Фурье-спектрометр Советский патент 1991 года по МПК G01J3/28 

Изобретение относится к технике физического эксперимента и может быть использовано для измерения спектральных характеристик (например, поглощения, фотопроводимости и др.) материалов.

Цель изобретения - повышение точности.

На фиг.1 - блок-схема Фурье-спектрометра, реализующего предлагаемый способ: на фиг,2 (а-ж) - временные диаграммы входных и выходных сигналов синхронных детекторов; на фиг.З - временные диаграммы работ отдельных блоков под воздействием блока управления.

Устройство содержит интерферометр Майкельсона 1, имеющий оптическую систему, состоящую из зеркал 2-13, из которых два являются подвижными, причём зеркало 2- подвижное вдоль оси, перпендикулярной плоскости зеркала, а зеркало 12 - подвижное

вокруг оси проходящей параллельно плоскости зеркала. Остальные зеркала (3-11 и 13)- неподвижные. Подвижное зеркало 2 соединено с приводом 14 и датчиком 15 перемещения, которые электрически соединены с блоком 16 управления.

В интерферометре 1 имеется светоделитель 17, блок 18 фильтров с приводом, подключенным к блоку 16 управления, источник 19 оптического излучения, прерыватель 20 оптическо о излучения, подключенный к блоку модулятора 21, фотоприёмник 22 В состав устройства входит оптический криостат 23 (показан условно) Исследуемый образец 24. помещённый в криостат 23, устанавливается на пути оптического излучения, сфокусированного зеркалом 9.

Фотоприёмник 22 через переключатель 25 соединен с усилителем 26 низкой частоОihO Ю

м

х|

сл

ты, либо исследуемый образец 24 соединен с усилителем 26 низкой частоты (в зависимости от положения переключателя 25). Вход управления коэффициентом усиления усилителя 26 подключен к блоку 16 управле- ния. Выход усилителя низкой частоты 26 соединен с первым входом синхронного детектора 27 и с первым входом синхронного детектора 28. Второй вход синхронного детектора 27 соединен с выходом опорного генератора 29. Второй вход синхронного детектора 28 соединен с выходом фазовращателя 30, вход которого подключен к выходу опорного генератора 29. Вход управления опорного генератора 29 соеди- нен с блоком управления.

Выход синхронного детектора 27 через аналого-цифровой преобразователь (на фиг.1 не показан) соединен с входом первого запоминающего устройства 31 (ЗУ1) и с первым входом делителя 32.

Выход синхронного детектора 28 через аналого-цифровой преобразователь (на фиг. 1 не показан) соединен с входом запоминающего устройства 33 и с вторым вхо- дом делителя 32.

На фиг.1 аналого-цифровые преобразователи не показаны, так как в принципе возможно последующее преобразование в аналоговом виде

Вых од делителя 32 соединен с входом вычислителя арктангенса 34, выход которого соединен с входом интегратора 35. Вход управления интегратора 35 подключен к блоку управления 16.Выход интегратора 35 соединен с входами вычислителей синуса 36 и косинуса 37, выходы которых соединены с запоминающими устройствами 38 и 39, соответственно.

Входы управления запоминающих ус- тройств 38 и 39 подключены к блоку 16 управления.

Выход запоминающего устройства 38 соединен с первым входом умножителя 40, второй вход которого соединен с выходом запоминающего устройства 31

Выход запоминающего устройства 39 соединен с первым входом умножителя 41, второй вход которого соединен с выходом запоминающего устройства 33.

Выход умножителя 40 соединен с первым входом сумматора 42, второй вход которого соединен с выходом умножителя 41

Выход сумматора 42 соединен с блоком 16 управления и с регистратором 43, вход управления которого соединен с блоком 16 управления.

На фиг.1 связи функциональных блоков с блоком управления не показаны

Предложенный способ рассмотрим на примере работы устройства, представленного на фиг.1.

От источника оптического излучения 19 световой поток проходит через прерыватель 20, обрезается зеркалом 3, коллимиру- ется параболическим зеркалом 4. От зеркала 4 световой поток параллельным пучком направляется на светоделитель 17, отражается от плоского зеркала 5, попадает вновь на светоделитель 17, отражённый пучок, направленный в сторону зеркала 6, отражается от этого зеркала и подаётся на параболическое зеркало 7.

