Содержание к диссертации
Введение 1
Глава 1. Проблема аппаратных искажении, вызываемых
акустооптнческнм спектрометром 15
Формулировка задачи 20
Классификация задач 24
Задачи первого типа 27
Задачи второго типа , 29
Глава 2. Методы и средства измерения спектра 31
2.1 Средства измерения спектра 31
Описание схемы измерений .,„„. 31
Описание экспериментальной установки 32
2.2 Метод (процедура) измерения 37
Регистрация спектрограмм 37
Измерение спектральных характеристик
коррекции, необходимых для реализации методики
коррекции 38
- Процедура измерений для задач первого и второго
типа 40
Глава 3. Коррекция аппаратных искажений, вызванных паразитными окнами пропускания
акустооптнческого фильтра 41
3.1. Анализ влияния паразитных окон пропускания на
реп істрируемьіе спектрограммы 41
3.2. Экспериментальное исследование влияния
паразитных окон 46
3.3. Метод коррекции искажений, вызванных паразипгымн
окнами 58
- Описание метода коррекции 59
3.4. Проверка метода коррекции аппаратных искажений
вызванных паразитными окнами аппаратной функции. „61
- Параметры коррекции необходимые для реализации
предложенной методики 61
-Использование метода
коррекции 63
3.5. Заключение к главе 3 69
Глава 4. Коррекция аппаратных искажений, вызванных
влиянием «крыльев» функции пропускания
акустооптнческого фильтра 71
4.1. Анализ влияния «крыльев» функции пропускания на
регистрируемые спектрограммы 71
4.2. Экспериментальное исследование влияния «крыльев»
функции пропускания 76
Примеры для отрезающих светофильтров 76
Примеры для линейчатых спектров 78
Примеры для линий поглощения 80
4.3. Метод коррекции искажений, вызванных «крыльями»
функции пропускания АО фильтра 85
4.4. Проверка метода коррекции искажений, вызванных
боковыми «крыльями» 91
-Примеры для отрезающих светофильтров 92
Примеры для линейчатых спектров 96
Примеры для линий поглощения 101
4.5. Заключение к главе 4 103
Заключение , 105
Приложение 108
Список литературы.,... , ..ПО
Введение к работе
Область исследований
Оптическое излучение несет в себе информацию о свойствах источника излучения, среды, через которую оно распространялось, или объектов с которыми оно взаимодействовало. Многочисленные методы анализа позволяют извлекать эту информацию путем анализа спектра излучения. Для регистрации распределения энергии излучения по спектру служат спектральные приборы.
Со времени создания Кирхгофом и Бунзеном первого спектрографа (1859г.) идет постоянное развитие спектральной аппаратуры. В настоящее время широко используются спектрометры на основе дифракционных решеток и фурье-спектрометры на основе интерферометров. Применяются также другие спектральные приборы: наборов светофильтров, модуляционные, корреляционные и другие типы спектрометров.
Отдельное семейство оптических спектральных приборов представляют собой акустооптические (АО) спектрометры [1], основанные на электронно-перестраиваемых акустооптическнх фильтрах. В основе работы АО спектрометра леяагг дифракция света на объемной решетке [2], создаваемой в кристалле бегущей акустической волной. При этом длина волны дифрагированного излучения определяется периодом решетки, что позволяет менять ее путем изменения частоты звука и таким образом перестраивать АО спектрометр по спектру.
АО спектрометры работают в ультрафиолетовой [3], видимой н инфракрасной областях спектра [4-6]. Благодаря своим особенностям, таюш как способность быстро перестрапваться в произвольную точку спектра, высокой светосиле [7], возможности управления их характеристиками [8], они существенно отличаются от классических спектрометров (на основе решеток и интерферометров). Конструктивные особенности АО фильтров заключаются в отсутствии, как подвижных элементов, так и элементов с большой пространственной базой, в высокой управляющей частоте, большой пространственной и угловой апертурах. Эти свойства обеспечивают нечувствительность к тряске и вибрациям, устойчивость по отношению к воздействшо окружающей среды, простоту обслуживания и малые размеры спектрометров. Это делает такие приборы перспективными для многих прикладных областей, особенно для внелабораторных измерений.
