Система спектральных измерений с временным разрешением (PicoSpec)

Введение в продукт

Прибор состоит из спектрометра с коррекцией аберраций и камеры для счёта одиночных фотонов с временным разрешением из серии «Chasing Light 2DSPC». Спектрометр с коррекцией аберраций отличается высоким спектральным разрешением и широким спектральным диапазоном. Камера «Chasing Light 2DSPC» обладает короткой длительностью оптического затвора, высоким усилением и позволяет реализовать чувствительность на уровне счёта одиночных фотонов, пикосекундный оптический затвор и сбор данных в режиме счёта фотонов.

Идеальное сочетание этих компонентов обеспечивает PicoSpec одновременно сверхвысокое спектральное разрешение и сверхчувствительную эффективность сбора спектров. Прибор поддерживает несколько режимов работы: спектроскопия с временным разрешением (с фиксированной задержкой и с переменной задержкой), счёт одиночных фотонов, непрерывный сбор в режиме «нулевого шума», многоканальный сбор спектров и другие. Это делает его идеальным для применений с крайне слабыми сигналами, таких как рамановская спектроскопия (газов, пламени, высокого давления, высоких температур), микрофлюидика, контроль химических процессов в реальном времени, медицинская диагностика в реальном времени и т.д.

PicoSpec использует оптимизированную конструкцию тороидальных зеркал, обеспечивающую почти идеальное качество изображения. В сочетании с многожильными волоконными жгутами высокой плотности и очень низкими перекрёстными помехами он легко реализует многоканальный сбор спектров, что особенно полезно для спектроскопии плазмы. Его прочная и компактная конструкция в сочетании с высокими характеристиками и стабильностью, необходимыми для научных исследований, делает его идеальным инструментом как для промышленных, так и для научных применений.

Особенности и преимущества

• Спектральный диапазон 200–920 нм: револьвер на 4 решётки; охват от 200 до 920 нм.
• Спектральное разрешение системы: до 0.06 нм.
• Высокая точность и повторяемость по длине волны: высокая стабильность и надёжность; при длительной работе точность по длине волны лучше 0.01 нм, повторяемость положения лучше 0.015 нм.
• Длительность оптического затвора 500 пс: регистрация быстропротекающих явлений с пикосекундной точностью и значительное снижение фонового шума спектра.
• Технология распознавания одиночных фотонов: на основе высокого усиления камеры и алгоритма интеллектуального распознавания одиночных фотонов тепловой шум и шум считывания детектора отфильтровываются, достигается режим «нулевого шума», подходит для регистрации сверхслабых спектральных сигналов и визуализации.
• Идеальное качество изображения: отличная коррекция оптических аберраций, высокое качество изображения по всей фокальной плоскости, что обеспечивает высокое пространственное разрешение, а также многоканальный сбор спектров с высокой плотностью и низкими перекрёстными помехами.
• Богатые аксессуары для спектрометра: моторизованная щель и фильтровое колесо, микроскопный интерфейс, механический затвор, волоконно-оптический вход и линзовая связь, волоконный жгут, кюветное отделение, калибровочный источник света, лазеры на длины волн 532 нм, 785 нм и другие, рамановские компоненты и пр.

Технические характеристики 

*² — Отношение интенсивности рассеянного света к сигналу.

Фотокатоды

Режим работы

1. Режим фиксированной задержки (Fixed Delay Sampling Mode)

Режим фиксированной задержки означает однократное или многократное накопление сигнала в заданный момент времени с фиксированной длительностью строба (временем экспозиции). Он подходит для изучения распределения интенсивности сигнала в определённый временной интервал.

