Henryk Kowalski Jan Galiński

1. Perspektywy dla
badań i praktyki użycia
zmodyfikowanego
spektrometru Ramana.
Future perspectives for
research in using the modified
Raman spectrometer.
Prof dr. Hab. inż. Henryk Kowalski,
dr inż. Jan Galiński

2. SPEKTROMETR
RAMANA Z
HETERODYNĄ
OPTYCZNĄ
Optical heterodene the
Raman spectrometer.
(Theory and applications of
Raman spectrometers)
(Future perspectives for
research and practice in
using the modified Raman
spectrometer)

3. Spektrometry ramanowskie są
urządzeniami pomiarowymi, które na
podstawie analizy widm rozpraszania
ramanowskiego umożliwiają analizę
związków chemicznych.
Widma rozpraszania ramanowskiego
zawierają się w obszarze światła
widzialnego i bliskiej podczerwieni – IR.
W spektrometrze sygnał pomiarowy jest
przetwarzany w dwóch obszarach fizyki :
- obszar sygnałów świetlnych (światło
widzialne i bliska podczerwień IR), zakres
częstotliwości około 10 14 [Hz]
- obszar sygnałów elektrycznych, zakres
częstotliwości od zera do około 10 9 [Hz].
Przetwarzanie sygnału pomiarowego w
obydwu obszarach jest obarczone
błędem.
Z uwagi na dużą złożoność układów
pomiarowych spektrometru,
przetwarzanie sygnałów pomiarowych
wygodnie jest rozpatrywać za pomocą
pojęć teorii informacji.
Raman spectrometers are measuring
devices , which enable the analysis of
chemical compounds based on the
analysis of the Raman scattering spectra.
Raman scattering spectra are contained
in the region of visible light and near
infrared - IR . In the spectrometer, the
measuring signal is processed in two
areas of physics :
- The area of light signals ( visible and
near infrared IR), a frequency range of
about 10 14 [Hz ]
- The area of electrical signals, a
frequency range from zero to about 10 9
[Hz ] .
The processing of the measured signal in
both areas is flawed .
Due to the high complexity of
spectrometer measurement systems, it is
convenient to consider using the concepts
of information theory during processing
measurement signals.

4. Jakość przetwarzania systemu
pomiarowego spektrometru w
ramach teorii informacji może być
opisana za pomocą uniwersalnego
parametru – dynamika układu
pomiarowego. (DUP).
DUP jest zdefiniowane za pomocą
zależności :
DUP = moc sygnału
pomiarowego / moc szumów układu
pomiarowego.
The quality of the processing of the
measurement system of the
spectrometer within information theory
can be described by a universal
parameter – the dynamic of the
measurement system
( DUP ) .
DUP is defined by the relationship:

5. For classic design Raman
spectrometers DUP = about 10 4 and
allows the determination of the
Raman scattering spectrum with a
resolution of about 0.1[cm1]
For chemical laboratory analyses this
accuracy is sufficient, but in the
analysis of biochemical compounds
this accuracy is insufficient. Classic
design Raman spectrometers can not
overcome this barrier for theoretical
reasons . (optical filters have a limited
quality - diffraction grating with a line
density of about several thousands of
lines / mm , less than 10 000 lines /
mm.
Dla konstrukcji klasycznych
spektrometrów ramanowskich DUP
= około 10 4 i umożliwia
wyznaczanie spektrum
rozpraszania ramanowskiego z
rozdzielczością około 0,1
[cm -1].
Dla analizy laboratoryjnej związków
chemicznych jest to dokładność
wystarczająca, jednak w analizie
związków biochemicznych jest to
dokładność niewystarczająca.
Klasyczne konstrukcje
spektrometrów ramanowskich nie
mogą pokonać tej bariery z
powodów teoretycznych.
(technologia dysponuje filtrami
optycznymi o ograniczonej jakości
– siatki dyfrakcyjne o gęstości linii
około kilka tysięcy linii / mm , mniej
jak 10 000 linii /mm.