Диссертация посвящена задачам спектрометрии с использованием АО спектрометров.
Постановка задачи
Основной задачей спектральных приборов является регистрация спектральной зависимости поступающего на вход излучешія. При этом в процессе измерения любой реальный спектрометр регистрирует спектр падающего излучения с определенными искажениями.
Эти искажения носят как случайный, так и систематический характер. В то время как для снижения случайных искажений (шумов) можно использовать стандартные методы, например, накопления и усреднение, задача коррекции систематических (аппаратных) искажений требует учета индивидуальных свойств используемого спектрометра.
Применительно к акустооптическим спектрометрам задача коррекции формулируется следующим образом. В процессе измерения спектра с помощью спектрометров на основе перестраиваемых фильтров регистрируется зависимость выходного сигнала прибора от длины волны настройки фильтра. Эта функция, нормированная на чувствительность прибора, обычно шггерпрепфуется как спектр объекта. Но, она имеет определенные отличия от спектра оптического излучения, поступающего на вход спектрометра, и, чтобы подчеркнуть этот факт будем называть регистрируемую спектральную зависимость спектрограммой. Задача коррекции аппаратных искажений состоит в восстановлении (реставрации) спектральной зависимости падающего на спектрометр излучения. При восстановлении может использоваться как информация о самом приборе, так и априорная информация о спектре падающего излучения.
Процедура корректировки полученной спектральной зависимости характерна для многих спектральных средств измерений. Для классических дифракционных спектрометров эта процедура может заключаться в устранении «духов» [9] и других артефактов. Для многих спектральных приборов этап пересчета измеренных спектральных зависимостей является неотъемлемым, в частности для фурье-спектрометров, для спектрометров, использующих преобразование Адамара [10,11] где, как и в фурье-спекгроскопии для получения обычного спектра производится декодирование измеренных данных по определенным алгоритмам.
Для акустооптического спектрометра, регистрирующего излучение с помощью узкого подвижного окна пропускания, процедура пересчета не является обязательной, поскольку регистрируемые спектрограммы довольно близки к истинному спектру излучения [12-14]. Тем не менее, как показано в данной работе, такая процедура может быть весьма полезной и даже необходимой в тех случаях, когда аппаратная функция АО спектрометра отличается от своей теоретически рассчитанной («идеальной») формы, например, имеет «паразитные» окна пропускания [15,16]. Более того, н для спектрометра на основе идеального АО фильтра такая процедура имеет смысл, поскольку и в этом случае в спектрограмме возникают искажения, вызванные наличием у аппаратной функции медленно спадающих «крыльев», проявляющиеся, например, в ненулевых значениях спектрограммы в тех областях спектра, где излучение априори отсутствует. Таким образом, проблема устранения аппаратных искажений существует и для АО спектрометров, причем для этих приборов она имеет свою специфику.
Актуальность проблемы
Искажения спектрограмм АО спектрометром особенно заметны для линейчатых спектров (эмиссионных и абсорбционных), а также для любых спектров, имеющих крутые склоны. Для сплошных гладких спектров искажения обычно не меняют качественный вид спектра, но могут существенно сказываться на точности расчета производных параметров, таких как цветовые координаты, индекс цвета объекта, температура нагретого тела.
Аппаратные искажения у АО спектрометров вызываются двумя обстоятельствами: а) искажения, связанные с влиянием крыльев аппаратной функции, присутствуют в любом АО спектрометре, поскольку сами крылья, спадающие по степенному закону, являются неотъемлемой частью функции пропускания АО фильтра. Таким образом, влияние этого фактора присутствует всегда; б) другой вид искажений связан с отличием аппаратной функции спектрометра от «идеальной». Под идеальной аппаратной функцией: при этом будем подразумевать функцию вида (sin(x)/x)2, которая соответствует расчетному коэффициенту пропускания «идеального» АО фильтра, а именно, фильтра, содержащего единственную, однородную, ограниченную в одном направлении, ничем не искаженную дифракционную решетку.
