Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Фурье-спектрометр высокого разрешения УФС-02 17
1.1 Принцип непрерывного сканирования в Фурье-спектроскопии высокого разрешения 17
1.1.1 Сущность метода фурье-спектроскопии 17
1.1.2 Принцип непрерывного (быстрого) сканирования 21
1.1.3 Фильтрация спектральной информации 22
1.1.4 Выбор минимального шага дискретизации интерферограммы 24
1.1.5 Перестраиваемый низкочастотный фильтр 27
1.1.6 Перестраиваемый полосовой фильтр 28
1.1.7 Алгоритм выбора параметров регистрации интерферограммы 32
1.2 Разработка и анализ функционирования оптических узлов спектрометра высокого разрешения 35
1.2.1 Интерферометр - основное звено интегрального преобразования исследуемого излучения 35
1.2.2 Оптимизация спектральных характеристик предварительного монохроматора 42
1.3 Результаты некоторых спектральных исследований, выполненных с помощью спектрометра УФС-02 48
Глава 2. Специализированные Фурье-спектрометры 57
2.1 Быстросканирующий Фурье-спектрорадиометр БФС-01 57
2.2 Фурье-спектрометр АФ-1 (АФ-3) 65
2.2.1 Оптическая схема и состав фурье-спектрометра АФ-1 66
2.2.2 Спектральные измерения, подтверждающие характеристики спектрометра АФ-1 71
2.2.3 Автоматизированная система идентификации и контроля качества горючего (АСИ ККГ) 79
2.3 Портативный переносной ИК фурье-спектрометр ПАК-Б 82
2.3.1 Состав, устройство, принцип действия фурье-спектрометра ПАК-Б 84
2.3.2 Анализатор качества автомобильных бензинов переносной ПАК-Б 90
2.3.3 Новый подход к анализу ИК спектров бензинов 91
2.4. Оптоволоконный фурье-спектрометр 96
2.4.1 Основные особенности оптоволоконного Фурье-спектрометра 98
2.4.2 Результаты спектральных измерений на оптоволоконном фурье-спектрометре 104
2.4.3 Оптоволоконные зонды ИК диапазона 106
Глава 3. Многоцелевой ИК фурье-спектрорадиометр 110
3.1 Особенности применения многоцелевого ИК фурье-спектрорадиометра 110
3.1.1 Область и условия применения многоцелевого ИК фурье-спектрорадиометра 110
3.1.2. Состояние проблемы дистанционного зондирования Земли для метеозадач 114
3.1.3. Методические вопросы (для метеозадач и измерения малых газовых составляющих) 116
3.2 Исследование и разработка общей структуры построения и функционирования многоцелевого ИК фурье-спектрорадиометра 118
3.2.1 Спектрометр 118
3.2.2 Оптическая схема прибора 125
3.2.3 Интерферометр 130
3.2.4 Радиометр 139
3.2.5 Особенности конструкции прибора 146
3.2.6 Компоновка спектрометра 148
3.2.7 Сканер 151
3.2.8 Основные элементы иузлы сканера 156
3.2.9 Формирование референтного сигнала и требования к нему 168
3.2.10 Допустимая разъюстировка интерферометра 174
3.2.11 Испытания макетного образца МЦФС 186
Глава 4. Исследование некоторых особенностей функционирования фурье-спектрометра и обработки регистрируемой информации с целью улучшения его спектральных характеристик 190
4.1 Стабилизация скорости сканирования в фурье-спектрометре и ее влияние на измеряемые спектры 190
4.1.1 Разработка требований к стабилизации скорости перемещения подвижного отражателя в интерферометре фурье-спектрометра 192
4.1.2 Анализ погрешности скорости изменения оптической разности хода в быстро сканирующем фурье-спектрометре 199
4.2 Метод повышения отношения сигнал/шум путем когерентного суммирования интерферограмм 205
4.2.1 Требования к положению метрологической шкалы при измерении оптической разности хода единичной интерферограммы 207
4.2.2 Исследование характера искажений спектральной информации при накоплении интерферограмм, обусловленных частотными характеристиками приемного тракта 209
4.2.3 Анализ выигрыша в отношении сигнал/шум, получаемого в результате когерентного суммирования интерферограмм 211
4.3 Оптимальные функции аподизации 216
4.3.1 Оптимальная аподизация 216
4.3.2 Квазиоптимальная аподизация в фурье-спектрометрии 224
Заключение 231
Литература 233
- Интерферометр - основное звено интегрального преобразования исследуемого излучения
- Автоматизированная система идентификации и контроля качества горючего (АСИ ККГ)
- Формирование референтного сигнала и требования к нему
- Анализ погрешности скорости изменения оптической разности хода в быстро сканирующем фурье-спектрометре
Введение к работе
Диссертационная работа, представленная к защите, содержит результаты исследований и разработок семейства специализированных ИК фурье-спектрометров, предназначенных для научных экспериментов в различных областях физики, химии, биофизики, материаловедения и прикладных применений в производственных технологических линиях и контроле состава и качества различных веществ и видов продукции.
