Как выбрать лазер для задач Рамановской спектроскопии?
Компания Cobolt является одним из ведущих поставщиков высокоэффективных лазеров с диодной накачкой и диодных лазеров для работы ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном спектральных диапазонах.
Cobolt - признанный на рынке поставщик широкого ассортимента компактных высокопроизводительных непрерывных лазеров, генерирующих излучение в одночастотном режиме или с узкой шириной спектральной линии. Благодаря собственной запатентованной технологии производства HTCure ™, лазеры Cobolt обладают исключительными прочностью и надежностью. Эти когерентные источники практически нечувствительны к воздействиям окружающей среды и механическим ударам.
Всё это делает компанию Cobolt одним из ведущих производителей лазеров для Рамановской спектроскопии.
.jpg "Лазеры Cobolt для КР спектроскопии")
Непрерывные лазеры для КР спектроскопии: серии Cobolt 04-01, 05-01 и 08-01
Использование лазеров в современной Рамановской спектроскопии
Благодаря быстрому развитию технологий в последние годы, КР спектроскопия стала стандартным, экономически эффективным и важным аналитическим инструментом с приложениями в области материаловедения и системах управления технологическими процессами для фармацевтической, пищевой, химической и сельскохозяйственной промышленности.
Усовершенствование лазерной техники, детекторов (CCD и InGaAs-матрицы) и спектральных фильтров (notch-фильтры на основе объемных брегговких решеток) наряду с разработкой новых схем генерации и обнаружения сигналов помогли производителям приборов для КР спектроскопии преодолеть проблему детектирования слабых сигналов, что значительно ускорило развитие данной технологии и рост рынка.
Например, в фармацевтической промышленности КР спектрометры на сегодняшний день используется во всей цепочке производства. Рамановские микроскопы высокого разрешения, способные получать изображения на уровне биомолекул, помогают исследователям в разработке новых лекарств. Портативные КР спектрометры используются в фармацевтических компаниях для проверки поступающего сырья, используемого в производстве лекарств.
Рамановские системы с зондом используются для мониторинга смешения компонентов в производстве лекарств. Рамановские микроскопы используются для контроля качества распределения соединений в изготовленных медицинских таблетках, и, наконец, портативные рамановские спектрометры используются для обнаружения и идентификации контрафактных препаратов в полевых условиях.
|
|
|
.png "КР спектроскопия в фармацевтике")
.png "Кр спектроскопия для обнаружения микроорганизмов")
Примеры изображений распределения соединений в таблетке и микроорганизмов, полученные с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния.
Лазер является основным компонентом спектрометров, обуславливающим генерацию слабых фотон-фононных взаимодействий, которые приводят к возникновению сигнала комбинационного рассеяния. Требования к характеристикам источника излучения: длине волны, мощности и производительности, зависят от исследуемого материала, желаемого разрешения и конечной цели исследования. Но для всех приложений надежность лазера имеет первостепенное значение.
Почему для КР спектроскопии важен выбор длины волны лазера?
В спектроскопии комбинационного рассеяния используется как правило несколько различных длин волн, начиная от УФ до ближнего ИК-диапазона. Выбор наилучшей длины волны излучения лазера для данного приложения не всегда очевиден. Для оптимизации исследований при помощи Рамановской спектроскопии необходимо учитывать большое количество переменных, многие из которых связаны с выбором длины волны.
Начнем с того, что сигнал комбинационного рассеяния по своей природе очень слаб. Он обусловлен фотон-фононными взаимодействиями в материале образца, которые, как правило, являются очень редкими. Кроме того, интенсивность комбинационного рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны излучения освещения, что означает, что чем больше длина волны, тем слабее сигнал комбинационного рассеяния.
Чувствительность детектирования сигнала также зависит от выбранного диапазона длин волн. Для обнаружения сигнала комбинационного рассеяния обычно используются устройства на базе CCD матриц. Квантовая эффективность этих ПЗС-устройств довольно быстро выходит за пределы 800 нм. Для работы с длинами волн более 800 нм можно использовать InGaAs матрицы, но они обладают более высоким уровнем шума, меньшей чувствительностью и более высокой стоимостью.
Наиболее часто используемая длина волны в Рамановской спектроскопии составляет 785 нм. Она обеспечивает наилучший баланс между эффективностью рассеяния, влиянием флуоресценции, эффективностью детекторов и наличием экономичных и компактных высококачественных лазерных источников.
Однако компромиссы, связанные с выбором оптимальной длины волны, в значительной степени зависят от конкретного применения. Поэтому зачастую пользователи выбирают спектрометры, предоставляющие выбор длины волны излучения источника, например, системы, позволяющие заменить лазер. Используемые сменные лазерные головки должны обладать аналогичными оптическими характеристиками.
Какие характеристики следует учитывать при выборе лазера для Рамановской спектроскопии?