Аппаратная функция реальных АО спектрометров редко полностью соответствуют критерию «идеальности». В частности, реальные фильтры часто содержат вспомогательные акустические пучки, например, пучки, вводяиціе звук в область взаимодействия и отводящие его (см. например, схему квазиколлинеарной геометрии дифракции [25]). Также часто в реальных фильтрах присутствуют разного рода отраженные и другие (паразитные) акустические пучки. Дифракция света на вспомогательных и «паразитных» пучках приводит к появлению дополнительных окон функции пропускания.
Наряду с пространственным многообразием акустических пучков, присутствующих в реальном АО фильтре причиной появления дополнительных окон может быть наличие «паразитных» частотных составляющих. Хотя на управляющий вход АО фильтра подается одночастотный сигнал, нелинейность отдельных элементов высокочастотного тракта может приводить к возникновению гармоник управляющего сигнала, подаваемого на АО фильтр. В этом случае аппаратная функция содержит дополнительные окна, соответствующие всем частотным составляющим. Несмотря на используемые методы подавления гармоник, их влияние не всегда удается исключить полностью н, следовательно, необходимо учитывать.
В целом, анализ искажающих факторов показывает, что результат измерения спектра оказывается всегда, в определенной степени, искажен. Причем для реальных АО спектрометров, эти искажения носят индивидуальный характер. Это означает, в частности, что результаты, полученные на разных спектрометрах, могут быть корректно сопоставлены лишь после устранения аппаратных искажений.
Приведенный анализ позволяет сформулировать несколько классов задач, для которых коррекция аппаратных искажешій важна.
Обширный класс задач состоит в сопоставлении спектров, измеренных разными АО спектрометрами. Чрезвычайно важным примером таких задач является сопоставление спектрограмм, полученных одним и тем же спектрометром, но при разной мощности акустической волны, образующей решетку. Необходимость коррекции связана с тем, что при повышении мощности звука величина боковых окон растет нелинейно, т.е. форма функции пропускания меняется.
Другой важный класс задач, связан с использованием АО спектрометров, работающих в скоростном режиме. Если характерное время изменения характеристик АО фильтра меньше времени пробега звука через АО фильтр, то акустическая волна в светозвукопроводе становится неоднородной и форма окна пропускания АО фильтра существ енно меняется. В качестве иллюстрации можно привести примеры дифракции света в кристалле на нескольких акустических волнах различных частот [26,27,28,29], на лннейно-частотно-модулнрованных [30,31], на фазово-модулнрованных [32,33], на стоячих акустических волнах [31,34], а также дифракцию в условиях расходимости [35], затухания [31,36] или нарастания [37] акустической волны. В этих случаях отличие регистрируемых спектрограмм от исходных спектров может быть весьма значительным и целью коррекции является приведение спектрограмм к віщу, который давал бы идеальный АО фильтр.
Коррекция спектра имеет большое значение также для задач, требующих достаточно высокой точности определения спектральных характеристик, например, коэффициентов пропускания, оптической плотности, индекса цвета. В этих задачах аппаратные искажения приводят к дополнительной погрешности определения физических характеристик таких как, температура, цветовые координаты, содержание компонент в смесях н другие.
Таким образом, существует ряд практически важных задач, в которых используются АО спектрометры и для которых коррекция аппаратных искажений является крайне важной и даже необходимой.
Современное состояние проблемы
Задачи коррекции аппаратных искажений встречаются в том или ином віще для всех типов измерительных приборов. В спектрометрии эти задачи рассматривались неоднократно. Например, для дифракционных спектрометров [38], для фурье-спектрометров [39], Адамар-спектроскопн [40] н другие.
Для АО спектрометров проблема коррекции аппаратных искажений реконструкции спектра по измеренной спектрограмме впервые была сформулирована в работе [26,41]. Там было доказано, что эта задача относится к классу некорректно поставленных задач, и была предложена процедура частичного восстановления спектра.
В дальнейшем эта проблема исследовалась в работах автора [15а-24а], где рассматривались как общие подходы [18а-20а], так и частные случаи [15а-17а21а-24а].