Работа обобщает результаты, полученные в ходе решения этой важной государственной проблемы лично автором, либо под его руководством и непосредственном участии в период 1972-2009 гг. в Научно-технологическом центре уникального приборостроения РАН. С использованием полученных результатов было создано более десяти типов фурье-спектрометров различного назначения, применяемых НИИ и организациями РАН, промышленности и Минобороны России при проведении экспериментальных исследований и практических применениях.
Актуальность темы. Многообразие возможностей применения Фурье-спектрометров для решения задач в области современной физики, химии, биофизики, материаловедения обеспечивается их известными преимуществами над другими видами спектрометров. К ним в первую очередь следует отнести:
фактор мультиплексности, заключающийся в одновременной регистрации всего исследуемого спектрального диапазона;
большой геометрический фактор - выигрыш в светосиле, обусловленной осевой симметрией интерферометра и значительными размерами входной диафрагмы;
высокую точность шкалы волновых чисел, которая обеспечивается точным измерением оптической разности хода интерферирующих световых пучков в интерферометре;
практически постоянное во всем исследуемом спектральном диапазоне разрешение, которое определяется величиной предельной оптической разности хода, достигаемой в интерферометре;
широкий диапазон исследуемого спектра, ширина которого определяется только областью пропускания светоделителя и областью спектральной чувствительности фотоприемника;
отсутствие (как правило) влияния на измеряемые спектры рассеянного излучения, являющегося одним из основных источников фотометрической погрешности в классических спектрометрах.
Указанные преимущества Фурье-спектрометров позволяют за время одного эксперимента производить высокоточные спектральные измерения исследуемых объектов (в газообразном, жидком и твердом состоянии) в широком диапазоне длин волн. Все это обеспечивает высокое качество получаемой информации, в результате чего такие приборы находят широкое применение, как в научных, так и прикладных исследованиях.
Цель работы – исследование и разработка семейства специализированных ИК фурье-спектрометров, предназначенных для научных экспериментов в различных областях физики, химии, биофизики, материаловедения и прикладных применений в производственных технологических линиях и контроле состава и качества различных веществ и видов продукции.
Основные задачи диссертации, обеспечивающие достижение поставленной цели:
-
Исследование и разработка оптической схемы интерферометра, определение требований, предъявляемых к его основным элементам, и разработка принципа непрерывного сканирования для фурье-спектрометра высокого разрешения.
-
Исследование, разработка и создание Быстросканирующего фурье-спектрометра субмиллиметрового диапазона. Разработка оптической схемы интерферометра и исследование особенностей его функционирования.
-
Исследование, разработка и создание фурье-спектрометра широкого применения. Разработка оптической схемы прибора и исследование особенностей его функционирования.
-
Исследование, разработка и создание портативного переносного фурье-спектрометра и на его основе - анализатора горюче-смазочных материалов. Разработка оптической схемы прибора.
-
Исследование, разработка и создание оптоволоконного ИК фурье-спектрометра, Разработка оптической схемы прибора и исследование особенностей его функционирования.
-
Разработка оптической схемы, принципов построения и функционирования многоцелевого ИК фурье-спектрорадиометра для исследования земной поверхности и атмосферы с борта спутника, а также для наземных дистанционных измерений.
-
Исследование требований к стабилизации скорости сканирования в интерферометре фурье-спектрометра, обусловленных частотными характеристиками приемного тракта и необходимым отношением сигнал/шум в получаемом спектре.
-
Исследование метода повышения отношения сигнал/шум в спектре в результате предварительного накопления интерферограмм
-
Разработка и исследование нового класса оптимальных функций аподизации.
Методы исследования основываются на законах электродинамического взаимодействия электромагнитного излучения с элементами фурье-спектрометра, математическом анализе такого взаимодействия, теории вероятностей и математической статистике, компьютерном моделировании и экспериментальном макетировании.
Научная новизна.
На основе комплексных исследований оптико-механических схем и разработки принципов функционирования создано семейство специализированных ИК фурье-спектрометров для научных исследований и прикладных применений.
Исследованы, разработаны и внедрены в практику Фурье-спектрометрических измерений ряд алгоритмических и аппаратных методов обработки спектральной информации с целью повышения спектрального разрешения и отношения сигнал/шум в получаемом спектре.
Разработан принцип непрерывного сканирования для фурье-спектрометра высокого разрешения. Предложена и исследована оптическая схема интерферометра с улучшенной компенсацией фазовых искажений в светоделителе. С помощью созданного спектрометра высокого разрешения обнаружена и исследована тонкая (изотопическая) структура на сверхтонкой структуре электронного перехода в оптическом спектре кристалла фторида лития-иттрия, активированного гольмием.
Проведены исследования, на основе которых разработан и изготовлен Быстросканирующий фурье-спектрорадиометр для измерения спектральной яркости поляризованного электромагнитного излучения высокотемпературной замагниченной плазмы в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Разработана его оптическая схема и исследованы особенности его функционирования.