В дополнение к длине волны существует ряд других важных параметров, которые следует учитывать при выборе оптимальных лазерных источников для спектрометра комбинационного рассеяния. Основные характеристики лазера, на которые следует обратить внимание: ширина спектральной линии, стабильность частоты излучения, спектральная чистота, качество лазерного пучка, мощность излучения и ее стабильность, а также оптическая изоляция. Кроме того, следует учитывать компактность, прочность, надежность, срок службы и стоимость.
|
Характеристики лазера |
На что следует обратить внимание |
|
Ширина спектральной линии |
Этот параметр ограничивает спектральное разрешение регистрируемого сигнала комбинационного рассеяния (т. е. минимально регистрируемый сдвиг Стокса). Для большинства систем с фиксированной дифракционной решеткой ширина линии лазера должна составлять несколько 10 пм или меньше, чтобы не ограничивать спектральное разрешение системы. Однако для систем с высоким разрешением может потребоваться ширина линий намного меньше, иногда, даже менее 1 МГц. |
|
Стабильность частоты |
Длина волны лазера должна оставаться одинаковой во время записи спектров, чтобы не ухудшить спектральное разрешение. Как правило, дрейф не должен составлять более нескольких пикометров в течении времени и в диапазоне температур шириной несколько оС. |
|
Спектральная чистота |
Обнаружение сигнала комбинационного рассеяния обычно требует спектральной чистоты > 60 дБ от источника лазера (показатель того, насколько хорошо подавляются боковые моды лазерной линии). Во многих случаях достаточно, если уровень спектральной чистоты достигается примерно на 1-2 нм от основного пика. Однако для низкочастотных приложений комбинационного рассеяния требуется высокий коэффициент подавления боковых мод (SMSR) в 100 пм от основного пика. |
|
Качество пучка |
При конфокальной рамановской визуализации для оптимального пространственного разрешения необходимо использовать дифракционно ограниченные пучки TEM00. Однако для количественного анализа требования не столь жесткие. Обычно достаточно пучка с качеством, которое обеспечивает эффективное соединение с многомодовым волокном, например, с диаметром сердцевины 50-100 мкм. |
|
Выходная мощность и ее стабильность |
Типичные мощности лазерного излучения варьируются от около 10 мВт в УФ, до нескольких 100 мВт в ближнем ИК-диапазоне. Требования к выходной мощности излучения зависят от длины волны, типа материала (материалов), которые будут исследованы, а также от частоты дискретизации и скорости формирования изображения. |
|
Оптический изолятор |
Образцы могут отражать оптические сигналы в обратном направлении, при этом отраженный сигнал будет очень хорошо выровнена с лучом возбуждения, особенно в системах конфокальной визуализации. Отраженное излучение может вызвать нестабильность мощности и шум, а в худшем случае, вызвать повреждения лазера. Как правило рекомендуется иметь оптический изолятор, встроенный непосредственно в сам источник лазера, поскольку для достижения высокой стабильности на выходе после изолятора требуется тщательная юстировка системы. |
И наконец, компактность, надежность, прочность, срок службы и денежные затраты являются очень важными параметрами, которые следует учитывать при выборе оптимального источника излучения для системы комбинационного рассеяния. Рамановские системы стали стандартным аналитическим прибором во многих научных и промышленных приложениях. Пользователи ожидают, что приобретенный продукт позволит проводить рутинные эксперименты или контрольные измерения для мониторинга процесса в течение многих лет без необходимости обслуживания или замены лазерного источника. Во все большем числе случаев прибор должен также работать в суровых промышленных условиях.
По этим причинам большинство рамановских систем в настоящее время оснащены твердотельными лазерными источниками, а не газовыми лазерами. Сегодня компактные твердотельные лазеры с подтвержденным сроком эксплуатации в течение 10 000 часов, которые отвечают самым высоким требованиям к оптическим характеристикам, доступны от компании Cobolt во всех диапазонах длин волн, обычно используемых для спектроскопии комбинационного рассеяния.
Какие типы лазеров чаще всего используются для КР спектроскопии, и как выбрать, какой из них лучше всего подходит для вашего приложения?
Твердотельные непрерывные источники лазерного излучения, которые обычно используются для спектроскопии комбинационного рассеяния, могут быть объединены в три категории:
- Лазеры с диодной накачкой, генерирующие излучение на одной продольной моде;
- Одномодовые диодные лазеры; лазеры с распределенной обратной связью (DFB) или с распределенным Брэгговским отражателем (DBR);
- VBG лазеры: диодные лазеры, стабилизированные по частоте с помощью объемных Брэгговских решеток.
Эти лазеры охватывают разные области электромагнитного спектра и имеют значительные различия в оптических характеристиках.
