Site Loader

Содержание

Широкополосный формирователь для частотомера

Простая схема широкополосного формирователя прямоугольных импульсов для частотомера с очень высокой чувствительностью

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель“

В этой статье мы рассмотрим важный узел любой радиолюбительской конструкции  частотомераформирователь прямоугольных импульсов.

Очень часто, конструируя частотомеры, радиолюбителя не уделяют должное внимание такому важному узлу как входной формирователь прямоугольных импульсов. В результате прибор имеет низкую чувствительность и входное сопротивление. Представленный формирователь уверенно работает на частотах 2…35 МГц. Высокие чувствительность и входное сопротивление позволяют измерять частоту маломощного генератора просто положив рядом щуп. Для измерения частоты работающего передатчика достаточно соединить “крокодил” общего провода с наконечником выносного блока и поднести образовавшуюся петлю к “П” контуру или антенне на расстояние 1-10 см, что практически не влияет на параметры измеряемой цепи.

Детали. Резисторы типа МЛТ или ВС, постоянные конденсаторы – любые керамические, лучше импортные. Электролитические К50-35 или аналоги на напряжение не ниже 6,3 вольт. Диоды VD1-VD4 можно заменить на КД521, КД522. транзистор VT1 – любой из серии КП305, VT2 серий КТ368, КТ339, КТ306. Транзисторы VT3-VT4 – КП303Д,Е,Ж, КП307А,Б. Транзисторы VT5 и VT6 – любые из серий КТ3102, КТ645. Микросхему К1533ЛА3 можно заменить на К531ЛА3, К55ЛА3.

Выносной блок можно собрать в пластмассовом корпусе неисправного маркера или клея-карандаша. Выводы транзистора VT1 перед пайкой обязательно закорачиваются проволочкой которая снимается только после пайки.  Так как транзистор КП305Д допускает максимальное напряжение затвор-сток, затвор-исток до ±15 вольт, то число защитных диодов VD1-VD4 можно увеличить до 6…12 штук, что благоприятно с точки увеличения входного сопротивления. Выносной блок соединяется с выносным при помощи кабеля РК-75 или РК-50 длиной до 100 см. и одним монтажным проводом для подачи питания. Согласование входа и выхода не требуется.

Налаживание. Подбором R5 и R11 установить напряжение на стоках VT1 и VT3 в пределах 2..3 вольта. Подбором R8 установить напряжение 1,5-2 вольта на стоке VT4. Далее подать на вход сигнал частотой 50…100 Гц и амплитудой 1…50 мВ. Подстройкой R14 нужно прямоугольной формы колебаний на коллекторе VT6. При отсутствии осциллографа R14 подстраивают по максимальной чувствительности. Подключив данное устройство к схеме частотомера, подбором R18 добиваются устойчивого переключения микросхемы D1 на низких частотах. При необходимости повысить чувствительность устройства можно зашунтировав базу VT6 конденсатором на 1…10 мкФ. Максимальная частота которую удалось измерить с этим устройством 57 МГц.



Усилитель-формирователь для частотомера » S-Led.Ru


В радиолюбительской литературе опубликовано немало схем различных частотомеров, но на что обращаешь внимание сразу, так это на то, что авторы, в большинстве своем,сосредотачиваются на цифровой части прибора, уделяя минимум внимания входному узлу. А ведь входной узел частотомера это не менее ответственная деталь чем счетчик или узел управления.

От качества входного узла зависит точность измерения, поскольку необходимо измерять не только частоту синусоидальных или прямоугольных импульсов, но и более сложной формы. Потому что простой формирователь, выполненный по схеме ограничителя будет ловить не все полуволны сложного сигнала. Кроме того требуется высокая чувствительность и широкий динамический диапазон при достаточной широкополосности.

Для измерения сигналов высокой частоты требуется входной узел, снабженный делителем частоты, при помощи которого можно будет измерять частоту сигналов, значительно превышающую верхнюю граничную частоту цифровой части частотомера.

На рисунке 1 приводится схема относительно простого усилителя-формирователя, который отлично работает с синусоидальным сигналом и достаточно хорошо с сигналом сложной формы. Чувствительность входа 0,2 V, входное сопротивление 15-20 кОм. Максимальный уровень входного сигнала 30V. Полоса частот 5Гц…100МГц. При питании от источника напряжением 5V формирователь формирует импульсы, которые можно подавать на входы микросхем ТТЛ или на входы микросхем КМОП, питаемых напряжением 5…6V.

На рисунке 2 приводится относительно простая схема входного устройства с делителем частоты на 10. Этот блок можно включить последовательно с блоком, приведенным на рисунке 1 или использовать самостоятельно, подавая импульсы с его выхода на вход микросхем типа ТТЛ. Узел содержит усилитель-ограничитель на транзисторе VT1 и высокочастотный делитель на 10 на микросхеме КС193ИЕ3. Чувствительность входа 0,1V, входное сопротивление 8 кОм, полоса входных частот 1…400 МГц. Узел предпочтительно использовать для измерения частоты синусоидальных сигналов.

Простой усилитель-формирователь (до 20 мГц) для частотомера на Arduino nano. | Просто Радиолюбитель

Программного обеспечения для измерения частоты с помощью Arduino на базе atmega328 написано великое множество. Но авторы программного обеспечения практически не уделяют внимание главной функциональной составляющей любого частотомера — входному усилителю-формирователю импульсов соответствующих периоду входного сигнала.

Задача: собрать усилитель-формирователь для частотомера на базе Arduino nano с следующими характеристиками:

  • чувствительность не менее 70 мВ;
  • частота пропускания (преобразования) от 200Гц до 20 мГц;
  • максимальная амплитуда измеряемого сигнала до 10 В.

В основе практически целиком лежит схема RA4NAL (сайт). Схема приведена на Рисунке 1.

Рисунок 1. Схема усилителя-ограничителя.

Рисунок 1. Схема усилителя-ограничителя.

На входе стоит делитель сигнала, включаемый S4. После делителя сигнал поступает на входной каскад на полевом транзисторе (КП303А), далее через согласующий транзистор Q2 на выходной каскад (усилитель-ограничитель) на транзисторе Q3. Формирователь собран на ТТЛ логических И-НЕ. Здесь можно применить триггер Шмитта (155ТЛ2), но в этом случае пропадает возможность корректировки уровней срабатывания для 0 и 1. Схема формирователя с примерными формулами расчета приведены на Рисунке 2. Для ТТЛ логики сопротивление R14 до 1 кОм, R13 до 10 кОм, для КМОП логики R14 до 10 кОм, R13 до 500 кОм. Контрольные точки с напряжением по постоянному току приведены на схеме.

Рисунок2. Триггер на логических элементах.

Рисунок2. Триггер на логических элементах.

Ради «спортивного интереса» схема была промоделирована в программе multisim ni. Результат на рисунке, приведенных ниже, полностью соответствует реальному поведению собранной схемы.

Результат моделирования схемы.

Результат моделирования схемы.

Схема не требует особой наладки, в зависимости от используемого Q1 подбирают R3 и R1. Выходной сигнал подстраивают R4 и R2, добиваясь равномерного ограничения «снизу» и «сверху» при изменении входного сигнала (подключением переменных потенциометров, и последующим набором необходимых номиналов сопротивлений).

В следующей статье рассмотрим делитель на 4, 2 и коммутатор входов частотомера на Arduino.

Данная схема успешно используется в самодельном частотомере на базе Arduino.

Подписывайтесь, комментируйте, давайте оценку.

Мой блог о радио: https://sp8plus.blogspot.com/

Входной усилитель-формирователь для цифровой шкалы-частотомера — Сайт инженера Задорожного С.М.

Такой функциональный узел, как входной усилитель-формирователь — это необходимая составляющая цифровой шкалы-частотомера для сигналов, уровень которых не превышает десятков милливольт. Подаваемый на вход такого усилителя сигнал усиливается до уровня, достаточного для стабильной работы микросхем цифровых счетчиков. Усилитель не должен оказывать шунтирующего влияния на цепь, к которой подключается шкала, и поэтому его входное сопротивление должно быть высоким, а входная емкость — малой. Кроме того, формируемый на выходе усилителя сигнал с цифровыми уровнями не должен содержать паразитных импульсов, способных внести ошибку в измерение частоты электронно-счетным способом.

Рис.1. Схема усилителя-формирователя.

После ряда экспериментов, в том числе неудачных, автор имеет честь предложить на суд читателей схему, изображенную на рис.1. Собственно счетные импульсы на выходе схемы формируются триггером Шмитта D1:1. В этом качестве использовался один из шести элементов недорогой и популярной микросхемы

SN74HC14N. При температуре окружающего воздуха +25°C и напряжении питания 5 В типовые уровни верхнего и нижнего порогов срабатывания такого триггера Шмитта составляют соответственно чуть более +2,5 В и чуть менее +1,6 В [2]. Процесс формирования счетных импульсов поясняет диаграмма на рис.2.

Рис.2 Формирование счетных импульсов триггером Шмитта.

Синяя синусоида на рис.2 — это аналоговый сигнал на входе триггера Шмитта, красным цветом изображен цифровой сигнал прямоугольной формы на его выходе. Из состояния лог.»0″ на выходе триггер переключается в состояние лог.»1″ в момент, когда уровень входного сигнала опустится ниже порога, обозначенного на диаграмме зеленой горизонтальной линией — это нижний порог срабатывания триггера Шмитта. Следующее переключение триггера, но уже обратно — из состояния лог.»1″ в лог.»0″ — происходит лишь когда уровень сигнала на входе превысит верхний порог, обозначенный фиолетовой горизонтальной линией. Затем уровень входного сигнала должен снова пересечь нижний порог, и так далее. Поэтому для уверенного переключения триггера Шмитта размах переменной составляющей сигнала на его входе должен быть больше, чем отстоят друг от друга его верхний и нижний пороги срабатывания при условии, что уровень постоянной составляющей сигнала на входе триггера расположен между этими порогами посередине. При этом различные помехи с меньшим размахом не могут вызвать сбойное переключение триггера Шмитта и повлиять на результат измерения частоты.

Такую работу триггера Шмитта D1:1 обеспечивает усилитель входного сигнала на транзисторах VT1, VT2 и VT3. Постоянное напряжение на подсоединенном ко входу триггера коллекторе транзистора VT3 поддерживается в пределах между уровнями верхнего и нижнего порогов срабатывания триггера Шмитта при колебаниях в широких пределах температуры окружающего воздуха (см. диаграмму на рис.3) и питающего напряжения +Vc (см. диаграмму на рис.4). Это стало возможным благодаря отрицательной обратной связи по постоянному току, которой охвачен усилитель путем подачи части постоянного напряжения с выхода схемы в токозадающую цепь источника стабильного тока, выполненного на полевом транзисторе

VT1. Этот же транзистор работает как первый каскад усиления поступающего на вход переменного сигнала. На биполярных транзисторах VT2 и VT3, включенных по каскодной схеме, выполнен второй каскад усиления.

Рис.3 Зависимость постоянного напряжения на коллекторе транзистора VT3 от температуры окружающего воздуха (Vc = 9В, Vd = 5В).

Рис.4 Зависимость постоянного напряжения на коллекторе транзистора VT3 от напряжения питания +Vc (Tокр. = 20°С).

Для определения чувствительности собранного по схеме на рис.1 усилителя-формирователя на его вход с высокочастотного генератора Г4-158 подавался синусоидальный сигнал частотой 1 МГц, путем постепенного увеличения уровня которого определялся порог, где уже обеспечивалось надежное формирование счетных импульсов на выходе схемы. Частотная характеристика усилителя-формирователя была выявлена путем последовательного повторения этой операции с увеличением частоты входного сигнала: на частотах до 4 МГц чувствительность была не хуже 10 мВ, а на частоте 32 МГц она составила около 30 мВ. Уменьшение чувствительности усилителя-формирователя с ростом частоты входного сигнала характеризует диаграмма на

рис.5. Хорошие частотные свойства усилителя обусловлены применением высокочастотных транзисторов и каскодным построением второго каскада усиления [1].

Рис.5 АЧХ усилителя-формирователя: уменьшение усиления с ростом частоты входного сигнала.

Не менее важной является устойчивая работа усилителя-формирователя и при высоком уровне входного сигнала, когда усилитель работает уже как ограничитель, то есть за пределами относительно линейной области своей передаточной характеристики. Периодически повторяющиеся при этом переходные процессы могут породить на выходе усилителя — входе триггера Шмитта — лишние перепады напряжения и, как следствие, ложные импульсы на выходе схемы. На рис.6 приведена осциллограмма с формой напряжения на коллекторе транзистора VT3 при подаче на вход усилителя сигнала частотой 1 МГц с уровнем более 70 мВ. По скругленным углам «трапеций» хорошо видно, что усилитель на транзисторах VT1, VT2 и VT3 «мягко» входит в режим ограничения и так же «мягко», то есть без каких-либо признаков переходного процесса (всплесков, затухающих колебаний и пр.) выходит из него. Понятно, что при такой работе усилителя ни о каких ложных импульсах на выходе триггера Шмитта не может быть и речи.

Рис.6 «Мягкое» ограничение сигнала на коллекторе транзистора VT3 (Uвх. = 70 мВ).

Чтобы напряжение на входе триггера Шмитта D1:1 не выходило за пределы допустимого, верхний уровень ограничения напряжения на коллекторе транзистора VT3 следует установить несколько ниже напряжения питания микросхемы триггера. В схеме на рис.1 этот уровень устанавливается делителем из резисторов R7 и R6, напряжение с которого поступает на базу транзистора VT3. Резистор R7 делителя подключен к шине питания цифровых микросхем +Vd, в том числе микросхемы D1, и поэтому, как это видно на осциллограмме на рис.6, напряжение на коллекторе транзистора VT3 не покидает пределы диапазона от 0 В до +5 В для Vd = 5В. При другом значении Vd верхний уровень ограничения напряжения на коллекторе транзистора VT3 также будет иным.

Налаживание усилителя-формирователя сводится к установке резистором R3 напряжения на коллекторе транзистора VT3, с тем, чтобы его значение лежало примерно посередине между верхним и нижним порогами срабатывания триггера Шмитта D1:1. Для микросхемы SN74HC14N при напряжении питания Vd = 5 В это около 2,0…2,1 В. Еще один способ установки требуемого напряжения состоит в следующем. На вход усилителя-формирователя с высокочастотного генератора следует подать синусоидальный сигнал частотой в пределах 0,2…1 МГц и уровнем раза в полтора-два больше порога чувствительности, скажем 20 мВ, и резистором R3 установить на выходе триггера Шмитта форму прямоугольного цифрового сигнала близкую к «меандру», то есть с равной длительностью лог.»0″ и лог.»1″.

Ток, потребляемый от источника питания +Vc правильно собранным и налаженным усилителем-формирователем, не превышает 5 мА.

Максимально допустимый уровень входного сигнала определяется напряжением отсечки полевого транзистора VT1. Для КП303И это не более 0,5 В. Следует отметить, что при большем уровне входного сигнала усилитель может и не понадобиться — при правильном подключении хватит и одного триггера Шмитта.

Если максимальная частота входного сигнала не превышает 20 МГц, то биполярные транзисторы VT2 и VT3 вполне можно заменить на КТ361Б.

В статье приведены действующие значения напряжений сигналов.

©Журнал «Радиоаматор» №3 за 2008г., г.Киев

©Задорожный Сергей Михайлович, 2008г.

Литература:

  1. Титце У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство, пер. с нем.-М.: Мир, 1982;
  2. Описание микросхемы SN74HC14N:http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/sn74hc14.pdf

ЧАСТОТОМЕР


   У многих радиолюбителей в закромах валяется немало старых микросхем серии К155, в связи с чем возникает вопрос об их использовании. Как вариант предлагается для сборки неплохой частотомер с цифровой индикацией. Собранный частотомер позволяет измерять частоту синусоидальных гармонических и импульсных электрических колебаний от единиц Герц до десятков мегагерц и амплитудой от 0,15 до 10 В, а также считать импульсы сигнала. Структурная схема частотомера показана на рис. 1 Работа прибора основана на подсчете числа импульсов в течении определенного – образцового интервала времени. 


   Исследуемый сигнал подается на вход формирователя импульсного напряжения. На его выходе формируются электрические колебания прямоугольной формы, соответствующие частоте входного сигнала, которые далее поступают на электронный ключ. Сюда же через устройство управления поступают и импульсы образцовой частоты, открывающие ключ на определенное время. На выходе электронного ключа появляется пачка импульсов. Число импульсов в пачке подсчитывает двоично-десятичный счетчик Его состояние после закрывания ключа отображает блок цифровой индикации, работающий в течение длительности образцового импульса, т.е. одной секунды. 
В режиме счета импульсов управляющее устройство блокирует источник образцовой частоты, двоично-десятичный счетчик ведет непрерывный счет поступающих на его вход импульсов, а блок цифровой индикации отображает результаты счета.


   Принципиальная схема частотомера показана на рис. 2. Формирователь импульсов напряжения собран на микросхеме К155ЛД1 (DD1) и представляет собой усложненный триггер Шмитта. Резистор R1 ограничивает входной ток, а диод VD1 защищает микросхему от перепадов входного напряжения отрицательной полярности. Резистор R3 ограничивает нижний предел напряжения входного сигнала. С выхода формирователя (вывод 9 микросхемы) импульсы прямоугольной формы поступают на один из входов логического элемента DD11.1, выполняющего функцию электронного ключа. 


   В блок образцовых частот входят генератор на элементах DD2.1 – DD2.3, частота импульсов которого стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1 и семи ступенчатый делитель частоты на микросхемах DD3 – DD9. Частота кварцевого резонатора равна 8 МГц. Микросхема DD3 делит частоту на 8, а микросхемы каждой последующей ступени делят частоту на 10. Частота импульсов на выходе DD9 равна 1 Гц. Диапазон измеряемых частот устанавливается переключателем SA1. Для более точного измерения частоты сигнала переключателем SA1 необходимо выбирать соответствующий диапазон измерения, переходя от более высокочаcтотного участка к низкочастотному. Управляющее устройство состоит из триггера DD10.1 и DD10.2 инверторов DD11.3, DD11.4 и транзистора VT1, образующих ждущий мультивибратор. На вход С триггера DD10.1 поступают импульсы с блока образцовой частоты и он переключается в единичное состояние и сигналом логической 1 открывает электронный ключ DD11.1 С этого момента импульсы измеряемой частоты проходит через ключ и инвертор D11.2 и поступают на вход счетчика DD12. По фронту следующего импульса DD10.1 принимает исходное состояние и переключает в единичное состояние триггер DD10.2.


   В свою очередь триггер DD10.2 уровнем логического нуля на инверсном выходе блокирует вход управляющего устройства от воздействия импульсов образцовой частоты, а уровнем логической единицы на прямом выходе запускает ждущий мультивибратор. Электронный ключ закрывается, уровнем логического 0 на прямом выходе DD10.1. Начинается индикация числа импульсов в пачке, поступающих на вход счетчика. С появлением уровня логической 1 на прямом выходе триггера DD10.2 через резистор R9 начинает заряжаться конденсатор C3. По мере его зарядки увеличивается напряжение на базе транзистора VT1. Когда оно достигает 0.6 В, транзистор откроется и напряжение на его коллекторе уменьшится почти до нуля. Появляющийся при этом на выходе элемента DD11.3 сигнал логической 1 воздействует на вход R0 микросхем DD12, DD14, DD16, в результате чего счетчик сбрасывается на 0. Индикация измерения прекращается. Одновременно сигнал логического 0 появляется на выводе 11 инвертора DD11.4, переключает триггер DD10.2 и ждущий мультивибратор в исходное состояние. Конденсатор C3 разряжается через диод VD2 и микросхему DD10.2. С появлением на входе DD10.1 очередного импульса образцовой частоты, начинается следующий цикл работы прибора в режиме измерения. Чтобы частотомер перевести в режим непрерывного счета импульсов, переключатель SA2 установить в положение «счет». В этом случае триггер DD11.1 переключается и на его прямом выходе появляется 1. Ключ DD11.1 оказывается открытым и через него непрерывно поступают импульсы на вход счетчика импульсов. Показания счетчика сбрасываются нажатием кнопки «сброс». Блок питания частотомера (рис.3) состоит из трансформатора Т1, выпрямителя VD3, стабилизатора напряжения VD5, VT2 и фильтра на конденсаторах С9 – С11, обеспечивает напряжение 5 В для питания микросхем.