Проведены исследования, на основе которых разработан и изготовлен фурье-спектрометр широкого применения. Разработана его оптическая схема и исследованы особенности его функционирования. На его основе создана автоматизированная система идентификации и контроля качества горючего.
Проведены исследования, на основе которых разработан и изготовлен портативный переносной фурье-спектрометр. Предложена, исследована и внедрена оптическая схема компактного интерферометра. На основе спектрометра создан и сертифицирован портативный анализатор горюче-смазочных материалов. В результате с помощью ИК Фурье-спектроскопии реализован на практике экспресс-метод их анализа.
Проведены исследования, на основе которых разработан и изготовлен Оптоволоконный ИК фурье-спектрометр. Разработана его оптическая схема и исследованы особенности его функционирования.
Проведены исследования, на основе которых разработан и создан макет многоцелевого ИК фурье-спектрорадиометра для исследования земной поверхности и атмосферы с борта спутника. Разработана оптическая схема прибора. Исследованы особенности его построения и функционирования.
Исследованы требования к стабилизации скорости сканирования в интерферометре фурье-спектрометра и особенности метода повышения отношения сигнал/шум в спектре посредством накопления интерферограмм. Разработан и исследован новый класс оптимальных функций аподизации, позволяющих получить максимально возможное спектральное разрешение при заданном уровне боковых лепестков аппаратной функции.
Перечисленные выше исследования выполнены впервые.
Практическая значимость и результаты внедрения
На основании проведенных исследований разработан и выпущен в мелкосерийном производстве в НТЦ УП РАН целый ряд Фурье-спектрометров различного назначения:
-
Фурье-спектрометр УФС-02 с рабочей областью спектра от 1 мкм до 100 мкм и разрешением до 0,005 см-1;
-
Фурье-спектрометр ФС-01 с рабочей областью спектра от 2 мкм до 100 мм и разрешением до 0,1 см-1. Фурье-спектрометр ФС-01 внедрен в серийное производство на Опытно-производственном предприятии НТО АН СССР г. Минска;
-
Автоматизированный фотоэлектрический спектрометр АФС-01 с рабочей областью спектра от 2 мкм до 400 мкм и разрешением до 0,1 см-1;
-
Лабораторный субмиллиметровый Фурье-спектрометр ЛСФС-01 с рабочей областью спектра от 100 мкм до 3000 мкм и разрешением до 0,05 см-1;
-
Быстросканирующий Фурье-спектрорадиометр БФС-01 с рабочей областью спектра от 100 мкм до 5000 мкм с разрешением 0,1 см-1 и временным разрешением 5 мс;
-
Двухканальный фурье-спектрометр ФС-02 с рабочей областью спектра от 2 до 25 мкм и разрешением 0,1 см-1;
-
Аналитический Фурье-спектрометр широкого применения с рабочей областью спектра от 2 до 25 мкм и разрешением 1 см-1;
-
Автоматизированная система контроля качества горюче-смазочных материалов;
-
Портативный переносной инфракрасный фурье-спектрометр ПАК-Б с рабочей областью спектра от 2 до 25 мкм и разрешением 3 см-1;
-
Опытный образец Оптоволоконного фурье-спектрометра с рабочей областью спектра от 3 до 18 мкм и разрешением 3 см-1;
-
Макет Многоцелевого фурье-спектрорадиометра с рабочей областью спектра от 2 до 25 мкм и разрешением 0.3 см-1.
-
Макет Фурье спектрохолоэллипсометра с рабочей областью спектра от 2 до 25 мкм и разрешением 3 см-1.
Результаты исследований и разработок Фурье-спектрометров внедрены в Научно-технологическом центре Уникального приборостроения РАН, Институте спектроскопии РАН, Физическом институте РАН, Институте химической физики РАН, Институте космических исследований РАН, Институте физики металлов СО РАН, 25 ГОСНИИ МО РФ, Филиале Института ядерных исследований им. И.В. Курчатова, Институте общей физики РАН им. А.М.Прохорова, Федеральном государственном унитарном предприятии «Главкосмос», а также в ряде вузов и отраслевых НИИ.
Личное участие автора в разработках по теме диссертационной работы
По большинству разработок по теме диссертации автор являлся научным руководителем или ответственным исполнителем или заместителем ответственного исполнителя работы. Все результаты исследований получены лично автором диссертации.
Автор был ведущим конструктором при создании фурье-спектрометра высокого разрешения УФС-02 и разработал принцип непрерывного сканирования для фурье-спектрометра высокого разрешения, а также оптическую схему прибора.
Автор был научным руководителем следующих разработок:
портативный переносной инфракрасный фурье-спектрометр ПАК-Б;
опытный образец Оптоволоконного фурье-спектрометра;
макет Многоцелевого фурье-спектрорадиометра.