Другая часть светового пучка отражается от светоделителя 17 в сторону подвижного зеркала 2. Отражаясь от зеркала 2, световой пучок проходит через светоделитель 17 и попадает на зеркало 6. Пучок оптического излучения, отражённый от зеркала 6, собирается сферическим зеркалом 7.

Таким образом, на зеркало 6 приходят два световых пучка, прошедших от источника 19 оптического излучения по двум различным плечам интерферометра И в зависимости от того, в каком положении находится подвижное зеркало 2, определяющее разность хода в плечах интерферометра, будут изменяться условия интерференции пучков излучения, собираемого сферическим зеркалом 7

В результате интерференции будет меняться интенсивность результирующего оптического излучения, которое направляется от зеркала 7 через предварительно выбранный фильтр блока 18 фильтров После прохождения фильтра оптическое излучение ограниченного спектрального состава отражается от зеркала 8, попадает на зеркало 9 и направляется на исследуемый образец 24, установленный в фокусе зеркала 9 и размещённый в оптическом криостате 23

Если исследуется спектральная зависимость фотопроводимости, то электрический сигнал снимается непосредственно с контактов к образцу и через переключатель 25 (показано на фиг 1) поступает на усилитель 26.

Если проводятся исследования калориметрической методикой, то вместе с образцом 24 в криостате 23 помещается термочувствительный элемент (например, терморезистор), который соединяется с исследуемым образцом посредством теплопро- водника (например, медной проволочки). Электрический сигнал, снимаемый с термочувствительного элемента, также подаётся на усилитель низкой частоты 26.

В случае если наследуются спектральные характеристики отражения или г-ропу- скания, оптическое излучение отражается о образца 24, собираемся зеркалом 10 и попадает на фотоприём ни к 22, отражаясь от зеркала 2 (в положении, показанном пунктиром) и зеркала 13, либо проходит чеое образец 24, cobnpaorr.i .лом 11, Oipa- жэетс от зеркал 12 и 13, попадая на фотоприёмник 22, соответственно. Электрический сигнал с фотоприемника 22 через переключатель 25 ( в положении, противоположном показанному нт фиг.1) поступает из усили 6ЛЬ НИЗКОЙ ПСТ ТГЫ 25

С ус лигчлп 26 электрический сигнал постутрт одновременно на два синхронных детектора 27 и 28 котопыми осуществляется си и-рои нор детектирован и:; сигнала при фазах опорного сигнала сдвинутых на 90° один относи ельно другою Для выполнения такого детектирования перный вход синхронного детектора 23 подкпю ен выходу фазовращателя П, охот которого соединен с опорным renepaiop M 29 Фазовращатель 30 осуществляет сдвиг фазы опорного сигнала от генератора 29 на 90°. Следует отметить, чго сдвиг Фазы может быть выбран и любым другим. Однако, с точки зрения простоты реализации и одю- временного обеспечения высокой точности определения значения текущею -:двига фазы искомого сигнала, целесообразно сдвигать фгзу на 90°.

На фиг.2 (а-ж) показаны в/одные и выходные сигналы синхронных детекторов 27 и 28. сплошной линией - сигналы при наличии сдвига фазы (Лу)) полетного сигнала, пунктирной линией - при Л у; 0.

На фиг.2а представлен сигнал, поступающий на первый вход синхронного детектора 27 и второй в пд синхронного детектора 28. На фиг.26 показан сигнал ог опорного г знератора 29, поступающий на второй вход синхронною детектора 27 (первого синхронного детектора).

На фиг.2г показан сигны,поступаю- щий с выхода фазовращателя 30 на первый вход синхронного детектора 28 (второго синхронного детектора). Опорные сигналы показанные на фиг 26 и фиг.2г. сдвинуты по фазе на 90° один относительно другого.

На фиг.2в и фиг.2д показаны сигналы после синхронного детектирования до фильтрации, а на фиг.2е и фиг.2ж - после фильтрации, соответственно для синхронных детекторов 27 и 28.

