Устройство для спектрального анализа Советский патент 1977 года по МПК G01J3/44 

(54) УСГГОЙСТВО ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

в нем средств автоматического сопряжения полос пропускания фильтруюидах средств не позволяет достичь наилучшего разрешения.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности спектрального устройства.

Цель достигается тем, что. в уетройотве- дляспектрального анализа, содержащем два фильтрующих средства, дсэтолнительно введены средство регистрации выходного сигнала со второго фильтрующего средства, средство настройки первого фильтрующего. средства при изменении частоты света, пропускаемого через него, и средство, реагирующее ш выходной сигнал со второго фильтрующего средства и соединенное с обоими фильтрующими средствами так, чтобы поддерживать их в состоянии пропускать одинаковую длину волны по меньшей мере в течение части времени работы устройства, при этом расстояние между полосами пропускания второго фильтрующего средства больше, чем щирина полосы пропускания первого фильтрующего средства, причем второе фильтрующее средство расположено с возможностью при шмать выходные лучи из первого фильтрующего средства. В этом устройстве в качестве первого и второго фильтрующих средств Morjnr использоваться, соответственно, акустооптический фильтр и интерферометр Фабри-Перо (эталон). Кроме того, второе фильтрующее средство может быть стбжено средством для его периодической настройки на другую полосу пропускания, а первое фильтрующее средство можат быть снабжено средством для повторной его шстройки, чтобы удерживать его на той же длине волны, что и второе фильтрующее средство после перестройки последнего на новую полосу пропускания. Устройство может содержать также средство для пропускания белого света через первое и второе фильтрующие средства и средство для создания малых колебаний полосьг пропускания одного из фильтрующих средств.

Количество света, которое может быть передано через оптическое устройство, пропорционально произведению площади входной апертуры на телесный угол приема любой точки в пределах апертуры. Оно называется геометрическим фактором и определяется соотношением

17 А-Д,

где А - апертура устройства, Я - телесный уго приема.

Предлагаемое устройство имеет значительно большую величину геометрического фактора, чем двойные или тройные монохроматоры, сравнимые с ним по разрешающей способности. Используемые в этом устройстве акустооптический фильтр (АОФ) и эталон Фабри-Перо имеют большой геометрический фактор. Эталон может одновременно работать с большой разрешающей способностью и большим геометрическим фактором. При последовательной установке АОФ и эталона обеспечивается высокая разрешающая способность при большой пропускающей способности.

Необходимость синхронизации АОФ и эталона обуславливается следующим.

АОФ имеет только одну полосу пропускания, которая может быть электронно перестроена в широком диапазоне (). Эталон имеет аппаратную функцию с большим числом побочных максимумов, разделенных спектральной полосой пропускания (СПИ). Полоса пропускания АОФ шире, чем отдельные полосы пропускания зталона, и зталон может быть вьшолнен таким образом, чтобы расстояние между его пиками пропускания бьшо больше, чем ширина полосы пропускания АОФ. Таким образом, когда полоса пропускания АОФ и заданный пик эталона известны, то длина волны света, проходящего через два фильтрующих устройства, может быть определена.

Настройка каждого пика пропускания зталона в интервале между пиками может быть осуществлена несколькими путями. Для последовательной работы зтих устройств (АОФ и зталона) один пик эталона должен поддерживаться настроенным на АОФ, тогда как оба они сканируются в пределах заданного спектрального диапазона. Средство для осуществления этой функции описывается ниже.

Настраиваемый акустооптический фильтр представляет собой кристалл, вдоль которого распространяется акустическая волна, а световой луч распространяется коллинеарно с этой акустической волной. Поляризатор ш входе устройства и анализатор, установленный на выходе устройства под прямым углом к поляризатору, заставляют кристалл пропускать только свет определенной длины волны. Акустическая волна управляется по частоте и мощности, что позволяет регулировать Длину волны света, проходящего через кристалл.

Эталон представляет собой пару плоских зеркал, частично пропускающих и частично отражающих, и обладающих малым поглощением. Они отстоят на некоторое расстояние одно от другого и параллельны между собой. Когда зеркала установлены в луче света, то благодаря резонансу, определенные длины волн будут проходить, а другие будут отражаться обратно.