Автор самостоятельно провел теоретические исследования некоторых особенностей функционирования фурье-спектрометра с целью улучшения его технических характеристик, в частности, исследовал требования к стабилизации скорости сканирования в интерферометре фурье-спектрометра; исследовал метод повышения отношения сигнал/шум в спектре в результате предварительного накопления интерферограмм; исследовал и разработал новый класс функций аподизации. Результаты этих исследований были использованы и внедрены автором в разработках ряда специализированных фурье-спектрометров (ФС-01, АФС-01, ЛСФС-01, БФС-01, ФС-02).
На защиту диссертации выносятся
1. Принцип быстрого сканирования в фурье-спектроскопии высокого разрешения.
2. Оптическая схема интерферометра фурье-спектрометра высокого разрешения.
3. Оптическая схема интерферометра быстросканирующего фурье-спектрометра субмиллиметрового диапазона.
4. Оптическая схема фурье-спектрометра широкого применения.
5. Оптическая схема компактного интерферометра для портативного фурье-спектрометра, предназначенного для анализа горюче-смазочных материалов.
6. Физико-технические принципы построения и функционирования оптоволоконного фурье-спектрометра.
7. Схема и основные принципы построения и функционирования многоцелевого фурье-спектрорадиометра, предназначенного для дистанционного исследования земной поверхности и атмосферы с борта летательного аппарата.
8. Оценка требований к стабилизации скорости сканирования в интерферометре фурье-спектрометра, обусловленных частотными характеристиками приемного тракта и необходимым отношением сигнал/шум в получаемом спектре.
9. Оценка повышения отношения сигнал/шум в спектре в результате предварительного накопления интерферограмм.
10. Новый класс (так называемых оптимальных) функций аподизации;
Достоверность материалов диссертационной работы
Достоверность подтверждена результатами спектральных измерений, выполненных на разработанных фурье-спектрометрах.
Апробация работы
Результаты, полученные в работе, докладывались и обсуждались на Российских и международных научных конференциях и семинарах, в том числе на:
- IV International seminar on high resolution infrared spectroscopy (Liblice near Prague, 1976);
- XVIII съезде по спектроскопии (г. Горький, 1977);
- IV международной Конференции по применению ЭВМ в химии и химическом образовании (г.Новосибирск, 1978);
- 5-th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy (Ottawa, Ontario, Canada, 1985);
- 7-th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy (Fairfax, Virginia, USA, 1989);
- 8-th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy (Lubeck, Travemunde, FRG, 1991);
- Spectroscopy in Special Application (Kyiv, Ukraine, 2003);
- International Conference “Micro-and nanoelectronics 2005” (Moscow, Zvenigorod, 2005);
- 2-ой Международной конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации» (ARMIMR-2007) (Суздаль, 25-27 сентября 2007 г.);
- 32nd International Conference on Infrared and Millimetre Waves (IRMMW-THz 2007), (United Kingdom, Cardiff, September 2-7, 2007);
- LXІІІ научной сессии Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С.Попова, посвященной дню радио (г. Москва, 14-15 мая 2008 г.).
- XI Всероссийской школе-семинаре «волновые явления в неоднородных средах» (Звенигород Московская область, 26-31 мая 2008 г.).
- 1-ой конференции МАА-РАКЦ «Космос для человечества» (г. Королёв, Московская область, 21-23 мая 2008 г.).
- V научно-технической конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования земли» ( г.Адлер, 15-20 сентября 2008 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано более 60 научных работ (из них 26 статей в журналах, рекомендованных ВАК), получено 4 авторских свидетельства на изобретение (СССР) и 3 патента РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и приложения. Основная часть диссертации содержит 239 страниц машинописного текста, в том числе 57 рисунков и список литературы из 97 наименований.
Интерферометр - основное звено интегрального преобразования исследуемого излучения
При регистрации спектра с помощью любого спектрометра возникает, как правило, задача получения спектра на заданном спектральном интервале с наилучшим (или требуемым) отношением сигнал/шум за минимальное (или требуемое) время. Фурье-спектрометр не является в этом смысле исключением. Поскольку одним из этапов получения спектра с его помощью является обработка интерферограммы на ЭВМ, существенным (особенно при широком спектральном интервале и большой разрешающей силе) оказывается время такой обработки. Оно, естественно, определяется объемом обрабатываемой информации, зависящим в свою очередь от шага дискретизации интерферограммы. Шаг дискретизации, как уже было показано (п. 1.1.1), обратно пропорционален получаемому в процессе фурье-преобразования спектральному интервалу. Таким образом, сокращение ширины этого интервала с помощью различных видов фильтрации исследуемого спектра приводит к выигрышу во времени.
В ряде случаев фильтрация улучшает и отношение сигнал/шум в спектре, так как в представлении спектра шума участвует несколько максимумов аппаратной функции (при выборе минимального числа точек регистрации интерферограммы), тогда как в развертке оптического спектра участвует лишь один такой максимум (фильтрация позволяет уменьшить или уничтожить шум, который вносится со спектральных участков, сканируемых всеми остальными максимумами аппаратной функции).
Спектральную фильтрацию можно осуществить несколькими способами. Наиболее очевидный — введение в пучок исследуемого излучения оптических спектральных фильтров, обрезающих коротковолновую часть спектра (фильтры нижних частот) или полосовых [13,14]. Такую фильтрацию в нашем приборе выполняет предварительный монохроматор.
