УСТРОЙСТВО СПЕКТРАЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к приборам неразрушающего контроля, а именно к устройствам спектрального лазерного сканирования, и может быть использована для анализа органических и неорганических веществ в различных областях: медицине, биологии, материаловедении и др.
Существуют различные оптические способы исследования состава свойств материалов, наиболее распространенными являются спектрофотометрический и рефрактометрический. Суть фотометрического способа состоит в пропускании луча света заданной длины волны через исследуемое вещество. После прохождения луча оценивается ослабление его интенсивности. В данном способе используется луч света от ламп накаливания, светодиодов или других источников. При этом луч направлен на изучаемый объект всегда под одним и тем же углом, как правило, прямым. Данный способ реализован в спектрофотометрах и фотоколориметрах.
При способе рефрактометрии луч света проходит через изучаемое вещество, и по углу преломления луча определяют свойства материала. Спектрофотометрическим и поляриметрическим методам определяют концентрацию веществ.
Известны способы спектрофотометрического определения концентрации лекарственных средств (УФ-спектрофотометрия в анализе комбинированного лекарственного препарата на основе сухого экстракта корня солодки. Омари A.M., Арыстанова Т.А. Фармация Казахстана. 2021. №6. С.35-38); определения солей лития для технических целей (Исследование взаимодействия полисульфидов лития с растворами литиевых солей в сульфолане методом спектрофотометрии. Храмцова Л.А., Карасева Е.В., Колосницын Д.В., Кузьмина Е.В., Колосницын B.C. Вестник Башкирского университета. 2021. Т. 26. №2. С. 378-383); определения качества пищевых продуктов (Определение состава триацилглицеринов в маслах семян граната методами обращенно-фазовой вэжх и спектрофотометрии. Туртыгин А.В., Дейнека В.И., Дейнека Л.А. Журнал аналитической химии. 2013. Т. 68. №6. С. 61).
В рассмотренных выше способах луч проходит через исследуемое вещество под одним определенным углом, на выходе измеряется количество поглощенного/прошедшего света. Данным способом определяют только концентрацию, но не качественный состав вещества. При этом не используют луч от лазерного источника видимого или УФ диапазона.
Известны способы определения концентрации веществ по углу отклонения прошедшего луча. Так, например, определяют качество пищевых продуктов масла и молока (Потапова, П.Ю. Определение качества растительных масел, реализуемых через торговую сеть рефрактометрическим методом / П.Ю. Потапова // Вестник молодежной науки Алтайского государственного аграрного университета. - 2021. - №1. - С. 157-160) и (Каплина, А.В. Рефрактометрический метод в анализе молока / А.В. Каплина // Малые Менделеевские чтения: Материалы межвузовской студенческой научно-практической конференции. К Международному году Периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева, Орел, 19 ноября 2019 года. - Орел: Общество с ограниченной ответственностью Полиграфическая фирма "Картуш", 2020. - С. 56-61), технических жидкостей (Разработка и практические испытания рефрактометрического прибора для контроля противообледенительных жидкостей в авиации / Е.Е. Майоров, Н. Э. Попова, А.В. Дагаев [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2018. - №12. - С. 227-234).
Известны установка Спектрофотометр СФ-2000,предназначенная для измерения спектральных коэффициентов направленного пропускания жидких и твердых прозрачных образцов (https://www.nv-lab.ru>catalog_info) и Рефрактометр ИРФ-454, предназначенный для измерения показателя преломления n и средней дисперсии nf-nc неагрессивных жидких и твердых сред, а также для измерения процентного содержания сухих веществ в растворах по шкале сахарозы с помощью существующих методик, таблиц и справочных устройств (https://www.nv-lab.ru/instr.php?ID=43), которые реализуют данные принципы исследований по отдельности.
Известно устройство рефрактометрического экспресс-анализатора МК "ЛУЧ" для контроля параметров жидких и твердых сред, включающее источник света, измерительную призму, устройство для обработки сигналов и табло, на которое они отражаются, рассеивающий элемент с разным фокусным расстоянием, оптическую систему, прибор с зарядовой связью (ПЗС-линейка), при этом источником света является монохроматический пучок, создаваемый светодиодом (патент РФ 23986).
