СПОСОБ СПЕКТРОМЕТРИИ И ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК G01J3/00 G01B9/02 

Изобретения относятся к области спектрального анализа и могут быть использованы при спектральном анализе светового излучения.

Классический способ спектрального анализа излучения заключается в разложении пучка света, с помощью призмы или дифракционной решетки, с выделением спектральных составляющих и их последовательным сканированием [Малышев В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука, 1979, с. 185-201; 257-274].

Данный способ обладает меньшей светосилой по сравнению со способами, основанными на интерференции пучков света, что является его недостатком.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является способ спектрометрии, основанный на регистрации системы интерференционных полос стоячей световой волны посредством тонкого частично пропускающего слоя, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны [А.В.Атнашев, В.Б.Атнашев, П.В. Атнашев. Метод интерференции на дифракционной решетке. Метод Атнашева. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000, с. 13 (прототип)].

К недостаткам данного способа следует отнести низкую точность регистрации системы интерференционных полос стоячей световой волны посредством тонкого частично пропускающего слоя, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны, и, следовательно, низкую точность анализа.

Задачей изобретения является повышение точности спектрального анализа за счет повышения точности регистрации системы интерференционных полос стоячей световой волны посредством тонкого частично пропускающего слоя, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе спектрометрии, основанном на регистрации системы интерференционных полос стоячей световой волны посредством тонкого частично пропускающего слоя, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны, этот слой, толщиной не более λ/2, расположен между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом θ, определяемым из соотношения sinθ = λ/2d, где θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, при этом регистрацию упомянутой системы интерференционных полос стоячей световой волны с периодом d осуществляют в виде сигнала пространственной частоты путем проецирования изображения упомянутой системы на периодическую систему с фотоэлементами, расположенными с периодом p в ряду и с размером b входного окна этих фотоэлементов в том же ряду, при этом период p упомянутых фотоэлементов в ряду упомянутой периодической системы задают относительно размера b входного окна этих фотоэлементов в том же ряду в пределах p=(2-100)b, полученные с упомянутых фотоэлементов электрические сигналы регистрируют в зависимости от местоположения этих фотоэлементов в упомянутой периодической системе и анализируют, при этом изображение упомянутой системы интерференционных полос проецируют на периодическую систему, содержащую фотоэлементы, с возможностью смещения изображения интерференционных полос относительно входных окон фотоэлементов упомянутой периодической системы.

При этом периодическую систему, содержащую фотоэлементы, выполняют в виде матричной периодической системы, установленной с возможностью вращения вокруг оси.

Одним из классических устройств, используемым для спектрального анализа, является монохроматор с дифракционной решеткой [Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука, 1979, с. 266-274], состоящий из зеркал и поворотной дифракционной решетки, обеспечивающей сканирование спектра.

Данный дифракционный монохроматор обладает меньшей светосилой по сравнению с интерферометрами, что является его недостатком.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является интерферометр, содержащий оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, спектроанализатор и тонкий частично пропускающий слой, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны [Патент РФ 2177605, МПК 7 G 01 J 3/00, G 01 В 9/02, G 01 R 23/17, опубл. 27 декабря 2001 г. (прототип)].

К недостаткам данного интерферометра можно отнести влияние дифракционного разложения на результаты измерений.

Задачей изобретения является повышение точности измерений за счет устранения явления дифракционного разложения.

Поставленная задача может быть решена за счет того, что в интерферометре, содержащем оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, спектроанализатор, тонкий частично пропускающий слой, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, этот слой, толщиной не более λ/2, расположен между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом θ, определяемым из соотношения sinθ = λ/2d, где θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, а также содержащем периодическую систему фотоэлементов с входными окнами, расположенную позади отражающего зеркала. При этом интерферометр дополнительно снабжен экраном, ограничивающим размеры входных окон упомянутых фотоэлементов, установленным на периодической системе, тонкий частично пропускающий слой и отражающее зеркало выполнены с возможностью смещения относительно экрана и периодической системы, содержащей фотоэлементы.

Кроме того, периодическая система, содержащая фотоэлементы, выполнена в виде матричной периодической системы и установлена с возможностью ее разворота по оптической оси интерферометра.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1), на котором представлена схема интерферометра.