Другой способ спектральной фильтрации использует аналоговые фильтры [13]. При быстром непрерывном сканировании в электрическом сигнале, снимаемом с фотоприемника, устанавливается соответствие фурье-частот с оптическим спектром (п. 1.1.2). Все высокочастотные и низкочастотные шумы, выходящие за пределы соответствующего частотного интервала, могут быть отфильтрованы соответствующими аналоговыми фильтрами. Они могут осуществлять фильтрацию и фурье-частот, соответствующих тем участкам оптического спектра, которые выходят за границы интересующего спектрального диапазона. Основным требованием при использовании такого типа фильтрации является строгое постоянство скорости изменения оптической разности хода в интерферометре.
Эффективным способом спектральной фильтрации является цифровая фильтрация. Она может выполняться электронными цифровыми фильтрами или на ЭВМ с помощью соответствующих программ (в последнем случае используется термин математической фильтрации). Использование электронных цифровых фильтров позволяет улучшить отношение сигнал/шум в спектре. Математическая фильтрация [13, 15, 16] применяется для сокращения объема информации, записываемой в память вычислительных устройств или передаваемой (например, со спутника, где расположен спектрометр) на станции приема информации.
Система регистрации спектральной информации в соответствии с выбранными параметрами эксперимента существенным образом меняет оптический сигнал, регистрируемый на фотоприемнике исследуемого излучения. Аналоговый сигнал преобразуется в дискретный с некоторым шагом hmj„, а далее полученный дискретный сигнал посредством цифровых фильтров преобразуется в другой дискретный сигнал, отличающийся от исходного шагом дискретизации и спектральным составом. В спектрометре УФС-02 в качестве цифровых фильтров используются низкочастотный (п. 1.1.5) и полосовой (п. 1.1.6) фильтры. Их применение в совокупности с оптическим фильтром (предварительным монохроматором) позволяет получить спектр с высоким разрешением в узком спектральном интервале с высоким отношением сигнал/шум.
Измеряемая фурье-спектрометром интерферограмма представляется конечным числом ее дискретных значений, регистрируемых через равные интервалы оптической разности хода. (Ее конечность обусловлена пределом изменения оптической разности хода 5 в интерферометре).
Полученный результат можно представить соотношением где I (5) и 1(6) - регистрируемая и истинная интерферограммы, А(5) - функция аподизации, Rh(8) - периодическая функция ("гребень" Дирака) с периодом h.
Фурье-преобразование (TF) соотношения (1.5) приводит к выражению B (v) = B(v) A(v) r1/h(v) = B(v) F(v), где В (v) = TF[I (8)] и B(v) = TF[I(6)] - получаемый и истинный спектры, A (v) = TF[A(5)], r1/h(v) = TF[Rh(5)], F(v) = A (v r1/h(v) - аппаратная функция спектрометра.
Периодичность функции F(v) обуславливает и периодичность (период 1/h) получаемого спектра В (v). В результате, если учесть и эрмитовость функции B(v), достоверный (без переналожения) спектр может быть получен лишь на интервале l/(2h). Следовательно, при выборе шага дискретизации обрабатываемой интерферограммы необходимо, чтобы соответствующий ей спектральный диапазон с отличными от нуля спектральными составляющими полностью вписывался в один из интервалов l/(2h). Но есть еще и спектр шума, превосходящий по ширине, как правило, спектр излучения. И на передачу спектра шума работает ряд максимумов функции F(v), если даже исследуемый спектр задан одним ее максимумом.
Если бы спектр шума Bm(v), содержащегося в интерферограмме, был постоянным («белым») для v от 0 до оо, его средняя мощность в вычисленном спектре была бы бесконечно большой. Реальный спектр шума — конечен и ограничен по мощности. Так, в случае совпадения частотных характеристик приемного тракта с характеристиками некоего RC - фильтра, этот спектр в широкой области частот имеет вид Вш (v) = Вш(у)/[1+(27г\Ч т) ], где V — оптическая скорость сканирования, т - постоянная времени фильтра, Вш(у) и Вш (v) - спектр шума на входе и выходе фильтра.
Автоматизированная система идентификации и контроля качества горючего (АСИ ККГ)
Для понимания закономерностей работы описываемого отражателя в интерферометре и требований, на него накладываемых, остановимся подробнее на частном случае применения сферических зеркал (Mi и М2).
Положим: Сі - центр кривизны большого зеркала Мь R- радиус кривизны Мь С2 - центр кривизны малого зеркала М2; р - радиус кривизны М2. Любой луч в рассматриваемой системе может быть описан координатой точки пересечения луча с оптической осью системы Zi и углом наклона луча к этой оси Ji- Падающий луч имеет параметры Zo и Jo , отраженный — Z\ и Ji. Используя теорему синусов и закон отражения, получим (R — Zi) / sin a = R / sin Jb Отсюда находим Zt и J]. Составив уравнение для второго отражения от зеркала М2 и третьего от зеркала Мь находим Z2 и J2. В параксиальном случае Если ввести точку S - изображение точки С2 в зеркале Мь координата которой Zs = R/2 + R / (4р), то выражение (1.14) можно переписать
Таким образом, из выражения (1.15) следует, что отраженный луч параллелен падающему (J2 = Jo), а точка S является центром симметрии (Z2-Zs = Zo + Zs). При этом расстояния от точки S до падающего и отраженного лучей одинаковы (AS = BS).