6. object
w o →
w o ± w R
Laser
w o
Diffraction pattern
w o ± w R →
Image scanning systyem
→ f(t)
Photodetector [FD]
An optical signal →
An electrical signal
Spektrogram.
Spectrtrum
frequency [cm -1]
Noise – P S1 Noise
- P SD ; P us
Noise

7. Opis spektrometru ramanowskiego –
klasycznego.(RSC)
Swiatło z lasera o częstości kołowej [wo] po przejściu
przez obiekt jest zmodulowane częstotliwościowo
[w o → (w o ± w R)] i dalej jest analizowane za
pomocą siatki dyfrakcyjnej, ta analiza polega na
wytworzeniu obrazu dyfrakcyjnego z sygnału
optycznego [(w o ± w R)].
Na tej drodze przetwarzania sygnałów optycznych
występują szumy w postaci mocy sygnałów
optycznych :
P S1 – szum związany z występowaniem sygnału [w o]
; wraz z sygnałem [(w o ± w R)]. Sygnału [w o] nie
można rozdzielić od sygnału
[(w o ± w R)] i to powoduje, że siatka dyfrakcyna
analizuje sumę przestrzenną tych sygnałów. Ten stan
skutkuje tym, że obraz dyfrakcyjny sygnału [(w o ± w
R)] różni się od sumy przestrzennej sygnałów
optycznych Σ P[w o + (w o ± w R)] ponad to,
występują szumy związane z nieliniowością siatki
dyfrakcyjnej. Moc szumów składa się zatem z
P S1 + P SD + P us
Z uwagi na to, że sprawność modulacji jest biska 1
% to moc sygnału pomiarowego jest znikomo mała
(przy założeniu, że moc lasera = 10 mW to moc
sygnału (w o ± w R) = 10 -4 W.
Zachodzi zatem potrzeba by funkcję fotodetektora
pełnił fotopowielacz (wymaga dużego napięcia
zasilania).
Description of a classic Raman spectrometer
A laser beam with an angular frequency [. o] after
passing through the object is frequency-modulated [ o
→ ( o ± R)] and further analyzed by means of a
diffraction grating. This analysis involves the formation of
the diffraction pattern of an optical signal [( o ± R)].
In this way of processing optical signals, noise is
generated in the form of optical
signals :
P S1 - noise associated with the occurrence of the signal
[ o] together with the signal
[( o ± R)] . Signal [ o] can not be separated from
the signal [( o ± R)] and this leads to the fact that
the diffraction grating analyses the spatial sum of these
signals.
This condition results in that the diffraction image of the
[( o ± R) ] signal differs from the sum of the spatial
optical signals [Σ P[ o - ( o ± R)]. Moreover there
is noise associated with non-linearity of the diffraction
grating . The amount of noise is therefore composed of
PS1 + PSD + Pus .
Due to the fact that the modulation efficiency is close to 1
% is the power the optycal Raman measurement signal is
vanishingly small ( assuming that laser power = 10 mW,
the signal power is
( o ± R) = 10 -4 W).
There is therefore a need for a photomultiplier to act as a
photodetector (this requires a high voltage power supply).

8. Z przyczyn jak opisane wyżej, w
ocenie zespołu naukowego prof.
Henryka Kowalskiego, jest
ograniczenie w technologii
spektrometrów ramanowskich
klasycznych tak, że uzyskanie
rozdzielczości pomiaru spektrum
promieniowania ramanowskiego
lepszej jak [0,1 cm -1] wymaga
opracowania nowej technologii.
Wymagania, pomiaru spektrum
promieniowania ramanowskiego
lepszej jak 0,1 cm -1 może spełnić
opracowany w Zespole
Naukowym prof. Henryka
Kowalskiego spektrometr
rammanowski z heterodyną
optyczną.
The reasons described above , in the
opinion of the research team of Prof.
Henryk Kowlski , limit the classic
Raman spectrometer technology in
such a way that obtaining a
measurement resolution of the Raman
spectrum radiation better than 0.1 cm -
1 requires the development of a new
technology.
The requirements of measuring the
Raman spectrum radiation with a
resolution better than [0.1 cm -1 ] can
be fulfilled by the optical heterodyne
Raman spectromaeter developed by
Prof. Henryk Kowalski’s Scientific
Team.

