WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
ФИЗИКА ФИЗИКА ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИЯ – МАКСИМУМ ИНФОРМАЦИИ ЗА МИНИМУМ ВРЕМЕНИ М. В. ТОНКОВ Санкт-Петербургский государственный университет ВВЕДЕНИЕ Со времен Ньютона оптическая спектроскопия всегда FOURIER-SPECTROSCOPY – была одним из самых информативных методов исслеMAXIMUM INFORMATION дования вещества. За прошедшее время существенно FROM MINIMAL TIME модернизированы способы регистрации излучения.

Однако принципы построения спектральных приборов M. V. TONKOV до середины XX века практически не менялись. Большинство приборов традиционно строили по одной и той The method for optical spectrum registration же схеме: излучение фокусируется на входную щель using the Fourier transformation of an interfeприбора, прошедшее излучение параллельным пучком rogram is described. The advantage of this направляется на диспергирующий элемент (долгое время это была призма, в XX веке она стала заменяться на method in comparison with traditional ones дифракционную решетку) и после фокусировки на using light dispersion is manifested. The выходной щели излучение регистрируется каким-либо principles of Fourier transform spectrometers, приемником излучения. Одновременно развивались data processing, and spectroscopy applications интерференционные методы исследования – они обеспечивали более высокое спектральное разрешение, но, of the method are discussed.

как правило, могли быть использованы только для узкого круга специальных задач.

Описан метод регистрации оптических Во второй половине XX века началось бурное развиспектров, использующий запись интерфетие интерференционной спектроскопии с преобразоварограммы с последующим преобразованием нием Фурье [1]. Широкое распространение этого метода Фурье. Показано преимущество этого меопределилось развитием вычислительной техники, потода перед традиционным разложением в скольку, как будет видно, вычислительная машина является необходимым элементом современного фурьеспектры с применением диспергирующих спектрометра. Такие спектрометры обеспечили резкое элементов. Рассмотрены принципы постповышение спектрального разрешения, информативроения фурье-спектрометров, специфика ности и скорости получения информации по сравнению обработки данных и применения фурье-спекс другими оптическими спектрометрами, за исключенитроскопии. ем, быть может, лазерных. Мы не будем рассматривать лазерные методы исследования: хотя их возможности часто превосходят возможности классической оптической спектроскопии, они пока недостаточно универсальны.

ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ Принцип работы фурье-спектрометра можно понять из www.issep.rssi.ru рис. 1, на котором представлена схема прибора, собранного с использованием наиболее популярной схемы ТОНКОВ М.В. ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИЯ – МАКСИМУМ ИНФОРМАЦИИ ЗА МИНИМУМ ВРЕМЕНИ Тонков М.В., © ФИЗИКА L BB(, L) = ------ cos x cos xdx.

–L Поскольку 2 1[ cos cos = -- cos( + ) + cos( – )], интеграл B(, L) сводится к следующему выражению:

12' sin( 1 – )L sin( + )L 0 3' B(, L) = ------ -------------------------------- + ---------------------------------.

2 ( – ) ( + ) 0 Первое слагаемое функции B(, L) при 0 и не4' котором заданном L представлено на рис. 2. В целом же при достаточно большом L функция B(, L) будет иметь вид весьма узких пиков (линий) при частотах и -.

0 Вторая из этих линий, расположенная в отрицательной области частот, не имеет практического значения, так что второе слагаемое можно опустить. Как и следовало Рис. 1. Схема интерферометра Майкельсона ожидать, для монохроматического излучения при L в спектре получается бесконечно узкая линия интерферометра Майкельсона. Параллельный пучок на частоте.

излучения 1 падает на светоделительную пластину, поРассмотренное преобразование при L носле чего одна половина света 2 (отраженная) попадает сит название преобразования Фурье, а функция, полуна одно плоское зеркало, а другая (2') (прошедшая) – чаемая в результате преобразования при конечной разна другое плоское зеркало. После отражения от зеркал ности хода L, определяемой условиями эксперимента, пучки 3, 3' снова делятся на светоделителе пополам, называется аппаратной функцией фурье-спектрометра.