Из-за поворотов подвижного отражателя при перемещении может происходить параллельный сдвиг отраженного луча относительно его первоначального направления, так как при этом нарушается параллельность движения отражателя направлению распространения падающего на него излучения. Эти повороты вызывают смещение точки S. Пусть \/ — угол поворота отражателя вокруг оси В, лежащей на расстоянии г от точки S (Рис. 1.10), а ф - угол между SB и лучом. Тогда величина параллельного смещения отраженного луча d = 2h = 4r sin (\//2) cos (ф + \j/ IT).
Параллельное смещение отраженного луча d ограничивается некоторым предельным значением d„p, при котором интерференционная картина еще заметно не искажается. Это условие накладывает ограничения на допустимую величину угла поворота у, а именно ц/ dnp/2rcos (ф) = \/пр. Очевидно, что вращение отражателя вокруг точки S — центра симметрии не вызывает смещения отраженного луча (i/Iip — оо). Предельно допустимый угол поворота \j/np уменьшается по гиперболическому закону по мере удаления оси вращения от точки S. Величина сдвига отраженного луча относительно его первоначального направления из-за не параллельности направления излучения направлению движения зависит от пределов изменения разности хода. Пусть г) - угол между этими направлениями, А — изменение разности хода. Сдвиг отраженного луча к линейно зависит от А (Рис. 1.10) k = 2Asinri. Обычно угол т мал, так что к = 2Ал. Именно для устранения подобных явлений в плечи разработанного интерферометра вводятся неподвижные плоские поворотные зеркала 5 и 7 (Рис Л .8). Они обеспечивают возвращение отраженных лучей в отражателях 4 и 6 (независимо от их параллельного смещения d) по пути падающих. Отметим также удвоение при этом оптической разности хода в плечах интерферометра, что позволяет соответственно повысить и разрешение. Влияние аберраций систем «кошачий глаз» на волновые фронты световых потоков уже исследовалось [26,27]. Подчеркнем, однако, основные положения этих работ, оказавшиеся полезными при конструировании рассматриваемых ретрорефлекторов: а) при использовании последних в интерферометре необходимо добиваться максимальной конструктивной и оптической идентичности подвижного отражателя с неподвижным. Особое внимание необходимо обратить на идентичность положений малых зеркал относительно больших. Так, если 1 - смещение малого зеркала от фокуса большого вдоль оптической оси системы, a dl - отличие в положении малых зеркал в этих двух системах, то волновые фронты, выходящие из этих отражателей, будут иметь максимальное отклонение друг от друга [27] 5 = (D7R ) dl, где D - диаметр вогнутого зеркала; R - радиус его кривизны; б) экспериментально найдено, что «кошачий глаз» с выпуклым малым зеркалом (М2) позволяет получить большую светосилу при работе с протяженным источником излучения (обычно встречающимся в фурье спектроскопии), чем аналогичная оптическая система с вогнутым или плоским малым зеркалом [28]. в) радиус кривизны малого выпуклого зеркала следует выбирать, исходя из минимума аберрации кривизны поля изображения большого сферического зеркала, равным р = R/2; г) при максимально допустимых поворотах отражателя во время движения на предельный угол \}/пр, точка попадания луча на малое зеркало сместится относительно центра на величину К= \j/npR/2. Этим и определяется необходимый диаметр малого зеркала. Рассмотрим вариант отражателя «кошачий глаз», созданного для нашего спектрометра. Большое зеркало диаметром D = 100 мм — вогнутое параболическое с фокусным расстоянием f = 250 мм. Малое зеркало — выпуклое сферическое с радиусом кривизны р = 250 мм и диаметром dm = 10 мм. (Это позволило работать в интерферометре с коллимированным пучком диаметром 50 мм). Требования к точности изготовления всех зеркал определялись коротковолновой границей исследуемого спектра, причём AN = 0.3; N = 0.3. В результате перехода в плечах интерферометра с плоских зеркал на описанную систему «плоское зеркало-ретрорефлектор» (6,7 и соответственно 4 и 5 (Рис. 1.8)) удалось резко снизить требования к точности изготовления и юстировки механизма прямолинейного перемещения подвижного отражателя с долей угловой секунды до 1 и удвоить (при том же механическом перемещении подвижного отражателя, что и в классических вариантах интерферометра) достигаемую разрешающую силу.