При этом использование настраиваемого на длину волны акустооптического фильтра для спектрального анализа требует управления пропусканием фильтра ш длинах волн, удаленных от пика пропускания. Это приводит к тому, что называется боковым лепестком характеристики АОФ и имеет выражение z pzai-il 1Г Sm -г-h +b L д V J

2

H()

ТТ

где Н - нормированное пропускание, равное единице па центральной частоте V(,;

Д - отклонение в частоте от о; S - геометрический фактор, т 1,2,3..;

постоянная Ь L зависит от материала и формы АОФ и находится в зависимости от длины волны.

для случая использования кристалла СаМО4 в видимом диапазоне

зза-ю я)

t

(1Г -0,28

L - длина кристалла в см.

Функция Н не уменьшается монотонно при удалении от центрального пика Г, но имеет повторяющуюся картину нулевых величин и местных максимумов, когда Д увеличивается относительно нулевого значения. Наличие точек нулевого пропускания полезно в характеристике подавления частот иных, чем РО, но отличное от нуля пропускание на участках местных максимумов для Av Q является нежелательной реакцией.

Частоты, соответствующие нулевому пропуска1шю, могут быть пронумерованы и обозначены:

.-.Л

где п 1,2,3...

Нецентральные максимумы могут быть обозначены целым числом.

Они имеют место на боковом лепестке

- 211 г/2

-.

и имеют пропускание относительно пропускания на частоте 1о,при котором амплитуда пщса (максимума) равна

(2tn-H)

Необходимость подавлять эти боковые лепестки характеристик зависит от деталей спектра, который исследуется, и требуемой точности его измерения. Подавление может быть осуществлено рядом путей, три из которых описаны ниже.

Путь первый - каскадная работа настраиваемых АОФ.

Использова1ше двух или более АОФ, установленных в оптическом пути, дает суммарную реак-цию (характеристику)

Н(о±Д«)1Р,

где р - число последовательно установленных АОФ.

Улучшение в характеристике суммировано в табл. 1, приведенной ниже, где показано пропускание относительно центральной частоты настройки VQ.

Таблица 1

Путь второй - АОФ плюс эталон Фабри-Перо.

При установке одного АОФ и одного эталона последовательно вдоль оптического пути создается возможность иметь пик пропуска1шя АОФ, совпадающий с пиком пропускания эталот. В то же самое время coceд шй пик пропускаршя эталона может быть совмеще} с первой нулевой частотной характеристикой АОФ. Для этого спектральная полоса пропускатшя эталона должна быть

li- r-i

-ъГ

Тогда боковые лепестки АОФ попадут между пиками пропускания эталона н суммарная характеристика будет значительно уменьшена на частотах боковых лепестков. Для ишрокой полосы частот ска1шрования (поскольку b эа)зисит от длины волны) эталон должен сканироваться по длине, когда

центральная частота АОФ изменяется, чтобы сохранить приводе шую выще зависимость спектральной полосы пропускания.

45

Из функции Я очевидно, что для малых п (нулевой номер) расстояние между смежными нулями непрстояптгая величина. Это расстояние иное, чем расстояние между пиками в эталоне, которое

постоянно. Это значит, что установка пика пропускашш эталот так, чтобы он совпадал с первым нулевым зпаче1шем пропускания частоты АОФ, не пр1гоедет к согласованию нулевого пика для всех пулевых эначе1ШЙ пропускания АОФ. Приводимая

ниже табл. 2 рассмат зйвает характеристику АОФ ДЛ1-1ПОЙ 6 см и эталот при СПП, соответствующей первому нулю. Для этанола принят рабочий порядок 50. Результаты приведены для длины волж 4SOOA.

Частоты

1-ый боковой лепесток, равный

6,365см

2-ой боковой лепесток, равный

15,5923см4-ый боковой лепесток, равный

20,129смПроцентное пропускание для различных установок АОФ при максимальном эталоне Фабри-Перо данов . 3.

Т а б л и ц а 3

Чтобы преодолеть изменение в интервале между нулями пропускания АОФ полезно предусмотреть установку СПИ эталона при значениях п -2 или п 3. Для рассмотренного блока АОФ необходим эталон, имеющий характеристики, представленные в табл. 4.