   Напряжение с обмотки III трансформатора через диод VD5 подается в цепи питания газоразрядных цифровых индикаторов. Конструкция и детали. Детали частотомера смонтированы на печатных платах. В качестве индикаторов применены газоразрядные индикаторы ИН1. Трансформатор блока питания Т1 выполнен на магнитопроводе ШЛ 20х32. Обмотка 1 содержит 111650 витков провода ПЭВ-1 0.1, обмотка 2 содержит 55 витков ПЭВ-1 0.47, обмотка 3 – 1500 витков провода ПЭВ-1 0.1. Транзистор Т2 установлен на радиаторе. Вместо формирователя импульсов на микросхеме К155ЛД1 можно собрать формирователь по схеме рис. 4

   Кроме того в конструкции увеличено количество цифровых индикаторов до пяти и соответственно количество микросхем счетчика К155ИЕ2 и дешифраторов К155ИД1. Расширение цифровой индикации дает более удобное отображение информации. Налаживание прибора сводится к проверке правильности монтажа и измерении питающих напряжений. Правильно собранный частотомер уверенно выполняет свои функции. Естественно вакуумные индикаторы можно заменить на более современные, светодиодные типа АЛС, а микросхемы на аналогичные новых серий.

   Форум по измерительной технике

   Форум по обсуждению материала ЧАСТОТОМЕР



Простая схема частотомера » Паятель.Ру


Частотомер пригоден для работы в радиолюбительской мастерской, он прост в изготовлении. Частотомер способен измерять частоту электрических сигналов в диапазоне от 1 Гц до 99999 Гц. Амплитуда входного сигнала может быть в пределах 0,05… 15В. Время однократного измерения составляет 2 секунды. Индикация — на светодиодных семисегментных индикаторах. Питается прибор от внешнего источника питания напряжение 9 В. Принципиальная схема показана на рисунке.


Формирователь импульсов выполнен на транзисторе VT1 и элементах D3.1 и D3.2. Диод VD1 служит ограничителем отрицательного напряжения на эммиттерном переходе транзистора. Пока напряжение входного сигнала менее 0,6 В диод закрыт и не оказывает никакого воздействия на работу каскада. Когда же амплитуда измеряемого сигнала превышает этот предел диод открывается при отрицательных полуволнах и ограничивает отрицательные полуволны на уровне 0,8 В.

Резистор R4 ограничивает ток, протекающий через диод при больших уровнях входного сигнала. С выхода транзисторного каскада сигнал поступает на управляемый триггер Шмидта на элементах D3.1 и D3.2 и резисторе R1, который переводит элементы в триггерный режим. Управление

осуществляется через вывод 6 D3.2, когда на нем единичный уровень элемент D3.2 открыт и триггер Шмидта функционирует, пропуская сформированные импульсы на вход счетчика D4-D8. При нулевом уровне на этом входе этот элемент закрыт и импульсы на счетчик не поступают.

Управляющее устройство состоит из генератора импульсов частотой 1 Гц на микросхеме D1 и D-триггера на микросхеме D2. Микросхема D1 — К176ИЕ12 , часовая микросхема, которая должна вырабатывать набор частот для работы электронных часов. В данном случае используется только одна выходная частота — секундные импульсы (частотой 1 Гц), следующие на выводе 4. Частота задающего генератора микросхемы стабилизирована кварцевым резонатором Q1 на стандартную часовую’ частоту — 32768 Гц.

Импульсы с выхода D1 поступают на вход С триггера D2, который работает в режиме делителя частоты на два. В результате на его выходе получаются симметричные импульсы, следующие с частотой 0,5 Гц, при этом длительности положительного перепада и отрицательного одинаковые, и равны одной секунде.

Предположим, в исходном положении на выходе триггера D2 логический ноль, при этом элемент D3.2 закрыт и импульсы через него на счетчик не поступают. При этом частотомер находится в состоянии индикации и на индикаторе виден результат предыдущего измерения. Затем триггер D2 переходит в единичное состояние. При этом зарядный ток С1 формирует импульс высокого уровня на выводах R счетчиков и они обнуляются.

В тоже время единица с выхода триггера поступает на вывод 6 D3.2 и этот элемент открывается. Начинается режим измерения, когда импульсы со входа поступают на счетчик D4-D8. При этом показания индикаторов постоянно меняются. Длится это в течении одной секунды. Затем триггер снова переходит в нулевое состояние и счет импульсов прекращается. На индикаторах отображается значение измеренной частоты. Время индикации будет длится около одной секунды, затем процесс повторится.

Счетчик состоит из пяти последовательно включенных счетчиков типа К176ИЕ4, которые считают до десяти, имеют выход переноса счета и десятичный дешифратор, вырабатывающий коды для семисегментного индикатора. Полярность выходных котов можно менять изменяя уровень на выводе 6 микросхем К176ИЕ4, в данном случае индикаторы с общим катодом, и для их зажигания требуются единичные уровни, поэтому на вывод 6 поступает ноль. Если использовать индикаторы с общим анодом их нужно будет зажигать нулями, а для этого выводы 6 этих микросхем нужно соединить с плюсом питания.

Настройка сводится к подбору номинала R6 таким образом, чтобы напряжение на коллекторе VT1 было равно 4,5..,6В. При этом чувствительность прибора будет 0,05 В.

Образцовую частоту в небольших пределах можно подстраивать конденсатором С3. Если надобности в такой точной калибровке нет можно С3 исключить и поставить С4 на 20 пФ.

Входной усилитель-формирователь частотомера — RadioRadar

   Широкое распространение микроконтроллеров позволяет создавать на их основе измерители частоты. Однако, как правило, такие конструкции имеют существенный недостаток, так как они рассчитаны на обработку сигналов с логическими уровнями. Их возможности расширяет описываемое устройство

   Удобство работы с универсальным частотомером, способным измерять частоту и длительность временных интервалов, во многом зависит от наличия в его составе входного усилителя-формирователя, а также от качества и возможностей этого усилителя. Требования к этому узлу, используемому в частотомере и измерителе временных интервалов, различны, а по отдельным параметрам и вовсе совершенно противоречивы.

   Наиболее удобные для обработки частотомером прямоугольные импульсы имеют конечное значение длительности фронта и спада. Для измерителя временных интервалов внесение входным усилителем дополнительной временной задержки недопустимо. Наоборот, он должен формировать как можно более крутой фронт и спад импульсов на заданном уровне порога компарации. Это требование особенно важно для сигналов с формой, отличной от прямоугольной. Для частотомера более пригоден усилитель-формирователь с гистерезисом.

   Реальные сигналы имеют выбросы, и не исключены помехи. Применение обычных фильтров целесообразно для низкочастотных частотомеров. Для высокочастотных частотомеров и измерителей временных интервалов предлагается простая и практически воспроизводимая схема усилителя-формирователя, способного выполнять следующие операции:

  • обрабатывать входные сигналы по ложительной и отрицательной по лярности напряжением от 0,3 до 20 В;
  • плавно регулировать уровень порога компарации входного сигнала в пределах 0,3. ..7,5 В;
  • надежно работать при частоте входных импульсов от 0 до 2,5 МГц, сохраняя работоспособность практически до значений частоты в 5 МГц
  • измерять длительность импульсов более 0,3 мкс (при подборе порога компарации перед сменой предела измерения этот порог может быть снижен до 0,1 мкс).

    представлена на рис. 1. Усилитель состоит из электронного переключателя-формирователя, собранного на логических элементах микросхемы D1, и двух параллельно включенных и идентичных по построению каналов, каждый из которых представляет собой компаратор напряжения на двухканаль-ном быстродействующем операционном усилителе А1, А2. Верхний по схеме канал предназначен для обработки входных сигналов положительной полярности, нижний — отрицательной полярности. Входной сигнал через ограничительный резистор R1 и конденсатор С1 поступает на вход 3 операционного усилителя А1. В момент превышения входным напряжением порога компарации, определяемого напряжением на входе 2 ОУ А1, напряжение на выходе 6 ОУ скачкообразно увеличивается, а при уменьшении ниже порога компарации скачкообразно уменьшается.

Рис. 1 Принципиальная схема входного усилителя

   Порог компарации устанавливается переменным резистором R10. Нижний предел порога компарации определяется падением напряжения на диоде D3 и составляет примерно 0,3 В, а верхний — параметрами элементов делителя напряжения R9R10D3 и равен, соответственно, 7,5 В. Напряжение на выходе делителя R3R4 определяет порог ограничения входного сигнала, при превышении которого открывается диод D1. Избыток напряжения падает на резисторе R1, предотвращая перегрузку иу по входу. Точно так же работает второй канал устройства, собранный на ОУ А2. С выходов ОУ А1 и А2 импульсы через диоды D5 и D6, исключающие прохождение сигналов отрицательной полярности, поступают на электронный коммутатор-формирователь. Этот узел разрешает прохождение сигналов с канала «положительной» или «отрицательной» полярности в соответствии с сигналом управления, который поступает с переключателя SA1. Переключателем SA1 пользователь вручную устанавливает режим усилителя (выбор канала) в соответствии с полярностью измеряемого сигнала. Можно отказаться от коммутации каналов, соединив катоды диодов D6 и D5 и обеспечив тем самым автоматический выбор полярности входного сигнала. Однако при работе с двухполяр-ным сигналом, например синусоидальным, частотомер покажет удвоенное значение частоты.

   Усилитель разработан для частотомера, собранного на КМОП микросхемах.

   При использовании его в приборах с микросхемами ТТЛ на выходе необходимо предусмотреть преобразователь уровня, собранный, например, на микросхеме К561ПУ4.

   Напряжение питания усилителя можно увеличивать до ±15 В. При этом улучшается его частотная характеристика, и расширяются пределы величины допустимого входного напряжения.

   В устройстве можно использовать любые маломощные кремниевые диоды серий КД521, КД503,1 N3207 с обратным напряжением не менее 30 В; маломощные германиевые диоды серий Д9, Д311, 1N3206, 1N3203. Операционные усилители КР544УД2Б могут быть заменены на К544УД2 без изменений в монтаже платы. Допускается применение ОУтипа К574УД1. При замене микросхемы К561ЛА7 на К561ЛЕ5 функция переключателя SA1 изменится на противоположную. Использование микросхем К176ЛА7 или К176ЛЕ5 несколько ухудшит частотные характеристики. При настройке усилителя необходимо выставить напряжение в пределах 7,3…7,5 В на верхнем по схеме выводе резисторов R10, R 12, R4, R6. При необходимости следует подобрать резисторы R9, R3, R11, R5.

Автор: Владимир Епинин

Agilent Technologies — 8 советов по спектральному анализу

8 советов по улучшению измерений с помощью анализатора спектра

Анализатор спектра, как и осциллограф, является основным инструментом, используемым для наблюдения за сигналами. Там, где осциллограф обеспечивает окно во временной области, анализатор спектра обеспечивает окно в частотной области, как показано на рисунке 1.

На рис. 2 представлена ​​упрощенная блок-схема супергетеродинного анализатора спектра со свипирующей перестройкой.

Супергетеродинный означает микширование или преобразование в частоте выше звуковых частот. В анализаторе сигнал на входе проходит через аттенюатор для ограничения амплитуды сигнала на смесителе, а затем через входной фильтр нижних частот для устранения нежелательных частот. Проходя входной фильтр, сигнал смешивается с сигналом, генерируемым гетеродином (LO), частота которого регулируется генератором развертки. По мере изменения частоты гетеродина сигналы на выходе смесителя (которые включают в себя два исходных сигнала, их суммы и разности и их гармоники) фильтруются полосовым фильтром разрешения (фильтром ПЧ) и усиливаются или сжимаются в логарифмическая шкала.Затем детектор корректирует сигнал, проходящий через фильтр ПЧ, создавая постоянное напряжение, которое приводит в движение вертикальную часть дисплея. По мере того, как генератор развертки проходит через свой частотный диапазон, на экране рисуется кривая. Эта кривая показывает спектральный состав входного сигнала в пределах выбранного частотного диапазона.

Когда цифровая технология впервые стала жизнеспособной, она использовалась для оцифровки видеосигнала, как показано на рис. 2. По мере развития цифровых технологий на протяжении многих лет анализатор спектра развивался для включения цифровой обработки сигналов (DSP) после окончательной ПЧ. фильтр, как показано пунктирной рамкой,

, чтобы иметь возможность измерять форматы сигналов, которые становятся все более сложными.DSP выполняется для обеспечения расширенного динамического диапазона, более высокой скорости развертки и большей точности. Чтобы получить более качественные измерения анализатора спектра, входной сигнал должен быть неискаженным, настройки анализатора спектра должны быть разумно установлены для измерений в конкретном приложении, а процедура измерения должна быть оптимизирована, чтобы наилучшим образом использовать технические характеристики. Более подробная информация об этих шагах будет рассмотрена в советах по спектральному анализу

.

 

Подсказка 1.Выбор полосы пропускания с наилучшим разрешением (RBW)


Настройку ширины полосы разрешения (RBW) необходимо учитывать при разделении спектральных компонентов, установке соответствующего минимального уровня шума и демодуляции сигнала. При выполнении сложных измерений анализа спектра анализаторы спектра должны быть точными, быстрыми и иметь широкий динамический диапазон. В большинстве случаев акцент на одном из этих параметров негативно влияет на остальные. Часто эти компромиссы связаны с настройкой RBW.Одно из преимуществ использования узкой полосы разрешения видно при измерении сигналов низкого уровня. При использовании узкой RBW отображаемый средний уровень шума (DANL) анализатора спектра снижается, что увеличивает динамический диапазон и улучшает чувствительность анализатора спектра. На рисунке 3 сигнал -95 дБм более правильно разрешается при изменении полосы пропускания со 100 кГц до 10 кГц.

Однако самая узкая настройка RBW не всегда идеальна для анализа спектра.Для модулированных сигналов важно установить полосу разрешения достаточно широкой, чтобы включить боковые полосы сигнала. Пренебрежение этим сделает измерения спектрального анализа очень неточными. Кроме того, серьезным недостатком узких настроек RBW является скорость развертки. Более широкая настройка RBW обеспечивает более быструю развертку по заданному диапазону по сравнению с более узкой настройкой RBW. На рисунках 4 и 5 сравниваются времена развертки между 10 кГц и 3 кГц RBW при измерении диапазона 200 МГц.

Важно знать основные компромиссы, связанные с выбором RBW, в случаях, когда пользователь знает, какой параметр измерения наиболее важен для оптимизации.Но в тех случаях, когда невозможно избежать компромиссов в параметрах измерения, современный анализатор спектра предлагает способы смягчить или даже устранить компромиссы. Используя цифровую обработку сигналов, анализатор спектра обеспечивает более точное измерение, в то же время позволяя проводить более быстрые измерения анализа спектра, даже при использовании узкой полосы разрешения.

 

Совет 2. Повышение точности измерений

Перед выполнением любого измерения анализа спектра важно знать, что существует несколько методов, которые можно использовать для повышения точности измерения как амплитуды, так и частоты.Доступные процедуры самокалибровки будут генерировать коэффициенты ошибок (например, изменения амплитуды в зависимости от ширины полосы пропускания), которые позже анализатор использует для корректировки измеренных данных, что приводит к более качественным измерениям амплитуды и предоставляет вам больше свободы для изменения элементов управления в ходе измерения. Как только тестируемое устройство (DUT) подключено к калиброванному анализатору спектра, сеть доставки сигнала может ухудшить или изменить интересующий сигнал, который необходимо исключить из измерения, как показано на рисунке 6.

 



Одним из способов достижения этого является использование встроенной в анализатор спектра функции коррекции амплитуды в сочетании с источником сигнала и измерителем мощности. На рис. 7 показана частотная характеристика сети доставки сигнала, которая ослабляет сигнал ИУ.

Чтобы устранить нежелательные эффекты, измерьте затухание или усиление сети доставки сигнала в проблемных частотных точках в диапазоне измерений.Амплитудная коррекция берет список пар частот и амплитуд, линейно соединяет точки для создания корректирующей «формы волны», а затем смещает входной сигнал в соответствии с этими поправками. На рис. 8 нежелательное затухание и усиление сети доставки сигнала исключены из измерения, что обеспечивает более точные измерения амплитуды.

 


В современном анализаторе спектра вы также можете напрямую сохранять различные поправки для вашей антенны, кабеля и другого оборудования, поэтому калибровка не потребуется каждый раз при изменении настройки.Одним из способов более точного измерения частоты является использование счетчика частоты анализатора спектра, который устраняет многие источники погрешности частоты, такие как полоса пропускания. Счетчик частоты подсчитывает пересечения нуля в сигнале ПЧ и смещения, которые учитываются известными смещениями частоты от гетеродинов в остальной части цепи преобразования. Общая погрешность измерения включает суммирование различных источников погрешности в анализаторе спектра. Если можно оставить без изменений какие-либо элементы управления, такие как настройка аттенюатора РЧ, ширина полосы разрешения или опорный уровень, все неопределенности, связанные с изменением этих элементов управления, исчезают, а общая погрешность измерений сводится к минимуму.Это пример того, почему важно знать конструкцию анализатора спектра. Например, в высокопроизводительных анализаторах спектра, оцифровывающих ПЧ, нет дополнительной ошибки при изменении RBW, в то время как в других она есть.

 

Совет 3. Оптимизируйте чувствительность при измерении сигналов низкого уровня

Способность анализатора спектра измерять сигналы низкого уровня ограничена шумом, создаваемым внутри анализатора спектра.На эту чувствительность к низкоуровневым сигналам влияют настройки анализатора. На рис. 9, например, показан сигнал частотой 50 МГц, который кажется скрытым из-за собственного шума анализатора. Для измерения сигнала низкого уровня необходимо повысить чувствительность анализатора спектра за счет минимизации входного аттенюатора, сужения фильтра с полосой разрешения (RBW) и использования предварительного усилителя. Эти методы эффективно снижают отображаемый средний уровень шума (DANL), обнаруживая сигнал низкого уровня.

Увеличение настройки входного аттенюатора снижает уровень сигнала на входном микшере.Поскольку шум анализатора спектра генерируется после входного аттенюатора, настройка аттенюатора влияет на отношение сигнал/шум (SNR). Если усиление связано с входным аттенюатором для компенсации любых изменений ослабления, реальные сигналы остаются на дисплее неподвижными. Однако отображаемый уровень шума меняется в зависимости от усиления ПЧ, отражая изменение SNR в результате любого изменения настройки входного аттенюатора. Следовательно, чтобы снизить DANL, входное затухание должно быть сведено к минимуму. Затем усилитель на выходе микшера усиливает ослабленный сигнал, чтобы поддерживать пик сигнала в одной и той же точке на дисплее анализатора.В дополнение к усилению входного сигнала также усиливается шум, присутствующий в анализаторе, что повышает DANL анализатора спектра. Затем повторно усиленный сигнал проходит через полосовой фильтр. За счет сужения ширины фильтра RBW меньше энергии шума достигает детектора огибающей анализатора, что снижает DANL анализатора. На рис. 10 показано последовательное снижение DANL. Верхняя кривая показывает сигнал выше уровня шума после минимизации ширины полосы разрешения и использования усреднения мощности.Кривая, которая следует за ней, показывает, что происходит при минимальном затухании. Третья трасса использует логарифмическое усреднение мощности, снижая уровень шума еще на 2,5 дБ, что делает ее очень полезной для очень чувствительных измерений.

Для достижения максимальной чувствительности необходимо использовать предусилитель с низким уровнем шума и высоким коэффициентом усиления. Если коэффициент усиления усилителя достаточно высок (шум, отображаемый на анализаторе, увеличивается не менее чем на 10 дБ при подключении предусилителя), минимальный уровень шума комбинации предусилителя и анализатора определяется коэффициентом шума усилителя.Во многих ситуациях необходимо измерить паразитные сигналы тестируемого устройства, чтобы убедиться, что несущая сигнала находится в пределах определенной «маски» амплитуды и частоты. Современные анализаторы спектра обеспечивают функцию электронной ограничительной линии, которая сравнивает данные трассы с набором амплитудных и частотных (или временных) параметров. Когда интересующий сигнал попадает в пределы границ ограничительной линии, появляется дисплей с указанием PASS MARGIN или PASS LIMIT (на анализаторах Agilent). Если сигнал выходит за границы ограничительной линии, на дисплее появляется сообщение FAIL MARGIN или FAIL LIMIT, как показано на рис. 11 для ложного сигнала.

Совет 4. Оптимизируйте динамический диапазон при измерении искажений

Проблема, возникающая при измерении сигналов, заключается в возможности отличить сигналы основного тона более крупного сигнала от более мелких продуктов искажения. Максимальный диапазон, в котором анализатор спектра может различать сигнал и искажение, сигнал и шум или сигнал и фазовый шум, определяется как динамический диапазон анализатора спектра.При измерении сигнала и искажений уровень микшера определяет динамический диапазон анализатора спектра. Уровень микшера, используемый для оптимизации динамического диапазона, может быть определен из искажения второй гармоники, третьей основной гармоники на микшере, SHD увеличивается на 2 дБ. Однако, поскольку искажение определяется разницей между основной составляющей и произведением искажения, изменение составляет всего 1 дБ. Точно так же искажение третьего порядка изображается с наклоном 2. Для каждого изменения уровня микшера на 1 дБ продукты третьего порядка изменяются на 3 дБ или 2 дБ в относительном смысле.Максимальный динамический диапазон 2-го и 3-го порядка можно получить, установив микшер на уровень, при котором искажения 2-го и 3-го порядка равны минимальному шуму, и эти уровни микшера обозначены на графике. порядок интермодуляционных искажений и отображаемые характеристики среднего уровня шума (DANL) анализатора спектра. Из этих спецификаций можно построить график зависимости внутренних искажений и шума от уровня микшера. На рис. 12 показана точка искажения второй гармоники -75 дБн при уровне смесителя -40 дБм, точка искажения третьего порядка -85 дБн при уровне смесителя -30 дБм и минимальный уровень шума -110 дБм для полосы пропускания 10 кГц.

