СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ОПТИЧЕСКОЙ РАЗНОСТИ ХОДА В ИНТЕРФЕРОМЕТРЕ МАЙКЕЛЬСОНА ДЛЯ ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИИ И ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ИНФРАКРАСНОГО, ВИДИМОГО И УФ СПЕКТРАЛЬНЫХ ДИАПАЗОНОВ Российский патент 2004 года по МПК G01J3/00 G02B26/00 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для построения спектрометров для анализа спектрального состава оптических излучений с верхней границей, соответствующей ультрафиолетовому (УФ) спектральному диапазону.

Основой известных Фурье-спектрометров является интерферометр Майкельсона, в котором одно из зеркал способно перемещаться, в результате чего создается оптическая разность хода между интерферирующими волнами. Очевидно, что при измерении интерферограммы предъявляются серьезные требования к точности перемещения подвижного зеркала.

Известен способ изменения (модуляции) оптической разности хода в интерферометре Майкельсона для Фурье-спектроскопии, заключающийся в изменении положения подвижного зеркала путем его линейного перемещения с постоянной скоростью [1].

Известен Фурье-спектрометр, в котором используется этот способ. Он содержит источник света, интерферометр Майкельсона с модулятором оптической разности хода, фотоприемник и устройство управления и обработки [1]. В этом Фурье-спектрометре используется линейное перемещение подвижного зеркала с постоянной скоростью. В этом случае интенсивность каждой спектральной составляющей оптического спектра модулируется с частотой, пропорциональной волновому числу и скорости перемещения зеркала, и оптический спектр может быть получен в результате Фурье-преобразования электрического сигнала от фотоприемника. Для получения неискаженной интерферограммы необходима высокая стабилизация скорости перемещения зеркала, а также отсутствие искажений при изменении направления движения зеркала, что является достаточно сложным в техническом исполнении при создании Фурье спектрометров для видимого и УФ-диапазонов.

Задачей заявляемого изобретения является создание такого способа модуляции оптической разности хода в интерферометре Майкельсона для Фурье-спектроскопии и такого Фурье-спектрометра, основанного на этом способе, чтобы обеспечить точное перемещение подвижного зеркала для получения высококачественной информации об исследуемом излучении и реализации широкого спектрального диапазона, включающего УФ-область.

Поставленная задача достигается тем, что в способе модуляции оптической разности хода в интерферометре Майкельсона для Фурье-спектроскопии, заключающемся в изменении положения подвижного зеркала, изменение положения зеркала осуществляют по гармоническому (синусоидальному) закону.

В Фурье-спектрометре для инфракрасного, видимого и УФ спектральных диапазонов, содержащем источник света, интерферометр Майкельсона с модулятором оптической разности хода, фотоприемник и устройство управления и обработки, модулятор оптической разности хода выполнен с возможностью обеспечения гармонического закона перемещения подвижного зеркала. Например, в качестве модулятора оптической разности хода использована электродинамическая головка громкоговорителя, на диффузоре которой закреплено подвижное зеркало.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема устройства Фурье-спектрометра; на фиг.2 - иллюстрация к методу математической обработки (линеаризации) интерферограммы (сплошной линией показана синусоидальная зависимость оптической задержки от времени (половина периода)).

Фурье-спектрометр (фиг.1) содержит источник света 1, коллимирующую линзу 2, диафрагму входящего пучка 3, фиксируемое зеркало 4, подвижное зеркало 5 на диффузоре динамической головки 6, полупрозрачное зеркало 7, компенсатор дисперсии 8, диафрагму выходящего пучка 9, делитель пучка для эталонного канала 10, фотоприемник эталонного канала 11, фокусирующую линзу для фотоприемника эталонного канала 12, отделение эталонного образца 13, отделение для измеряемого образца 14, фокусирующую линзу для фотоприемника исследуемого излучения 15, фотоприемник исследуемого излучения 16, систему управления и обработки данных 17 на основе компьютера или контроллера.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В случае плоской монохроматической волны, падающей на полупрозрачный светоделитель 7, получаем две компоненты поля в соответствующих плечах интерферометра:

где е₀ - амплитуда поля в падающей волне, Т, R - коэффициенты пропускания и отражения светоделителя соответственно, ω - частота излучения.

Пусть длина пути до фотоприемника для волны Е₂, распространяющейся в плече интерферометра с фиксированной длиной, равна х, а разность хода двух волн, обусловленная разностью длин плеч интерферометра, равна δх. В этом случае суммарное поле в фокальной плоскости, где расположен фотоприемник, определяется как:

где k - волновой вектор.

В случае, когда R=T=1/2

Сигнал, регистрируемый фотоприемником, пропорционален интенсивности излучения:

где Е* - величина, комплексно сопряженная с Е.