Таблица4

Длина эталона будет сканироваться (изменяться) , когда центральная частота о АОФ сканируется:

на 2-ом нуле от 547д до 208 разрешение 0,17-0,48 см-;

на 3-ем нзше от 375/ до 137д$,разрешение 0,27-0,73 см-.

Согласование З-его нуля является хорошим вариантом,, если длина эталона может легко сканироваться. Вычисления для длины волны 4500А показывают, что процентное пропускание относительно PQ для каждого из пяти лепестков равно соответственно 1,110- ; 1,4-10- ; 7,5-10- ; 1, 3,9 10Путь третий - акустооптический настраиваемый фильтр плюс два интерферометра (эталона Фабри-Перо).

Процент пропускания

3i6-ip-t, 4,МО-з

2,,

При использовании эталонов с различным инте рваяом спектральной полосы пропускания и АОФ возмоншо такое расположение, что пики пропускания бадут шхо;читься щ одинаковой тастоте Но, но никакого значительйбго перекрытия не будет при значительном удалении от о- В этом случае могут быть два эталона фиксированной длины и настраиваемого синхронно угла: АОФ + эталон1 - СПП 40см-; АОФ + эталон + ц-эталон 2 - СПП 25 см-. Критические точки, где по меньшей мере один элемент имеет максимальное пропускание, перечислены в табл. 5 для частоты, соответствующий длине волны 4500А и рабочему порщрсу эталона 50, и дан их относительный процент пропускания.

Та.б л и ца 5

Jo

1-ьш боковой лепесток 25см40смИз табл. 5 наглядно видно уменьшение в пропускании при удалении от РО.

Выбор спектральных диапазонов пропускания эталона будет осуществлен, чтобы оптимизировать

подавление боковых лепестков АОФ и вторичных (дополнительных) пиков в пределах всего желаемого рабочего диапазона устройства. .

При -использовании двух эталонов описанным способом, важно, чтобы их спектральные полосы

пропускания значительно отличались, так, чтобы они исключали в жедаемой степени как сигналы боковых лепестков АОФ, так и длины волн, прошедших через два эталона вне площадей их пиков. С другой стороны, для практических целей важно,

чтобы эталоны совпадали за обусловленными пределами, так как это совпадение даст возможность, когда ска шрование закончено, заново установить эталоны в исходное положение.

На фиг. 1 изображена схема одного из вариантов предлагаемого устройства; на фиг. 2 (а-е) графики временных изменений полосы пропускания АОФ и эталона при различных режимах работы устройства, изображенного на фиг. 1; на фиг.-З схема второго варианта предлагаемого устройства; на фиг. 4 - схема третьего варианта предлагаемого устройства.

Устройство (фиг. 1) имеет в.ходнзто оптическую систему 1, которая коллимирует исследуемое излучение, проходящее далее через оптический отсекающий фильтр 2, акустооптический перестраиваемый фильтр 3, эталон 4 и попадает на фотоэлектронный умножитель 5, электрический сигнал с которого поступает ш блок 6 формирования сигнала и далее на двухкоординатный самописец 7 или вычислительное устройство 8, которое обрабатывает и записывает сигнал. Вместо вычислительного устройства может бьпь использовано любое индикаторное устройство, например, электро1нвый осщшлохраф.

Самописец 7 запускается с помощью управляющего блока 9. Этот блок управляет также через скашфующий высокочастотный генератор 10 акустоопшческим фильтром 3. Кроме того, блок 9 запитывает блок 11 управления положением эталона 4. Блок 11 изменяет положегше эталона 4 синхронно с настройкой АОФ 3 так, чтобы оба пропускали длины волн в пределах одной и той же полосы пропускания, пока осуществляется ска1шроваш1е в желаемом дигшазоие. Для восстановлешая периодического совпадешгя между полосами ЛОФ и эталона, особенно после установк-н ОлЦого нз них или их обоих в исходное поло/хстше, используется управляющий блок 9, блок 11 управления положением, генератор 12 колебаштй малой амплитлды и синхронизирующий усилитель 13. В то же самое время управляющий блок 9 может возбуждать источник 14 белого света, который направляется через зеркало 15 на входную оптическую систему 1 д.ля катшброБки фильтров. Зеркало 15 исключается, когда снова начитется запись спектра исследуемого излу1 еш1Я. Блок 11 лтчраплегаш положением представляет собой мехатшпеское илг электромеханическое средство тараг леяия угловым положе. нием эталона. Генератор 12 передает компоненту переменного тока на .выбранжзй частоте схеме настройки АОФ через сканирующий высокочастотный генератор .10. Это KOjicGaiuie псре.мйнного тока глалой (),;. м ..у;; i/y c;;(::iji от ncj iinnca 14