К недостаткам следует отнести используемый источник света - светодиод. Луч света светодиода не обладает поляризацией, не монохроматичен и поэтому для выделения определенной длины волны необходимо применять светофильтры или дифракционную решетку. Кроме того, луч не параллелен, и для его фокусировки необходимо использовать коллиматоры.
В случае использования лазера мы получаем луч строго заданной длины волны, не требующий фокусировки.
Известен способ измерения нелинейно-оптических свойств веществ и материалов методом z-сканирования при монохроматической лазерной накачке, включающий измерение зависимости коэффициента пропускания плоскопараллельного исследуемого образца при его перемещении вдоль оси z сфокусированного лазерного пучка и по характеру полученной зависимости определение нелинейно-оптических свойств (патент RU 2626060).
К недостаткам данного способа следует отнести то, что проводить измерения возможно только при выполнении определенных условий: образец должен быть плоскопараллельным, а угол падения луча строго соответствовать определенной математической зависимости, формула которой приведена в патенте. Также к недостаткам следует отнести невозможность измерения светорассеяния при разных углах падения.
Известен способ спектрального лазерного сканирования композитных материалов в соответствии с оптической плотностью его матрикса и составных компонентов, который осуществляется в полной темноте и заключается в последовательном облучении композитного материала батареей лазеров с разной частотой излучения и отдельной фиксацией характера дифракции и спектрального резонанса для каждого лазера в соответствии с пространственной структурой рассматриваемого образца, дифракция фиксируется для проходящего и отраженного излучения лазера, далее накладывая фиксированные результаты дифракции и локальный спектральный резонанс, получают первичную картину структуры композитного материала для каждой частоты лазерного излучения, полученные таким образом картины для каждого лазерного облучения обобщают с опорой на всю линейку частотного излучения от 100 нм до 3000 нм и осуществляют корреляцию характера спектрального резонанса в объеме каждого материала с физико-химическими свойствами данного класса композитных материалов (патент RU 2692825).
При всех преимуществах описанного способа: возможность бесконтактного проведения анализа, не требующая специальной подготовки проб, оперативность, а также высокая воспроизводимость результатов к недостаткам следует отнести отсутствие устройства с возможностью одновременного определения концентрации и состава материалов.
Техническая задача, на решение которой направлена данная полезная модель, состоит в создании простой и удобной в эксплуатации конструкции устройства для спектрального лазерного сканирования материалов, позволяющего одновременно определять концентрацию и состав материалов в зависимости от интенсивности поглощения/угла преломления луча лазера.
Поставленная задача решается с помощью предложенной конструкции устройства спектрального лазерного сканирования материалов, выполненного в виде металлического непрозрачного корпуса с крышкой и размещенными в нем источником лазерного излучения, коллиматором, столиком для исследуемого объекта, ПЗС-матрицей. При этом источник лазерного излучения состоит из нескольких светодиодных лазеров с разной длиной волны, а столик для исследуемого объекта выполнен с возможностью поворота на 360° посредством шагового электродвигателя. Все элементы связаны последовательно при помощи двух параллельных оптических систем для прозрачных объектов или жидкостей, помещенных кювету, и непрозрачных объектов, включающих соответственно для первой - неподвижное зеркало, ПЗС1; для второй - поворотное зеркало, неподвижное зеркало и ПЗС2, имеющие выход на ЭВМ.
Новым и существенным в предложенной конструкции является то, что в одном непрозрачном корпусе размещены две оптические системы, позволяющие проводить исследования различных объектов (непрозрачных, прозрачных материалов и жидкостей), а наличие вращающегося столика позволяет получать объективную информацию об исследуемом образце при различных углах падения луча.
Технический результат заключается в создании простой и легкой в инструментальном оформлении, а также удобной в эксплуатации конструкции устройства для спектрального лазерного сканирования материалов, позволяющей одновременно определять концентрацию и состав материалов. Столик для исследуемого объекта, приводимый в движение шаговым электродвигателем, обеспечивает возможность одновременно снимать объект со всех сторон при различных углах падения/прохождения луча, интенсивность поглощения света и угол преломления, а также измерять угол отражения от непрозрачных образцов. Использование лазерных источников с разной длиной волны обеспечивает практически мгновенное сканирование материала во всем световом видимом диапазоне, а электрический сигнал, образующийся при попадании света на ПЗС, для дальнейшей обработки подается на ЭВМ.