Линия второго гармонического искажения нарисована с наклоном 1, потому что на каждый 1 дБ увеличения уровня основной гармоники в смесителе SHD увеличивается на 2 дБ. Однако, поскольку искажение определяется разницей между основной составляющей и произведением искажения, изменение составляет всего 1 дБ. Точно так же искажение третьего порядка изображается с наклоном 2. Для каждого изменения уровня микшера на 1 дБ продукты третьего порядка изменяются на 3 дБ или 2 дБ в относительном смысле.Максимальный динамический диапазон 2-го и 3-го порядка можно получить, установив микшер на уровень, при котором искажения 2-го и 3-го порядка равны минимальному шуму, и эти уровни микшера обозначены на графике. Для увеличения динамического диапазона необходимо использовать более узкую полосу разрешения. Динамический диапазон увеличивается, когда настройка RBW уменьшается с 10 кГц до 1 кГц, как показано на рисунке 13. Обратите внимание, что увеличение составляет 5 дБ для искажений 2-го порядка и 6+ дБ для искажений 3-го порядка. Наконец, на динамический диапазон интермодуляционных искажений может влиять фазовый шум анализатора спектра, поскольку частотный интервал между различными спектральными компонентами (тестовыми тонами и продуктами искажения) равен интервалу между тестовыми тонами.Например, тестовые тоны, разделенные на 10 кГц, с полосой разрешения 1 кГц задают кривую шума, как показано. Если фазовый шум при смещении в 10 кГц составляет всего -80 дБн, то предельным пределом динамического диапазона для этого измерения становится 80 дБ вместо максимального динамического диапазона 88 дБ, как показано на рисунке 14.   

Совет 5. Идентификация продуктов внутреннего искажения

Входные сигналы высокого уровня могут вызывать внутренние искажения анализатора спектра, которые могут маскировать реальные искажения входного сигнала.Используя двойные кривые и ВЧ-аттенюатор анализатора, вы можете определить, влияют ли искажения, создаваемые в анализаторе, на измерение. Для начала установите входной аттенюатор так, чтобы уровень входного сигнала за вычетом настройки аттенюатора составлял примерно -30 дБм. Чтобы идентифицировать эти продукты, настройтесь на вторую гармонику входного сигнала и установите входной аттенюатор на 0 дБм. Затем сохраните данные экрана в трассе B, выберите трассу A в качестве активной трассы и активируйте маркер Ä. Теперь анализатор спектра показывает сохраненные данные на трассе B и измеренные данные на трассе A, а маркер Ä показывает разность амплитуд и частот между двумя трассами.Наконец, увеличьте затухание радиочастоты на 10 дБ и сравните отклик на трассе A с откликом на трассе B. 

Если отклики на трассе A и трассе B различаются, как на рис. 15, это означает, что смеситель анализатора спектра генерирует продукты внутренних искажений из-за высокого уровня входного сигнала. В этом случае требуется большее затухание.

 

На рис. 16, поскольку уровень сигнала не меняется, внутренние искажения не влияют на измерение.Отображаемое искажение присутствует во входном сигнале.

 

Совет 6. Оптимизируйте скорость измерения при измерении переходных процессов

Быстрые развертки важны для захвата переходных сигналов и минимизации времени тестирования. Чтобы оптимизировать работу анализатора спектра для более быстрой развертки, необходимо соответствующим образом изменить параметры, определяющие время развертки. Время развертки для супергетеродинного анализатора спектра с разверткой аппроксимируется делением диапазона на квадрат ширины полосы разрешения (RBW).Из-за этого настройки RBW в значительной степени определяют время развертки. Более узкие фильтры RBW приводят к увеличению времени развертки, что приводит к компромиссу между скоростью развертки и чувствительностью. Как показано на рис. 17, 10-кратное изменение полосы пропускания приблизительно соответствует улучшению чувствительности на 10 дБ.

В зависимости от использования, полоса пропускания современного высокопроизводительного анализатора спектра может быть уменьшена (с мелкими шагами) для достижения необходимой скорости развертки, чувствительности и/или селективности.На рис. 2 показана скорость развертки 7,626 с для полосы разрешения 10 кГц по сравнению с 26,79 с для настройки полосы пропускания 3 кГц, показанной на рис. 3. Хорошим балансом между временем и чувствительностью является использование быстрого преобразования Фурье (БПФ), которое доступно в современных высокопроизводительные анализаторы спектра. Используя БПФ, анализатор может зафиксировать весь диапазон за один цикл измерения. При использовании БПФ-анализа время развертки определяется частотным диапазоном, а не настройкой RBW. Следовательно, режим БПФ обеспечивает более короткое время развертки, чем режим развертки, в узких промежутках.Разница в скорости более заметна, когда фильтр RBW является узким при измерении сигналов низкого уровня. В режиме БПФ время развертки для полосы обзора 20 МГц и полосы пропускания 1 кГц составляет 747,3 мс по сравнению с 24,11 с для режима развертки, как показано на рисунке 18 ниже. Для гораздо более широких диапазонов и широких полос разрешения режим свипирования работает быстрее.

Совет 7. Выбор наилучшего режима обнаружения дисплея

Современные анализаторы спектра оцифровывают сигнал либо на ПЧ, либо после видеофильтра.Выбор оцифрованных данных для отображения зависит от детектора дисплея, следующего за АЦП. Как будто данные разделены на сегменты, и выбор данных для отображения в каждом сегменте зависит от режима обнаружения отображения.



Детекторы положительного пика, отрицательного пика и пробы показаны на рис. 20.

Режим обнаружения пиков обнаруживает самый высокий уровень в каждом сегменте и является хорошим выбором для анализа синусоид, но имеет тенденцию чрезмерно реагировать на шум.Это самый быстрый режим обнаружения. В режиме обнаружения пробы центральная точка отображается в каждом ковше независимо от мощности. Обнаружение выборки хорошо подходит для измерения шума и точно указывает на истинную случайность шума. Однако обнаружение выборки является неточным для измерения сигналов непрерывной волны (CW) с узкой полосой разрешения и может пропускать сигналы, которые не попадают в одну и ту же точку в каждой корзине. Режим обнаружения отрицательных пиков отображает самый низкий уровень мощности в каждом сегменте. Этот режим подходит для демодуляции AM или FM и различает случайный и импульсный шум.Обнаружение отрицательных пиков не повышает чувствительность анализатора, хотя может показаться, что уровень шума снижается. Сравнительный вид того, что каждый режим обнаружения отображает в корзине для синусоидального сигнала, показан на рис. 20. Анализаторы спектра с более высокими характеристиками также имеют режим обнаружения, называемый нормальным обнаружением, показанный на рис. 21.

Этот режим выборки динамически классифицирует точку данных либо как шум, либо как сигнал, обеспечивая лучшее визуальное отображение случайного шума, чем обнаружение пиков, и избегая проблемы пропущенного сигнала при обнаружении выборки.Среднее обнаружение может обеспечить среднюю мощность, напряжение или логарифмическую мощность (видео) в каждом сегменте. Усреднение мощности вычисляет истинную среднюю мощность и лучше всего подходит для измерения мощности сложных сигналов. Усреднение напряжения усредняет данные о линейном напряжении сигнала огибающей, измеренные в течение интервала сегмента. Он часто используется при тестировании электромагнитных помех, а также полезен для наблюдения за поведением нарастания и спада сигналов AM или импульсно-модулированных сигналов, таких как передатчики радаров и TDMA. Усреднение логарифмической мощности (видео) усредняет логарифмические значения амплитуды (дБ) сигнала огибающей, измеренные в течение интервала сегмента.Логарифмическое усреднение мощности лучше всего подходит для наблюдения за синусоидальными сигналами, особенно близкими к шуму, поскольку шум отображается на 2,5 дБ ниже его истинного уровня и улучшает соотношение сигнал/шум для спектральных (синусоидальных) составляющих.

 

Подсказка 8. Измерение пакетных сигналов: анализ спектра со стробированием по времени


Как вы анализируете сигнал, состоящий из пакетной (импульсной) РЧ-несущей, несущей модуляцию при импульсном включении? Если есть проблема, как вы отделяете анализ спектра импульса от анализа модуляции? Анализ пакетных сигналов (импульсов) с помощью анализатора спектра является очень сложной задачей, поскольку в дополнение к отображению информации, содержащейся в импульсе, анализатор также отображает частотный состав формы импульса (огибающей импульса).Резкие времена нарастания и спада огибающей импульса могут создавать нежелательные частотные компоненты, которые добавляются к частотному содержанию исходного сигнала. Эти нежелательные частотные компоненты могут быть настолько плохими, что полностью перекрывают интересующий сигнал. На рис. 22, например, показано частотное содержание импульса, несущего простой АМ-сигнал. В этом случае боковые полосы АМ почти полностью скрыты спектром импульса.



Спектральный анализ со стробированием по времени позволяет анализировать содержимое импульса без влияния огибающей самого импульса.Один из способов выполнения временного стробирования — поместить вентиль (переключатель) в видеотракт анализатора спектра, как показано на рис. 23. Этот метод временного стробирования называется стробированием видео. При измерении со стробированием по времени анализатор определяет, когда начинается пакет, затем запускает задержку, чтобы разрешающий фильтр успевал среагировать на резкое время нарастания импульса, и, наконец, останавливает анализ до того, как пакет закончится. При этом анализируется только информация, переносимая импульсом, как показано на рисунке 24.Теперь ясно, что наш импульс содержал несущую 40 МГц, модулированную синусоидальным сигналом 100 кГц. В современном высокопроизводительном анализаторе спектра доступны два других типа временной селекции: стробируемый гетеродин и стробируемый БПФ. Gated-LO сканирует гетеродин во время части импульсного сигнала, поэтому для каждого появления сигнала можно записать несколько точек трассировки. В то время как БПФ со стробированием использует БПФ оцифрованного пакетного сигнала, устраняя влияние спектра импульса. Оба обеспечивают преимущества повышенной скорости.

 

Анализатор спектра Agilent серии PSA


Эти анализаторы спектра обеспечивают высокоэффективный анализ спектра до 50 ГГц, мощные измерения с помощью одной кнопки, универсальный набор функций и передовое сочетание гибкости, скорости, точности, полосы анализа и динамического диапазона. От миллиметровых волн и фазового шума, измерения коэффициента шума до поиска ответвлений и анализа цифровой модуляции — серия PSA предлагает уникальные и комплексные решения для инженеров-исследователей и инженеров-производителей в области сотовой и появляющейся беспроводной связи, аэрокосмической и оборонной промышленности.


Анализатор спектра Agilent ESA Series


Анализаторы спектра серии ESA обеспечивают масштабируемый базовый и средний спектральный анализ для измерений общего назначения или приложений, от сотовой связи до беспроводных сетей и кабельного телевидения. ESA доступен в виде экспресс-анализатора с двухнедельной доступностью по доступной цене.


 

 

Анализатор спектра Agilent 8560 серии EC


Обеспечивая высокую производительность, возможности и качество для самых требовательных измерений, эти анализаторы спектра обладают производительностью и функциями, которые требуются вам на научно-исследовательском стенде.Благодаря надежности и скорости, от которых вы зависите в производстве, а также простоте использования, портативности и надежности MIL, которые вы ожидаете в полевых условиях, эти анализаторы спектра удовлетворят ваши потребности в высокой производительности.



Связанные анализаторы спектра и литература по анализу спектра

Основы анализа спектра , указания по применению 150, номер документа 5952-0292

Optimizing Spectrum Analyzer Скорость измерения , указания по применению 1318, номер документа 5968-3411E

Оптимизация динамического диапазона для измерения искажений , Примечание к продукту, номер публикации 5980-3079EN

Оптимизирующий анализатор спектра Точность амплитуды , указания по применению 1316, номер публикации 5968-3659E

Правильный выбор анализатора сигналов для ваших нужд , Руководство по выбору, литературный номер 5968-3413E

Анализ свип-сигнала и БПФ серии PSA , примечания к продукту, номер публикации 5980-3081EN

 

femtoSHAPE-HR Формирователь фемтосекундных импульсов высокого разрешения

Особенности

Более 600 независимых каналов управления

Высокая универсальность и простота перенастройки

Опции управления только фазой или фазой и амплитудой

Формирователь импульсов femtoSHAPE-HR оснащен одно- или двухмасочным линейным жидкокристаллическим пространственным модулятором света (LC SLM).Прибор поставляется в комплекте с компактным спектрометром, комплектом нелинейно-оптического детектирования и программным пакетом, позволяющим сжимать импульсы нажатием кнопки до длительности, ограниченной преобразованием Фурье, с использованием метода фазового сканирования многофотонной внутриимпульсной интерференции (MIIPS). Программное обеспечение предлагает встроенные функции для формирования импульсов во временной области и включает в себя все необходимые процедуры калибровки для изменения конфигурации прибора по мере развития требований конечного пользователя.

Система femtoSHAPE-HR заменяет легендарную линейку продуктов MIIPSBox640 .

Требования к входному лучу
Поляризация Линейный, Горизонтальный
Средняя мощность, Вт * <2
Энергия в импульсе, мДж * <0,25
Диаметр коллимированного луча, 1/e 2 , мм 2,8 (тип.), <3

*Зависит от центральной длины волны лазерного источника. В приведенных выше оценках предполагается лазерный источник с длиной волны 800 нм.Если полоса пропускания лазера снизу вверх уже, чем полоса пропускания формирователя импульсов, максимальный предел мощности/энергии должен уменьшаться пропорционально. Обратите внимание, что для низких частот повторения лазера (<8 кГц) порог энергии импульса определяет предел средней входной мощности.

CloseОптические характеристики
Программируемое устройство LC SLM, линейный массив
Ось рассеивания SLM, количество пикселей 640
Шаг пикселя, мкм 100

Переменные управления импульсами*

Только фаза или Фаза и амплитуда

Центральная длина волны, λc, нм**

Настраиваемый (в пределах 430-1600)
Спектральная полоса пропускания, Δλ, нм** Настраиваемый, <1 октава
Спектральное разрешение, dλ, нм** ~ Δλ/640
Пропускная способность, %*** ~45

* Программируемая спектральная фаза и коэффициент пропускания (при наличии) кодируются для каждого лазерного импульса без синхронизации с лазерным источником.Это формирование импульса в частотной области преобразуется в соответствующие изменения профиля во временной области.

** Зависит от конфигурации формирователя импульсов.

*** SLM настроен на применение «нулевой» фазы и 100% маски передачи по всей полосе пропускания. Пропускная способность измеряется без поляризатора перед апертурой SLM. Сообщаемое значение является типичным, фактическая пропускная способность зависит от конфигурации формирователя импульсов.

CloseОбщие характеристики
Габаритные размеры (Ш × Г × В), мм 226 × 476 × 211
Охлаждение С воздушным охлаждением
Напряжение питания, В переменного тока 100–240, 50–60 Гц
Потребляемая мощность, Вт <7.2
Закрыть

Приложения

Когерентное управление Нелинейная спектроскопия
Многофотонная визуализация Расширенные взаимодействия света и материи
Протеомные/метаболические Терагерцовое поколение
Размеры — мм [дюйм]

Новый подход к спектроскопии генерации суммарной частоты колебаний с использованием формирования импульсов в ближней инфракрасной области спектра

Abstract

требующие различных экспериментальных условий, без оптической перестройки.Здесь мы используем преимущества произвольной генерации сигналов ближнего инфракрасного диапазона (NIR) с помощью формирователя импульсов 4 f , оснащенного двумерным пространственным модулятором света (SLM), чтобы адаптировать импульсы преобразования с повышением частоты для удовлетворения экспериментальных требований, зависящих от образца. В этом отчете подробно описана экспериментальная схема, детали калибровки и реализации SLM, а также внутренние преимущества/ограничения этого нового подхода к спектроскопии vSFG. Мы продемонстрировали компетентность этого спектрометра, достигнув примерно 3-кратного увеличения спектрального разрешения по сравнению с обычными спектрометрами, исследуя модель границы раздела диметилсульфоксид/воздух.Мы также продемонстрировали способность подавлять нерезонансные фоновые вклады от интерфейсов электродов с помощью асимметричных сигналов с временной задержкой, которые генерируются формирователем импульсов NIR. Ожидается, что это усовершенствование в приборостроении расширит количество типов образцов, которые исследователи могут легко изучать с помощью нелинейной поверхностно-специфической спектроскопии.

I. ВВЕДЕНИЕ

Быстрое развитие методов формирования оптических импульсов за последние несколько десятилетий открыло новые экспериментальные возможности в различных областях, включая генерацию высоких гармоник, 4 нелинейную волоконную оптику, 5 нелинейная микроскопия, 6–9 и многомерная спектроскопия, 10–13 , и это лишь некоторые из них.Недавно мы продемонстрировали полезность прямого управления фазой и амплитудой фемтосекундного импульса для адаптации форм сигналов для исследований сложных интерфейсов с использованием спектроскопии генерации суммарной частоты колебаний (vSFG). 14 В этом отчете мы подробно описываем наш новый спектрометр vSFG, в котором используется недорогой двумерный жидкий кристалл на кремниевом пространственном модуляторе света (2D LCOS-SLM) для настройки формы импульса преобразования с повышением частоты в ближней инфракрасной области спектра (NIR) в соответствии с образцом зависимые экспериментальные потребности.Этот подход должен найти применение в лабораториях нелинейной оптики, особенно в тех, которые используют поверхностную спектроскопию, для решения проблем, часто встречающихся в обычных (и менее гибких) конструкциях спектрометров.

Широкополосный vSFG стал методом выбора для зондирования химических соединений на границе раздела двух фаз. 11,15–19 Основное преимущество широкополосного обнаружения vSFG заключается в одновременном возбуждении широкого окна колебательных резонансов, которые преобразуются с повышением частоты вторым узкополосным лазерным импульсом для создания полного спектра vSFG без сканирования длины волны ИК-излучения.Это преимущество достигается за счет сравнительно худшего спектрального разрешения, которое диктуется шириной полосы ап-преобразующего лазерного импульса. Для достижения скромного (∼10-15 см -1 ) спектрального разрешения исследователи часто используют полосовые фильтры или 4 f -формирователи импульсов, снабженные щелями в плоскости Фурье. 2,11,20 Несмотря на удобство реализации, использование полосовых фильтров не обеспечивает ни длины волны, ни перестройки полосы пропускания. Напротив, использование щели в плоскости Фурье формирователя 4 f позволяет настраивать ширину полосы пропускания и центральные длины волн; однако этот подход страдает от проблем с воспроизводимым определением характеристик импульса NIR без обширной перехарактеристики выходного импульса.Оба этих подхода также способны генерировать импульсы только с симметричной во времени формой, тогда как для металлических или полупроводниковых поверхностей часто желательно применять асимметричные во времени импульсы для подавления нерезонансных составляющих. 10,14,15 Несмотря на мощность, использование асимметричных по времени импульсов не обязательно идеально подходит для исследований изолирующих образцов из-за ограниченной возможности перестройки спектра/полосы пропускания (аналогично проблемам с фильтрами) и спектральных артефактов, которые могут возникнуть при использовании времени. задержанные или асимметричные во времени импульсы. 21,22 Таким образом, выбор конкретной формы импульса импульса с повышением частоты часто предопределяет типы образцов, которые можно оптимально исследовать с помощью данного спектрометра. 1

В то время как разные образцы имеют разные спектральные и/или временные требования к NIR, до недавнего времени не существовало возможности изменять форму импульса в реальном времени без существенной оптической перестройки. Чтобы устранить это ограничение, мы сообщили об использовании методов формирования импульсов NIR для достижения уникальной возможности исследовать разнообразный набор образцов, начиная от биомолекул на изолирующих поверхностях и заканчивая молекулами сахара на металлических поверхностях полностью воспроизводимым способом без изменения оптического выравнивания. 14 В этом отчете мы расширяем эту первоначальную демонстрацию, чтобы подробно описать все возможности спектрометра и формирования импульсов в контексте экспериментов vSFG с использованием различных образцов. В частности, мы используем модель границы раздела диметилсульфоксид (ДМСО)/воздух в качестве метрики, чтобы охарактеризовать улучшения спектрального разрешения, обеспечиваемые этой конструкцией, и продолжаем демонстрировать полезность адаптивного формирования импульса для изучения органических электролитов на границе раздела электродов.