Лазеры с диодной накачкой, генерирующие излучение с одной продольной модой в сочетании со встроенным нелинейно-оптическим преобразователем частоты доступны в компактных форматах от УФ до ближней ИК-области спектра. Уровни мощности до нескольких Ватт достижимы в ближнем ИК-диапазоне на длине волны 1064 нм. В видимом диапазоне имеется большое количество источников в сине-зелено-красной области спектра (660, 640, 561, 532, 515, 491, 473, 457 нм) с выходной мощностью на уровне несколько сотен мВт. Более низкие уровни мощности достигаются в УФ области, например, от 10 до 50 мВт при 355 нм.
Эти лазеры генерируют пучки TEM00 с очень точными значениями длины волн с низким дрейфом и шириной лазерной линии менее 1 МГц. Лазеры с одной продольной модой также обеспечивают очень высокий уровень спектральной чистоты с SMSR > 60 дБ (подавление боковых мод). На соседних лазерных линиях могут возникать выбросы низкого уровня, но они на несколько нанометров смещены от основного пика и поэтому легко устраняются путем интеграции диэлектрического полосового фильтра.
|
|
.jpg "Качество лазерного пучка Cobolt для КР спектроскопии")
.jpg "Спектральная чистота излучения лазеров Cobolt для КР спектроскопии")
|
|
|
.png)
.png)
Одномодовые диодные лазеры - очень компактные и экономичные одночастотные источники излучения с шириной линии <1 МГц и одной поперечной модой. Ряд длин волн доступен в красном и ближнем ИК-диапазоне, а мощность излучения таких источников составляет до нескольких 100 мВт. Наиболее часто используемые длины волн: 785, 830, 980 и 1064 нм. Излучение на боковых модах ограничивает SMSR этих лазеров примерно до 50 дБ, что обычно достигается за несколько 100 пикометров от центральной длины волны.
Третьей группой лазерных источников для спектроскопии комбинационного рассеяния являются диодные лазеры, стабилизированные по частоте с помощью объемных Брэгговских решеток. В этих лазерах используется объемная Брэгговская решетка (VBG) с диодным излучателем для достижения узкополосного излучения на длинах волн, которые не доступны в качестве источников, такие как DFB или DBR. Также возможно добиться узкой линий излучения на более высоких уровнях мощности, путем частотной синхронизации в диодных лазерах с множеством поперечных мод.
|
|
|
.png "Стабильность длины волны лазеров Cobolt")
.png "Спектральная характеристика лазеров Cobolt")
Стабильность ширины полосы излучения при изменении температуры (справа) и спектральная характеристика при использовании встроенного полосового фильтра (желтая линия) и без него (розовая линия) лазера Cobolt 08-NLD с длиной волны излучения 785 нм и мощностью 500 мВт.
Для достижения высокой стабильности выходной длины волны и ширины линии требуется особенно тщательный термомеханический контроль и высокая точность юстировки элементов внутри лазера, особенно при флуктуациях температуры окружающей среды. Ширина линии данных лазеров варьируется от одночастотного излучения до нескольких 10 пм, в зависимости от длины волны и выходной мощности. Как и в случае с другими диодными лазерами, SMSR ограничивается 40-50 дБ вблизи основного пика. Однако данные показатели можно улучшить до 60-70 дБ на расстоянии 1-2 нм от основного пика путем интеграции фильтра.
Каковы возможности и преимущества лазерных технологий Cobolt и как они используются для задач КР спектроскопии?
Компания Cobolt обеспечивает индустрию Рамановской спектроскопии лазерами с диодной накачкой и стабилизированными диодными лазерами на Брэгговских решетках. Лазеры обоих типов требуют чрезвычайно высокого уровня точности при монтаже и фиксации отдельных оптических элементов. Поэтому высокая производительность таких лазеров может быть достигнута только в том случае, если они собраны с использованием передовых оптических технологий производства, гарантирующих устойчивость системы к тепловым и механическим нагрузкам.
Все лазеры Cobolt изготавливаются с использованием запатентованной технологии HTCure ™, которая основана на методе высокотемпературной сушки и высокоточном согласовании миниатюрной оптики, установленной в термостабильные устойчивые к механическим воздействиям и герметично закрытые корпусы. Этот подход доказал, что он гарантирует высокую надежность лазеров, которые могут переносить повторяющиеся резкие изменения температуры более чем на 100 ° С и механические удары более 60 ГГц.
Серия компактных узкополосных лазеров с одной продольной модой Cobolt 08-01 разработана специально для задач КР спектроскопии. Лазеры с диодной накачкой, генерирующие излучение на одной продольной моде (08-DPL) и диодные лазеры на Брэгговских решетках (08-NLD) в компактных герметичных корпусах разработаны на базе одной платформы.
Модели этих источников полсностью оснащены всей необходимой встроенной электроникой и оптическими изоляторами (опция). Выходной пучок коллимирован и выводится в свободное пространство или многомодовое волокно (обычно с сердцевиной 50-100 мкм). Доступные длины волн: 405, 457, 473, 515, 532, 561, 660, 1064 и 785 нм