Как видно из фиг.2а-ж, при отсутствии сдвига фазы полезного сигнала относительно опорных, выходное напряжение, снимаемое с синхронмого детектора 27, имебт максимальное значение, а выходное напряжение, снимаемое с синхронного детектора 28, - минимальное (совпадает с осью абсцисс). При наличии гдвига фазы полезною сигнгпэ относительно опорных, выходное напряжение синхронного детектора 27 уменьшается, д выходное напряжение син- хрэнногс детектора 28 - увеличивается.

Такой сдвиг фазы возникает вследствие проявления инерционных свойств исследуемого образца. Для различных образцов величина сдвига фаз Зулет неодинаковой, она зависит от метода измерений. Наибольший сдвиг фазы полезного сигнала п и- cyi ;калоримгч; ическому методу измерения гп:ктра поглощения. Значительный сдвиг возникает при снятии спектра фотопроводимости.

Походные напряжения синхронных де- текюров 27 и 28 несут в себе информацию о фазе- поскольку эти напряжения прогор- чиональны косинусу и синусу «екущейфазы.

Выходное напряжение Кед1 первого синхронного детектора (после фильтра) определяется л U

2л;

-1--/Uesln (4 -po)d4

л 0

. L J

- /UsinCF -/;0)d4 ,

2 Л

(1)

начальное значение фазы полезного сигнала, поступающего на первый синхронный детектор:

Ч значение фазы полезного сигнала;

U - напряжение полезного сигнала.

Для второго синхронного детектора значение фазы опорного сигнала сдвинуто

на 90°, т.е. на -п .

Выходное напряжение второго синхронного детектора (после фильтра) определяется

Ч

и«г-5 /Uc sln() f

+ -5 Л 12

Тл /,

-г-1-Л

slnOf- ojd1

После интегрирования (2) принимают вид: 1 2UC

U

сд Л

UCA2 - Siryb

Начальное значение фазы полезного сигнала узь устанавливается однократно при настройке прибора. Целесообразно настра- ивать устройство так, чтобы 0 (хотя для реализации работы данного устройства это непринципиально).

Если отсутствует сдвиг фазы ,то текущее значение сдвига фазы .

Когда Д tp О р - РО + Ду.

С учетом этого выражения (3) и (4) можно записать 2UC

2UC

исд1 cos ( РО + Др) cos р (5)

2 НЈ

2UC

иад Sin(v + A)3ny

Положим, что уъ 0, тогда выражения (4) и (5) принимают вид:

(7)

U

сд

- sinAy).

гГ

UCA откуда

sin До . Л „

-г 1 r tQ Alfl ,

1 cos а

arktg

U

СД

и

(10)

сд

Таким образом, имея на выходе синхронных детекторов 27 и 28 напряжения, определяемые полезным сигналом Uc, а также косинусом и синусом сдвига фазы, можно выделить Д|/5.

Для этого в каждой точке счета интерфе- рограмм определяют отношение исд к исд и вычисляют арктангенс этого отношения.

Действительно, поделив выражение (8) на (7), имеем

2

ujyL „ Л ,„(9)

JJ

21

Отношение значений иед и исд выполняется делителем 32, который выполняет данную функцию в цифровом виде, если после синхронных детекторов 27 и 28 имеются аналого-цифровые преобразователи. В предлагаемом устройстве на выходе синхронных детекторов 27 и 28 поставлены аналого-цифровые преобразователи. С выхода делителя 32 сигнал поступает на вычисли- тель арктангенса 34. На выходе вычислителя арктангенса 34 получается сигнал, определяющий текущий сдвиг фазы р . Таким образом, на интегратор 35 поступают текущие значения фазы, однозначно опре

5

10

15

20

25

30

5

40

45

о55 деляющие сдвиг фазы в каждой точке интер- ферограммы. Интегратор 35 выполняет (по команде с блока 16 управления) вычисление среднего по всем точкам интерферограммы