одна половина уходит обратно, а другая (4, 4') направЕсли в спектре излучения представлена совокупляется на приемник излучения.

ность линий, каждая из них даст синусоидальный сигИз различных частотных шкал выберем такую, в нал при изменении расстояния х, в результате получим которой в качестве частоты используется величина, обинтерферограмму В(х), которую для расчета спектра - ратная длине волны ( =, обычно эта величина назытакже следует подвергнуть преобразованию Фурье:

вается волновым числом). Предположим, что мы осве щаем интерферометр монохроматическим источником 1B(0) B( ) = B(x) – -- cos xdx.

излучения с частотой. Тогда в зависимости от оптической разности хода x между пучками, отраженными – от разных зеркал, из-за интерференции волн вышедшее из интерферометра излучение будет либо усиливаться, либо ослабляться. При движении одного из зеркал осмонохроматическая линия вещенность приемника B(x), а значит, и регистрируемый сигнал будут меняться синусоидально: Сигнал на приемнике без аподизации с аподизацией -B(x) = 1B0[1 + cos x], где = 2. Будем называть сигнал B(x) интерферо0 граммой.

Частота Пусть движущееся зеркало проходит некоторое расстояние от начального положения, которое примем равным - L, до конечного положения +L. Преобразуем Рис. 2. Аппаратная функция фурье-спектрометра:



переменную составляющую интерферограммы B(x) слесиреневая кривая – без аподизации, красная – с дующим образом ( = 2 ): треугольной аподизацией СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №1, Сигнал на приемнике ФИЗИКА Как сказано выше, аппаратной функцией прибора называется наблюдаемое распределение спектральной интенсивности на выходе прибора, если в него попадает строго монохроматическое излучение. Ширина аппаратной функции может быть принята за предел разрешающей способности прибора, то есть за то минимальное расстояние между спектральными линиями, которые прибор воспринимает как раздельные. Аппаратная функция представлена на рис. 2. Такая функция не очень удобна, ибо имеет глубокие побочные минимумы, что при регистрации спектра может привести к сильным искажениям формы близко расположенных линий. Во избежание искажений при обработке интерферограммы применяют математический прием, коДисперсионный спектрометр торый носит название аподизации: интерферограмму умножают на некоторую, например треугольную, функцию (x) = 1 - | x|/L. В результате аппаратная функция прибора уширяется, но ее форма значительно улучшается (см. рис. 2). Если используется треугольная аподизация, форма аппаратной функции фурье-спектрометра такая же, как и у прибора с дифракционной решеткой.

Ширина аппаратной функции определяет разрешающую способность прибора. При треугольной аподизации она равна приблизительно L- 1. Таким образом, разрешающая способность фурье-спектрометров, как и других оптических приборов, ограничивается максимальной разностью хода лучей. Для приборов с призмой эта величина задается размером основания призмы, для приборов с дифракционной решеткой она определяется размером решетки.

Фурье-спектрометр ПРЕИМУЩЕСТВА ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИИ Преимущества фурье-спектроскопии перед другими Рис. 3. Иллюстрация выигрышей Жакино и Фелжетта спектроскопическими методами, использующими разложение в спектр, определяются прежде всего энергеличина также достигает сотен раз. Оба фактора вместе тическими выигрышами, получившими название вымогут давать выигрыш в величине регистрируемой игрыша Жакино и выигрыша Фелжетта.

энергии в четыре порядка.

Первый состоит в том, что у фурье-спектрометров Существенным преимуществом метода является входное отверстие гораздо больше, чем у дисперсионтакже отсутствие ограничений в спектральном разреных приборов, свет в которые попадает через узкую шении за счет размеров оптических элементов. Трудно входную щель. Этот выигрыш виден из сравнения ожидать, что размеры дифракционных решеток или тем входных частей систем, изображенных на рис. 3, он моболее призм будут больше 50 см. Таким образом, естежет доходить до сотен раз.