II.ПРЕДПОСЫЛКИ И ТЕОРИЯ

A. Теория vSFG

vSFG представляет собой нелинейно-оптическую спектроскопию второго порядка, в которой один фотон ( ω IR ) индуцирует колебательную когерентность в молекулярном образце, который преобразуется с повышением частоты вторым фотоном ( ω 4 NIR ) для создания нового света в сумме двух частот возбуждения, ω SFG = ω IR + ω NIR . Интенсивность излучаемого света пропорциональна абсолютному квадрату эффективной нелинейной восприимчивости второго порядка, χeff2, и напряженности падающих полей ,22–24

ISFG∝ESFG2∝χeff2EIRENIR2.

(1)

Эффективная нелинейная восприимчивость второго порядка представляет собой сумму вклада резонансного χres2 и нерезонансного χNR2 10,14,23,25

+ IΓk,

(2)

где Ω K — это колебательная частота, a K — это амплитуда, а 2 γ K — это проживание k th -режим.Уравнение (2) показывает, что, когда компоненты ИК-спектра в широкополосном импульсе резонируют с колебательной модой, в излучаемом SFG происходит усиление и, таким образом, служит для создания колебательного спектра. При взаимодействии полей четного порядка в рамках дипольного приближения vSFG от центросимметричных и изотропных объемных сред в среднем компенсируется. Напротив, на границах раздела, где локальная симметрия нарушена, излучаемый свет когерентно добавляется, создавая легко наблюдаемые сигналы. Эта чувствительность к локальной симметрии делает vSFG мощной поверхностно-специфической спектроскопией, обеспечивая понимание только упорядоченных молекулярных слоев на границе раздела. 11,15,28–32,16–19,24–27 В пределе, когда χNR2 пренебрежимо мала, в спектре vSFG преобладают молекулярные резонансы на границе раздела и их интерференция друг с другом. С другой стороны, когда χNR2>χres2, например, на металлических поверхностях, χres2 становится относительно малым и может перекрываться фоновым сигналом от самой подложки. Как упоминалось выше, этот нерезонансный фон можно подавить, воспользовавшись сверхбыстрой дефазировкой электронной когерентности за счет переменной временной задержки между двумя возбуждающими полями или путем изменения временной формы импульсов преобразования с повышением частоты. 14,15,22

B. Формирование импульса

Для синтеза произвольной формы сигнала NIR для измерений vSFG необходимо контролировать спектральную фазу и амплитуду отдельных частотных компонентов в ультракоротком импульсе. Оптика в формирователе импульсов 4 f эффективно преобразует импульс во временной области в частотную область, где можно применить маску или функцию модуляции, M ( ω ), которая изменяет фазу и/или амплитуды. отдельных частотных составляющих согласно следующему уравнению: 2

, где E out ( ω ) представляет частотную область желаемой формы выходного импульса, а E ( ω ) описывает входной импульс.В нашем формирователе импульсов модулированный свет выходит через линию 4 f в обратном направлении для повторной сборки импульса обратно во временную область с использованием той же оптики, как будет более подробно описано ниже.

III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

A. Обзор прибора

показывает схему нашего нового спектрометра vSFG. Источником света служила система регенеративного усилителя (Spectra Physics Spitfire Ace), в которую вставлялся фемтосекундный осциллятор на титан-сапфире (Mai-Tai) для выработки средней мощности ~6 Вт при частоте повторения 1 кГц с обычно импульсами 42 фс.Используя светоделитель с фиксированным отношением, ~3,4 Вт выходного сигнала 800 нм направляли на оптический параметрический усилитель TOPAS-Prime Plus и смеситель разностной частоты для получения широкополосных импульсов накачки среднего ИК-диапазона. Спектральная полоса импульсов накачки среднего ИК-диапазона обычно составляла ≥300 см 90 291 -1 90 292 при полной ширине на полувысоте (FWHM) с центром на ~2900 см 90 291 -1 90 292 . Хотя средний ИК-диапазон был сосредоточен на этой конкретной частоте для всех экспериментов, представленных в этой работе, оптический параметрический усилитель (OPA) имеет широкий диапазон настройки, охватывающий от ~900 см 90 291 -1 90 292 до <4000 см 90 291 -1 90 292 .Таким образом, можно исследовать широкий спектр колебательных режимов для удовлетворения экспериментальных потребностей. Простота реализации этой настраиваемости дополнительно облегчается использованием нами коллинеарной геометрии возбуждения (т. е. БИК- и ИК-лучи комбинируются таким образом, что они распространяются по одному и тому же пути), и, таким образом, любые изменения центральной длины волны ИК- или БИК-диапазона не требуют перенастройки коллектора. Однако такая перестройка имеет решающее значение в неколлинеарных геометриях из-за изменяющихся условий фазового синхронизма.Фактически, для нашей коллинеарной геометрии изменение длины волны в среднем ИК-диапазоне требует лишь небольшой настройки временной задержки между импульсами из-за зависящих от длины волны показателей преломления в поляризационной и фокусирующей оптике. Кроме того, небольшие корректировки фокусного положения линзы возбуждения необходимы для оптимизации уровней сигнала.

Схема прибора vSFG. Во-первых, лазер был разделен между двумя оптическими путями. Для генерации импульсов среднего ИК-диапазона большая часть выходного сигнала усиленной лазерной системы направлялась в ОУМ со смесителем разностной частоты.Часть оставшегося NIR от усиленного лазера была отправлена ​​​​через дополнительный полосовой фильтр, уменьшена с помощью телескопа, задержана во времени и направлена ​​​​на наш компактный формирователь импульсов (изображение показано на вставке с зелеными точками). Два пути были очищены от поляризации и повернуты перед объединением в дихроичном зеркале в коллинеарной геометрии. Свет фокусировался на образец под углом 60° к нормали к поверхности. Сигнал vSFG собирали и диспергировали в спектрометре, оснащенном ПЗС-камерой.На синей пунктирной вставке показана схема модуляции, примененная к SLM для создания узкополосного симметричного сигнала, аналогичного функции щели. Также представлен рисунок решетки, нанесенный вдоль горизонтальной оси ПМС.

Из остаточного света от усилителя около 1,2 Вт было направлено через 2-кратный редукционный телескоп (диаметр луча был около 5 мм после телескопа) после фильтрации полосовым фильтром (Thorlabs, FBH800-10). Причина для этого шага фильтрации двояка: (1) он снижает интенсивность света 800 нм ниже порога пробоя / фазовой самомодуляции, что делает конструкцию телескопа менее требовательной; (2) поскольку для экспериментов vSFG требуется узкополосный БИК-свет, включение широкого спектрального окна не требуется, а удаление неиспользуемых компонентов делает выравнивание более безопасным.Несмотря на эти практические причины включения полосового фильтра для экспериментов vSFG, ниже мы показываем, что его включение не обязательно, если нужно получить, скажем, ультракороткие двойные импульсы и т. д. После телескопа и дополнительной фильтрации свет направлялся в ретрорефлектор, установленный на моторизованной ступени задержки перед поляризационной очисткой с помощью поляризатора лазера Глана и соединенный с самим формирователем импульсов. Формирователь импульсов 4 f () состоит из передающей решетки (Wasatch Photonics, WP-1200/840-25.4) в монтировке с поворотным наконечником и наклоном, которая использовалась для достижения максимальной дифракционной эффективности и ориентации относительно оптического стола (т. е. в горизонтальной плоскости). Затем плоское складное зеркало обратно отражает рассеянный пучок под углом вверх к нижней части цилиндрического зеркала с серебряным покрытием (Lambda Research Optics, PAG-CYLC-25,4 × 25,4B-200) с фокусным расстоянием 100 мм, которое служит для фокусировки отдельных частотных компонентов вдоль горизонтального измерения фазового 2D жидкого кристалла на кремниевом SLM (Hamamatsu, 2D-LCOS-SLM, модель X10468-02), расположенном в плоскости Фурье.SLM установлен на прецизионном линейном столике с наклонно-вращательным креплением, чтобы оптимизировать его положение и гарантировать, что все пиксели SLM находятся точно в плоскости Фурье. Ключевым аспектом этой конструкции является использование цилиндрического зеркала и 2D-SLM, что позволяет наносить узоры решетки вдоль вертикального измерения SLM для управления амплитудой частотных составляющих, тогда как спектральной фазой можно управлять с помощью маски применяются по горизонтали. Весь формирователь имеет площадь основания менее 12 × 12 дюймов.и стоит около 20 тысяч долларов (на момент покупки), что делает его очень жизнеспособной и недорогой альтернативой коммерческим многомасковым SLM или системам на основе акустооптического модулятора (AOM). Свет, отраженный от SLM, снимается с помощью квадратного зеркала за пределами линии 4 f и направляется в спектрометр vSFG. Измеренная пропускная способность формирователя импульсов 4 f составила ~70%. Настройка формирователя оптимизирована за счет максимизации эффективности преобразования генерации второй гармоники света с длиной волны 800 нм в кристалле β -бората бария (BBO); это обеспечивает конструкцию с нулевой дисперсией при отсутствии наложенной маски.Ключевой, но потенциально тонкий трюк в успехе этой системы заключается в применении дифракционной картины вдоль вертикального направления SLM, чтобы направить свет на наше измерительное зеркало. Это служит двум ключевым целям: (1) позволяет SLM полностью лежать в плоскости Фурье (т. е. его не нужно наклонять) и (2) гарантирует, что только модулированный свет достигает образца, предотвращая введение в спектрометр бесформенного света. 33,34 Пример этого нанесенного шаблона показан на вставке для щели, охватывающей 8 пикселей.Свет, который не взаимодействует с жидкими кристаллами или не имеет рисунка, просто отражается от модулятора и распространяется обратно по входному пути.

Упрощенный чертеж компактного формирователя импульсов NIR, используемого в этом приборе. Большой черный ящик — это тело ПМС, а серый прямоугольный ящик внутри — активная область. Пропускающая решетка рассеивает частотные составляющие, которые впоследствии отражаются от плоского складного зеркала, а затем фокусируются на ПМС с помощью цилиндрического зеркала.

Независимые пары поляризатор/волновая пластина использовались для очистки и поворота поляризации как ИК-, так и БИК-лучей перед объединением с использованием имеющегося в продаже дихроичного зеркала (ISP Optics, BSP-DI-25-2). Коллинеарно распространяющиеся лучи фокусировались на смонтированном на макетной плате предметном столике, состоящем из столика XYZ и 3-осевого гониометра. Высота образца контролировалась с помощью шагового двигателя, позволяющего точно и воспроизводимо позиционировать образец по отношению к падающим и выходящим оптическим компонентам.Стадии/окружения образцов можно легко изменить, заменив макетные платы, оснащенные соответствующим оборудованием, но разными ячейками для образцов. 15 Падающий свет был сфокусирован на образце с помощью линзы CaF 2 ( f = 150 мм), установленной на столике линейного перемещения под углом 60° по отношению к нормали к поверхности образца. Сигнал vSFG был собран и реколлимирован ахроматическим дублетом с фокусным расстоянием 150 мм и воздушным промежутком. Этот сигнал был поляризационно разрешен с использованием ахроматической полуволновой пластины, за которой следовал кальцитовый поляризатор Глана-Тейлора с коэффициентом контрастности 100 000:1.Такой подход гарантирует, что отражение света от зеркал и решеток будет постоянным, независимо от измеряемой поляризации света. Затем совпадающий сигнал и остаточный дальний свет были разделены с помощью фильтра короткого пропускания 785 нм (Semrock, SP01-785RU-25). Затем коллимированный, поляризационно-разрешенный и отфильтрованный сигнал vSFG фокусировали в спектрограф Acton SpectraPro SP-2300 с помощью пары кварцевых ( f = 50 мм и f = 15 мм) цилиндрических линз (Эксма-Оптика).Рассеянный свет был обнаружен с помощью ПЗС-камеры Pixis 256E с аппаратным бинированием по вертикали для заданной области интереса (ROI), которая состояла из 10 пикселей по вертикали. Области интереса сигнала и фона были заданы совместно и записаны одновременно для вычитания фона/база. Максимальное спектральное разрешение спектрографа составляет ∼1,9 см 90 291 -1 90 292 при использовании решетки 1800 штрихов/мм с центром на длине волны 652 нм и шириной щели 50 90 203 мкм 90 204 м. Весь прибор был заключен в серию герметичных продувочных коробок.Эталонные ИК-спектры, используемые для масштабирования спектров vSFG, были получены с поверхностей Au в комбинации поляризации PPP. 14 Программное обеспечение было разработано с использованием LabVIEW для управления SLM, линейными столиками, поворотными креплениями и сбором данных с ПЗС-камеры. Анализ данных выполнялся в автономном режиме с использованием сценариев LabVIEW и Python.

B. Калибровка фазы SLM

Фаза, применяемая к свету, падающему на каждый пиксель SLM, контролировалась путем вращения жидких кристаллов с приложенным напряжением.Динамический диапазон приложенного напряжения на ПМС является 8-битным и определяется уровнями шкалы серого от 0 до 256. Таким образом, полная фазовая модуляция от 0-2 π для каждой спектральной компоненты должна содержаться в 256 значениях шкалы серого для оптимальная спектрально-фазовая модуляция. Калибровка этих значений по соответствующей фазе, применяемой для каждой частоты, выполнялась с использованием метода кросс-поляризатора, в котором спектр фазомодулированного выходного импульса регистрировался спектрометром как функция каждого значения шкалы серого.В этой процедуре калибровки поляризация линейно поляризованного падающего луча была повернута на 45° к горизонтальной оси ПМС, а анализатор располагался перед спектрометром таким образом, что его ось передачи была кросс-поляризована по отношению к оси поляризации падающего луча. Поскольку жидкие кристаллы в каждом пикселе SLM по умолчанию выровнены горизонтально, они взаимодействуют только с компонентой падающего электрического поля, параллельной этому измерению, в то время как перпендикулярная компонента электрического поля остается неизменной.Следовательно, поляризация каждого из пространственно распределенных спектральных компонентов поворачивалась на разную величину, так как фаза горизонтальной составляющей электрического поля задерживалась относительно вертикальной составляющей с помощью SLM. В зависимости от степени этого поворота поляризации отдельные частотные компоненты будут проходить через анализатор с различной амплитудой. Например, когда к горизонтальному измерению не применяется разность фаз относительно вертикального, выходная поляризация будет совпадать с входной, и анализатор блокирует свет.В качестве альтернативы, если применяемое значение шкалы серого вызывает фазовый сдвиг на π радиан относительно горизонтальной составляющей падающего электрического поля, выходная поляризация поворачивается на 90° относительно падающей поляризации, и максимальная интенсивность передается и обнаруживается. Результирующие спектры собираются для каждого значения оттенков серого, которое применялось ко всей активной области SLM.

Спектры измерения фазовой калибровки представлены в , где по оси x представлены примененные уровни шкалы серого в диапазоне от 0 до 256, а по оси Y — измеренные спектры.Данные для двух отдельных длин волн, 795 нм (красные кружки) и 800 нм (серые ромбы), извлечены и нанесены на график, и ясно показывают фазовую модуляцию > 2π для этих спектральных компонентов во всем диапазоне оттенков серого. Калибровка завершалась подгонкой данных для каждой длины волны к следующему уравнению: 8,34

I(g)=121-cosϕxg-ϕy,

(4)

, где I ( g ) – измеренная интенсивность, а ϕ x ( g ) и ϕ y – фаза вдоль горизонтального и вертикального размеров ПМС соответственно.Извлеченная фаза, ϕ x ( g ), затем может быть подогнана к линии (или другому многочлену), как показано на рис. , чтобы создать справочную таблицу для применения желаемой фазы. Эту калибровку необходимо повторять только при больших изменениях спектра импульса или при изменении управляющего напряжения SLM.

Фазовая калибровка SLM. (a) График в искусственных цветах, показывающий влияние применения однородной фазы, на что указывают различные значения шкалы серого, на переданный спектр, как описано в тексте.Линии из (а) с центром на 795 нм (красный/круг) и 800 нм (серый/ромб) показаны на (б) вместе с подгонкой к уравнению. (6) описано в тексте. Извлеченная фаза, зависящая от длины волны, показана на (c) вместе с линейной аппроксимацией, которая служит в качестве калибровки.

C. Калибровка длины волны в зависимости от пикселя SLM

В отличие от калибровки фазы, калибровка длины волны для определения горизонтального положения каждой частотной составляющей обычно проводится перед каждым экспериментом. Поскольку в нашем приборе луч БИК и сигнал vSFG распространяются коллинеарно, для этой калибровки и для обнаружения сигнала можно использовать одну и ту же оптику спектрометра, просто изменив центральную длину волны решетки спектрографа и удалив режекторный фильтр БИК с пути сбора сигнала.Калибровка заданного горизонтального пикселя на определенную длину волны света, которую он формирует, использует преимущества вертикальной решетки, которая обсуждалась ранее. В этом подходе рисунок решетки применялся только вдоль одного вертикального массива пикселей. Это приводит к тому, что только узкая полоса пропускания света дифрагирует, затем собирается чувствительным зеркалом и передается на спектрометр. Затем рисунок щели сканировали по горизонтальной оси SLM. отображает наблюдаемую длину волны, при которой была измерена максимальная интенсивность для каждого положения щели на SLM.Эта калибровка была повторена для каждой из трех различных решеток спектрографа, которые использовались для достижения различных экспериментальных разрешений как с полосовым фильтром предварительного формирователя, так и без него. Синими точками показаны данные без полосового фильтра, где, как и ожидалось, во всем спектральном диапазоне наблюдалась линейная зависимость. При установленном полосовом фильтре данные, полученные в результате той же процедуры калибровки, отображаются в виде красных ромбов и соответствуют данным, полученным без использования фильтра, хотя и в меньшем окне, определяемом полосой пропускания полосового фильтра.Вне этого спектрального окна, где спектральные составляющие перед входом в формирователь импульсов были отфильтрованы, обнаруживается постоянный фон, независимо от положения щели ПМС. Обратите внимание, что результаты калибровки для всех трех решеток согласуются друг с другом независимо от применения полосового фильтра до SLM или от того, какая решетка использовалась в экспериментах. Средняя спектральная дисперсия составила ∼0,14 нм/пиксель, рассчитанная на основе калибровки для спектрального окна, охватывающего от 765 до 820 нм.Линейный фазовый сдвиг рассчитывается по следующему уравнению: 3

φ=±λ022cΔλ fs=±7619 fs,

(5)

, где λ 0 — центральная длина волны полосы преобразования с повышением частоты (в нм). , Δ λ — средняя спектральная дисперсия (также в нм), c — скорость света (299,79 нм/фс). Это указывает на то, что доступный диапазон задержек для нашего формирователя импульсов составляет ∼15 пс.

Калибровка длины волны в зависимости от пикселя для трех разных решеток в спектрометре с 600, 1200 и 1800 штрихов/мм соответственно.Полосовой фильтр (с центром на 800 нм) использовался перед формирователем импульсов для сужения ширины спектра входного импульса. Точки данных, обозначенные ромбами и кружками на каждом графике, соответствуют калибровке с полосовым фильтром и без него соответственно.

D. Измеренная полоса пропускания в зависимости от ширины применяемой щели

показывает спектр импульса преобразования с повышением частоты NIR при нескольких характерных значениях ширины щели. Обратите внимание, что форма входного импульса не является простым профилем Гаусса. Ряд ширины щели с центром в 799.5 нм были применены к SLM, и свет был собран в нашем спектрометре для непосредственного измерения ширины спектра на FWHM, как показано на рис. Измеренные значения ширины полосы представлены как функция ширины щели в . На основании данных ожидается экстраполированная минимальная ширина полосы ∼0,18 нм на 799,5 нм, что приводит к ограниченному лазером спектральному разрешению ∼2,8 см -1 в спектрах vSFG. 35 С другой стороны, оптимальное спектральное разрешение, которое мы ожидаем наблюдать при решетке спектрометра 1800 штрих/мм, составляет ∼1.9 см −1 . Таким образом, наше максимальное спектральное разрешение по-прежнему ограничено импульсом преобразования с повышением частоты. Несмотря на это ограничение, это разрешение примерно в 3 раза выше, чем обычно сообщается для широкополосных инструментов vSFG, но оно не достигает разрешения менее 90 291 −1 90 292 субсантиметров, характерного для чрезвычайно специализированных инструментов. 36,37

БИК-спектры и соответствующие полосы пропускания при различной ширине щели. На (а) символы представляют собой измеренные спектры, где двусторонние стрелки указывают измеренную ширину полосы на полувысоте.(b) показывает измеренную ширину полосы пропускания в зависимости от ширины применяемой щели на SLM. Три репрезентативных спектра, показанные на (а), обозначены на (б) соответствующим цветом.