п

текущего значения фазы ф - Ј fi ,

где п - число точек, t - время. После вычисления среднего текущею значения фазы по команде с блока управления сигнал, соответствующий этому значению, подаётся на вычислители синуса 36 и косинуса 37.откуда в преобразованном виде поступает на зэпо минающие устройства 38 и 39. Запоминающие устройства 38 и 39 по команде с блока 16 управления заносят в память поступившие значения сигналов. Одновременно с поступлением сигналов с выходов синхронных детекторов 27 и 28 на делитель 32 эти же сигналы поступают на запоминающие устройства 31 и 33, которые осуществляют запись в память значения интерферограмм в каждой точке

После записи одного скана (записи интерферограммы по всем заданным точкам) и установления на выходе запоминающих устройств 38 и 39 уровней, соответствующих значениям sin /) и cos ф , по командам с блока управления осуществляется параллельный вывод по точкам значений интерферограмм записанных в запоминающих устройствах 31 и 33. Сигналы поступают на умножители 40 и 41. Умножители 40 и 41 осуществляют операцию умножения значений в точках интерферограмм на значения уровней сигналов, поступающих с запоминающих устройств 38 и 39.

Эту операцию можно записать в следующем виде

U xi Uxi COS ф(11)

U yi -- U у, Sin ф.

где Uxi - значение сигнала в одной 1-той точке интерферограммы, поступающее и хранящееся в запоминающем устройстве 31; Uyr - значение сигнала в одной I - той точке интерферограммы, поступающее и хранящееся в запоминающем устройстве 33.

С выхода умножителей 40 и 41 сигналы поступают на сумматор 42, на выходе которого имеется восстановленное значение сигнала, соответствующее каждой точке интерферограммы

Uci Uxi cos Ф + Uyi sin ф.(12)

Значение Uu регистрируется регистратором 43, управление которым осуществляется от блока 16 управления.

После регистрации интерферограмм делается обратное Фурье-преобразование и получается спектр.

Управление работой устройстна осуществляется блоком 16 управление. Блок управления может быть построен различным образом, например, на основе электронно- вычислительной машины. Тогда работа этого блока определяется управляющей программой. В любом случае необходимо, чтобы выполнялись временные диаграммы работы отдельных блоков, представленных на фиг.З.

Поясним работу устройства фиг.1 по временным диаграммам на фиг.З.

Перед началом измерений (см с иг. 1 и фиг.З) производится выбор режимов работы отдельных блоков устройства. Так, за время от 0 до t, осуществляется установка зеркала 12 (фиг.За), выбор нужного фильтра в блоке 18 фильтров (фиг.36). установка подвижного зеркала 2. При этом работают опорный генератор 29 (фиг.Зг) и усилитесь 26 низкой частоты (фиг.Зд).

В момент времени ti - t2 производится выбор и установка коэффициента усиления усилителя 26 по выходному сигнал/

За время t; n осуществляется запись интерферогрямм

При перемещении подвижного зеркала 2 в определённые моменты времени (в соответствующих точках,) производится запись значений сигналов запоминающими устройствами 31 (ЗУ1) (фиг.Зе) и 33 (ЗУ2) (фиг.Зж). В это же время работает интегратор 35 (фиг.Зд).

Запоминающие устройства ЗУ1 и ЗУ2 хранят записанную информацию до тех пор, пока с блока 16 управления не поступит сигнал на её вывод

В момент времени тз. после прекращения работы генератора 35, на его выходе появляется сигнал, определяющий текущую фазу. За время т.з - t/j производится вычисление синуса и косинуса текущего значения фазы (вычислителями синуса 36 и косинуса 37) и ввод полученных значений по команде с блока 16 управления в запоминающие устройства 38 (ЗУЗ) и 39(ЗУ4)(фиг.Зк и фиг.Зл). Далее по команде с блока 16 управления в момент времени ts-te осуществляется синхронный вывод информации из запоминающих устройств 31 и 33 (фиг.Зе и фиг.Зж). Сигналы с выходов запоминающих устройств 31 и 33 поступают на умножители 40 и 41,При этом на другие входы умножителей 40 и 41 поступают сигналы с запоминающих устройств 38 и 39 (фиг.Зк, фиг.Зл).

После суммирования сигналов с выходов умножителей 40 и 41 осуществляется регистрация интерферограммы по точкам регистратором 43 (фиг.З).