ственным пределом разрешения приборов, используюВторой выигрыш (Фелжетта) связан с тем, что в щих пространственную дисперсию, является величина обычных спектрометрах регистрируется каждый спек0,02 см- 1. В то же время уже сейчас налажен серийный тральный интервал поочередно, в то время как в фурьепромышленный выпуск фурье-спектрометров с разреспектрометрах время регистрации каждого спектральшением до 0,002 см- 1.

ного интервала равно времени регистрации всего спекПоскольку фурье-спектрометры не требуют очень тра. Выигрыш Фелжетта пропорционален M, где M – узких входных и выходных щелей, требования к создачисло разрешаемых интервалов в зарегистрированном нию оптических схем без аберраций при их конструкспектре. Причину его возникновения можно понять из ции сильно снижаются. По этой причине становится сравнения выходных частей систем на рис. 3, а его ве- возможным создание оптических схем с большим ТОНКОВ М.В. ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИЯ – МАКСИМУМ ИНФОРМАЦИИ ЗА МИНИМУМ ВРЕМЕНИ ФИЗИКА отношением диаметра объектива к его фокусу (относи- ласть работы каждого светоделителя бывает достаточно тельным отверстием), обычно 1 : 3, что делает такие широкой: она обычно допускает пятикратное изменеприборы более компактными по сравнению со щелевы- ние длины волны, что гораздо больше, чем для призм ми. Такое преимущество оказывается тем более важ- или дифракционных решеток. В области низких часным, что для обеспечения максимально широкого спе- тот, когда длина волны превышает 25 мкм (микроволктрального диапазона в спектральных приборах обычно новая область), в качестве светоделителей используют применяется зеркальная оптика, для которой безабер- полимерные пленки.

рационные схемы создавать труднее, чем при исполь- После светоделителя прошедший и отраженный зовании линз.

пучки попадают на отражающие зеркала, требования к качеству и стабильности которых в интерферометрах КОНСТРУКЦИЯ ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРОВ очень высоки: их поверхность не должна отклоняться от идеальной более чем на 1/20 длины волны, отвечаюТипичная оптическая схема фурье-спектрометра исщей коротковолновой границе работы прибора. В попользует интерферометр Майкельсона (рис. 4). Проследнее время вместо плоских пластин стали использошедший через входную диафрагму свет падает на колливать тетраэдрические отражатели, составленные из трех маторное зеркало и параллельным пучком направляется взаимно перпендикулярных пластин. Такая конструкна светоделитель. Светоделитель обычно представляет ция позволила снизить требование к стабильности, пособой прозрачную плоскопараллельную пластину с поскольку для тетраэдрического отражателя падающий крытием.

и отраженный лучи остаются параллельными при его Идеальный светоделитель должен отражать и про- наклонах.





пускать ровно по 50% света и не иметь поглощения во Выходящее из интерферометра излучение фокусивсей спектральной области работы прибора. Отклонеруется зеркальным объективом в месте, куда помещаетние от этого требования снижает эффективность его ся образец, если исследуются спектры поглощения. Поработы. Однако реализовать такое требование очень сле этого свет фокусируется на приемнике излучения.

трудно особенно в инфракрасной области спектра, где Важным элементом оптической схемы является длина волны меняется в десятки раз. Поэтому в фурьесистема измерения разности хода между зеркалами инспектрометрах используют сменные светоделители. Обтерферометра (на рис. 4 обозначена красным цветом).

Для этой цели в него вводится излучение одномодового лазера (обычно это лазер He–Ne), которое в прецизионных приборах дополнительно стабилизируется. После прохождения через интерферометр монохроматический пучок генерирует при движении зеркала синусоидальный сигнал на специальном приемнике. Период синусоиды равен длине волны лазерного излучения. Этот las сигнал после преобразования используется в создании командных импульсов для считывания показаний с Лазер приемника излучения в приемно-усилительной системе интерферометра при смещении подвижного зеркала на расстояние, равное или кратное этой величине. Блаlas годаря такой системе фурье-спектрометр становится прибором с высокой точностью измерений частот спектральных линий, причем точность определяется точностью определения частоты генерации опорного лазера.