Формирование референтного сигнала и требования к нему
Световой пучок, прошедший светоделитель в интерферометре, попадает на зеркальные поверхности очередного диэдра, отражается от них и возвращается назад по пути, параллельному направлению падающего пучка (ось падающего на диэдры пучка должна быть нормальна их ребрам). Угол ам, в пределах которого совершается рабочее изменение оптической разности хода в интерферометре, и величина радиуса R определяют спектральное разрешение, достигаемое на Фурье-спектрорадиометре. Коротковолновая граница спектрального диапазона, реализуемого на таком приборе, полностью определяется качеством изготовления оптико-механической части сканера.
На рабочем участке сканирования интерферограммы изменение оптической разности хода (А5) происходит по синусоидальному закону в зависимости от угла (а) поворота платформы AS = 2R sin а + 80, где 50 — оптическая разность хода при таком положении рабочего диэдра, в котором его ребро находится в точке 0 (Рис.3), а соответствующий угол а(О ) = 0 (радиус 00 нормален к оси падающего на отражатель светового пучка). Если со - круговая частота вращения платформы, то а = co + а0, где а0 - некоторое значение угла, выбираемое таким образом, чтобы Из выражения (2.1) и Рис.2.3 видно, что скорость изменения оптической разности хода максимальна при прохождении диэдром точки 0 - центра реальной области сканирования интерферограммы. Если при этом рабочий угол сканирования (ам) мал и платформа вращается равномерно, то можно считать скорость изменения оптической разности хода постоянной и равной 2Rto, что снижает требования к частотным характеристикам фотоприемника и приемно-усилительного тракта Фурье-спектро-радиометра [41]. Благодаря тому, что на платформе расположено несколько диэдров, можно при сравнительно низких скоростях вращения платформы (1000 — 5000 об/мин) добиться высокой частоты повторения регистрации интерферограмм, увеличив полезное время измерения. Эффективность использования времени эксперимента можно оценить по формуле где 0 - скважность, а у - угловое расстояние между ребрами соседних диэдров (Рис.2.3). Для более полного использования времени эксперимента диэдры располагаются максимально близко друг к другу, но так, чтобы на рабочем участке сканирования падающий на сканер световой поток не попадал одновременно на два отражателя. Конструктивно сканирующее устройство представляет собой систему, состоящую из рабочего и контрольного дисков и электродвигателя, установленных на одном валу. На рабочем диске размещаются подвижные отражатели - диэдры. Контрольный диск с системой прецизионных отверстий и соответствующих датчиков обеспечивает контроль скорости вращения вала электродвигателя. Электродвигатель обеспечивает широкий набор скоростей вращения (от 500 до 4000 об/мин) сканирующего устройства. Оптический переключатель (Рис.2.2) предназначен для переключения исследуемых потоков излучения от физической установки и от калибровочного источника к интерферометру. К переключателю подстыковываются два идентичных световода, направленных соответственно на физическую установку и на калибровочный источник (черное тело). Переключатель по команде от ЭВМ осуществляет необходимую коммутацию светового потока от излучателей к интерферометрическому узлу.
Конструктивно переключатель представляет собой цилиндр, в который через фланцы входят четыре тонкостенные трубы (световоды), две из которых предназначены для подвода излучения от соответствующих источников, а другие две - для вывода из переключателя потоков излучения с взаимно ортогональными поляризациями. Внутри цилиндра установлен сеточный поляризатор в подвижной оправе, двигатель и заслонка. Поляризатор предназначен для сохранения поляризации исследуемого излучения в соответствующих каналах интерферометра путем его поворота на 90 при смене источника излучения. Заслонка перекрывает излучение от физической установки при работе с калибровочным источником.
В качестве приемников исследуемого излучения в спектрометре БФС-01 используются приемники, выполненные на кристаллах: - InSb (антимонид индия). Приемники размещаются в гелиевых криостатах, где охлаждаются до температуры 4,2К. Криостатами служат транспортные гелиевые дьюары типа СТГ-25. Световое излучение передается на приемник по световодам, выполненным из тонкостенных металлических труб. Используемый предварительный усилитель обладает коэффициентом усиления 1000 - 5000, полосой пропускания 3000 - 500000 Гц и приведенным к входу уровнем шума 1—2 нВ/Гц. Масштабирующий усилитель обеспечивает программное управление коэффициентом усиления в пределах от 1 до 100. Для точной установки гелиевого сосуда с приемником излучения имеется специальная подставка с котировочными механизмами.
Вакуумная система прибора обеспечивает вакуум в рабочих камерах прибора до 10" мм.рт.ст. Рабочими камерами являются камера интерферометра, оптический переключатель и световоды, по которым исследуемое излучение направляется к интерферометру. Откачка атмосферных газов из камер производится в камере интерферометра и в световодах. Это позволяет придать гибкость вакуумной системе, дает возможность изменять ее. Места, в которых производится откачка газов, объединены общей вакуумной магистралью, откачиваемой одним форвакуумным насосом. В каждом месте откачки установлены отсечной клапан, клапан напуска и термопарный преобразователь, позволяющий измерять величину вакуума. Оптический переключатель откачивается через трубы, подводящие исследуемое излучение.
