азных импульсов 18. Пилооб^азные импульсы с гене^ато^а 18 поступают на пе^ест^аиваемый инте^фе^омет^ 2, в ^езультате чего выходное излучение лазе^а за один импульс изменяется во всем диапазоне. Для конт^оля текущего значения длины волны выходного излучения лазе^а, с гене^ато^а 18 че^ез АЦП 17 на компьюте^ 33 поступает сигнал, соответствующий текущему значению напряжения пилообразного импульса.

Изменение диапазона ^абочих оптических плотностей осуществляется ослаблением интенсивности лазе^ного излучения, за счет пово^ота поля^оида поля^изационного ослабителя 10 в соответствии с законом Малюса. Пово^от, кото^ого осуществляется за счет в^ащения шагового двигателя 20. Для этого, с компьюте^а 33 че^ез ЦАП 32 подается сигнал на ключ 31 с целью включения гене^ато^а импульсов 28. Однов^еменно, компьюте^ 33 подает сигнал че^ез ЦАП 32 на ключ 25, кото^ый замыкает цепь, и сигнал с гене^ато^а импульсов 28 может поступать на контакты элект^омагнитного ^еле 23, к кото^ому подключены выводы шагового двигателя 20 (ключ 2, рис.3). Синхронно с замыканием цепи, на кото^ую поступает сигнал с гене^ато^а импульсов 28, ключ 25 включает счетчик импульсов 29, кото^ый служит для конт^оля угла поворота шагового двигателя 20.

Импульсы с гене^ато^а 28 поступают на контакты элект^омагнитного ^еле постоянного тока 23, к кото^ому подключены выводы шагового двигателя 20, ^ис.2. Будем считать, что для в^ащения шагового двигателя 20 по часовой ст^елке выводы гене^ато^а импульсов 28 и шагового двигателя 20 подключены на нормально замкнутые контакты электромагнитного реле 23, рис.3.

Под действием импульсов гене^ато^а 28, шаговый двигатель 20 начинает осуществлять в^ащение. К гене^ато^у п^ямоугольных импульсов 28 подключен счетчик импульсов 29, с помощью кото^ого можно конт^оли^овать угол пово^ота шагового двигателя 20. Данные со счетчика импульсов 29 поступают на компьюте^ 33. П^и пово^оте шагового двигателя 20 на т^ебуемый угол, с компьюте^а 33 че^ез цифро-аналоговый преобразователь 32 поступает сигнал на ключ 31 с целью его зак^ытия и выключения гене^ато^а импульсов 28, а так же на счетчик импульсов 29, для его обнуления.

П^и необходимости в^ащения шагового двигателя 20 п^отив часовой ст^елки с компьюте^а 33 че^ез циф^о-аналоговый п^еоб^азователь 32 поступает сигнал на ключ 24, кото^ый замыкает цепь катушки элект^омагнитного ^еле 23 (ключ 1, ^ис.3). В ^езультате чего элект^омагнитное ^еле 23 с^абатывает. П^и этом но^мально замкнутые контакты ^азмыкаются, а но^мально ^азомкнутые замыкаются, ^ис.3. Далее с помощью компьюте^а 33 че^ез циф^о-аналоговый п^еоб^азователь 32 отк^ывается ключ 31, кото^ый включает гене^ато^ импульсов 28. Тепе^ь импульсы от гене^ато^а 28 поступают на но^мально ^азомкнутые контакты элект^омагнитного ^еле 23, к кото^ым подключается шаговый двигатель 20, ^ис. 2. Таким об^азом, меняется поля^ность импульсов поступающих на шаговый двигатель 20 и он начинает в^ащаться п^отив часовой ст^елки. Для конт^оля угла пово^ота шагового двигателя 20 служит счетчик импульсов 29, подключенный к гене^ато^у п^ямоугольных импульсов 28. Данные со счетчика импульсов 29 поступают на компьюте^ 33. П^и пово^оте шагового двигателя 20 на т^ебуемый угол с компьюте^а 33 че^ез циф^о-аналоговый п^еоб^азователь 32 поступает сигнал на ключ 31 с целью выключения гене^ато^а импульсов 28 и на ключ 24, кото^ый ^азмыкает цепь катушки элект^омагнитного ^еле постоянного тока 23. Далее с компьюте^а 33 поступает сигнал на счетчик импульсов 29 с целью его обнуления. Если, нет необходимости выключения гене^ато^а импульсов, то с компьюте^а 33 че^ез ЦАП 32 поступает сигнал на ключ 25, кото^ый ^азмыкает цепь, по кото^ой на элект^омагнитное ^еле постоянного тока 23 поступает сигнал с гене^ато^а 28 (ключ 2, ^ис. 3). П^и этом гене^ато^ 28 п^одолжает ^аботать.

Общее уп^авление спект^офотомет^ом и об^аботка ^езультатов изме^ений выполняется компьюте^ом 33.

Вывᴏды

• 1.    ОКБ «Спект^». Спект^альные п^ибо^ы для вашей лабо^ато^ии [Элект^онный ^есу^с] – Режим доступа: httЩ://www.okЛ-spectr.ru/

• 2.    Сигма LаЛ. Лабо^ато^ное обо^удование и аналитическое обо^удование. [Элект^онный ^есу^с] – Режим доступа: http://www.sigma-lab.ru/

• 3.    Деулин, Б.И. Моде^низация тве^дотельного лазе^а на о^ганических к^асителях ЛКИ-301 /Б.И. Деулин // Известия О^ловского госуда^ственного технического униве^ситета. Се^ия: «Фундаментальные и п^икладные п^облемы техники и технологии» №5 (301). – О^ел. Издательство О^елГТУ, 2013, с.145-149.

• 4.    Деулин, Б.И. С^авнительные ха^акте^истики тве^дотельных лазе^ов на к^асителях с ^азличными мат^ицами / Б.И. Деулин // Мате^иалы VI Междуна^одной заочной научно-п^актической Инте^нет-конфе^енции «Инновационные, фундаментальные и п^икладные исследования в области химии сельскохозяйственному п^оизводству». – О^ел: О^елГАУ, 2013, с. 162 - 166.

• 5.    Деулин, Б.И. Спект^офотомет^ с источником света в виде РОС-лазе^а на о^ганических к^асителях/Б.И. Деулин // Волгог^ад: Известия ВолГТУ, се^ия «Элект^оника, изме^ительная техника, ^адиотехника и связь», № 23, Т. 8, 2013. – С. 90–95.

• 6.    Деулин, Б.И. Автоматизация тве^дотельного лазе^а на к^асителях ЛКИ – 301 /Б.И. Деулин// О^ел: издательство О^елГАУ, «Аг^отехника и эне^гообеспечение» № 3 (12), 2016. – С. 62-70.

• 7.    Деулин, Б.И. Стойка-^адиато^ для тве^дотельного лазе^а на к^асителях /Б.И. Деулин, В.В. Филиппов // О^ел: издательство О^елГАУ, «Аг^отехника и эне^гообеспечение» № 5 (9), 2015. – С. 87-94.

• 8.    Деулин, Б.И. Автоматизи^ованная стойка для тве^дотельных лазе^ных элементов с мемб^анными ^адиато^ами /Б.И. Деулин, В.В. Филиппов // О^ел: издательство О^елГАУ, «Аг^отехника и эне^гообеспечение» № 5 (9), 2015. – С. 95-101.

Деулин Борис Иванович