Другой подход, связанный с проблемой аппаратных искажений АО фильтров н спектрометров, заключается в целенаправленном изменении формы функции пропускания АО фильтра. Этот подход в основном направлен на то, чтобы спектрограмма не содержала пиков-сателлитов [42] и осцилляции, связанных с наличием многочисленных боковых окон в аппаратной функщш АО спектрометра [43-45]. Сглаживания формы аппаратной функщш можно добиться разными способами, В неколлинеарном АО фильтре - с помощью апподнзацни акустического поля в АО фильтре, основанном на разбненші пьезопреобразователя на части и задания специального профиля распределения напряжения по акустическому излучателю [46]. В коллинеарном АО фильтре - путем использования коротких акустических импульсов заданной, например, гауссовой, формы [47]. Кроме того, уровень боковых окон удается уменышпъ при использовании двойного АО фильтра [48,49-53]. Данный подход сопряжен с заметным техническим усложнением АО спектрометра. И, хотя он оказывается, безусловно, полезен в некоторых задачах, но в целом он не решает проблемы аппаратных искажений. Более того, сравнение спектрограмм, полученных спектрометрами с такими модифицированными аппаратными функциями, требует их приведения к единому сопоставимому виду, то есть осуществления процедуры коррекции.
В данной работе проведен систематический анализ проблемы и выработаны различные подходы к ее решению.
Цель работы
Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов коррекции аппаратных искажений акустооптических спектрометров. В работе поставлены следующие задачи: классифицировать типы возникающих в спектрограммах аппаратных искажений; предложить и обосновать методы восстановления спектров по спектрограммам АО спектрометра; испытать предложенные методы на типовых спектральных задачах, в частности используя следующие спектры: линии поглощения, линии испускания и спектры с резким спадом; исходя из разработанных методов, подготовить практические рекомендащш по обработке спектрограмм АО спектрометров.
Содержание диссертационной работы
Работа состоит из 4 глав, введения и заключения.
Во введении содержится обоснование актуальности проводимых исследований, рассматриваются задачи, в которых необходима коррекция искажений измеряемых спектрограмм, и суммированы основные результаты работы.
В первой главе сформулирована проблема аппаратных искажений, вызываемых акустооптическим спектрометром, и рассмотрены различные типы искажений, возникающие в спектрометрах. Показано, что сглаживающие характеристики аппаратной функщш АО спектрометра таковы, что при записи спектрограмм информация о быстроосциллирующих составляющих полностью теряется, и это делает задачу восстановления вида исходного спектра некорректной. Проведен детальный анализ проблемы и на этой основе дана классификация задач коррекции.
Вторая глава посвящена описанию средств и методов, использованных в работе при экспериментальных исследованиях. В ней приведены схемы измерения спектров, устройство и технические характеристики АО спектрометров и их отдельных элементов.
В третьей главе рассмотрена задача коррекции аппаратных искажений, вызванных паразитными окнами пропускания акустооптического фильтра. Проведен теоретический анализ влияния паразитных окон пропускания на регистрируемые спектрограммы. Выполнены измерения спектров с помощью АО спектрометров, демонстрирующие вносимые данным фактором искажения. Предложен и экспериментально проверен метод коррекции искажении, позволяющий существенно снижать искажения спектрограмм. Сделаны выводы об основных факторах, определяющих погрешность методов коррекции. Построена методика измерения спектрального коэффициента генерации второй гармоники, необходимая для осуществления процедуры коррекции,
В четвертой главе исследована проблема коррекции аппаратных искажений, вызванных влиянием крыльев функции пропускания акустооптического фильтра. Проведен теоретический анализ влияния крыльев функции пропускания на регистрируемые спектрограммы. Выполнено экспериментальное исследование, которое качественно и коліиественно подтвердило результаты этого анализа. Разработан метод коррекции искажений, вызванных боковыми крыльями. Проведено моделирование работы метода, показывающее его работоспособность, как для коррекции спектрограмм линий поглощения, так и для линий излучения, а также для спектров отрезающих фильтров. Сделаны выводы о том, что важным условием, позволяющим выполнять все эти действия, является достаточно точное знание аппаратной функции АО спектрометра.
В заключении сформулированы основные результаты, получешше в работе.
Список литературы, использованной в работе, содержит 90 наименований.
Вспомогательные данные приведены в приложении I. Приложение 1 содержит данные о спектральных характеристиках исследуемых источников излучения, измеренных на спектрометре РАОС-3.
Основные результаты работы
В работе получены следующие результаты.