Сущность изобретения поясняется функциональной схемой устройства спектрального лазерного сканирования материалов, представленной на фиг. 1, где 1 - корпус с крышкой; 2 - источник лазерного излучения; 3 - коллиматор; 4 - столик для исследуемого объекта; 5 - шаговый электродвигатель; 6 - ПЗС1; 7 - ПЗС2; 8 - неподвижное зеркало 1; 9 - поворотное зеркало; 10 - неподвижное зеркало 2.
Устройство спектрального лазерного сканирования материалов представляет собой корпус с крышкой 1 из непрозрачного материала, в котором размещены все элементы. Расположение прибора в металлическом непрозрачном корпусе позволяет проводить исследования в любом помещении независимо от его освещенности, а для замены и установки образца предусмотрена крышка, которая после замены закрывается. Источник лазерного излучения 2 состоит из несколько светодиодных лазеров с разной длинной волн. Благодаря использованию светодиодных лазеров, осуществляется быстрое включение и отключение лазера с требуемой длиной волны, что обеспечивает практически мгновенное сканирование материала во всем световом видимом диапазоне. Коллиматор 3, состоящий из системы линз и призм, объединяет лучи в один параллельный световой пучок, подаваемый на исследуемый объект посредством оптических систем. Столик для исследуемого объекта 4 приводится в движение шаговым электродвигателем 5. Устройство снабжено двумя оптическими системами для прозрачных объектов или жидкостей, помещенных в кювету, и непрозрачных объектов, включающими ПЗС 6, 7, неподвижные зеркала 8, 10 и поворотное зеркало 9, что значительно расширяет возможности исследований. Обе ПЗС-матрицы имеют выход на ЭВМ.
Практическая эксплуатация предложенной конструкции устройства спектрального лазерного сканирования материалов осуществляется следующим образом.
Исследуемый объект помещается на столике 4, крышка корпуса закрывается, обеспечивая полную светонепроницаемость внутри корпуса.
Источник лазерного излучения с требуемой длиной волны для данного объекта (лазеры могут работать все вместе или по отдельности) направляет лучи в коллиматор 3. И в зависимости от вида исследуемого объект луч направляется одной из оптических систем на исследуемый объект, расположенный на поворотном столике 4, и далее на ПЗС-матрицу, связанную с ЭВМ.
В случае прозрачного объекта или жидкости (помещенной в кювету), луч с помощью первой оптической системы (А) направляется на исследуемый объект. Для этого поворотное зеркало 9 убирают из направления хода луча, который попадает непосредственно на неподвижное зеркало 8 и далее в кварцевую кювету с исследуемой жидкостью или на прозрачный объект, расположенный на вращающемся столике 4, угол поворота которого можно менять, используя шаговый двигатель 5. Луч, проходя через исследуемый объект, преломляется и попадает на ПЗС-матрицу 6, связанную с ЭВМ. При попадании света на ПЗС освещенные участки вырабатывают электрический сигнал, обрабатываемый ЭВМ. По расположению освещенных участков ЭВМ вычисляет угол отражения, а по величине напряжения/тока вычисляет интенсивность прохождения света. Меняя угол наклона твердого объекта исследования или кюветы с жидкостью, строятся характерные кривые зависимости угла падения, угла отражения/преломления и свойств материала.
В случае непрозрачного объекта луч с помощью второй оптической системы (Б) из источника лазерного излучения 2 с требуемой длиной волны направляется на исследуемый объект, через коллиматор 3 на поворотное зеркало 9, откуда на неподвижное зеркало 10, отражается и попадает на исследуемый объект, расположенный на поворотном столике 4. Луч отражается, дифракционирует и попадает на ПЗС-матрицу 7. Электрический сигнал ПЗС 7 обрабатывает ЭВМ, и по расположению освещенных участков вычисляет угол отражения, а по величине напряжения/тока вычисляет освещенность и картину дифракции.