E. Характеристика ширины импульса NIR

Длительность импульса NIR измерялась как функция ширины щели, подаваемой на SLM, путем кросс-корреляции сформированного импульса NIR с широкополосными фс-импульсами среднего ИК-диапазона с использованием окна из GaAs. Временная задержка NIR по отношению к импульсу среднего IR варьировалась с использованием каскада линейной задержки с шагом 10 фс для создания временных трасс, показанных на рис.Свертка очень короткого импульса (ИК) с более длинным импульсом БИК служит для отображения временной формы волны БИК. Ширина спектра ~0,22 нм (3,44 см -1 ), ~0,4 нм (6,25 см -1 ) и ~1,1 нм (17,2 см -1 ) соответствовала использованию ширины щели 2, 4 и 12 пикселей соответственно. Длительности импульсов ∼4,2 пс, ∼2,2 пс и ∼0,6 пс были измерены на полувысоте измеренных данных, показанных на рис. Предполагая, что форма импульса sech 2 , которая лучше имитирует цилиндрическую форму спектра, которую мы получаем от лазерной системы, по сравнению с гауссовским профилем, мы можем рассчитать длительность импульса, ограниченную преобразованием, используя ранее измеренную ширину спектра (данные от ).Сравнивая эти значения длительности импульсов, ограниченных преобразованием, с измеренными, мы приходим к данным, демонстрирующим превосходное совпадение при больших применяемых полосах пропускания, тогда как для более узких полос пропускания, т. е. менее 0,5 нм, измеренные длительности импульсов больше, чем импульсы, ограниченные преобразованием. Это различие, скорее всего, связано с оценкой спектральных ширин, что осложняется ограничениями спектрального разрешения спектрографа/ПЗС и небольшой асимметрией формы спектров, наблюдаемой при использовании узких щелей.

Длительности импульсов NIR, определенные с помощью кросс-корреляционных измерений, показаны на (а). Длительности выделенных импульсов составляли ∼4,2, ∼2,2 и ∼0,6 пс при ширине щели 2, 4 и 12 пикселей соответственно. (b) Измеренная длительность импульса нанесена как функция измеренной ширины полосы. Для сравнения показаны ожидаемые значения ширины импульса преобразования с использованием спектральной информации из . Трехрепрезентативные измерения взаимной корреляции в (а) обозначены в (б) соответствующими цветными кружками.

F. Генерация импульсов с временной асимметрией

Важным применением формирователя импульсов является применение сигналов произвольной формы для конкретных экспериментальных нужд. Во многих случаях, особенно с металлическими и полупроводниковыми поверхностями, нерезонансный фон доминирует в отклике vSFG. Чтобы обойти эту проблему, были разработаны нерезонансные методы подавления с использованием асимметричной формы волны, полученной от эталона, который временно задержан на несколько 100 фс, чтобы избежать сверхбыстрого отклика подложки. 10,21 Для создания эталонного сигнала с помощью ПМС мы применили передаточную функцию

, где R — коэффициент отражения, θ — угол наклона, d — расстояние между виртуальными эталонными поверхностями. Путем настройки отражательной способности виртуального эталона с помощью формирователя импульсов от R = 0,97, 0,98 до 0,99 и отображения взаимной корреляции, как это сделано в гл. III E, мы приходим к временным траекториям, показанным на рис.Эти измеренные формы сигналов были приспособлены к правостороннему экспоненциальному затуханию, чтобы получить константы затухания ∼0,8 пс, ∼1,1 пс и ∼1,9 пс с использованием значений R 0,97, 0,98 и 0,99 соответственно. Точно так же настройка θ позволяет выбирать различные спектральные окна из падающего импульса, как показано на рис. Это обеспечивает вышеупомянутое переменное управление центральной длиной волны и связанное с этим спектральное разрешение, которое невозможно при использовании фиксированного эталона.

Символические точки данных в (a) представляют собой измеренные взаимные корреляции, полученные путем изменения эталонной отражательной способности; Р = 0.97, 0,98, 0,99. Сплошные линии показывают экспоненциальную подгонку данных для оценки времени затухания. (b) показывает возможность перестройки центральной длины волны путем изменения виртуального угла наклона θ эталона, созданного SLM.

IV. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Влияние ширины полосы спектра NIR на спектральное разрешение vSFG было продемонстрировано с использованием чистого интерфейса DMSO/воздух, как показано на рис. Спектры vSFG были собраны с использованием комбинации поляризации SSP, где буквы описывают поляризацию световых полей vSFG, NIR и IR соответственно.Импульсы NIR были симметричными, и для получения этих спектров использовались полосы пропускания 11,4, 8,8, 6,2 и 3,6 см 90 291 -1 90 292 . Среднее положение пика при 2926 см -1 соответствует метил-симметричной полосе ДМСО, что согласуется с предыдущими измерениями vSFG. 16,38,39 Положения пиков, амплитуды и ширины спектров vSFG были извлечены путем подгонки данных к уравнениям. (1) и (2), используя только один резонанс, чтобы избежать переобучения данных. Ширины линий, извлеченные из этих подгонок, сравниваются с входными пропускными способностями NIR, как показано на рис.Как и ожидалось, ширина спектра метилового симметричного участка уменьшалась с более узкими полосами пропускания NIR с небольшими отклонениями между наборами данных как при высоком, так и при низком разрешении. Различия в более узких полосах частот можно объяснить важностью неоднородного уширения, сверткой полосы пропускания лазера с разрешением спектрометра и интерференцией между близко расположенными резонансами. При большей ширине полосы спектральная аппроксимация заметно хуже из-за того, что используемая модельная функция не соответствует описываемым физическим процессам (т.е., форма линии отклоняется от лоренцевой при плохом спектральном разрешении), что делает оценки формы линии меньше, чем ожидалось. Несмотря на эти относительно небольшие различия (т. е. разница в ширине всего ~1 см 90 291 -1 90 292 ), ясно, что спектральное разрешение vSFG можно надежно изменить с помощью нашего формирователя импульсов полностью воспроизводимым и обратимым способом без повторной настройки или повторной характеристики.

(a) Спектры vSFG, полученные от интерфейса воздух/ДМСО с использованием импульсов NIR различной ширины полосы пропускания.Ширина щели 8, 6, 4 и 2 пикселя использовалась для получения NIR-импульсов с шириной полосы ∼11,4, ∼8,8, ∼6,2 и ∼3,6 см 90 291 -1 90 292 соответственно. Спектры были масштабированы и смещены для лучшего визуального сравнения. Было обнаружено, что восстановленная ширина линии (измеренная на HWHM) из спектральной подгонки составляет ~9,4, ~8,3, ~7,7 и ~4,7 см 90 291 -1 90 292 для вышеупомянутых полос пропускания NIR соответственно. Экстраполированные полосы NIR от SLM и восстановленные ширины спектральных линий представлены на графике (b) как функция ширины щелей.

Разница между использованием симметричных во времени и асимметричных форм импульсов при нерезонансном подавлении фона продемонстрирована в случае пропиленкарбоната на пленках Au (111), собранных в комбинации поляризации SSP. Пропиленкарбонат представляет собой органический растворитель, обычно используемый в качестве компонента электролитов с высокой диэлектрической проницаемостью в литий-ионных батареях. Поверхность Au создает значительное количество нерезонансного фона, что затрудняет измерение некоторых молекулярных колебаний из-за подавляющего фонового отклика.Симметричные и асимметричные формы импульсов генерировались путем наложения соответствующих масок на ПМС и их задержки на 100 фс по отношению к возбуждающему ИК лазерному импульсу. показан спектр vSFG пропиленкарбоната, полученный из асимметричной формы импульса (синие ромбы) и симметричной формы импульса (красные кружки). Асимметричные во времени импульсы генерировались с использованием коэффициента отражения 0,99 для получения асимметричного во времени импульса с постоянной затухания ~1,9 пс. Примечательно, что величина нерезонансного сигнала от подложки Au намного выше для симметричного импульса по сравнению с асимметричным импульсом (см. вставку для немасштабированных данных).Примечательно, что при использовании симметричного импульса края спектра искажены, а при частичном подавлении нерезонансного фона при использовании несимметричного во времени импульса края становятся плоскими. Это выдвигает на первый план проблему сбора слабых или умеренных сигналов, мешающих огромным фоновым вкладам, и использования поправок для количественного масштабирования данных. Это иллюстрируется нашими измерениями, которые были собраны один за другим с использованием одного и того же образца, только с изменением формы импульса с помощью формирователя импульса — эти результаты показывают, что фон был хорошо масштабирован с использованием нашей процедуры нормализации для асимметричного импульса, в то время как для симметричный импульс, так как вариации абсолютных интенсивностей фона приводят к несовершенному масштабированию.Это упрощает анализ измеренного сигнала, особенно при подгонке данных, и снижает вероятность возникновения проблем с нормализацией сигнала. Иногда желательно оставить часть нерезонансного фона для усиления слабых сигналов, как это было сделано здесь. Спектральные особенности, измеренные в обоих случаях, согласуются друг с другом, но менее искажены для асимметричного импульса.

Спектры vSFG пропиленкарбоната на границе раздела Au, полученные с использованием импульсов двух разных форм: гауссовой и правосторонней экспоненциальной.Оба импульса были задержаны во времени на 100 фс по отношению к импульсам ИК накачки. На вставке показаны немасштабированные данные.

V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Здесь мы подробно описали конструкцию и испытания многоцелевого спектрометра vSFG с возможностью изменения формы импульса NIR без перенастройки для исследования широкого спектра образцов. Мы подробно описали нашу схему формирования импульсов 4 f , принципы работы и охарактеризовали ее полезность на нескольких образцах, охватывающих нелинейные среды, границы раздела воздух/жидкость и границы раздела подземных электродов/жидкости.Ожидается, что, основываясь на полезности изменения формы импульса для удовлетворения экспериментальных потребностей, эта конструкция найдет первопроходцев, заинтересованных в расширении научных вопросов, которые можно решать с использованием существующей инфраструктуры, устраняя при этом время простоя, связанное с оптической реконфигурацией и определением характеристик. Кроме того, приложения, выходящие за рамки продемонстрированных здесь, такие как генерация нескольких импульсов для измерений vSFG во временной области 11,40,41 или схемы гетеродинного обнаружения 27 , могут быть легко выполнены без необходимости изменения экспериментальной геометрии.

Достижения лазерных технологий в направлении нелинейной оптики

За последние 60 лет быстрое развитие лазерных технологий позволило внедрить множество инноваций в нелинейную оптику, в том числе; преобразование частоты, сверхбыстрая оптика и полностью оптическая модуляция. Одновременно эти инновации способствуют дальнейшему развитию в большом количестве междисциплинарных областей, таких как; физика сильных полей, космонавтика, оптические материалы, биомедицина и т.д.Например, интенсивная лазерная технология нелинейного преобразования частоты (а именно, оптические параметрические генераторы, генерация высоких гармоник и т. д.) может эффективно расширить диапазон длин волн, демонстрируемый лазерами, чтобы сделать возможным их применение в нескольких конкретных случаях, таких как; лазерная направляющая звезда, литография и мультиспектральная визуализация. В последние годы усовершенствованная лазерная технология с узкой шириной линии позволила провести углубленный анализ нелинейного оптического рассеяния третьего порядка, стимулированного бриллюэновским эффектом, что способствует быстрому развитию фотоники, распределенного зондирования, временного и пространственного формирования и т. д.

За последние несколько десятилетий был достигнут значительный прогресс в лазерных технологиях, в том числе; улучшение энергии и мощности, расширение длины волны, сжатие ширины импульса, повышение яркости и формирование луча. Эти инновации вызвали новые явления и достигли новых функций в области нелинейной оптики. Это, в свою очередь, привело к тому, что нелинейная оптика стала предметом значительного интереса в передовых науках и областях применения. В этой теме мы с нетерпением ждем материалов, исследующих границы лазерных технологий в нелинейной оптике, от фундаментальной физики до передовых приложений.Вклады могут быть сосредоточены на фундаментальных аспектах лазерной физики и технологии, лазерно-индуцированной нелинейной оптики (а именно, нелинейной динамики, нелинейных явлений, нелинейных манипуляций и т. д.), спектроскопии, оптических материалов и т. д. Приветствуются как теоретические, так и экспериментальные результаты, включая исследовательские и обзорные статьи.

В этой теме исследования приветствуются неопубликованные результаты в форме оригинальных исследований и обзоров. Потенциальные темы включают, но не ограничиваются:

• Фундаментальная физика с нелинейной оптикой
• Преобразование частоты
• Лазерная техника
• Формирование структурированного света с помощью нелинейной оптики
• Лазер Рамана и Бриллюэна
• Оптические материалы
• Вынужденное рассеяние
• Спектроскопия
• Сверхбыстрая оптика и генерация гармоник высокого порядка
• Технология оптической модуляции

Ключевые слова : структурированный свет, вынужденное рассеяние, спектроскопия, сверхбыстрая оптика и генерация гармоник высокого порядка, модуляция луча

Важное примечание : Все вклады в эту тему исследования должны быть в рамках раздела и журнала, в который они представлены, как это определено в их заявлениях о миссии.Frontiers оставляет за собой право направить рукопись, выходящую за рамки рассмотрения, в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

За последние 60 лет быстрое развитие лазерных технологий позволило внедрить множество инноваций в нелинейную оптику, в том числе; преобразование частоты, сверхбыстрая оптика и полностью оптическая модуляция. Одновременно эти инновации способствуют дальнейшему развитию в большом количестве междисциплинарных областей, таких как; физика сильных полей, космонавтика, оптические материалы, биомедицина и т.д.Например, интенсивная лазерная технология нелинейного преобразования частоты (а именно, оптические параметрические генераторы, генерация высоких гармоник и т. д.) может эффективно расширить диапазон длин волн, демонстрируемый лазерами, чтобы сделать возможным их применение в нескольких конкретных случаях, таких как; лазерная направляющая звезда, литография и мультиспектральная визуализация. В последние годы усовершенствованная лазерная технология с узкой шириной линии позволила провести углубленный анализ нелинейного оптического рассеяния третьего порядка, стимулированного бриллюэновским эффектом, что способствует быстрому развитию фотоники, распределенного зондирования, временного и пространственного формирования и т. д.

За последние несколько десятилетий был достигнут значительный прогресс в лазерных технологиях, в том числе; улучшение энергии и мощности, расширение длины волны, сжатие ширины импульса, повышение яркости и формирование луча. Эти инновации вызвали новые явления и достигли новых функций в области нелинейной оптики. Это, в свою очередь, привело к тому, что нелинейная оптика стала предметом значительного интереса в передовых науках и областях применения. В этой теме мы с нетерпением ждем материалов, исследующих границы лазерных технологий в нелинейной оптике, от фундаментальной физики до передовых приложений.Вклады могут быть сосредоточены на фундаментальных аспектах лазерной физики и технологии, лазерно-индуцированной нелинейной оптики (а именно, нелинейной динамики, нелинейных явлений, нелинейных манипуляций и т. д.), спектроскопии, оптических материалов и т. д. Приветствуются как теоретические, так и экспериментальные результаты, включая исследовательские и обзорные статьи.

В этой теме исследования приветствуются неопубликованные результаты в форме оригинальных исследований и обзоров. Потенциальные темы включают, но не ограничиваются:

• Фундаментальная физика с нелинейной оптикой
• Преобразование частоты
• Лазерная техника
• Формирование структурированного света с помощью нелинейной оптики
• Лазер Рамана и Бриллюэна
• Оптические материалы
• Вынужденное рассеяние
• Спектроскопия
• Сверхбыстрая оптика и генерация гармоник высокого порядка
• Технология оптической модуляции

Ключевые слова : структурированный свет, вынужденное рассеяние, спектроскопия, сверхбыстрая оптика и генерация гармоник высокого порядка, модуляция луча

Важное примечание : Все вклады в эту тему исследования должны быть в рамках раздела и журнала, в который они представлены, как это определено в их заявлениях о миссии.Frontiers оставляет за собой право направить рукопись, выходящую за рамки рассмотрения, в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

Пример обнаружения и распределения кокаина в волосах у потребителя кокаина

Abstract

Волосы человека в процессе своего роста поглощают многочисленные биомолекулы из организма. Это может действовать как отпечаток пальца для определения потребления веществ человеком, что может быть полезно в судебно-медицинских исследованиях.Профиль концентрации кокаина вдоль оси роста волос указывает на временную эволюцию метаболического включения употребления кокаина. Его можно оценить либо путем химической экстракции и дальнейшего анализа пучков волос, либо путем прямого анализа отдельных волосяных волокон с помощью масс-спектроскопии (MSI). В рамках этой работы мы проанализировали распределение кокаина в отдельных образцах волос с помощью MeV-SIMS. В отличие от обычных методов анализа поверхности, мы демонстрируем высокий выход нефрагментированных молекулярных ионов с поверхности биологических материалов, что обеспечивает высокую химическую чувствительность и неразрушающие характеристики.Образцы волос были приготовлены путем продольного разрезания вдоль оси роста, оставив полуцилиндрическую форму для доступа к внутренней структуре волос с помощью зондирующего ионного луча, и прикреплены к кремниевой пластине. Сфокусированный пучок 35 Cl 6+ с энергией 5,8 МэВ сканировали по неповрежденной, химически чистой структуре волос. Нефрагментированный молекулярный пик [M+ H] + кокаина на m / z = 304 был обнаружен и локализован вдоль поперечного сечения волоса.Его интенсивность сильно колеблется вдоль направления роста волос с ярко выраженными пиками шириной до 50 микрометров, что соответствует времени метаболического включения ок. три часа.

Образец цитирования: Джеромел Л., Огринц Н., Сикетич З., Вавпетич П., Рупник З., Бучар К. и др. (2022) Молекулярная визуализация волос человека с помощью MeV-SIMS: тематическое исследование обнаружения и распределения кокаина в волосах человека, употребляющего кокаин. ПЛОС ОДИН 17(3): e0263338. https://дои.org/10.1371/journal.pone.0263338

Редактор: Джозеф Бануб, Рыбное хозяйство и океаны Канады, КАНАДА

Получено: 27 сентября 2021 г .; Принято: 17 января 2022 г .; Опубликовано: 25 марта 2022 г.

Авторское право: © 2022 Jeromel et al. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Мы загрузили соответствующие наборы данных в Zenodo со следующим DOI: (10.5281/zenodo.6089948).

Финансирование: Работа в JSI поддерживалась грантами Словенского исследовательского агентства № P1-0112, I0-0005, J7-9398 и N1-0090. Кроме того, ресурсы и в рамках проекта ЕС h3020 № 824096 «RADIATE» и проектов ПКИ МАГАТЭ F11019 «Разработка методов картирования молекулярных концентраций с использованием пучков сфокусированных ионов МэВ» и F11021 «Усовершенствование ядерных аналитических методов для удовлетворения потребностей судебной медицины».НЕТ. выражает признательность Европейскому союзу, Европейскому социальному фонду и поддержке Программы IAPP Марии Кюри Европейского Союза FP7, BRAINPATH. Дорожный грант для длительного пребывания за границей ЕС был предоставлен Fonds Wetenschappelijk Onderzoek (FWO). Спонсоры не участвовали в разработке исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Присутствие запрещенных химических веществ в организме человека обычно контролируют путем объемного химического анализа или спектроскопическими методами биологических образцов [1–5], таких как моча, слюна, пот и волосы.Лекарства и их метаболиты остаются химически стабильными в волосах в течение более длительного периода времени, тогда как следы наркотиков в моче или других жидкостях организма обычно вымываются в течение нескольких дней. Анализ лекарственных средств и фармацевтических соединений в человеческих волосах позволяет получить представление о недавней истории (аб)использования, зафиксированной в структуре волос путем включения молекул и их метаболических фрагментов [6–8]. Различные фармацевтические вещества, а также запрещенные вещества были обнаружены в волосах [9, 10] с помощью различных аналитических методов.К незаконным веществам, обнаруженным в волосах, относятся кокаин [11], героин [12], морфин [13], Δ9-тетрагидроканнабинол (ТГК) [14], кодеин [15], амфетамины [16] и анаболические стероиды [17], а также рецептурные препараты. лекарства [18] и косметические продукты [19]. Масс-спектрометрия образцов человеческих волос даже оказалась полезным инструментом для контроля за соблюдением пациентом протокола лекарственного лечения [20].

Лекарства или химические вещества могут проникать в структуру волос путем пассивной диффузии из кровеносных капилляров в растущие клетки у основания волосяного фолликула.С некоторой задержкой препараты могут попадать и в кератогенную зону при формировании волосяного стержня. Кроме того, лекарства могут проникать путем диффузии с выделениями пота или кожного сала [21]. Скорость включения лекарственного средства в волосы зависит от содержания меланина в волосах, липофильности и основности лекарственного вещества [22], а также фазы роста волос. Представляет большой интерес знать масштаб и интенсивность колебаний концентрации на коротком временном масштабе, т.е., ежедневно или ежечасно, так как это может отражать кратковременные колебания концентрации жидкости в организме, показывая частоту и дозу воздействия, а также реакцию метаболизма после приема препарата.

