Интерференционный спектральный прибор Советский патент 1989 года по МПК G01J3/45 

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению.

Целью изобретения является измерение дисперсии показателя преломления.

На фиг, 1 показана оптическая схема интерференционного спектрального прибора; на фиг. 2 - схема регистрирующего устройства к интерференционному спектральному прибору.

Интерференционный спектральный прибор содержит дифракционную решетку 1 с симметричным профилем штрихов, дополнительное зеркало 2, подложки 3 и 4, автоколлимационные зеркала 5 и 6,кювету 7 для исследуемого вещества. Подложка 3 снабжена приводом вращения, причем ось вращения расположена на линии пересечения дополнительного зеркала 2 и решетки 1, Подложка 4 закреплена на половине рабочей поверхности подложки 3. Кювета 7 для исследуемого вещества установлена в одном из плеч интерференционного спектрального прибора. Дифракционная решетка 1 или дополнительное зеркало 2 является модулирующим. На фиг. показан ход лучей, соответствующий нулевой интерференционной полосе.

Регистрирующее устройство содержит оптическую часть интерференционного спектрального прибора 8, фотоприемник 9, первый синхронный детектор 10, второй синхронный детектор П, генератор 12, удвоитель 13 частоты, блок 14 векторного сложения электрических сигналов, блок 15 обработки, индикаторы 16 и 17, Блок обработки выполняет операцию

arrt-p Hff-.arctg ивс0

где Uto амплитуда сигнала с выхода первого синхронного детектора;

Ueco амплитуда сигнала с выхода второго синхронного детектора.

Интерференционный спектральный прибор работает следующим образом. Параллельный пучок от источника сплошного спектра нормально падает на дифракционную решетку 1 и дифрагирует на пучки излучения одинаковой интенсивности правый и левый так, что излучение с большой длиной волны составляет больший угол с нормалью к поверхности решетки. Левый пучок излучения и отраженный от дополнительного зеркала 2 правый пучок излуче

0

5

0

5

0

5

0

5

ния направлены параллельно на подложку 3. Плоскопараллельность дополнительной подложки 4, закрепленной жестко путем оптического контакта на половине рабочей поверхности подложки 3, обеспечивает параллельность отражательных поверхностей автоколлимационных зеркал и, следовательно, выполнение условия автоколлимации одновременно для обоих пучков излучения при настройке спектрометра на определенную длину волны.

После автоколлимационного отражения от зеркала 6 правого пучка, а от зеркала 5 левого пучка дважды прошедшего через прозрачную плоскопараллельную кювету 7 для исследуемого вещества с показателем преломления п(), оба пучка распространяются по своим путям в обратном направлении на дифракционную решетку 1, где они дифрагируют нормально к ее поверхности и интерферируют.

Перемещение решетки 1 в направлении, перпендикулярном ее штрихам, позволяет периодически изменять разности фаз интерферирующих пучков света, а следовательно1, и интенсивность выходящего пучка излучения с длиной волны АС, Поскольку переменная составляющая потока излучения на выходе спектрофотометра в этом случае опре- дяется лишь излучением с длиной волны Л0, в спектрометре реализуется когерентная модуляция измеряемого потока излучения.

При сканировании по спектру подложку 3 вращают вокруг оси, расположенной на линии пересечения дополнительного зеркала 2 и решетки 1, и последовательно наблюдают положения автоколлимации для исследуемых длин волны Д,

Без кюветы на фотоприемник поступает поток излучения, переменная составляющая которого описывается формулой

()„ (/OWWcos U),

где 10(К) - интенсивность излучения, поступающего на спектральный прибор; W() - амплитуда компонента

функции пропускания спектрального прибора; (А) разность фаз интерферирующих пучков,

Если в одно из плеч интерферометра помещена поглощающая кювета, то амплитуда одной из интерферирующих волн изменяется на величину, определяемую амплитудным коэффициентом поглощения о , а фазовая компонента приобретет добавку, определяемую амплитудным коэффициентом поглощения &L , .а. фазовая компонента приобретет добавку, определяемую показателем преломления. Тогда функция пропускания интерференционного спектрального прибора описывается формулой

)Т f м1 го Ф°топРиемником 9, вторую гармони- ( W(A)cosn(A)- V КУ с помощью опорного-сигнала, подаваемого на его второй вход от генератора 12 через удвоитель 13 частоты. Сигналы с выходов обоих синхронных детекторов 10 и 11 поступают на два входа двух блоков 14 и 15 обработки электрических сигналов и затем на индикаторы 16 и 17.