9. Teoria heterodyny optycznej
Heterodyna optyczna
należy do klasy technologii
heterodynowania z tym, że
pasma detekcji układu
pomiarowego jest w paśmie
częstotliwości optycznych
(wo ± w R ) = około 10 14
Hz).
Optical heterodyne technology
belongs to a class of
heterodyning, however the
detection range of the
measurement system is the
optical frequency band (wo ± w
R) = approximately 10 14 Hz).

11. Opis heterodyny optycznej
Technologia heterodynowania polega
na wprowadzeniu generatora
lokalnego do układu pomiarowego.
Zabieg ten prowadzi do zmniejszenia
pasma częstotliwości sygnału
pomiarowego spektrometru (tu pasmo
częstotliwości sygnału optycznego –
około 10 14 Hz dla układu spektrometru
klasycznego, zostaje zawężone do
około 10 9 Hz).
Gdy parametry konstrukcyjne
heterodyny optycznej zostaną dobrane
tak, że częstotliwość generatora
lokalnego będzie w o , że suma
przestrzenna dwóch sygnałów
optycznych
Σ p ((w o - w o± w R) po
przejściu przez kwadrator i filtr
dolnoprzepustowy fotodetektor ma
pasmo częstotliwości (± w R).
Heterodyning technology is the
introduction of a local oscillator to the
measurement system . This
treatment leads to a decrease in the
frequency band of the spectrometer
measuring signal (here a frequency
band of an optical signal - about 10 14
Hz for a classical spectrometer
system , is narrowed down to about
10 9 Hz).
When the optical heterodyne design
parameters are chosen such that the
frequency of the local oscillator is
equal to [w o] and such that the
spatial sum of the two optical signals
is
Σ p ((w o - w o± w R), after passing
through the quadrarure and lowpass
filter, the photodetector has a
frequency band (± w R).

12. Technologia heterodyny optycznej
eliminuje trzy źródła szumów :
- separuje sygnał promieniowania
ramanowskiego (w o±w R) od
częstotliwośći lasera (w o)
- zmniejsza pasmo częstotliwości
sygnału optycznego o 5 rzędów (z
10 14 → 10 9 Hz ,
- eliminuje szumy występujące na
drodze propagacji sygnału
optycznego P S1 + P SD + P us ,
- eliminuje wpływ filtra optycznego
(siatki dyfrakcyjnej) na mierzone
widmo promieniowania
ramanowskiego tak, że układ z
heterodyną optyczną detekuje tylko
częstotliwości stokesowskie widma
ramanowskiego ± wR.
Optical heterodyne technology
eliminates three sources of noise :
- Separates the Raman signal
radiation (w o±w R) from the laser
frequencies (w o)
- Reduces the frequency band of the
optical signal by 5 orders of
magnitude ( from 10 14 → 10 9 Hz),
- Eliminates noise occurring as a
result of the propagation path of the
optical signal P S1 + P SD + P us ,
- Eliminates the influence of the
optical filter
(diffraction grating ) on the measured
Raman radiation spectrum so that
the heterodyne optical system
detects only the Raman spectra
Stokes frequency ± wR

13. Dodatkowo układ z heterodyną
optyczną :
- eliminuje z układu pomiarowego siatki
dyfrakcyjne (bardzo drogie)
zniekształcające widmo częstotliwości
promieniowania ramanowskiego,
- powoduje, że spektrogram
promieniowania ramanowskiego może
być opisany w jednostkach
częstotliwości – Hz , zamiast jak w
spektrometrach klasycznych w
jednostkach K = 1 /l [cm -1 ]z tym, że z
metrologicznego punktu widzenia,
( w żadnym pomiarze nie można
wyznaczyć rzeczywistej wartości [l] )
(l zależy od parametrów środowiska, w
którym propagowane jest światło),
- wprowadza do układu pomiarowego
spektrometru filtry elektryczne pasmowe
o dobrej jakości i tanie – ten zabieg
polepsza dynamikę układu
pomiarowego tak, że dynamika
spektrometru ramanowskiego z
heterodyną optyczną może mieć
wartość 10 9 (jest o 5 rzędów lepsza niż
dynamika spektrometru ramanowskiego
klasycznego.
In addition, the optical heterodyne system :
- eliminates diffraction gratings (very expensive) from
the measurement system, which distort the frequency
spectrum of the Raman radiation,
- permits the Raman radiation spectrogram to be
described in units of frequency - Hz , instead of, like
with conventional spectrometers, in units of K = 1 / l
(cm-1), with that from a metrological point of view , no
measurement can determine the actual value of [l ]
 l depends on the environment in which light is
propagated),
- introduces into the spectrometer measurement system
good quality, cheap electric band filters - this treatment
improves the dynamics of the measurement system so
that the dynamics of the Raman spectrometer with an
optical heterodyne can have a value of 10 9 ( 5 orders of
magnitude better than the dynamic of the classical
measurement system – DUP = 10 4).