Типичные значения концентрации кокаина в образцах волос после его введения составляют от 0,5 до 216 нг/мг [23]. Химическая экстракция широко используется для обнаружения присутствия кокаина в волосах, применяя стандартный кислотный гидролиз, экстракцию органическими растворителями или передовые методы экстракции, т.е.е. сверхкритическая флюидная экстракция с последующей газовой хроматографией/масс-спектрометрией [24, 25]. Путем последовательного извлечения сегментов прядей волос, обычно длиной 1 см, могут быть получены долгосрочные записи об (аб)использовании. Колебания концентрации кокаина на более короткой шкале можно измерить с помощью нескольких методов MSI [26, 27]. Матричная лазерная десорбция/ионизация (MALDI) широко применялась для изучения продольного распределения кокаина в волосах человека. Порта и др. представила быстрый скрининг 60 мм волос с помощью MALDI, охватывающий период роста ок.полгода с заявленным пространственным разрешением 1 мм [28]. Примерно такое же пространственное разрешение было сообщено Cuypers et al. [29], которые изучали влияние обесцвечивания волос на способность обнаруживать кокаин в волосах человека, а также продукты реакции кокаина после обесцвечивания. Дополнительное описание метода MALDI на человеческих волосах можно найти в сборнике под редакцией Симоны Франчезе [30].

Продольное сечение волоса, открывающее его внутреннюю часть, позволяет пучку первичных ионов, используемому для вторичной ионной масс-спектроскопии (SIMS), получить доступ к матрице волоса, что позволяет обнаруживать химические вещества, содержащиеся в волосах.Таким образом, становится возможным позиционно-чувствительное обнаружение кокаина и его метаболитов в волосах, характеризующееся высоким латеральным разрешением метода SIMS. Флиндерс и др. [31] сообщили об анализе MetA-SIMS образцов продольно срезанных волос, покрытых слоем золота для повышения химической чувствительности традиционного метода SIMS.

Удар первичных ионов в ВИМС запускает каскад бильярдных ядерных столкновений и вызывает диссоциацию и фрагментацию материала органических образцов, что приводит к низким выходам молекул с большой массой, выбрасываемым из анализируемых образцов, и, соответственно, к низкому химическому чувствительность для m / z > 500.В классической установке SIMS абсолютные выходы колеблются от 10 -4 до 10 -3 на одну сталкивающуюся частицу. Для увеличения абсолютных молекулярных выходов и связанной с этим химической чувствительности в ВИМС были введены кластерные пучки, такие как , , , и кластеры с n = 55–3000 [32, 33]. Совсем недавно было продемонстрировано, что использование кластеров воды в SIMS еще больше улучшает оба аспекта [34, 35].

В качестве альтернативы атомарные тяжелые ионы с энергиями в диапазоне МэВ могут применяться в инновационной аналитической методике, которая сейчас называется МэВ-ВИМС [36–38].В отличие от стандартной ВИМС ионный пучок взаимодействует с электронами, а не с ядрами в образце. Плотный перенос энергии от снаряда к электронам вдоль пути первичного иона индуцирует ударные волны в материале мишени и приводит к высокой вероятности десорбции крупных нефрагментированных вторичных молекулярных ионов [36, 39–41], поэтому абсолютные выходы могут может достигать 10 –1 –10 –2 на первичный ион [41]. Верхний предел детектируемых нефрагментированных молекулярных масс сильно зависит от тормозной способности электронов применяемого иона и может увеличиваться до нескольких 10 кДа для очень тяжелых быстрых ионов, применяемых в качестве первичных пучков, т.е.е. 90 МэВ 127 I. Метод отличается высоким потенциальным латеральным разрешением; Поскольку предварительная обработка поверхности образца не требуется, а сечение повреждения, связанное с воздействием отдельного первичного иона, составляет порядка нескольких квадратных нанометров [42], латеральное разрешение MeV SIMS в первую очередь определяется размером первичный ионный пучок. Недавно сообщалось об исследованиях субмикрометрового латерального разрешения с помощью MeV-SIMS [43, 44]. Наши результаты показывают, что MeV-SIMS позволяет определять концентрацию кокаина в волосах человека с латеральным разрешением до 50 мкм м без необходимости химической подготовки образца.

Experimental

Времяпролетный масс-спектрометр (TOF) для анализа МэВ-SIMS был реализован на установке высокоэнергетического сфокусированного ионного пучка Института Йожефа Стефана (JSI) (рис. 1). Система фокусировки ионов, оснащенная магнитной квадрупольной триплетной линзой, способна фокусировать ионные пучки в геометрическом центре камеры. Моторизованный пятиосевой вакуумный гониометр, микроскоп с оптическим увеличением, два рентгеновских детектора для низких и высоких энергий рентгеновского излучения, детектор обратно рассеянных ионов и двухосевой СТИМ-детектор интегрированы вместе со спектрометром TOF в измерительная камера [45].Спектрометр TOF устанавливается под углом 55° по отношению к направлению первичного луча. С тех пор описанная система была усовершенствована.

Пучок 35 Cl извлекается из источника отрицательных ионов с распылением цезия и ускоряется с помощью тандемного ускорителя мощностью 2 МВ. Пучок ионов 35 Cl 6+ выбирается среди зарядовых состояний на выходе ускорителя переключающим магнитом. Этот первичный ионный пучок пульсирует с помощью комбинации дефлектора с параллельными пластинами, расположенного под номером 9.5 метров от образца и коллиматорную щель, расположенную в двух метрах от образца [45]. Одна из дефлекторных пластин смещена постоянным напряжением +900 В, а вторая подключена к быстродействующему высоковольтному ключу, способному поднять напряжение с временем нарастания 10 нс до потенциала 900 В и тем самым вывести пучок в неотклоненное (открытое) положение на периоды от 20 нс до 230 нс. Данные собираются и обрабатываются с использованием комбинации программного обеспечения, предоставленного Oxford Microbeams, и собственного кода.

Принципиальная схема линейного времяпролетного (TOF) масс-спектрометра показана на рис. 2. Короткий импульс первичных ионов 35 Cl 6+ с энергией 5,8 МэВ падает на образец. Постоянное напряжение смещения +3 кВ, приложенное к образцу, ускоряет десорбированные вторичные ионы из образца по направлению к заземленному экстракционному электроду времяпролетного масс-спектрометра. Электростатическая линза Эйнцеля направляет поток вторичных ионов на микроканальную пластину (МКП), расположенную на конце бесполевой дрейфовой трубки длиной 1 м [45].Поверхность первого МКП смещена при фиксированном напряжении -2,2 кВ и обеспечивает дополнительное ускорение положительных вторичных ионов, что повышает эффективность детектора МКП. Инвертируя целевое напряжение смещения до отрицательного -3,4 кВ, система позволяет работать в режиме отрицательных ионов, при котором обнаруживаются отрицательно заряженные вторичные ионы.

Рис. 2. Работа линейного времяпролетного масс-спектрометра, установленного под углом 55° к направлению пучка.

Вторичные ионы извлекаются с помощью напряжения, приложенного к держателю образца, и направляются линзой Эйнцеля к детектору микроканальной пластины, расположенному в конце бесполевой области дрейфа длиной 1 м.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0263338.g002

МэВ-SIMS выполняется непосредственно на исходной поверхности образца. Из-за высокого выхода вторичных ионов чрезвычайно низкие первичные ионные токи в диапазоне fA могут быть применены в МэВ-ВИМС, что уменьшает поверхностный заряд любых непроводящих материалов образца до такой степени, что это не приводит к значительному ухудшению масс-спектра. качественный. Покрытие образцов специальными матрицами, как в случае MALDI, или проводящими слоями в MetA-SIMS, для MeV-SIMS не требуется.Сечение повреждения, связанное с воздействием одиночного первичного иона, составляет порядка нескольких квадратных нанометров [42]. В результате латеральный размер первичного ионного пучка преимущественно определяет пространственное разрешение МэВ-ВИМС. Достижимый размер пучка на установке высокоэнергетического сфокусированного ионного пучка в JSI зависит от яркости ионного источника и составляет 600 × 600 нм 2 для протонов [46]. Для ионов хлора, используемых для МэВ-SIMS, существующая яркость источника ионов распыления значительно ниже, что приводит к 5.8 МэВ 35 Cl 6+ пучок с достаточным ионным током для МэВ-SIMS с размером пучка прибл. 10 × 10 мкм 2 в режиме импульсного луча. Если толщина анализируемого образца меньше 10 мкм мкм, то альтернативный подход с непрерывным пучком первичных ионов может улучшить разрешение луча до субмикронного уровня. Однако такой подход невозможен с образцами волос человека [43].

Калибровка

Мы нанесли три различных химических соединения (аргинин, лейцин и холестерин) с контролируемым молекулярным составом и молекулярными массами в диапазоне от 174 до 384 на чистые кремниевые пластины, чтобы сравнить и сопоставить молекулярную информацию, полученную с помощью стандартного метода TOF SIMS и MeV-SIMS.Масс-спектры TOF были измерены с помощью имеющегося в продаже современного спектрометра IONTOF TOF.SIMS 5 с использованием пучка первичных ионов 25 кэВ и самодельного спектрометра TOF для MeV-SIMS с использованием 5,8 МэВ 35 Cl 6 + первичный ионный пучок. Спектральное разрешение 90 203 м 90 204 /Δ 90 203 м 90 204 составляло 300 МэВ для ВИМС и 10 90 291 4 90 292 для обычного ВИМС.

На рис. 3 показаны кэВ-SIMS и МэВ-SIMS масс-спектры аргинина, холестерина и лейцина с использованием 25 кэВ Bi 3+ (нижний оранжевый спектр) и 5.8 МэВ 35 Cl 6+ (верхние синие спектры) пучки первичных ионов соответственно. Массовое разрешение m m самодельного линейного времяпролетного метода для метода МэВ-SIMS составляет 400 при значении m / z 300, тогда как массовое разрешение спектрометра IONTOF TOF.SIMS 5 равно на порядок выше при том же значении m / z . Масс-спектральный состав в области малых масс удивительно похож в пределах сравнения, учитывая разное массовое разрешение двух приборов.Протонированный молекулярный пик аргинина при м / z 175,2 очень выражен вместе с фрагментами [C 4 H 8 N] + , [CH 5 N 394] + и [CH 3 N 2 ] + с м / z значениями 70, 59 и 43 соответственно. Спектр холестерина имеет протонированный молекулярный пик [M+H] + на 385 m / z . В обоих случаях нормализованный выход нефрагментированных протонированных исходных молекул намного сильнее в спектрах МэВ-ВИМС.Нормированные выходы MeV-SIMS для лейцина и аргинина были прибл. 3 × 10 −2 обнаружено [M+H] + молекулярных ионов на один первичный ион 5,8 МэВ 35 Cl 6+ [41], что обычно на 3 порядка выше, чем в сопоставимых кэВ- Настройки SIMS с кластерами Bi 3+ . Это иллюстрирует преимущество МэВ ВИМС по сравнению с обычным ВИМС, представленным выше.

Рис. 3. Качественное сравнение 5,8 МэВ 35 Cl 6+ МэВ-SIMS ( синий ) и 25 кэВ Bi 3+ IONTOF TOF.SIMS 5 ( оранжевый ) спектры аргинина, холестерина и лейцина, используемые для калибровки.

Метод кэВ-ВИМС действительно обеспечивает лучшее разрешение, особенно при более низких энергиях, в то время как МэВ-ВИМС дает более высокие выходы для нефрагментированных протонированных молекул.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0263338.g003

Подготовка проб

Набор образцов волос, которые ранее были проанализированы с помощью метода MALDI TOF-MS, был использован для изучения эволюции кокаинового сигнала с помощью MeV-SIMS вдоль продольного поперечного сечения волос.Все образцы были собраны посмертно и ранее использовались Cuypers et al. [29] и Флиндерс и соавт. [31]. В рамках этих работ было проанализировано больше наборов образцов от одного и того же субъекта и получены аналогичные результаты в наборах. Одобрение этого исследования было получено от Комитета по медицинской этике медицинского факультета университетской больницы Левена, Бельгия, 27 июня 2017 года, и оно было зарегистрировано под национальным номером NH019-2017-06-01 в Бельгии. Первый из образцов был от фактического потребителя кокаина, второй был искусственно загрязнен (пропитан раствором кокаин-HCl), а последний образец был контрольным [29].Для наших целей анализируемые волосы были продольно срезаны с использованием специального инструмента с ножом для криотома [31], являющегося усовершенствованием ранее предложенного режущего оборудования [47]. Образец волос помещали внутрь проточенной канавки на металлическом блоке, причем ее глубина подбиралась индивидуально для каждого волоса и варьировалась от 30 до 70 микрометров с шагом 5 микрометров. Режущее устройство со встроенным криотомным ножом предназначено для точного скольжения по металлическому блоку. Однократный проход режущего устройства над образцом волос, расположенным в канавке, приводит к равномерному раскрытию продольного полусечения образца волос длиной 4 см.Обработанные образцы натягивали на кремниевую пластину и закрепляли на концевых участках металлической лентой, обращенной открытой плоской поверхностью стержня волоса вверх для обеспечения доступа зондирующего пучка первичных ионов. Смонтированные образцы показаны на рис. 4.

Измерения

Образцы волос были растрированы первичным лучом с использованием магнитного отклонения луча. Базовый кадр сканирования состоит из 256 × 256 точек измерения, что дает поле сканирования квадратной формы в случае перпендикулярного воздействия луча.Для MeV-SIMS держатель образца наклонен на 55 градусов по отношению к оси первичного луча, чтобы быть расположенным перпендикулярно оси спектрометра TOF. Следовательно, отдельная рамка сканирования имеет прямоугольную форму с горизонтальным размером, равным 1/cos55° вертикального. В нашем случае размер отдельного кадра сканирования был выбран равным 250 × 436 мк м 2 .

Результаты и обсуждение

Спектры одного из измерений образцов продольно срезанных волос показаны на рис. 5.Ионный пучок был сфокусирован на внутренней части волоса и не касался краев. Точная масса кокаина при m/z = 304,1540 ранее была измерена методом MALDI MS/MS на другом наборе образцов (см. [31]). В отличие от сопоставимых измерений MetA-SIMS, в диапазоне 90 203 m 90 204 / 90 203 z 90 204 между 200 и 350 не наблюдалось никаких других значимых массовых пиков. отсутствие кокаинового пика при m/z = 304.Образец волос, погруженный в насыщенный водный раствор кокаина и высушенный на воздухе, не имеет признаков диффузии или проницаемости кокаина даже на внешнем крае волоса. Это может быть связано с зондированием первичным лучом внутренней, а не внешней части волос из-за секционирования образца и геометрии установки, когда загрязненная поверхность волос не подвергается непосредственному воздействию аналитического луча. Этот результат указывает на высокую чувствительность к кокаину, метаболически включенному во внутреннюю структуру волос, на которую не влияет внешнее загрязнение волос.

Рис. 5. Измеренные спектры МэВ-ВИМС трех образцов волос.

Кокаиновый пик был измерен только в образце от фактического потребителя кокаина, в то время как в спектрах искусственно загрязненных волос такого пика не наблюдается, поскольку ионный пучок был сфокусирован на внутренней стороне образцов волос.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0263338.g005

Мы измерили серию прямоугольных рамок вдоль волос потребителя кокаина, каждая с поперечными размерами 250 × 400 μ м 2 до получить информацию о продольных колебаниях концентрации кокаина.Чтобы иметь возможность сравнить относительные выходы пика на м / z = 304 в последовательности кадров, во время получения последовательных кадров использовалась перекрывающаяся область в 20 микрометров для перенормировки выходов в отдельных сканах. Полученное изображение и интегрированное распределение интенсивности m / z 304 вдоль волос показаны на рис. 6. Наблюдались три области соответствующих повышенных интенсивностей кокаина. Первая широкая область соответствует продольному масштабу на рис. 6 от -0.от 8 мм до −0,55 мм. Два других пика в положениях центроида 0,02 мм и 0,21 мм значительно уже.

Рис. 6.

Верх : Распределение кокаинового сигнала по образцу волос пользователя. Внизу : Интенсивность кокаина, интегрированная поперек образца волос. Разные цвета представляют разные пики или области интереса в спектре. Как поясняется в тексте, временная шкала была аппроксимирована средней скоростью роста волос 0,4 мм/день.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0263338.g006

Приблизительную временную шкалу можно оценить при предполагаемой средней скорости роста волос [6] 0,4 мм/день. На основании этой шкалы два пика в положениях 0,02 мм и 0,21 мм разнесены примерно на 12 часов. Выраженный пик концентрации кокаина в положении 0,02 мм охватывает продольное расстояние 50 микрометров. В пересчете на шкалу времени это расстояние примерно соответствует периоду роста волос в 3 часа, что свидетельствует о временном режиме приема кокаина.

Заключение

МэВ-ВИМС сочетает в себе высокую химическую чувствительность и хорошее латеральное разрешение, сочетание, подходящее для измерения распределения фармацевтических соединений и лекарств, включенных в волосы человека. В зарегистрированном случае обнаружения кокаина в человеческих волосах мы наблюдаем ярко выраженные продольные всплески относительной концентрации кокаина. Результаты указывают на сильно пространственно структурированное включение кокаина в волосы, что свидетельствует о быстрых колебаниях его концентрации в организме.Благодаря высокосфокусированному первичному лучу 10 × 10 90 203 мкм 90 204 мкм 90 291 2 90 292 в сочетании с точным сканированием по образцу мы смогли различить пики размером до 50 90 203 мкм 90 204 мкм. Они соответствуют временному разрешению на почасовом уровне, что позволяет нам реконструировать подробную историю потребления кокаина. Кроме того, обнажение сердцевины образца путем продольного разрезания образца сводит на нет любые ложные сигналы из-за внешнего загрязнения в остальном «чистого» образца.

Специфический процесс десорбции и ионизации материала образца в MeV-SIMS основан на выделении энергии в материале образца посредством электронного торможения.Это дает особые преимущества по сравнению с другими сопоставимыми методами МС вторичных ионов: более высокий выход нефрагментированных вторичных молекулярных ионов на одно воздействие первичных ионов. Это позволяет выполнять анализ поверхности в строго статическом режиме непосредственно на неповрежденных биологических материалах, где образец не покрыт и не подвергается значительным химическим изменениям. В свою очередь, это облегчает последующий дополнительный химический анализ той же области поверхности (объема) образца, что показывает, как этот метод можно использовать в дополнение к более стандартным методам судебной экспертизы.