25

где 1 - толщина поглощающего слоя.

Влияние окон кюветы в амплитудной составляющей можно не учитывать, а в фазовой включить в(А).

В случае использования источника сплошного спектра

20

Io (fl)Io COnSt

В регистрирующем устройстве сигналы, поступающие на входы блоков 14 л и 15 обработки можно представить в виде

i a)iowme соз чч/о21Г(п-1)1

В силу ахроматической модуляции в рассматриваемой оптической схеме 4(А) можно представить в виде

44J)4Ufl)+asincot,

где Ч оСЯ) фазовая составляющая,

зависящая от длины Bo а - амплитуда модуляции; CL - частота модуляции; t - время.

Для упрощения дальнейших выкла обозначим

.

loW-C/De -); 21Г(п-1)

ЧЬШД

РШ,

тогда

1((Я)сов(Ф(Я)+а81пОе). Преобразуем

I ((fl)cosCpO)cos(asinot)- -Н(Д) sin4(/D-sin(asin0t), Раскладывая в ряд Фурьеtполучим cos(asinc3t)I0(a)+2Ii2 (a)cos2cJt; sin(asincOt)2I (a)sincot,

где I1 - функция Бесселя I порядка; TIJ. - функция Бесселя II порядка

Амплитуда первой гармоники описывается формулой

MJ)e-H(508in(P((a), второй - формулой

1йсэШ-Н(Л) (71) 21й(а).

Первый синхронный детектор 10 выделяет из сигнала, регистрируемого фотоприемником 9, первую гармонику с помощью опорного канала, подаваемого на его второй вход от генератора 12, Второй синхронный детектор II выделяет из сигнала, регистрируемо

20

В регистрирующем устройстве сигналы, поступающие на входы блоков 14 л и 15 обработки можно представить в виде

М/0 ий(вш КвХиоШ,

где коэффициент усиления синхронного детектора 10; Кд- коэффициент усиления синхронного детектора 1I.

Необходимо выполнить условие

К,, (а) - K4Ij(a),

которое осуществляется выбором соответствующих коэффициентов усиления К и KЈ и его амплитуды модуляции а.

Блок 14 обработки из сигналов (/t) и ) осуществляет операцию, описываемую формулой

45

Х()

)

+ tC(W /н(Ю/,

а блок 15 обработки - операцию, описью а емую формулой

,(«..ret, .«ctefc-fg

х tg-ф (А) -Ф(Й),

причем Х(Л) несет информацию только об амплитуде коэффициента поглощения о(), а Х2(Л) - только о показателе преломления п(Д). Последующая обработка регистрограмм дает непосредственное спектральное распределение(Д) О зарегистрированных одвеличин n(fl) и о (Д) , а следователь-AT

но, и коэффициента экстинцииповременно.

Сущность изобретения: прибор содержит оптически связанные дифракционну решетку с симметричным профилем штрихов, дополнительное зеркало, расположенное перпендиккулярно решетке, регистрирующее устройство, содержащее фотоприемник, два синхронных детектора, каждый из которых выполнен с двумя входами и выходом, генератор, удвоитель частоты, блок векторного сложения электрических сигналов и индикатор. На одном из автоколлимационных зеркал закреплена прозрачная кювета для исследуемого вещества, а регистрирующее устройство снабжено дополнительным индикатором и блоком обработки, который выполнен с двумя входами и выходом, при этом два входа блока обработки подключены к выходам синхронных детекторов, а выход подключен к дополнительному индикатору. 1 ил.

5

Фиг.1