Таким образом, измеряя зависимость интенсивности I от разности хода δх, из соотношения (5) легко получить значение частоты (волнового числа) излучения, связанной известным соотношением с волновым вектором

Если излучение характеризуется множеством спектральных частот, то интенсивность, регистрируемая фотоприемником, выражается соответствующей суперпозицией членов типа (5) для каждой из частот. Для протяженного спектра интерферограмма имеет максимум для δх=0, когда все спектральные компоненты синфазны. Результирующая зависимость интенсивности от разности хода имеет сложный характер, и восстановление спектральных компонент требует математической обработки.

Очевидно, что даже в случае плоской монохроматической волны при измерении интерферограммы предъявляются серьезные требования к точности перемещения подвижного зеркала. В худшем случае, точность позиционирования подвижного зеркала должна составлять проценты от измеряемой длины волны, что для УФ-диапазона соответствует единицам нанометров. Спектральное разрешение прибора δν~1/L определяется максимальной разностью хода L подвижного зеркала. Поэтому соответствующая точность перемещения зеркала и углового позиционирования подвижного зеркала должна быть обеспечена на всей длине, соответствующей максимальной разности хода. Из сказанного очевидны технические проблемы, возникающие при создании Фурье-спектрометров для видимого и УФ-диапазонов.

В современных Фурье-спектрометрах широко используется перемещение подвижного зеркала с постоянной скоростью. В этом случае каждая составляющая оптического спектра модулируется с частотой, пропорциональной волновому числу и скорости перемещения зеркала, и оптический спектр может быть получен в результате Фурье-преобразования электрического сигнала от фотоприемника. Несмотря на широкое применение данного метода он все же является достаточно сложным в техническом исполнении. Во-первых, необходима высокая стабилизация скорости перемещения зеркала, что требует использования референтного лазерного канала и системы стабилизации скорости. Во-вторых, изменение направления движения зеркала в условиях стабилизации скорости сопровождается значительными ускорениями, что вносит дополнительные искажения в интерферограмму, компенсация которых также требует сложных технических решений.

В связи со сложностью реализации метода сканирования с постоянной скоростью здесь предлагается иной метод быстрой модуляции - по синусоидальному (гармоническому) закону, например, с использованием динамической головки громкоговорителя 6 (фиг.1). Специальные типы современных громкоговорителей способны обеспечить очень низкий коэффициент нелинейных искажений при воспроизведении одночастотного сигнала. Это означает, что при подаче на головку громкоговорителя 6 синусоидального напряжения движение диффузора, а следовательно, и закрепленного на нем зеркала 5 (фиг.1) с высокой точностью определяется гармоническим законом. Высокая точность следования зеркала гармоническому закону позволяет отказаться от референтного лазерного канала и сложной системы стабилизации скорости. Более того, испытания прибора доказали, что точность движения зеркала достаточна, чтобы достигнуть верхней границы, соответствующей УФ спектральному диапазону.

Модуляция оптической разности хода по синусоидальному закону меняет математику восстановления оптического спектра. Оптический спектр в этом случае не является Фурье-преобразованием интерферограммы, регистрируемой фотоприемником, что является одним из принципиальных особенностей заявляемого метода. Действительно, при колебаниях подвижного зеркала 5 по синусоидальному закону с частотой Ω оптическая разность хода записывается как:

где А - амплитуда колебаний зеркала или максимальная разность хода (A~1/δν), ϕ₀ - фазовый сдвиг по отношению к напряжению на модуляторе вида:

В соответствии с (5) для монохроматической волны интерферограмма определяется модулированной интенсивностью:

Очевидно, что преобразование Фурье от (9) дает протяженный спектр, а не линию, соответствующую монохроматической волне с волновым числом k/2π. Это обстоятельство вносит проблему в восстановление оптического спектра. Предлагаемое решение проблемы состоит в преобразовании (линеаризации) исходного массива данных интерферограммы (фиг.2). Если обеспечить условие нулевой фазовой задержки в момент максимальной скорости зеркала, то в момент времени

положение зеркала соответствует оптической разности хода δх_k. Если бы зеркало двигалось с постоянной скоростью ΩА₀, то соответствующая разность хода имела бы место в момент времени t_i, определяемый как:

Таким образом, если сделать соответствующие перестановки в измеренном массиве данных интерферограммы так, что значение, измеренное в момент времени t_k, встанет на место, соответствующее моменту t_i, где

то в результате получится новый, "лианеризованный" массив, Фурье-преобразование от которого уже соответствует оптическому спектру.