Каталожные номера

  1. 1. Смит Дж. П., Сатклифф О. Б., Бэнкс К. Э. Обзор последних разработок в области аналитического обнаружения новых психоактивных веществ (НПВ). Аналитик. 2015; 140:4932–4948. пмид:26031385
  2. 2. Эрнандес Ф., Кастильони С., Ковачи А., де Фогт П., Эмке Э., Каспшик-Хордерн Б. и др. Масс-спектрометрические стратегии исследования биомаркеров незаконного употребления наркотиков в сточных водах. Обзоры масс-спектрометрии. 2018;37(3):258–280.пмид:27750373
  3. 3. Сейял Э., Эванс-Нгуен Т. Золь-гель капиллярной микроэкстракционно-масс-спектрометрии (CME-MS) онлайн-анализ запрещенных наркотиков. Журнал Американского общества масс-спектрометрии. 2019;30(4):595–604. пмид:30796621
  4. 4. Федик П.В., Пу Ф., Морато Н.М., Кукс Р.Г. Идентификация и подтверждение наличия фентанилов на бумаге с использованием портативной спектроскопии комбинационного рассеяния с усилением поверхности и масс-спектрометрии с ионизацией распылением бумаги. Журнал Американского общества масс-спектрометрии.2020;31(3):735–741. пмид:32126777
  5. 5. Ламонт Л., Хадави Д., Виманн Б., Флиндерс Б., Хирен Р.МА., Врикен Р.Дж. и др. Количественная масс-спектрометрическая визуализация лекарств и метаболитов: мультиплатформенное сравнение. Аналитическая и биоаналитическая химия. 2021;413(10):2779–2791. пмид:33770207
  6. 6. Кинц П. Аналитические и практические аспекты тестирования на наркотики в волосах. Бока-Ратон: CRC Press и Taylor & Francis; 2007.
  7. 7. Кемпсон И.М., Ломби Э.Анализ волос как биомонитор для токсикологии, болезни и состояния здоровья. Chem Soc Rev. 2011;40:3915–3940. пмид:21468435
  8. 8. Миягути Х., Иноуэ Х. Определение стимуляторов амфетаминового ряда, кокаина и кетамина в человеческих волосах с помощью жидкостной хроматографии/гибридной масс-спектрометрии с линейной ионной ловушкой и орбитальной ловушкой. Аналитик. 2011;136(17):3503–3511. пмид:21331390
  9. 9. Винченти М., Саломоне А., Джераче Э., Пирро В. Применение масс-спектрометрии к анализу волос для судебно-токсикологических исследований.Mass Spectrom Rev. 2013;32(4):312–332. пмид:23165962
  10. 10. Флиндерс Б., Кайперс Э., Порта Т., Варесио Э., Хопфгартнер Г., Хирен Р.М. Масс-спектрометрическая визуализация наркотиков в волосах. В: Масс-спектрометрия изображений. Спрингер; 2017. с. 137–147.
  11. 11. Лопес-Гуарнидо О., Альварес И., Хиль Ф., Родриго Л., Катаньо Х.К., Бермехо А.М. и др. Тестирование волос на кокаин и его метаболиты с помощью ГХ/МС: критерии количественной оценки употребления кокаина. J Appl Toxicol. 2013;33(8):838–844.
  12. 12. Кинц П., Бундели П., Бреннайсен Р., Людес Б. Взаимосвязь доза-концентрация в волосах субъектов в контролируемой программе поддержания героина. J Анальный токсикол. 1998;22(3):231–236. пмид:9602941
  13. 13. Хуан Д.К., Лю С., Хуан М.К., Чиен С.С. Одновременное определение морфина, кодеина, 6-ацетилморфина, кокаина и бензоилэкгонина в волосах с помощью жидкостной хроматографии/масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением. Быстрый общественный масс-спектр. 2009;23(7):957–962.пмид:19241414
  14. 14. Моосманн Б., Рот Н., Аувертер В. Обнаружение каннабиноидов в волосах не доказывает употребление каннабиса. Научные отчеты. 2015;5(1):14906. пмид:26443501
  15. 15. Шайдвейлер К.Б., Коне Э.Дж., Мулчан Э.Т., Хуэстис М.А. Дозозависимое распределение кодеина, кокаина и метаболитов в человеческих волосах после контролируемого перорального кодеина и подкожного введения кокаина. Журнал фармакологии и экспериментальной терапии. 2005;313(2):909–915.пмид:15743923
  16. 16. Мики А., Катаги М., Камата Т., Зайцу К., Тацуно М., Наканиши Т. и др. MALDI-TOF и MALDI-FTICR визуализирующая масс-спектрометрия метамфетамина, включенного в волосы. Журнал масс-спектрометрии. 2011;46(4):411–416. пмид:21438091
  17. 17. Нилен М., Нийролдер А., Хойеринк Х., Столкер А. Возможность десорбционной масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением для быстрого скрининга эфиров анаболических стероидов в волосах. Analytica chimica acta.2011; 700(1-2):63–69. пмид:21742118
  18. 18. Эрне Р., Бернард Л., Штойер А.Е., Баумгартнер М.Р., Кремер Т. Анализ волос: загрязнение и инкорпорация из системы кровообращения — исследования отдельных образцов волос с использованием времяпролетной масс-спектрометрии вторичных ионов и лазерной десорбции/ионизации с использованием матрицы Спектрометрия. Аналитическая химия. 2019;91(6):4132–4139. пмид:30816705
  19. 19. Терлье Т., Ли Дж., Ли И. Исследование человеческих волос с использованием ToF-SIMS: от структурного анализа до идентификации остатков косметических средств.Журнал вакуумных наук и технологий B. 2018; 36 (3): 03F131.
  20. 20. Гиллиленд В.М. младший, Принц Х.М., Полисено А., Кашуба А.Д., Розен Е.П. Инфракрасная матричная лазерная десорбция, электрораспыление, ионизация, масс-спектрометрия, визуализация человеческих волос для характеристики продольных профилей антиретровирусного препарата маравирок для мониторинга приверженности. Аналитическая химия. 2019;91(16):10816–10822.
  21. 21. Хендерсон Г. Механизмы включения лекарств в волосы. Международная судебная экспертиза.1993;63(1-3):19–29. пмид:8138221
  22. 22. Claffey DJ, Stout PR, Ruth JA. Включение 3H-никотина, 3H-флунитразепама и 3H-кокаина в меланин: модель для изучения взаимодействий лекарственного средства и меланина. Журнал аналитической токсикологии. 2001;25(7):607–611. пмид:11599608
  23. 23. Кинц П., Чиримеле В., Сенглер С., Мангин П. Тестирование человеческих волос и мочи на метиловый эфир ангидроэкгонина, продукт пиролиза кокаина. Журнал аналитической токсикологии. 1995;19(6):479–482.пмид:8926742
  24. 24. Моррисон Дж. Ф., Чеслер С. Н., Ю В. Дж., Селавка СМ. Эффекты матрицы и модификатора при сверхкритической флюидной экстракции кокаина и бензоилэкгонина из человеческих волос. Аналитическая химия. 1998;70(1):163–172. пмид:9435474
  25. 25. Брюэр В.Е., Галипо Р.К., Продавцы К.В., Морган С.Л. Анализ кокаина, бензоилэкгонина, кодеина и морфина в волосах путем сверхкритической жидкостной экстракции диоксидом углерода, модифицированным метанолом. Аналитическая химия.2001;73(11):2371–2376. пмид:11403274
  26. 26. Порта Т., Варесио Э., Кремер Т., Хопфгартнер Г. Молекулярная визуализация с помощью масс-спектрометрии: применение в судебной экспертизе. Спектроскопия Европа. 2011;23(5):6–12.
  27. 27. Викерман Дж. Молекулярная визуализация и профилирование по глубине с помощью масс-спектрометрии — SIMS, MALDI или DESI? Аналитик. 2011;136(11):2199–2217. пмид:21461433
  28. 28. Porta T, Grivet C, Kraemer T, Varesio E, Hopfgartner G. Мониторинг потребления кокаина отдельными волосами с помощью масс-спектрометрической визуализации.Аналитическая химия. 2011;83(11):4266–4272. пмид:21510611
  29. 29. Cuypers E, Flinders B, Bosman IJ, Lusthof KJ, Van Asten AC, Tytgat J, et al. Реакции перекиси водорода на кокаин в волосах с использованием масс-спектрометрии. Международная судебная экспертиза. 2014; 242:103–110. пмид:25047217
  30. 30. Фрэнсис С. Новые технологии для анализа судебно-медицинских следов; 2019.
  31. 31. Флиндерс Б., Кайперс Э., Зейлемакер Х., Титгат Дж., Хирен Р.М.Подготовка продольных срезов образцов волос для анализа кокаина методами MALDI-MS/MS и TOF-SIMS. Тестирование и анализ на наркотики. 2015;7(10):859–865. пмид:25981643
  32. 32. Махони СМ. Кластерная вторичная ионная масс-спектрометрия полимеров и материалов на их основе. Масс-спектрометрические обзоры. 2010;29(2):247–293. пмид:19449334
  33. 33. Раббани С., Барбер А.М., Флетчер Дж.С., Локьер Н.П., Викерман Дж.К. TOF-SIMS с кластерными ионными пучками газа аргона: сравнение с C60+.Аналитическая химия. 2011;83(10):3793–3800. пмид:21462969
  34. 34. Шераз, урожденная Раббани С., Берруэта Разо И., Кон Т., Локьер Н.П., Викерман Дж.К. Повышение выхода ионов в масс-спектрометрии времяпролетных вторичных ионов: сравнительное исследование первичных пучков кластеров аргона и воды. Аналитическая химия. 2015;87(4):2367–2374. пмид:25588151
  35. 35. Шераз (урожденная Раббани) С., Барбер А., Берруета Разо И., Флетчер Дж. С., Локьер Н. П., Викерман Дж. К. Перспективы увеличения выхода вторичных ионов в ToF-SIMS с использованием пучков первичных ионов кластеров воды.Анализ поверхности и интерфейса. 2014;46(S1):51–53.
  36. 36. Наката Ю., Хонда Ю., Ниномия С., Секи Т., Аоки Т., Мацуо Дж. Повышение выхода молекулярных ионов с электронным возбуждением, индуцированным ионами МэВ. Прикладная наука о поверхности. 2008;255(4):1591–1594.
  37. 37. Наката Й., Хонда Й., Ниномия С., Секи Т., Аоки Т., Мацуо Дж. Масс-спектрометрия с высоким разрешением без использования матриц с высокоэнергетическими ионными снарядами. Журнал масс-спектрометрии. 2009;44(1):128–136. пмид:18946874
  38. 38.Джонс Б.Н., Мацуо Дж., Наката Ю., Ямада Х., Уоттс Дж., Хиндер С. и др. Сравнение мономерного иона МэВ и кластера кэВ ToF-SIMS. Анализ поверхности и интерфейса. 2011;43(1-2):249–252.
  39. 39. Хедин А., Хканссон П., Сундквист Б., Джонсон Р. Модель ионного трека для десорбции молекул, вызванной быстрыми ионами. Физическое обозрение Б. 1985; 31 (4): 1780. пмид:9935981
  40. 40. Хедин А., Хканссон П., Салепур М., Сундквист Б. Эрозия лейцина, вызванная быстрыми ионами, как функция электронной тормозной способности.Physical Review B. 1987;35(14):7377. пмид:9941038
  41. 41. Енчич Б., Вавпетич П., Келемен М., Пеликон П. Выход вторичных ионов и фрагментация биологических молекул с использованием первичных ионов 35Cl в диапазоне энергий МэВ. Журнал Американского общества масс-спектрометрии. 2019;31(1):117–123. пмид:32881522
  42. 42. Енчич Б., Еромель Л., Поточник Н.О., Фогель-Микуш К., Ковачец Э., Регвар М. и др. Молекулярная визуализация ткани листьев конопли методом MeV-SIMS.Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами. 2016; 371: 205–210.
  43. 43. Енчич Б., Вавпетич П., Келемен М., Венцель М., Фогель-Микуш К., Кавчич А. и др. MeV-SIMS TOF визуализация органических тканей с непрерывным первичным пучком. Журнал Американского общества масс-спектрометрии. 2019;30(9):1801–1812. пмид:31250317
  44. 44. Сикетич З., Богданович Радович И., Якшич М., Попович Хаджия М., Хаджия М. Субмикронная масс-спектрометрия отдельных клеток с комбинированным использованием мегаэлектронно-вольтной времяпролетной масс-спектрометрии вторичных ионов и сканирующей просвечивающей ионной микроскопии.Письма по прикладной физике. 2015;107(9):093702.
  45. 45. Еромель Л., Сикетич З., Поточник Н.О., Вавпетич П., Рупник З., Бучар К. и др. Развитие масс-спектрометрии с помощью сфокусированного пучка тяжелых ионов высокой энергии: МэВ ВИМС с пучком 8 МэВ Cl 7+ . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами. 2014; 332:22–27.
  46. 46. Пеликон П., Подару Н.С., Вавпетич П., Джеромел Л., Поточник Н.О., Ондрачка С. и др. Инжектор протонов высокой яркости для ускорителя Тандетрон в Институте Йожефа Стефана.Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами. 2014; 332: 229–233.
  47. 47. Кемпсон И.М., Скиннер В.М., Киркбрайд П.К. Метод продольного сечения отдельных образцов волос. Журнал судебной медицины. 2002;47(4):1–4. пмид:12137002

Лазерная революция — Frontline

В ЭТОМ году Нобелевская премия по физике присуждается трем ученым, которые изобрели простые, но замечательные методы использования мощности лазеров, которые теперь позволяют рассматривать чрезвычайно крошечные объекты, с одной стороны, и невероятно быстрые процессы, с другой. новый откровенный свет.Оба изобретения произвели революцию в использовании лазера в фундаментальных научных исследованиях, приложениях и промышленности. Помимо физики, другие области, включая химию, биологию, медицину и технологии, получили огромную пользу от высокоточных методов и инструментов, появившихся в результате этих двух отмеченных наградами работ.

Американский физик Артур Ашкин (96 лет), ранее работавший в Bell Laboratories в Холмделе, штат Нью-Джерси, получил половину премии в размере девяти миллионов шведских крон (1,1 миллиона долларов) за изобретение «оптического пинцета».Как следует из названия, оптический пинцет позволяет захватывать и манипулировать мельчайшими элементами материи — атомами, молекулами, вирусами, бактериями, живыми клетками и кусочками ДНК — с помощью лазерных лучей без какого-либо повреждения изучаемого материала. То, что было предметом научной фантастики вскоре после изобретения лазера в 1960 году, теперь стало реальностью.

Нобелевская грамота Ашкина гласит: «За оптический пинцет и его применение в биологических системах».

Французский физик Жерар Муру (74 года) из Политехнической школы, Палезо, Франция, и канадский физик Донна Стрикленд (59 лет) из Университета Ватерлоо, Канада, которая была докторантом Муру во время выполнения этой отмеченной наградами работы в Университете Ватерлоо, Канада. Университет Рочестера в Нью-Йорке разделил вторую половину Нобелевской премии за разработку методов генерации высокоинтенсивных лазерных импульсов, которые могут воздействовать на цели в фемтосекундном (фс, миллионная миллиардная доля секунды или 10–15 с) масштабе времени.

Сегодня возможно генерировать петаватт (миллион миллиардов ватт) лазерной мощности, упакованной в импульсы, за невероятно короткие временные масштабы аттосекунд (миллиардные миллиардные доли секунды, 10—18 с). Кроме того, этот метод нашел применение в различных областях, включая настольные тераваттные (1012 Вт) или T3-лазеры, технологию ускорителей частиц и высокоинтенсивные применения в промышленности и медицине, включая прецизионную хирургию сетчатки и роговицы.

Нобелевская премия Муру и Донне Стрикленд гласит: «За их метод генерации сверхкоротких оптических импульсов высокой интенсивности».

Оптический пинцет

Оптический пинцет — это основанный на лазере метод захвата объектов и маневрирования с использованием того факта, что свет может оказывать силу, называемую «радиационным давлением». То, что свет может проявлять силу, было предположено 400 лет назад Иоганном Кеплером, астрономом, который дал нам законы Кеплера, управляющие движением планет, когда он утверждал, что хвосты комет всегда направлены в сторону от Солнца из-за давления солнечного света. В 1873 году ученый Джеймс Клерк Максвелл показал, что его теория электромагнетизма предполагает существование радиационного давления.Однако из-за того, что радиационное давление очень слабое, экспериментальная проверка его существования была затруднена, и пришлось ждать до начала 1900-х годов.

С изобретением лазера стало возможным детальное изучение радиационного давления. В отличие от обычного света, где свет многих цветов (длин волн) и их фаз смешивается случайным образом, лазер представляет собой интенсивный и когерентный коллимированный пучок монохроматического света. Вскоре после появления лазера Эшкин понял, что лазер идеально подходит для того, чтобы заставить свет перемещать мелкие частицы, и начал экспериментировать с новым оборудованием в Bell Laboratories.В интервью журналу Nature Photonics в 2011 году Ашкин сказал, что впервые заинтересовался силами радиационного давления во время Второй мировой войны, когда работал в Колумбийской радиационной лаборатории. «Мы работали над микроволновыми магнетронами. Ради забавы я провел эксперимент по определению радиационного давления мегаваттного магнетрона с длиной волны 3 см, и это сработало».

Эшкин фокусировал свет лазера на прозрачных латексных шариках микрометрового размера для своих экспериментов. В знаменательном эксперименте 1970 года он показал, что сила света от лазера действительно может перемещать частицы в воздухе или воде.Частицы, как он обнаружил, были ускорены поступательной силой в направлении света от лазера. Но, к своему удивлению, он также обнаружил, что сферы были притянуты к области высокой интенсивности в центре луча.

Поскольку интенсивность падает от центра к периферии луча, давление излучения света на сферы также соответственно изменяется в пространстве, выталкивая их к середине луча, которая удерживает частицы в центре луча (рис. 1). ).В своем интервью 2011 года Ашкин сказал: «Это продемонстрировало очень большие толкающие силы и, что удивительно, сильную поперечную градиентную силу из-за основного рассеяния и градиентных сил, которые втягивали частицы в область высокой интенсивности света. Эти наблюдения показали, как лазерный свет может задерживать частицы на стеклянной пластине».

Чтобы добиться захвата, Ашкин первоначально разработал схему с встречным лазерным лучом, чтобы толчок двух противоположных лучей мог компенсировать движение шариков, и частицы могли быть захвачены.Это развитие произошло в самом 1970 году. В следующем году появилась ловушка с оптической левитацией в воздухе, первая однолучевая трехмерная ловушка, в которой сила вертикального лазерного луча на шарик уравновешивается противодействующей силой гравитации, а частица захватывается в точке в воздухе.

К 1978 году Ашкин разработал свою идею полностью оптической однолучевой трехмерной ловушки. В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters в 1978 году, Ашкин предложил описание такого устройства, а также предложил, как его можно использовать для захвата атомов, их охлаждения до очень низких температур (чтобы свести к минимуму тепловые флуктуации) и управления ими. идея, которую американский физик Стивен Чу и другие реализовали намного позже в работе, получившей Нобелевскую премию в 1997 году.

Первые попытки Ашкина и его коллег поймать атомы не увенчались успехом. Исследователям (включая Чу) потребовалось еще восемь лет, чтобы реализовать эту концепцию сначала на диэлектрических частицах. Они продемонстрировали, что этот метод может улавливать диэлектрические частицы в воде размером от нескольких десятков нанометров до десятков микрометров. Примерно в то же время аналогичные идеи были развиты В.С. Летохов и его коллеги в бывшей советской России (см. вставку). «Это было время многих захватывающих открытий, но я не помню, чтобы выпрыгнул из ванны и побежал голым по улице с криком «эврика»! Одним из ярких моментов открытия стало осознание того, что можно также улавливать атомы и молекулы — в конце концов, атомы — это всего лишь маленькие диэлектрические частицы», — сказал Ашкин.

Оптические пинцетные ловушки обычно относятся к однолучевым градиентным ловушкам, как описано Ашкиным. Здесь лазерный луч фокусируется через сильную линзу, которая создает составляющую градиентной силы, противоположную направлению распространения луча (рис. 1.4). Захват достигается, когда составляющая градиентной силы достаточно сильна, чтобы нейтрализовать силу прямого рассеяния, что требует большого угла сходимости луча. На практике объектив микроскопа достаточно мощный, чтобы выполнить эту работу.

«Я изобрел пинцетные ловушки в 1978 году», — сказал Ашкин Nature Photonics . «Глубины ловушек-пинцетов на порядки больше, чем у атомных ловушек, предложенных ранее Летоховым и другими. Пинцеты — это однолучевые ловушки, поэтому ими легко маневрировать в пространстве. Интересно, что оптический пинцет впервые был применен в 1986 году, когда наш первый эксперимент по улавливанию атомов был затруднен. Демонстрация улавливания частиц Рэлея субмикрометрового размера [где размеры частиц меньше длины волны падающего на них света] в то время была доказательством пригодности пинцетных ловушек.«Работа была настолько новаторской, что попала в заголовки газеты Sunday New York Times . Вскоре после этого метод стал успешно применяться для охлаждения и захвата атомов, за что в 1997 г. он получил Нобелевскую премию по физике (см. вставку).

Ашкин вскоре понял, что изобретенная им техника имеет большой потенциал для использования в манипулировании биологическими системами. Но, как он сказал в своем интервью: «В то время меня беспокоил потенциальный ущерб, который сильные лазерные лучи могут нанести живым тканям.Позднее эта проблема была решена с помощью инфракрасных лазеров». Действительно, в своем первом эксперименте, когда Эшкин и его коллеги улавливали субмикрометровые частицы вируса табачной мозаики (ВТМ), они оставили образцы под микроскопом примерно на день. Когда они вернулись, они обнаружили «странные частицы, которые, казалось, двигались сами по себе», которые, как они позже поняли, были бактериями. Однако интенсивный зеленый свет пинцета быстро убил их, и Эшкин назвал этот процесс «оптическим зрением». Но как только они перешли на инфракрасный лазер, бактерии можно было поддерживать в ловушке в течение неопределенного времени.

Это нововведение проложило путь к возможности изучения биологических систем с помощью оптического пинцета. Последующие эксперименты Ашкина включали манипулирование компонентами растительных клеток и оценку силы, связанной с транспортом органелл в клетках амеб. Его новаторские исследования побудили других ученых использовать оптический пинцет для новых биологических исследований. Первое количественное применение оптического пинцета к биологическим системам было проведено Стивеном Блоком, Дэвидом Блэром и Говардом Бергом при изучении механики бактериальных жгутиков, спиральной нити, которая приводит в движение бактерию, соединяясь с молекулярным роторным двигателем.Жгутик был сначала привязан к субстрату, так что его действие заставляло бактерию вращаться. Затем они парализовали жгутик и с помощью оптического пинцета осторожно оттянули бактерии в сторону. Измерив его возвращение в исходное положение, они определили эластичность специализированного белкового комплекса, соединяющего жгутик с клеткой.