так, как Xl/inc-r,:;. :i;i;,pr:;i-: ;ip -R-n; ; усН;) ЛЯ,

чтдаы coxi,i:t 1-г) пяпряжетте поСТОЯП:; f : v.;T.-T-:,.-,-,;,i.;..p Vlivro ГНГ ЧТобЫ

аг поч-к- .:с :1И1,иоо т7попускаште бело о nei;i ol : г:оччи.:я 14- И;)и яостихчеинн этого максимум;1 1ичч; /с . ,JT;).IUU 4 ики:л шае1ся настрое 1(1ь;м ия ;у .г л ;;.;;i г мю я Л(« л. СкаМ руюший ;-.Ч- ,./1;.;-;. hi;. . ;-;;iUi;;(: г ЛОФ, а ynpHBjijiioiiinii fi-ic) ) .;6cci ev; i;:C-r о,:иц-1г; :е-,еиное

также лазер io. к(.)и)рыи .иьзоиаться в данном устройстве iipti рамановской спектроскопии

образца 17. При этом назначение оптического фильтра 2 состоит в том, чтобы отсечь собственное излучение лазера и пропустить остальной спектр излучения от образца 17, поскольку рассеянное собственное лазерное излучение, не несущее поле ной информации, оказьтается гораздо более интенсивным, чем рамановская спектральная характеристика.

При работе эталона вблизи нормального падекия лучей изменение угла 0 и длины волны X связаны соотношением:

., которое для 0, измеряемого от нуля будет

-1(л«П

которое для 0, измеренного от нуля, составляет AV---2l-(0)

2d

где d - расстояние между зеркалами эталона; m - порядок интерференции;

т.е. 2d/X, v 1/Л - волновое число совпадающих центров полос пропускания эталона и АОФ. Ш фиг. 2а графически показано изменение центральной длины волны диапазона волн АОФ, а на фиг. 26 - длины волны эталона при описанном

шгже режиме работы устройства.

Длина волны АОФ уменьщается или увеличивается неболыпими ступенями, предпочтительно меньнл1ми, чем спектральная полоса пропускания эталона Как показано, в начале, в таче1ше определенного вр.емени центральная длина волны АОФ и дли11а волны эталона одинаковы. Затем АОФ меняет настройку на другую центральную длину волны и во время того же периода полоса АОФ подвергается колеба1шям малой амплитуды при

прохождении белого света источника 14, а эталон постепенно тстра1шается до тех пор, пока у него и у АОФ не будут совпадать X, v. Эти этапы попеременно повторяются и полученные величины или наблюдаются или записьшаются. Периодически для

.удобства работы (как показано на фиг. 26, справа) эталон устанавливается в нулевое положение обратно (или вперед) на одну или более спектральных полос пропускя.тшя и эта операция повторяется. Лтсустооптический настраиваемый фильтр последовательно соверщает один щаг в сторону более высокой или более низкой частоты путем шагового изменения частоты высокочастотного генератора 10. Колебаш1е на сверхвысокой частоте АОФ затем ограш1чивается по велич1-п{е таким образом,

чтобы диапазон колебаш1Я в X и t был много лгсльтие. чем полоса пропускания АОФ. С помощью белого света., проходящего через АОФ и эталон, су1Г:ст; } яется ciHXpoHitoe обнаружение передаваемого белого света, чтобы исправить установку

эталона и чтобы установить его в диапазоне АОФ.