Линеаризация возможна, если обеспечить условие нулевой оптической задержки в момент максимальной скорости зеркала. Другими словами, зеркало должно колебаться относительно точки, соответствующей нулевой разнице оптического хода. Это достигается соответствующей юстировкой прибора. Конструкция заявляемого прибора допускает два типа юстировки. Первый тип заключается в том, что с помощью микрометрической подачи фиксируемое зеркало 4 (фиг.1) устанавливается в положение, когда максимумы интерферограмм, соответствующих прямому и обратному ходу зеркал, разделены интервалом времени, равным половине периода модулирующего напряжения. Второй способ юстировки заключается в том, что приведение колебаний относительно точки, соответствующей нулевой разности хода, может осуществляться подачей небольшого постоянного напряжения на динамическую головку 6 (фиг.1). Второй способ может использоваться при необходимости автоматической юстировки прибора.

Калибровку прибора достаточно выполнять на одной длине волны, при этом калибровка на остальном участке спектра гарантируется самим принципом, так как модуляция оптической задержки происходит на фиксированной с высокой точностью частоте. Для автоматической калибровки используется эталонный образец 13, имеющий известные, достаточно узкие и стабильные полосы поглощения (фиг.1).

Фиксируемое зеркало 4 (фиг.1) может быть заменено вторым модулятором с подвижным зеркалом. В этом случае максимальное спектральное разрешение прибора удваивается.

Принцип работы прибора допускает очень простую реализацию системы управления и обработки 17. Так, в реализованном варианте прибора в качестве системы управления и обработки используется стандартный персональный компьютер со звуковой картой и специальным программным обеспечением. При этом все функции, относящиеся к модуляции оптической задержки, регистрации интерферограммы и вычисления оптического спектра, выполнены исключительно программным путем без дополнительной аппаратной составляющей, что существенно упрощает изготовление прибора и уменьшает его стоимость. Работоспособность прибора иллюстрируется измеренным Фурье-спектром поглощения для стандартного стеклянного фильтра ПС-7 (фиг.3). Измеренный спектр является характеристическим для неодимовых стекол [2], используемых в лазерной технике. Несмотря на то, что спектр получен с использованием лампы накаливания, дающей чрезвычайно мало излучения в УФ-области, и кремниевого фотодиода, не чувствительного к излучению с длинами волн более 1100 нм, полученный Фурье-спектр доказывает возможность проведения высококачественных измерений в широком спектральном диапазоне от 350 нм до 1000 нм, что соответствует длинам волн инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областей спектра. Использование соответствующих источников света и фотоприемников позволяет еще больше расширить охватываемый спектральный диапазон как в сторону более коротких длин волн, соответствующих УФ-диапазону, так и в сторону более длинных волн ИК-диапазона.

Заявляемые метод модуляции и реализованные на его основе Фурье-спектрометры обеспечивают следующие преимущества по сравнению с известными методами, используемыми в промышленно выпускаемых приборах:

- широкий спектральный диапазон регистрации спектра, включающий ИК-, видимый и УФ-области и ограничиваемый лишь типом используемого фотоприемника и областью пропускания применяемых оптических элементов;

- высокая светосила по сравнению с приборами на основе дифракционных решеток или других дисперсионных элементов;

- малое время регистрации спектра (менее 50 милисекунд);

- возможность реализации простых и компактных приборов при достаточно высокой разрешающей силе (более 2000), используя мультимедийные возможности стандартных персональных компьютеров.

Источники информации

1. В.А. Вагин, М.А. Гершун, Г.Н. Жижин, К.И. Тарасов. Светосильные спектральные приборы. М.: Наука, 1988, с.146-156 (прототип).

2. Л.И. Авакянц, И.М. Бужинский, Е.И. Корягина, В.Ф. Суркова Характеристики лазерных стекол (справочный обзор). Квантовая электроника, 1978, 5 (4), с.725-752.

Заявлен способ модуляции оптической разности хода в интерферометре Майкельсона для Фурье-спектроскопии, заключающийся в изменении положения подвижного зеркала по гармоническому закону. Также предложен Фурье-спектрометр для инфракрасного, видимого и УФ спектральных диапазонов, содержащий источник света, интерферометр Майкельсона с модулятором оптической разности хода, выполненный с возможностью обеспечения гармонического закона перемещения подвижного зеркала, фотоприемник и устройство управления и обработки. Технический результат - обеспечение точного перемещения подвижного зеркала для получения высококачественной информации об исследуемом излучении. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ модуляции оптической разности хода в интерферометре Майкельсона для Фурье-спектроскопии, заключающийся в изменении положения подвижного зеркала, отличающийся тем, что изменение положения зеркала осуществляют по гармоническому закону.2. Фурье-спектрометр для инфракрасного, видимого и УФ спектральных диапазонов, содержащий источник света, интерферометр Майкельсона с модулятором оптической разности хода, фотоприемник и устройство управления и обработки, отличающийся тем, что модулятор оптической разности хода выполнен с возможностью обеспечения гармонического закона перемещения подвижного зеркала.3. Фурье-спектрометр по п.2, отличающийся тем, что в качестве модулятора оптической разности хода использована электродинамическая головка громкоговорителя, на диффузоре которого закреплено подвижное зеркало.