В качестве регистратора 43 мсжет быть,

например перфоратор. В дальнейшем ДЛР получения спектра делают обратное Фурье- преобразование записанной интерФерог- раммы.

0 Авторами для записи интерферограмм используется накопитель на магнитны дисках Электроника ГМД7012, подключенный к микро-ЭВМ Электроника-60.

По сравнению с прототипом, лримене5 ние изобретения позволяет повы ,ить точ- нссть при исследоз&нии широкого класса материалов, характеризующихся различной инерционностью протекающих в них процессов.

0Так, если при измерениях спектров фотопроводимости или спектров поглощения (калориметрическим методом) с помощью устройства взятого за прототип, возникает notp , иность 10- 30%, обусловленная инер5 циоь.юстью методов и различными свойствами образцов, то при использовании нового способа эта погрешность не превышает 0.5%, т.п. увеличивается точность из мсрений.

0Предлагаемое устройство, п отличие от

прототипа, позволяет без особых трудностей производить измерения спектральных характеристик материалов, практически по любой методике. При этом отпадает необхо5 димость постоянной подстройки устройства (с целью устранения сдвига фазы) при переходе от образца к образцу, от одной методики измерений - к другой. Это в значительной мере повышает производительность работ

0 на установке, упрощает её эксплуатацию. Формула изобретения Фурье-спектрометр, содержащий интерферометр Мэйкельсона с приводом подвижного зеркала, подключенным к блоку

5 управления, последовательно соединенные фотоприемник, усилитель низкой частоты и синхронный детектор, опорный генератор, соединенный г. вторым входом синхронного детектора и модулятором оптического излуче0 ния, запоминающее устройство и регистратор интерферограмм, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при исследовании инерционных процессов, в него дополнительно введены второй синхрон5 ный детектор, фазовращатель, второе, третье и четвёртое запоминающие устройства, делитель напряжения, вычислительар- ктангенса. интегратор, вычислители синуса и косинуса, два умножителя и сумматор, при этом вход фазовращателя подключен к

опорному генератору, а выход соединен с первым входом второго синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом усилителя низкой частоты и соответствующим входом первого синхронного детектора, при этом выход первого синхронного детектора соединен с входом первого запоминающего устройства и с первым входом делителя напряжения, выход второго синхронного детектора соединен с входом второго запоминающего устройства и вторым входом делителя напряжения, выход которого соединен с входом вычислите- ля арктангенса, выход вычислителя арктангенса соединен с входом интегратора, выход которого соединено входами вычислителей i синуса и косинуса, выход вычислителя синуса соединен с входом третьего запоминающего устройства, выход

вычислителя косинуса соединен с входом четвёртого запоминающего устройства, при .этом выход первого запоминающего устройства соединен с первым входом первого

умножителя, а выход третьего запоминающего устройства соединен с вторым входом первого умножителя, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго

умножителя, первый вход которого соединен с выходом второго запоминающего устройства, а второй вход - с выходом четвёртого запоминающего устройства, при этом выход сумматора соединен с входом

регистратора и с блоком управления,к которому также подключены входы управления усилителем низкой частоты, интегратором, запоминающими устройствами и регистратором.

Изобретение относится к технике физического эксперимента и может быть использовано для научных и практических целей, конкретно, для измерения спектральных характеристик материалов. Цель изобретения - повышение точности при исследованиях широкого класса материалов, характеризующихся различной инерционностью протекающих в них процессов Для этого осуществляют синхронное детектирование полезного сигнала при двух различных фазах опорного сигнала и по значению двух сигналов в каждой точке счёта интерферог- рамм определяют текущее значение фазы, накапливают эти значения по всем точкам и определяют среднее значение Вычисляют косинус и синус среднего текущего значения фазы, по ним корректируют значения интерферограмм, снятых при двух фазах опорного сигнала, после чего их суммируют и получают искомую интерферограмму. 3 ил. fe

ОтБЦ

От Б. У.

8 23 ОтБ.У.

«б.У. От Б.УLT

L

|0тб7

г;

о

IxH I

t/f-Vr-ЬП-т

i(i 1J

i :Ii i

„..L.j

V

„..L.j I I

I Z-irrr .

Т

I

f

. . Vu