14. Opracowany przez Zespół naukowy prof. Henryka
Kowalskiego spektrometr ammanowski z
heterodyną optyczną (SRH) jest znaczącym
krokiem poprawy jakości spektrometrów
ramanowskich prowadzącym do :
- zwiększenia dokładności analizy związków
chemicznych tak, że rozdzielczość pomiaru
prążków charakterystycznych widma
promieniowania ramanowskiego może być lepsza
jak 10 -5 cm -1,
- prowadzenie analizy związków chemicznych w
czasie rzeczywistym – spektrogram
promieniowania ramanowskiego jest tworzony w
czasie analizy,
- prążki charakterystyczne spektrogramu są
opisywane przez dwie wartości : częstotliwość
prążka n – w Hz , oraz przez wartość względną
mocy danego prążka w badanym widmie
rozpraszania ramanowskiego Pni – w Watach, (w
konstrukcjach klasycznych mierzy się tylko liczby
falowe K i prążków charakterystycznych widma z
tym, że K jest opisane w cm -1),
- dodatkowo, wyposażenie SRH w przesuwnik
częstotliwości światła (PC)lasera umożliwia
detekcję Rezonansowego Zjawiska Ramana
(RZR), którego detekcja umożliwia analizę
skomplikowanych związków biochemicznych
(takiej zdolności pomiarowej niema żaden
spektrometr klasyczny – wyklucza to technologia
detekcji promieniowania ramanowskiego za
pomocą filtrów optycznych (siatka dyfrakcyjna).
The optical heterodene Raman spectromaeter (
SRH ) developed by the research team of Prof. .
Henryk Kowalski is a significant step in improving
the quality of Raman spectrometers leading to :
- an increase in the accuracy of the analysis of
chemical compounds , in that the measurement
resolution of characteristic bands of the Raman
spectrum may be better than 10 -5 cm -1 ,
- conducting chemical analyses in real time - the
spectrogram of the Raman spectra is created at the
time of analysis,
- characteristic bands of the spectrogram are
described by two values : the n - in Hz , and the
relative value of the power of the band frequency
in the chosen Raman spectrum range Pni in Watts
, ( in classical designs only the wave numbers K of
the characteristic bands are measured, with K
being described in cm -1 ),
- In addition, by equipping the SRH in a laser light
frequency shifter (PC) it is possible to detect the
phenomena of Raman Resonance ( RZR ), whose
detection enables the analysis of complex
biochemical compounds
( no classic spectrometer as this ability – this is
impossible due to the technology for detecting
Raman radiation using optical filters (diffraction
gratings))