Интерферометр содержит оптически сопряженные источник 1 светового излучения, отражающее зеркало 2, выполненное частично пропускающим световое излучение, спектроанализатор 3, тонкий частично пропускающий слой 4 толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, расположенный между источником 1 светового излучения и отражающим зеркалом 2 под углом θ, определяемым из соотношения sinθ = λ/2d, где θ - угол между тонким частично пропускающим слоем 4 и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос 5, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое 4 при воздействии стоячей световой волны, а также содержащем периодическую систему 6 фотоэлементов 7 с входными окнами 8, расположенную позади отражающего зеркала 2. При этом интерферометр дополнительно снабжен экраном 9, ограничивающим размеры входных окон 8 фотоэлементов 7, установленным на периодической системе 6, тонкий частично пропускающий слой 4 и отражающее зеркало 2 выполнены с возможностью смещения относительно экрана 9 и периодической системы 6, содержащей фотоэлементы 7, в направлении чередования интерференционных полос 5. Тонкий частично пропускающий слой 4 может быть нанесен на одну из поверхностей оптического клина 10. Отражающее зеркало 2 при этом может быть выполнено на другой поверхности оптического клина 10 в виде отражающего покрытия с коэффициентом отражения 0,50-0,99 и коэффициентом пропускания 0,01-0,50. Смещение тонкого частично пропускающего слоя 4 и отражающего зеркала 2 относительно экрана 8 и периодической системы 6, содержащей фотоэлементы 7 в направлении чередования интерференционных полос 5 (т. е. в направлении, перпендикулярном интерференционным полосам в плоскости отражающего зеркала 2 или в плоскости тонкого частично пропускающего слоя 4), достигается за счет ультразвуковой вибрации оптического клина 10 при присоединении пьезоэлемента 11 к основанию оптического клина 10. Питание пьезоэлемента 11 осуществляется от ультразвукового генератора 12. На периодическую систему 6, содержащую фотоэлементы 7, спроецировано изображение системы интерференционных полос 5. Периодическая система 6, содержащая фотоэлементы 7, выполнена в виде линейки или матрицы приборов с зарядовой связью. При выполнении периодической системы 6, содержащей фотоэлементы 7, в виде матричной периодической системы 6 она может быть установлена с возможностью ее разворота по оптической оси интерферометра.

Заявленный способ спектрометрии осуществляется на настоящем интерферометре следующим образом.

Световой поток от источника 1 светового излучения поступает на отражающее зеркало 2, отражается от него и в виде стоячей световой волны поступает на тонкий частично пропускающий слой 4. За счет того, что тонкий частично пропускающий слой 4 рассеивает или поглощает энергию электрического поля стоячей световой волны и расположен наклонно, в нем образуется система интерференционных полос 5, регистрацию которой можно осуществить в виде сигнала пространственной частоты с периодом следования d. При этом период следования d задан из соотношения: sinθ = λ/2d, где θ - угол между плоскостью тонкого частично пропускающего слоя 4 и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны. При использовании оптического клина 10 угол ϕ между плоскостью тонкого частично пропускающего слоя 4 и плоскостью отражающего зеркала 2 задан из соотношения sinϕ = λ/2dn, где λ - длина световой волны; d - период интерференционных полос 5, n - показатель преломления материала оптического клина 10.

Изображение системы интерференционных полос 5 проецируется через частично пропускающее световое излучение отражающее зеркало 2 на периодическую систему 6, содержащую фотоэлементы 7. Далее, спроецированное изображение системы интерференционных полос 5 на систему 6, содержащую фотоэлементы 7, регистрируется в виде их зависимости от местоположения фотоэлементов 7 в периодической системе 6. При этом, за счет смещения изображения интерференционных полос 5 относительно входных окон 8 фотоэлементов 7 периодической системы 6 при помощи пьезоэлемента 11, обеспечивается также и временная модуляция анализируемого светового излучения. Период р фотоэлементов 7 в ряду периодической системы 6 задают относительно размера b входного окна 8 этих фотоэлементов 7 в том же ряду в пределах p=(2-100)b посредством экрана 9, ограничивающего размер b входных окон 8 фотоэлементов 7. При этом период d интерференционных полос 5 задают относительно периода p фотоэлементов 7 в пределах p=(2-100)d. Записанные электрические сигналы подвергаются преобразованию Фурье на спектроанализаторе 3, на выходе которого получают их частотное преобразование. При выполнении периодической системы 6, содержащей фотоэлементы 7, в виде матричной периодической системы, установленной с возможностью ее разворота по оптической оси интерферометра, записанные электрические сигналы подвергаются преобразованию Фурье на спектроанализаторе 3 по двум пространственным координатам. Это обеспечивает повышение точности измерения определяемых длин волн светового излучения.