Пример:

В эксперименте по регистрации и визуализации спектра лазерно-индуцированного пробоя плазмы с использованием пикосекундного стробируемого спектрометра PicoSpec камера для счёта одиночных фотонов работает в режиме внутренней синхронизации. T0 — это опорный момент времени, генерируемый встроенным генератором камеры. Синхронный выход камеры используется для запуска лазера, который воздействует на поверхность образца. Спектр лазерно-индуцированного пробоя плазмы начинает формироваться в момент T1 и исчезает через некоторое время в момент T2. Gate Width (длительность строба) — это оптический затвор камеры, который должен быть немного больше длительности сигнала спектра пробоя. t1 — это задержка открытия затвора камеры относительно опорного момента времени. Регулируя и оптимизируя t1, можно добиться полного сбора всего спектра лазерно-индуцированного пробоя в момент открытия затвора камеры.

Режим переменной задержки означает, что в процессе сбора сигнала параметры задержки последовательно изменяются в соответствии с заданным законом, что позволяет выполнять сбор сигнала в разные моменты времени. Использование режима переменной задержки даёт возможность за один раз получить информацию о распределении сигнала во времени и подходит для изучения тенденций изменения сигнала. В отличие от режима фиксированной задержки, здесь задержка между моментом открытия затвора камеры и опорным моментом времени изменяется с шагом (инкрементом), что позволяет отбирать сигналы в различные моменты времени для изучения динамики процесса.

Пример:

В эксперименте по измерению времени жизни флуоресценции материалов с использованием PicoSpec камера работает во внутреннем режиме синхронизации. T0 — опорный момент времени, генерируемый встроенным генератором камеры. Синхронный выход камеры используется для запуска лазера, который воздействует на раствор родамина в этаноле, возбуждая спектр флуоресценции. Сигнал флуоресценции начинает появляться в момент T1 и исчезает в момент T2. Длительность строба (Gate Width) устанавливается значительно меньшей, чем полная длительность сигнала флуоресценции. t1 — задержка открытия затвора камеры относительно опорного момента T0, а t0 — шаг (инкремент) изменения этой задержки от одного измерения к следующему. Регулируя и оптимизируя шаг задержки t0 и общее количество измерений, можно собрать полный спектр флуоресценции, генерируемый лазером при воздействии на раствор родамина.

Пример:

В эксперименте по получению рамановского спектра порошка диоксида титана с использованием PicoSpec, из-за слабой интенсивности рамановского сигнала применяется режим счёта одиночных фотонов с накоплением 1000 кадров. Благодаря узкой длительности оптического затвора камеры, возбуждающий лазерный свет и фоновый сигнал флуоресценции эффективно подавляются, что позволяет получить рамановский спектр с высоким отношением сигнал/шум и чёткими, различимыми характеристическими пиками.

1.     Сигнальный фотон (исходный фотон, попадающий на фотокатод)

2.     Усилитель изображения (микроканальная пластина / МКП, обеспечивающая усиление сигнала)

3.     Умноженные фотоны (выходной световой сигнал с фосфорного экрана после усиления)

4.     Сбор на sCMOS-матрице

- Усиленный фотонный сигнал (свет от экрана)

- Электронный шум (шум считывания, тёмновой ток матрицы)

5.     Распознавание одиночных фотонов (алгоритм, различающий полезные сигналы от шума)

6.     Визуализация счёта одиночных фотонов (формирование изображения на основе накопленных событий)

Изображение: комбинационное рассеяние света в порошке диоксида титана (SPC)

Изображение: порошок диоксида титана (трехточечная средняя фильтрация 10-го порядка)

Области применения

1.     Спектр флуоресценции одиночных молекул

2.     Время жизни флуоресценции

3.     Лазерно-индуцированная эмиссионная спектроскопия (LIBS)

4.     Диагностика спектров плазмы

5.     Спектроскопия с накачкой и зондированием (pump-probe)

6.     Когерентная антистоксовая рамановская спектроскопия (CARS)

7.     Рамановская спектроскопия с временным стробированием

8.     Дистанционная рамановская спектроскопия

9.     Рамановская спектроскопия при высоких температурах и давлениях

10. Рамановская спектроскопия собственного излучения пламени

11. Рамановская спектроскопия in situ в режиме реального времени для каталитических процессов (онлайн-мониторинг)