Анализ погрешности скорости изменения оптической разности хода в быстро сканирующем фурье-спектрометре
Для более полного использования времени эксперимента диэдры располагаются максимально близко друг к другу, но так, чтобы на рабочем участке сканирования падающий на сканер световой поток не попадал одновременно на два отражателя.
Конструктивно сканирующее устройство представляет собой систему, состоящую из рабочего и контрольного дисков и электродвигателя, установленных на одном валу. На рабочем диске размещаются подвижные отражатели - диэдры. Контрольный диск с системой прецизионных отверстий и соответствующих датчиков обеспечивает контроль скорости вращения вала электродвигателя. Электродвигатель обеспечивает широкий набор скоростей вращения (от 500 до 4000 об/мин) сканирующего устройства.
Оптический переключатель (Рис.2.2) предназначен для переключения исследуемых потоков излучения от физической установки и от калибровочного источника к интерферометру. К переключателю подстыковываются два идентичных световода, направленных соответственно на физическую установку и на калибровочный источник (черное тело). Переключатель по команде от ЭВМ осуществляет необходимую коммутацию светового потока от излучателей к интерферометрическому узлу. Конструктивно переключатель представляет собой цилиндр, в который через фланцы входят четыре тонкостенные трубы (световоды), две из которых предназначены для подвода излучения от соответствующих источников, а другие две - для вывода из переключателя потоков излучения с взаимно ортогональными поляризациями. Внутри цилиндра установлен сеточный поляризатор в подвижной оправе, двигатель и заслонка. Поляризатор предназначен для сохранения поляризации исследуемого излучения в соответствующих каналах интерферометра путем его поворота на 90 при смене источника излучения. Заслонка перекрывает излучение от физической установки при работе с калибровочным источником. Приемники размещаются в гелиевых криостатах, где охлаждаются до температуры 4,2К. Криостатами служат транспортные гелиевые дьюары типа СТГ-25. Световое излучение передается на приемник по световодам, выполненным из тонкостенных металлических труб. Используемый предварительный усилитель обладает коэффициентом усиления 1000 - 5000, полосой пропускания 3000 - 500000 Гц и приведенным к входу уровнем шума 1—2 нВ/Гц. Масштабирующий усилитель обеспечивает программное управление коэффициентом усиления в пределах от 1 до 100. Для точной установки гелиевого сосуда с приемником излучения имеется специальная подставка с котировочными механизмами. Вакуумная система прибора обеспечивает вакуум в рабочих камерах прибора до 10" мм.рт.ст. Рабочими камерами являются камера интерферометра, оптический переключатель и световоды, по которым исследуемое излучение направляется к интерферометру. Откачка атмосферных газов из камер производится в камере интерферометра и в световодах. Это позволяет придать гибкость вакуумной системе, дает возможность изменять ее. Места, в которых производится откачка газов, объединены общей вакуумной магистралью, откачиваемой одним форвакуумным насосом. В каждом месте откачки установлены отсечной клапан, клапан напуска и термопарный преобразователь, позволяющий измерять величину вакуума. Оптический переключатель откачивается через трубы, подводящие исследуемое излучение. Для управления измерителями вакуума, а также для коммутации цепей питания элементов прибора БФС-01, используется блок энергоснабжения. Поскольку число вакуумных камер в приборе может быть увеличено до четырех (а каждая камера должна иметь клапаны напуска и отсечки, а также устройство измерения вакуума), то блок энергоснабжения рассчитан на управление четырьмя клапанами напуска (типа ZVE-A), четырьмя клапанами отсечки (типа VRE-15), двумя форвакуумными насосами (типа 2НВР-5ДМ) и четырьмя термопарными манометрическими преобразователями. Блок энергоснабжения позволяет: - коммутировать общую цепь питания прибора БФС-01 220/380 В; - осуществлять коммутацию перечисленных цепей питания, как под управлением ЭВМ, так и в автономном режиме; - осуществлять контроль за величиной атмосферного давления в камерах. Управление элементами спектрометра, сбор и обработка полученных данных, а также отображение спектральной информации в удобном для экспериментатора виде осуществляет система управления прибора БФС-01. Указанная система состоит из головной ЭВМ и интерфейсной аппаратуры. Головная ЭВМ предназначена для подготовки, загрузки и запуска программ, обслуживающих прибор, а также для хранения, обработки и вывода спектральной информации на внешние устройства. Интерфейсная аппаратура осуществляет непосредственное управление элементами прибора, съемом и первичной обработкой интерферограмм. Программное обеспечение прибора решает задачи: - обеспечения контроля за работоспособностью системы; - автоматической юстировки прибора; - фазовой подстройки (коррекции) в обоих интерферометрах всех восьми оптических каналов (по числу диэдров на сканере) регистрации интерферограмм, необходимых для работы в режиме накопления интерферограмм при исследовании стационарных объектов; - расчета параметров эксперимента; - регистрации интерферограмм в режимах записи отдельных интерферограмм (с заданным временным разрешением) и накопления (когерентного суммирования) интерферограмм;