Поставленная задача - повышение точности измерений за счет устранения явления дифракционного разложения - решается за счет того, что в способе спектрометрии, основанном на регистрации системы интерференционных полос стоячей световой волны посредством тонкого частично пропускающего слоя, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны, этот слой, толщиной не более λ/2, расположен между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом θ, определяемым из соотношения sinθ = λ/2d, где θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, при этом регистрацию упомянутой системы интерференционных полос стоячей световой волны с периодом d осуществляют в виде сигнала пространственной частоты путем проецирования изображения упомянутой системы на периодическую систему с фотоэлементами, расположенными с периодом p в ряду и с размером b входного окна этих фотоэлементов в том же ряду, при этом фотоэлементы располагают двумя параллельными рядами со сдвигом упомянутых фотоэлементов одного ряда по отношению к другому на половину периода p, размер b входных окон этих фотоэлементов задают не больше половины периода p, а полученные с фотоэлементов электрические сигналы регистрируют в зависимости от местоположения этих фотоэлементов в периодической системе и анализируют.

Поставленная задача может быть решена за счет того, что в интерферометре, содержащем оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, спектроанализатор, тонкий частично пропускающий слой, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, этот слой, толщиной не более λ/2, расположен между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом θ, определяемым из соотношения sinθ = λ/2d, где θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны. Интерферометр также содержит периодическую систему с фотоэлементами, которые расположены с периодом p в ряду и с размером b входного окна этих фотоэлементов в том же ряду, размещенную позади отражающего зеркала, экран, ограничивающий размер b входных окон фотоэлементов, установленный на периодической системе, а периодическая система выполнена в виде двух параллельных рядов фотоэлементов со сдвигом фотоэлементов одного ряда по отношению к другому на половину периода p.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.2), на котором представлена схема интерферометра.

Интерферометр содержит оптически сопряженные источник 1 светового излучения, отражающее зеркало 2, выполненное частично пропускающим световое излучение, спектроанализатор 3, тонкий частично пропускающий слой 4, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, этот слой 4, толщиной не более λ/2, расположен между источником 1 светового излучения и отражающим зеркалом 2 под углом θ, определяемым из соотношения sinθ = λ/2d, где θ - угол между тонким частично пропускающим слоем 4 и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос 5, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое 4 при воздействии стоячей световой волны. Интерферометр также содержит периодическую систему 6 с фотоэлементами 7, которые расположены с периодом p в ряду и с размером b входного окна 8 этих фотоэлементов 7 в том же ряду, размещенную позади отражающего зеркала 2, экран 9, ограничивающий размер b входных окон 8 фотоэлементов 7, установленный на периодической системе 6, а периодическая система 6 выполнена в виде двух параллельных рядов фотоэлементов 7 со сдвигом фотоэлементов 7 одного ряда по отношению к другому на половину периода p.

Тонкий частично пропускающий слой 4 может быть нанесен на одну из поверхностей оптического клина 10. Отражающее зеркало 2 при этом может быть выполнено на другой поверхности оптического клина 10 в виде отражающего покрытия с коэффициентом отражения 0,50-0,99 и коэффициентом пропускания 0,01-0,50. На периодическую систему 6, содержащую фотоэлементы 7, спроецировано изображение системы интерференционных полос 5. Периодическая система 6, содержащая фотоэлементы 7, выполнена в виде двух параллельных линеек приборов с зарядовой связью со сдвигом фотоэлементов 7 одной линейки по отношению к другой на половину периода p, с которым фотоэлементы 7 расположены в каждой линейке.

Заявленный способ спектрометрии осуществляется на настоящем интерферометре следующим образом.

Световой поток от источника 1 светового излучения поступает на отражающее зеркало 2, отражается от него и в виде стоячей световой волны поступает на тонкий частично пропускающий слой 4. За счет того, что тонкий частично пропускающий слой 4 рассеивает или поглощает энергию электрического поля стоячей световой волны и расположен наклонно, в нем образуется система интерференционных полос 5, регистрацию которой можно осуществить в виде сигнала пространственной частоты с периодом следования d. При этом период следования d задан из соотношения: sinθ = λ/2d, где θ - угол между плоскостью тонкого частично пропускающего слоя 4 и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны. При использовании оптического клина 10 угол ϕ между плоскостью тонкого частично пропускающего слоя 4 и плоскостью отражающего зеркала 2 задан из соотношения sinϕ = λ/2dn, где λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос 5, n - показатель преломления материала оптического клина 10.

Изображение системы интерференционных полос 5 проецируется через частично пропускающее световое излучение отражающее зеркало 2 на периодическую систему 6, а полученные с фотоэлементов 7 электрические сигналы регистрируют в зависимости от местоположения фотоэлементов 7 в периодической системе 6 (поочередно из каждой линейки приборов с зарядовой связью) и анализируют в виде сигнала пространственной частоты.

Предлагаемый способ спектрометрии и интерферометр для его осуществления позволяет повысить точность измерения световых волн в 2-5 раз при измерении светового излучения в широком спектральном диапазоне.