Иногда в схему встраивается еще один интерфероОбразец метр – интерферометр белого света (обозначен на рис. зеленым). Он используется для определения нулевой разности хода между зеркалами. Дело в том, что для излучения с широким спектральным составом при нулеПриемник излучения вой разности хода световые колебания всех частот при сложении пучков на выходе интерферометра будут Интерфейс иметь одну и ту же фазу в разных пучках и в этом случае будут складываться амплитуды световых колебаний.

Рис. 4. Общая схема фурье-спектрометра Если разность хода велика, разности фаз колебаний СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №1, ФЭУ ФЭУ ФИЗИКА для разных частот будут практически случайными и расчеты, связанные с преобразованием Фурье, можно тогда складываются энергии волн с разными частота- выполнять на персональных компьютерах даже для ми, что дает вдвое меньшую освещенность на прием- спектров, содержащих сотни тысяч точек.

нике излучения, чем в случае сложения амплитуд. По Существенным моментом в обработке интерфероэтой причине при перемещении подвижного зеркала в грамм является определение положения подвижного сигнале с приемника интерферометра белого света при зеркала, отвечающего нулевой разности хода, если мы нулевой разности хода возникает резкий пик, по макимеем дело с односторонней интерферограммой (ход симуму которого положение нулевой разности хода опот 0 до L). Ошибка в определении нулевой разности ределяется очень точно.

хода, составляющая более 10% шага (а сама величина шага может равняться долям микрона), вызывает заРАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ метное искажение аппаратной функции, приводя к ее ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРА асимметрии, что крайне нежелательно при исследоваРазрешающая способность, полученная в спектре, за- нии формы узких спектральных линий. При регистрарегистрированном на фурье-спектрометре, определя- ции двусторонних интерферограмм (ход от - L до L) ется разностью хода L. Оказывается, однако, что раз- этих ошибок не возникает, однако такой режим требуность хода можно делать сколь угодно большой только ет большего времени регистрации интерферограммы и при достаточно малом входном отверстии. При конеч- механического перемещения зеркала на вдвое большее ном размере входной диафрагмы после отражения от расстояние. Поэтому, как правило, нулевую разность коллиматора возникают пучки, непараллельные строго хода определяют либо по интерферометру белого света, оптической оси прибора. Из-за разного наклона раз- либо из анализа формы центральной части интерфероность хода для таких пучков оказывается немного раз- граммы, которая зарегистрирована как односторонняя личной, что приводит к уширению аппаратной функ- (от 0 до L), но с небольшим захватом отрицательных ции прибора.

смещений подвижного зеркала.

Чтобы ослабить этот эффект, приходится уменьшать входную диафрагму, однако уменьшение диафрагИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИИ мы приводит к уменьшению сигнала и, следовательно, к ухудшению отношения сигнал/шум в спектре. На Наиболее активно методы фурье-спектроскопии испрактике часто именно минимально возможная диа- пользуют при проведении исследований в инфракрасфрагма и определяет спектральное разрешение.

ной области, где их преимущества могут быть реализованы в полной мере. При работе в видимой области Таким образом, реальное предельное разрешение наиболее чувствительным приемником излучения явфурье-спектрометров очень часто определяется энергеляется фотоумножитель, для которого уровень шумов тическими условиями: яркостью источника излучения, зависит от величины сигнала, что сводит на нет выигсветосилой, чувствительностью приемника излучения рыш Фелжетта. В инфракрасной области это не так, и т.п. В современных приборах высокого класса, снабпоэтому именно здесь в фурье-спектроскопии достигженных стандартными источниками излучения для изнута максимальная разрешающая способность: R > 106.

мерения спектров поглощения, предельное разрешение составляет около 0,002 см- 1.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.