15. Gdy wiązka światła emitowana z lasera
L spełniająca warunek wo = const. Jest
kierowana na badany obiekt (związek
chemiczny). Obiekt od działywuje z
polem elektromagnetycznym światła
lasera tak, że na atomach związku
chemicznego następuje rozpraszanie
fotonów pola (w mechanizmie
elastycznych zderzeń fotonów z
elektronami atomów).
W wyniku oddziaływania obiektu z
polem atomy związku podlegają
wzbudzeniu polegającemu na tym, że
elektrony walencyjne atomów
zwiększają energię wewnętrzną o
wartość energii pochłoniętego fotonu =
h n to powoduje, że po krótkim czasie
elektron musi powrócić do stanu
podstawowego. Powrót elektronu do
stanu podstawowego skutkuje tym, że
elektron musi wypromieniować energię
w postaci kwantu energii
promieniowania ramanowskiego = [hnR]
The Raman resonance phenomenon
(RZR).
A light beam emitted from the laser L
satisfying condition wo = const is
directed onto the test object ( a
chemical compound ) . The object
interacts with the electromagnetic field
of the laser light , so that scattering of
the fields photons occurs on the
compounds’ atoms ( in the mechanism
of elastic collisions of photons with the
atoms’ electrons) .
As a result of the interaction of the
object with the field, atoms of the
subject compound are excited, in that
the valence electrons increase the
value of their internal energy by the
amount of absorbed photon energy =
hn which causes the electron to
return to the basic state after a short
time. Return of the electron to the
basic state results in that the electron
must radiate this energy in the form of
a quantum of Raman radiation energy
= [h nR ].

16. Rozpraszanie ramanowskie jest
nieliniowym oddziaływaniem
materii z polem
elektromagnetycznym i polega na
tym, że częstość kołowa pole
ulega zmianie [± w R → h n R →
wo ± w R].
Rozróżnia się dwa oddziaływania
atomów materii : stokesowskie
[w = wo - w R]
oraz antystokesowskie
[w = wo + w R] .
Obydwa oddziaływania mogą być
mierzone za pomocą SRH ponad
to, gdy SRH jest dodatkowo
wyposażony w przesuwnik
częstotliwości światła lasera – PC
możliwy jest pomiar
RZR i światło lasera ma wartość
wo’ = f(p) , gdzie : p – parametr.
Raman scattering is a non-linear
interaction of matter with the
electromagnetic field and is
based on the fact, that the
circular field frequency is shifted
[± w R → h n R → (wo ± w R)]
There are two types of
interactions between atoms of
matter: Stokes [w = wo - w R] and
anti-Stokes [w = wo + w R ] .
Both effects can be measured by
SRH, additionally when SRH is
additionally equipped with a laser
light frequency shifter - PC , it is
possible to measure the RZR,
and the laser light has a value of
- wo’ = f(p).

17. Detekcja R Z R opisanego w modelu
kwantowym za pomocą funkcji falowej ma
postać :
Detekcja R Z R opisanego w modelu
kwantowym za pomocą funkcji falowej :
<n |Pr| r> <r |Pa| k>
(ara)kn = 1/n{Σ ----------------------
r ( nrk – n o)
+ składnik nieistotny z (nrk + no) w
mianowniku}
Detekcja RZR jest możliwa gdy, za pomocą
przesuwnikaka częstotliwości światła, na
czynnik [(nrk - no’)] zmienia swoją wartość
tak, by czynnik ten miał dowolnie małą
wartość, wtedy wyrażenie (ara)kn może mieć
dużą wartość [gdzie n’o – regulowana
wartość częstotliwości lasera ;
[nrk] – moment elektrycznego układu
związanego z przejściem cząstki typu k→ ±
n – charakterystyczny dla cząstki].
Wydajność energetyczna rozpraszania
ramanowskiego dla linii stokesowskich
<n |P | r> <r |Pa| k>
( a)kn = 1 / n {Σ -------------------- +
r ( rk – o)
negligible component in the denominator
( rk+ o)}
RZR detection is possible when, by using a
light frequency shifter on the [( rk - o’)
]factor, it changes its value , so that this
factor has an arbitrarily small value , then
the expression [( a)kn] can be of great
value (where [ o’] - variable frequency
laser ; [ rk] - the moment the electrical
system associated with moving particles of
type k → ± n - characteristic of the particle)
.
Energy efficiency of Raman scattering for
Stokes lines o ± R is about 1 %, while
when the wave function [( a)kn ] is
sufficiently large, the RZR is much larger (
about 10 4 ) than the Stokes lines ZR so
that their detection is possible – the
analysis of biochemical compounds of
concentrations of less 10 -8 mol / l
Notations:

18. wo ± w R wynosi 1 % , zaś gdy funkcja
falowa [ …] jest dostatecznie duża to R Z R
jest dużo większe ( 10 4) od linii
stokesowskich Z R tak, że możliwa jest
detekcja – analiza związku biochemicznego
o stężeniu mniejszym jak 10 -8 mol/l.
Oznaczenia :
[(ara)kn] – funkcja falowa dla przejścia
(wzbudzenia cząstki) od stanu n →k ;
[Σ] – oznacza sumowanie po wszystkich
stanach wzbudzonych dla przejścia
n → k.
Wyrażenie [(ara)kn ] opisuje
polaryzowalność (stan wzbudzenia) cząstki
i wpływa na moc promieniowania
ramanowskiego.
Wydajność energetyczna rozpraszania
ramanowskiego wo±w R wynosi 1 % , zaś
gdy funkcja falowa [(ara)kn ] jest
dostatecznie duża to RZR jest dużo większe
( o 10 4) od linii stokesowskich ZR tak, że
możliwa jest detekcja – analiza związku
biochemicznego o stężeniu mniejszym jak
10 -8 mol/l.
[( a)kn] - the wave function for
the transition ( excitation of
particles ) from state n → k ;
[Σ] - Is a summation of all excited
states for the transition n → k
The expression [( a)kn ]
describes the polarizability (
excited state ) of particles and
affects the power of the Raman
radiation .
Energy efficiency of theRaman
scattering o ± R is about 1
%, while the wave function
[( a)kn ] is sufficiently large,
the RZR is much larger ( about
10 4 ) than the Stokes lines ZR
so that their detection is possible
– the analysis of biochemical
compounds of concentrations of
less 10 -8 mol / l

19. Wyposażenie SRH w dodatkowy podzespół –
przesuwnik częstotliwości światła lasera czyni (PC)
czni, że SRH może być wykorzystany do detekcji R
Z R a to pozwala na oznaczanie śladowych wartości
stężenia ( lepszej jak 10 -8 mol /l) substancji w
związku chemicznym.
SRH + PC jest nowym narzędziem badawczym
umożliwiającym analizę chemiczną i biochemiczną w
czasie rzeczywistym z wysoką (inż. 0,0001 cm-1)
rozdzielczością pomiaru :
1. W medycynie :
- jako nieinwazyjna metoda pobierania próbek do
analizy;
- badania ex vivo i en vivo na żywych tkankach
- diagnozowania tkanek w tym rakowych ;
- identyfikacja rozkładu barwników w skórze ;
- obrazowanie obszarów normalnie niedostępnych
dla badaczy w żywych tkankach.
2. W biochemii :
- badania dynamiki procesów enzymatycznych,
mechanizmu widzenia oraz przebiegu fotosyntezy,
czy oddychania komórkowego ;
- przy ustalaniu struktury przestrzennej wielu
skomplikowanych biopolimerów (inż.
cytochrom, porfiryny, karoteny, DNA).
3. W krystalografii (dzięki dużej czułości) :
- do badania drgań nie tylko molekuł, ale również
jest w stanie badać wzbudzenia sieci krystalicznej ,
które są trudne do zaobserwowania przy użyciu
innych technik.
By equipping the SRH with an additional
component - the laser light frequency shifter (PC ),
it is possible to use the only that SRH to detect
the RZR, which allows the determination of trace
concentration values (better than 10 -8 mol / l) of
substances within a chemical compound.
SRH + PC is a new research tool, which allows
chemical and biochemical analyses in real time
with high (approximately 0.0001 cm - 1 )
measurement resolutions :
1. In medicine :
- A non-invasive method of sampling for analysis;
- An ex vivo and en vivo of living tissues ;
- Diagnosing tissues, including cancer tissue ;
- Identification of the distribution of pigments in the
skin ;
- Imaging areas normally inaccessible to
researchers in living tissues .
2. In biochemistry :
- Study the dynamics of enzymatic processes , the
mechanism of vision and photosynthesis or cellular
respiration ;
- For determining the spatial structure of many
complex biopolymers (eg cytochrome , porphyrins,
carotenoids , DNA).
3. In crystallography ( due to high sensitivity) :
- Test not only the vibration of molecules , but also
is able to examine the excitation of the crystal
lattice , which are difficult to be observed using
other techniques.

20. Dziękuję za uwagę