Изобретение относится к области спектрального анализа. В предлагаемых способах регистрацию системы интерференционных полос стоячей световой волны осуществляют в виде сигнала пространственной частоты путем проецирования изображения системы интерференционных полос на периодическую систему, содержащую фотоэлементы, которые располагают со сдвигом двумя параллельными рядами или со смещением изображения полос относительно фотоэлементов. Полученные с фотоэлементов электрические сигналы записывают в виде их зависимости от местоположения этих фотоэлементов в периодической системе и анализируют. Заявленные способы осуществляются на интерферометрах, содержащих оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, спектроанализатор, тонкий слой, периодическую систему с фотоэлементами и экран. Тонкий слой и отражающее зеркало могут быть выполнены с возможностью смещения относительно экрана и периодической системы, содержащей фотоэлементы, в направлении чередования интерференционных полос. Периодическая система может быть выполнена в виде двух сдвинутых на половину периода параллельных рядов фотоэлементов. Технический результат - повышение точности измерения световых волн в 2-5 раз. 4 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ спектрометрии, основанный на регистрации системы интерференционных полос стоячей световой волны посредством тонкого частично пропускающего слоя, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны, отличающийся тем, что этот слой, толщиной не более λ/2, расположен между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом θ, определяемым из соотношения sinθ = λ/2d, где θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, при этом регистрацию упомянутой системы интерференционных полос стоячей световой волны с периодом d осуществляют в виде сигнала пространственной частоты путем проецирования изображения упомянутой системы на периодическую систему с фотоэлементами, расположенными с периодом p в ряду и с размером b входного окна этих фотоэлементов в том же ряду, при этом период p упомянутых фотоэлементов в ряду упомянутой периодической системы задают относительно размера b входного окна этих фотоэлементов в том же ряду в пределах p=(2-100)b, полученные с упомянутых фотоэлементов электрические сигналы регистрируют в зависимости от местоположения этих фотоэлементов в упомянутой периодической системе и анализируют, при этом изображение упомянутой системы интерференционных полос проецируют на периодическую систему, содержащую фотоэлементы, с возможностью смещения изображения интерференционных полос относительно входных окон фотоэлементов упомянутой периодической системы. 2. Способ спектрометрии по п.1, отличающийся тем, что периодическую систему, содержащую фотоэлементы, выполняют в виде матричной периодической системы, установленной с возможностью вращения вокруг оси. 3. Интерферометр, содержащий оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, спектроанализатор, тонкий частично пропускающий слой, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, отличающийся тем, что этот слой, толщиной не более λ/2, расположен между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом θ, определяемым из соотношения sinθ = λ/2d, где θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, а также содержащий периодическую систему фотоэлементов с входными окнами, расположенную позади отражающего зеркала, при этом интерферометр дополнительно снабжен экраном, ограничивающим размеры входных окон упомянутых фотоэлементов, установленным на периодической системе, тонкий частично пропускающий слой и отражающее зеркало выполнены с возможностью смещения относительно экрана и периодической системы, содержащей фотоэлементы. 4. Интерферометр по п.3, отличающийся тем, что периодическая система, содержащая фотоэлементы, выполнена в виде матричной периодической системы и установлена с возможностью ее разворота по оптической оси интерферометра. 5. Способ спектрометрии, основанный на регистрации системы интерференционных полос стоячей световой волны посредством тонкого частично пропускающего слоя, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны, отличающийся тем, что этот слой, толщиной не более λ/2, расположен между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом θ, определяемым из соотношения sinθ = λ/2d, где θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, при этом регистрацию упомянутой системы интерференционных полос стоячей световой волны с периодом d осуществляют в виде сигнала пространственной частоты путем проецирования изображения упомянутой системы на периодическую систему с фотоэлементами, расположенными с периодом p в ряду и с размером b входного окна этих фотоэлементов в том же ряду, при этом фотоэлементы располагают двумя параллельными рядами со сдвигом упомянутых фотоэлементов одного ряда по отношению к другому на половину периода p, размер b входных окон этих фотоэлементов задают не больше половины периода p, а полученные с фотоэлементов электрические сигналы регистрируют в зависимости от местоположения этих фотоэлементов в периодической системе и анализируют. 6. Интерферометр, содержащий оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, спектроанализатор, тонкий частично пропускающий слой, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, отличающийся тем, что этот слой, толщиной не более λ/2, расположен между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом θ, определяемым из соотношения sinθ = λ/2d, где θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, также интерферометр содержит периодическую систему с фотоэлементами, которые расположены с периодом р в ряду и с размером b входного окна этих фотоэлементов в том же ряду, размещенную позади отражающего зеркала, экран, ограничивающий размер b входных окон фотоэлементов, установленный на периодической системе, а периодическая система выполнена в виде двух параллельных рядов фотоэлементов со сдвигом фотоэлементов одного ряда по отношению к другому на половину периода р.