1. Показано, что в зависимости от конечной цели можно выделить два принципиально разных типа задач коррекции спектрограмм, регистрируемых АО спектрометром: а) в задачах коррекции первого типа целью является приведение спектрограммы к некоторому стандартному виду для возможности корректного сопоставления спектральных данных; б) в задачах коррекции второго типа целью является восстановление вцда исходного спектра для получения абсолютных данных о спектре регистрируемого излучения
1. Предложен и опробован метод коррекции аппаратных искажений, вызванных паразитным окном пропускания АО фильтра, порождаемым присутствием второй гармоники управляющего сигнала. Показана его работоспособность.
3. Опробован метод частичной коррекции аппаратных искажений, вызванных влиянием крыльев функции пропускания АО фильтра. Показано, что этот метод позволяет значительно улучшить точность определения таких характеристик спектров, как высота пиков линии излучения и поглощения, коэффициента пропускания.
Положения, выносимые на защиту
Разработанный метод коррекции аппаратных искажений, обусловленных присутствием второй гармоники управляющего сигнала, позволяет уменьшить величшгу ложного пика в спектрограммах в 10 раз.
Разработанный метод коррекции аппаратных искажений, вызванных влиянием крыльев функции пропускані и АО фильтра, позволяет снизить погрешность определения численных характеристик спектров, а именно а) для линий излучения, имеющих ширину большую или равную ширине окна пропускання АО фильтра, погрешность определения интенсивности пика излучения снижается в 13 раз по ширине и 10 раз по высоте; б) для аналогичных линий поглощения погрешность определения величины абсорбции снижается более чем в 20 раз.
Научная новизна результатов
Впервые систематически исследовано отлнчие между спектрограммой исследуемого излучения, полученной с помощью АО спектрометра, и спектром регистрируемого излучения;
Разработано два новых метода коррекции аппаратных искажений: метод коррекции аппаратных искажений, обусловленных присутствием второй гармоники управляющего сигнала; метод коррекции аппаратных искажений, вызванных влиянием крыльев функции пропускания АО фильтра.
Практическая значимость работы:
Полученные результаты могут быть использованы при проектировании спектральных приборов на основе АО фильтров.
Разработанная методика, позволяет производить коррекцию получаемых прибором спектрограмм путем численного пересчета. Тем самым снижаются требования к аппаратной функции АО спектрометра и погрешность спектральных характеристик, измеренных с помощью АО спектрометров, может быть существенно уменьшена. Снижение требований к аппаратной части спектрометра позволяет использовать более разнообразные схемы АО фильтров.
Разработанный подход к устранению влияния паразитного окна, вызванного второй гармоникой, может быть использован и для устранения окон, вызванных другими «паразитными» акустическими волнами и пучками.
Процедура коррекции влияния второй гармоники, позволяет снять некоторые технические ограничения, накладываемые на АО спектрометр, в частности на рабочий диапазон. На основе разработанного метода создается программное обеспечение, позволяющее автоматически производить коррекцию спектрограмм получаемых АО спектрометром.
Апробации работы
Результаты прошв еденных исследований были представлены на следующих конференциях: «Оптика 2002» (Санкт-Петербург, 2002 г,), «IX Всероссийская школа семинар физика и применение микроволн» (Звенигород, Московская область, 2003 г.), "International conference Spectroscopy in special applications" (Киев,
Украина 2003 г.), «Ill международная конференция Оптика 2003» (Санкт Петербург, 2003 «X Всероссийская конференция Волны 2004» (Звенигород, Московская область 2004 г.), "VI Меэкдународная конференция Прикладная оптика 2004" (Санкт
Петербург 2004 г.).
International Congress on Optics and Optoelectronics (Poland, Warsaw, 28 August-2 September 2005)
Конференция по измерительной технике и инновационным разработкам для современных технологий, в рамках выставки «Информационно-измерительная техника: инновационные разработки» (ЭлектроТехноЭкспо) (Москва, ВВЦ, 19-22 октября 2004 г.)
Кроме того, результаты исследований обсуждались на научном семинаре лаборатории акустооптической спектрометрии НТЦ УП РАН. Для удобства читателя, все ссылки на работы автора имеют кроме номера индекс «а»[15а- 24а].