По сути, эксперимент с оптическим пинцетом включает в себя прикрепление биомолекулы к захваченной бусине, вытягивание ее и определение силы, которую необходимо приложить для диссоциации молекулярного комплекса.Расстояние, на которое перемещается шарик, прямо пропорционально приложенной силе и называется «жесткостью ловушки». Как объяснил Блок, это оптический эквивалент закона Гука, а ловушка — трехмерная пружина, сделанная из света. Если «пружина» откалибрована для любой силы, приложенной к ней, оптический пинцет можно использовать в качестве измерительного инструмента. Высокоточные измерения движения шарика, движения молекулы, прикрепленной к шарику, могут быть получены с таким уровнем точности.

«У оптического пинцета есть два основных преимущества», — отмечает Прамод Пулларкат из Рамановского научно-исследовательского института (RRI), Бангалор, который использует этот метод для исследования упругих свойств клеточной мембраны и создания сил в субклеточных структурах. В своем ответе по электронной почте Frontline он сказал: «Во-первых, поскольку сила, действующая на частицу со стороны света, очень слаба, это позволяет измерять очень слабые силы, действующие на микроскопических расстояниях. Таким образом, он может измерять крошечные силы, например, броуновские толчки, испытываемые взвешенной частицей из-за столкновений с молекулами воды, или силу, действующую на один молекулярный моторный белок.Эти силы порядка 0,000000000001 ньютона (пиконьютона). Второе важное преимущество состоит в том, что свет может проходить через прозрачную среду. Таким образом, можно легко манипулировать органеллами живой клетки, не прокалывая клеточную стенку».

Оптический пинцет в настоящее время стал основным инструментом в биологической физике и смежных областях, и область его применения постоянно расширяется. Основной оптический пинцет для улавливания микрометровых частиц относительно прост. Но точное измерение движения захваченных объектов, скажем, в жидкости, требует передовых инструментов.Теперь это позволило проводить эксперименты по оптическому захвату, в которых можно обнаружить даже одну пару оснований на спиральной лестнице ДНК, что означает пространственное разрешение на уровне ангстрема (или десятой миллиардной доли метра).

Метод используется для неинвазивного захвата и манипулирования отдельными клетками и органеллами, а также для измерения силы и движения отдельных молекул. Последнее включает в себя прикрепление к ним «ручек», которые можно легко захватить пинцетом, например пластиковыми или кварцевыми шариками микрометрового размера.Бусины также служат датчиками для отслеживания движения и измерения силы. Ранние исследования одиночных молекул с такими оптическими ловушками включали физические свойства ДНК, такие как релаксация, эластичность и резкий силовой переход в протяженную форму ДНК.

Изучение механики молекулярных двигателей — это область, получившая развитие в 1990-х годах, в которой оптические пинцеты оказались особенно полезными. Руп Маллик из Института фундаментальных исследований Тата (TIFR) в Мумбаи, изучающий биологические системы с помощью пинцета, объяснил в электронном письме на номер Frontline : «Эти двигатели представляют собой молекулярные машины, присутствующие во всех клетках нашего тела, которые генерируют крошечные силы. которые позволяют нам двигаться, чтобы сердце билось, и почти все мыслимые биологические движения, которые вы можете себе представить.По сути, они преобразуют химическую энергию в линейное или вращательное движение. Линейные моторные белки, например, играют существенную роль во внутриклеточном транспорте, сокращении мышц и делении клеток.

Линейный молекулярный двигатель характеризуется размером шага, временем пребывания и создаваемой силой, но эти параметры недоступны ни одному из традиционных биофизических методов. Оптические пинцеты позволили определить траектории отдельных линейных молекулярных моторных белков с достаточным разрешением для получения информации обо всех параметрах.Прорывом стало первое прямое наблюдение шагового движения кинезина, мотора, участвующего в транспортировке клеточного груза по микротрубочкам (рис. 2).

«Теперь мы можем воздействовать очень точно откалиброванной силой на одну молекулу, например на фрагмент ДНК или белок», — сказал Маллик. «Сразу после открытия Эшкиным оптической ловушки получить такие молекулы в выделенном и очищенном виде было непросто. Некоторые из этих молекул (например, кинезин) в то время еще не были открыты.Параллельное развитие биологических и химических методов очистки этих молекул позволило использовать на них оптические ловушки и измерять очень малые силы, возникающие при всевозможных биологических и других процессах, которые примерно в миллион-миллион раз меньше сил к которым мы привыкли в нашей повседневной жизни», — добавил он.

В собственной работе Маллика был задействован особый мотор под названием динеин (принадлежащий к тому же семейству, что и кинезины), который, как он показал, может «переключать передачи», когда вы тянете его назад с помощью оптической ловушки.Как сказал Маллик: «Этот двигатель замедляется, но создает пропорционально большую силу, когда вы пытаетесь остановить его с помощью оптической ловушки. Эта способность, уникальная для динеина, позволяет ему работать в очень больших командах внутри клеток нашего тела. Почти все известные бактерии и вирусы захватывают двигатель динеина, чтобы инфицировать и размножаться в клетках организма».

Пулларкат и его коллеги построили оптическую ловушку в RRI для исследования механических свойств нейронных клеток и других типов клеток.Как отметил Пулларкат, хотя оптические ловушки теперь коммерчески доступны и могут легко использоваться исследователями из любой области, они могут быть очень дорогими. «Строительство требует хорошего знания физики, — сказал Пулларкат. «Гораздо дешевле [при общей стоимости в несколько лакхов] построить собственную систему. Как правило, люди с физическим образованием строят свои собственные оптические пинцеты, а исследователи из нескольких индийских университетов и исследовательских институтов действительно построили свои собственные оптические пинцеты.Помимо преимущества в цене, самодельная ловушка позволяет легко реализовать конкретные требования по отлову», — добавил он.

От самого раннего и простого оптического пинцета Ашкина техника тоже значительно развилась в последнее время. По словам Пулларката, в настоящее время разработаны управляемые оптические пинцеты, в которых используются электрически вращающиеся зеркала. Он сказал: «Они позволяют манипулировать живыми клетками или другими подходящими частицами, поскольку их можно захватывать и перемещать из одного места в другое.Управляемые системы также позволяют создавать несколько ловушек, переключая фокус лазерного луча между двумя или более точками с очень высокой скоростью, используя акустооптические дефлекторы, которые позволяют создавать большое количество ловушек с помощью одного лазера. При таком сверхбыстром управлении также могут быть созданы расширенные ловушки, позволяющие ограничить частицы линией или кругом. С помощью голографических или дифракционных методов можно создавать ловушки еще более сложной геометрии».

Основная идея Ашкина об использовании радиационного давления для улавливания частиц и манипулирования ими, его изобретение оптического пинцета и его новаторское применение техники биологических систем, таким образом, открыли новое окно, через которое, с помощью технологических инноваций, молекулярные основы Биология сегодня может быть исследована в беспрецедентных подробностях.

При разработке метода генерации сверхкоротких лазерных импульсов высокой мощности Муру и Донна Стрикленд были вдохновлены популярной статьей Scientific American о радарах, генерирующих длинноволновые радиоволны. Однако применение метода, используемого для радиоволн, для более коротких оптических световых волн было далеко не простым как теоретически, так и практически. Прорыв был описан в их совместной статье в декабре 1985 года, которая стала первой научной публикацией Донны Стрикленд, которая теперь была признана достойной Нобелевской премии.

Согласно справочному документу о работе, подготовленному Нобелевским комитетом, когда Донна Стрикленд переехала из Канады в Рочестер, штат Нью-Йорк, чтобы проводить исследования в области физики, ее привлек зеленый и красный свет, освещавший лазерную лабораторию. как рождественская елка, и не в последнюю очередь благодаря видению Муру, ставшего ее руководителем, которое должно было усиливать короткие лазерные импульсы до высоких уровней интенсивности. В своем телефонном интервью веб-сайту Nobelprize.org после объявления она сказала: «Это было просто весело, и поэтому мне нравилось тратить на это много часов.Это был единственный раз в моей жизни, когда я очень, очень много работал! Это было веселое время в области короткоимпульсных лазеров, и в этой группе было весело, и большую часть времени это было весело!»

С тех пор, как были изобретены лазеры, ученые пытались создать более интенсивные импульсные лазерные лучи. Однако к середине 1980-х казалось, что это был конец пути. Разработка коротких импульсов не сопровождалась методами, позволяющими увеличить энергию импульсов. Между 1970 и 1985 годами количество фотонов в каждом импульсе увеличилось лишь незначительно (рис. 3).Проблема заключалась в том, что увеличение пиковой мощности на импульс сверх определенного значения приводило либо к искажению формы импульса, либо, что еще хуже, к повреждению среды лазерного усиления или оптических компонентов устройства.

Прорывной работой Муру и Донны Стрикленд, получившей в 1985 году Нобелевскую премию, стала разработка метода усиления чирпированных импульсов (CPA) для оптических импульсов. CPA по существу включает три этапа: во-первых, ультракороткий лазерный импульс растягивается во времени на несколько порядков, так что его пиковая мощность соответственно уменьшается; во-вторых, он усиливается — растяжение во времени обеспечивает огромное усиление — в лазерном материале без повреждения усилителя; и в-третьих, он сжимается во времени до своей первоначальной продолжительности, что приводит к очень высокой пиковой мощности, упакованной в этот сверхкороткий период.

Растяжка во времени на первом шаге фактически достигается введением в сигнал «чирпа», то есть использованием какой-либо дисперсионной среды типа призмы или дифракционной решетки, разлагающей импульс на все составляющие его частоты таким образом, чтобы низкочастотные (красные) компоненты распространялись быстрее, чем высокочастотные (синие) компоненты (положительная дисперсия или «чирп вверх»). Это, естественно, снижает интенсивность пульса; это способ «разбавить» свет.

В первоначальном эксперименте Муру и Донна Стрикленд использовали оптическое волокно длиной 1,4 км. Первое усовершенствование установки, сделанное другими, заключалось в том, что волокно было заменено парой решеток (рис. 4). Усиление импульса привело к увеличению энергии на девять порядков — от наноджоуля до джоуля — за импульс. Вскоре после того, как Муру и Донна Стрикленд изобрели этот простой и элегантный метод, были построены лазеры на основе CPA с пиковой мощностью более 1 тераватта (1 ТВт, или миллион миллионов ватт), а интенсивность быстрых лазерных импульсов резко возросла. Рисунок 3) после этого.В 1999 году Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса (LLNL) построила лазер мощностью петаватт (1 ПВт, или миллион миллиардов ватт).

Изобретение CPA вызвало развитие нескольких новых областей исследований и приложений. Импульс в один джоуль с типичной длительностью в одну пикосекунду (ps, миллиардная доля секунды) был получен с помощью первого лазера на неодимовом стекле. Более короткие импульсы длительностью менее 100 фемтосекунд были получены с помощью титан-сапфировых лазеров.

Одним из первых и важных применений ультракоротких интенсивных импульсов было быстрое освещение быстрых процессов между молекулами и атомами, которые происходят так быстро, что раньше их можно было описать только как переход между состоянием «до» и «после». » состояние.Теперь с фемтосекундными импульсами можно детально увидеть события во время этого почти мгновенного перехода. Получение изображений с помощью фемтосекундного лазерного импульса сделает эту камеру самой быстрой в мире.

Сверление отверстий или резка материалов, включая живую материю, с высокой точностью теперь возможны с помощью сверхострых лазерных лучей. Просверливая мельчайшие отверстия глубоко в носителе данных, лазеры теперь можно использовать для разработки более эффективных систем хранения данных. Эта технология также используется для изготовления хирургических стентов, растянутых металлических цилиндров микрометрового размера, которые расширяют и укрепляют кровеносные сосуды, мочевыводящие пути и другие каналы в организме.В последние годы фемтосекундные лазеры стали использоваться в рефракционных хирургических процедурах для лечения близорукости и астигматизма. При LASIK (лазерный кератомилез in situ) фемтосекундный лазер обеспечивает доступ к строме роговицы и позволяет с высокой точностью изменить ее форму.

Одной из новых областей исследований, которые стали возможными благодаря ультракоротким интенсивным лазерным импульсам, является аттосекундная физика (рис. 5). С лазерными импульсами короче 100 аттосекунд (одна аттосекунда составляет одну миллиардную от миллиардной доли секунды) ученые теперь могут исследовать мир электронов.Электроны в основном ответственны за всю химию — химические связи, оптические и электронные свойства материи. Теперь химический процесс можно изучать на электронном уровне.

Теперь появилось видение лазеров мощностью более петаватт. Например, на объекте линий луча Extreme Light Infrastructure (ELI) в Праге будет система мощностью 10 ПВт, что эквивалентно невероятно короткой вспышке ста тысяч миллиардов электрических лампочек, которая будет завершена через несколько лет. Уже предусматривается дальнейшее десятикратное увеличение мощности.Ожидается, что сфокусированные уровни интенсивности превысят ошеломляющий уровень в 1023 Вт/см2.

Таким образом, работа Муру и Донны Стрикленд, получившая Нобелевскую премию, открыла множество возможностей для исследований в области фундаментальных и прикладных наук, несмотря на то, что CPA постоянно совершенствуется, а его границы постоянно расширяются.

Почему эти 5 косметических услуг так популярны, по словам эксперта по коже на удерживании.

Но теперь дела, наконец, налаживаются; мы посещаем концерты, возвращаемся в офис и планируем отпуск в пунктах назначения в наших списках желаний. Когда мы возвращаемся к ритму нашего графика, мы хотим чувствовать себя хорошо изнутри.

Неотъемлемой частью этого является забота о нашей коже, доспехах, которые мы носим в мир. Хотя легко сосредоточиться на процедуре, которую предпочитает знаменитость или влиятельный человек, за которым вы следите в социальных сетях, эта конкретная услуга красоты может быть не лучшим решением для вас.

Эксперт по уходу за кожей и владелица Vertex Aesthetics на Куин-Стрит-Ист Ванесса Прието рекомендует думать о процессе за пределами полированных фотографий, которые вы видите в Интернете или в журналах, и относиться к нему с уважением, потому что кожа у всех разная и требует личной оценки.

Ванесса Прието, владелец Vertex Aesthetics, встреча с клиентом (Vertex Aesthetics)

Прието использует комплексный подход к работе с клиентами: от бесплатной ознакомительной консультации до оценки прогресса после лечения.В своей уютной, теплой и исключительно расслабляющей эстетической клинике Риверсайд она поддерживает жителей Торонто в их уникальных путешествиях по уходу за кожей с индивидуальным уходом и состраданием.

«Вашим самым большим болельщиком буду я», — так она часто говорит клиентам; это напоминание о том, что она здесь, чтобы поддержать их и убедиться, что они чувствуют себя комфортно каждый раз, когда они посещают. Обеспечение безопасного лечения является приоритетом для Prieto, и все оборудование и продукты, используемые в клинике, одобрены Министерством здравоохранения Канады.

Будучи сертифицированным квалифицированным специалистом в сфере красоты с более чем пятилетним опытом, Прието говорит нам, что универсальный метод ухода за кожей не работает.Она поделилась с нами пятью самыми популярными процедурами в Vertex Aesthetics и проблемами, которые они лечат.

OxyGeneo уход за лицом

Ванесса Прието, владелица Vertex Aesthetics, с клиентом, которому делают уход за лицом OxyGeneo (Vertex Aesthetics)

Этот супер-уход для лица «три в одном» содержит технологию OxyPod для отшелушивания, насыщения кислородом и питания кожи. Любой, кто обеспокоен сухой, потрескавшейся кожей, прыщами или пигментацией тела, может найти это лечение эффективным. Он использует эффект Бора (направляя к коже богатую кислородом кровь для замены углекислого газа) для повышения клеточной активности и насыщения кожи кислородом, одновременно насыщая ее активными ингредиентами и витаминами, что приводит к здоровому сиянию.

Эти активные ингредиенты, по словам Прието, помогают питать кожу, делая ее более активной и живой. «Вы увидите сияние от начала до конца, а кожа полностью перезарядится после процедуры». Клиентам рекомендуется ощупать кожу до процедуры и после нее. «Просто прикоснувшись к коже, вы заметите разницу».

Лазерная эпиляция

Ванесса Прието, владелица Vertex Aesthetics, проводит оценку типа кожи для клиента, выполняющего лазерную эпиляцию (Vertex Aesthetics)

Многие клиники, предлагающие лазерную эпиляцию, используют охлаждающий гель, чтобы сделать процедуру менее дискомфортной и снизить риск побочных эффектов для клиентов, объясняет Прието.В Vertex Aesthetics она решила найти вариант лечения, подходящий для всех типов волос, который обеспечил бы стойкие результаты с минимальным дискомфортом. Теперь клиенты, записавшиеся на сеанс лазерной эпиляции, получают передовую технологию SharpLight — вариант, не требующий охлаждающего геля.

Ванесса Прието, владелица Vertex Aesthetics (Вертекс Эстетикс)

Выпадение волос происходит, когда энергия усовершенствованного устройства динамического контроля пульса (DPC) SharpLight преобразуется в тепло в активно растущих фолликулах волос, что ограничивает повторный рост и приводит к заметным результатам — быстрее.Наконечник устройства также имеет встроенную охлаждающую деталь. «Вы даже не чувствуете тепла», и это относительно безболезненно, поскольку свет регулируется в соответствии с параметрами типа кожи, цвета и типа волос клиента, гарантируя, что кожа не будет обожжена или повреждена. «Это очень передовая технология, и я очень горжусь тем, что она у меня есть», — говорит Прието.

Лазерное омоложение кожи

Ванесса Прието, владелица Vertex Aesthetics, проводит процедуру лазерного омоложения кожи (Vertex Aesthetics)

Процедуры, направленные на омоложение кожи, могут решить «все, что вас беспокоит», — говорит нам Прието.«Например, большие поры, текстура вашей кожи или те маленькие сосуды, которые могут развиваться, если у вас очень хрупкая кожа». Лазерное омоложение «помогает улучшить состояние вашей кожи», делая ее немного более гладкой до устранения недостатков кожи, делая ее моложе.

Системы

SharpLight используются для омоложения кожи лица, груди, шеи и рук у клиентов Vertex Aesthetics без простоев. «Это помогает улучшить внешний вид, а также увеличивает выработку коллагена и эластина, что делает вашу кожу более молодой и упругой.Технология коагулирует кровеносные сосуды для устранения пигментных пятен, многие из которых могут быть вызваны воздействием солнечных лучей.

Коррекция контуров тела и подтяжка кожи

Ванесса Прието, владелица Vertex Aesthetics (Вертекс Эстетикс)

«Это очень модно и растет на рынке не только из-за популярности; важно, насколько он эффективен для преобразования лишних жировых отложений в нашем теле», — говорит Прието. Передовое лечение дает клиентам «душевное спокойствие», а также является «расслабляющим, успокаивающим и успокаивающим» опытом.Лечение контуров тела в Vertex Aesthetics включает радиочастоту (RF), и команда также использует «комбинацию инфракрасного света для улучшения и изменения формы тела в этой конкретной области».

Прието объясняет, что это лечение может быть использовано для нацеливания на жировые клетки в нескольких областях — например, на животе, руках, ногах и даже под нижней линией челюсти. «С помощью радиочастоты мы повышаем нормальную температуру нашего тела до терапевтической температуры, которая вызывает разрушение жировых клеток, ремоделируя обработанную область, и при этом ощущается приятно и тепло.«В то время как процедуры по подтяжке кожи и коррекции фигуры являются альтернативами хирургии, которые «очень безопасны», Прието говорит, что клиенты должны иметь «правильный профиль для этого вида лечения», чтобы гарантировать, что они будут «безопасными и удобными на протяжении всего времени». обработать.»

Химический пилинг

Поверхностный смешанный пилинг в клинике (Vertex Aesthetics)

Существует множество химических пилингов от разных косметических брендов, отмечает Прието. Что-то, что она обычно видит, это то, что люди обеспокоены получением этого типа лечения из-за неправильных представлений о том, что это может вызвать ожог или раздражение их кожи.«У нас есть пилинги медицинского уровня, которые различаются по глубине: глубокие, средние и поверхностные химические пилинги, а более поверхностные пилинги по-прежнему дают результаты», — говорит она.

«Химические пилинги — отличный способ улучшить обновление клеток кожи, что означает обновление клеток. Чем быстрее у нас происходит этот процесс, тем больше мы задерживаем процесс старения нашей кожи; чем больше мы задерживаем образование новых тонких линий и морщин, мы уменьшаем истощение коллагена и пухлость кожи.

При выборе химического пилинга важно учитывать свой образ жизни, и Прието говорит, что оценка может помочь найти наилучший результат для ваших нужд.


Если вы готовы достичь желаемых результатов в сочетании со здоровым образом жизни и последовательностью, вам стоит посетить Vertex Aesthetics. «Я буду более чем счастлив дать новым клиентам возможность получить другой опыт, потому что это то, что им нужно», — добавляет Прието.

Клиенты, впервые обратившиеся в клинику эстетической медицины, могут получить скидку 20% на первый сеанс (на любую процедуру) в период проведения торжественного открытия — с настоящего момента до 15 апреля.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.