11

Кроме того, только что описанный режим колебания является способом для приведения АОФ в диапазон другого устройства с узкой полосой пропускания, такого, как интерфераметр, .или наоборот. Таким образом, при сканировании свет различных длин волн, которые присутствуют, будет проходить как через акустоштический фильтр, так и эталон и будет записан соответствующим устройством. АОФ и эталон сканир)гются в пределах одной полосы прсяускания или выбраннсж части этой полосы, за пределами которой сканирование прекращается. Сервосистема затем перестраивает эталон (когда требуется) и возвращает его в нулевое положение на ту же X или v, что и А.ОФ. В процессах настройки и синхронизавди источник белого света 14, встроенный в устройство, используется для создания опорного сигнала для настройки эталона и установления совпадающих полос пропускания эталона и АОФ. После того как это осуществлено, источник белого света 14 выключается и начинается наблюдение одной полосы пропускания или части ее. Эта последовательность операций повторяется, чтобы перекрыть весь спектральный диапазон наблюдения, который желателен. Для того, чтобы избежать необходимости слишком щирокой длительности настройки эталона и из-за повторения его сигналов, необходимо только сканировать угол в одной спектральной полосе пропускания, хотя возможно сканирование в пределах одной или более спектральных полос пропускания до повторной установки исходного угла.

Другой режим работы (фиг. 2jB и г) включает в себя колебание малой амплитуды полосы акустооптического фильтра во время получения данных, а также во время периода настройки. Однако во время получения данных источник белого света 14 и усилители ошибки не должны работать. Результат действия колебаний малой амплитуды полосы АОФ во время получения данных заключается в том, что получают производную спектра неизвестного источника, если выходной сигнал детектора подвергается обработке в синхронизирующем детекторе. Этот режим (дифференциальная спектроскопия) используется с другими спектральными устройствами (монохроматорами) при введении соответствующих средств. Дифференциальная спектроскопия обладает особыми преимуществами при получении слабых и узких спектральных характеристик, различимых на широком фоне. Это может быть особенно важно в рамановской спектроскопии, где лазер возбуждает широкое излучение образца вдобавок к. узкой рамановской характеристике. Дифференциальная спектроскопия будет особо подчеркивать желаемую узкую xapai теристику (особенность) относительно нежелательной широкой характеристики. Так же возможно использовать тот же самый усилитель и синхронизатор попереме1що для настройки эталона на АОФ во время периода настройка-синхронизация и для обработки резуль12

татов дифференциальной спектроскопии во время записи данных.

Фиг. 2д и 2е отличаются от фиг. 2а и 26 тем, что полоса АОФ сохраняется постоянной во время

йосл ;дрвате|гьносттг; щад-ов (стунёней, ве, время первой части которых эталон подвергается воздействию колебаний малой амплитуды и приводится к той же длине волны, что и АОФ. Эталон совершает прерывистый; скачок или сканирование, как показано на ф11Г. 5е в направлении длины волны, соотведствующей центральной длине волньь на которую АОФ настроен в этот момент.

В устройстве, показанном на фиг. 3 используется эталон 4, с изменяемым расстоянием между

зеркалами, которое может быть настроено электронно, дапример .путем устаповки,дног,о.. зеркала на пьезоэлектрическую керамику и подаче на нее электрического 1юпряжения. Эталон, как было ранее описано, имеет равномерно разделенную группу

полос пропускания, интервал волновых чисел которых равен l/2d спектральной полосы пропускания, где d - расстояние между зеркалами. Когда d изменяют на Х/2, полоса пропускания эталона настраивается на одну из спектральных полос так, что позже

каждая полоса пропускания заменит полосу пропускания, следующую непосредственно выще (ниже) ее по волновому числу.

Эталон 4 на фиг. 3 снабжен пьезоэлектрическим

кристаллом 18, который регзширует его длину или настройку и пьезоэлектрическими кристаллами 19, которые регулируют наклон зеркала так, чтобы установить его параллельно другому еркалу в период настройки. Здесь генератор 12 колебаний

малой амплитуды прикладывает напряжение переменного тока на выбранной частоте или трех различных частотах, если желательно, через peryjMтор 20 пьезоэлектрического преобразователя напряжений на три элемента из пьезоэлектрической

керамики. Элемент 18 настраивает расстояние между зеркалами интерферометра. Два других злемента 19 регулируют угловую ориентацию зеркала интерферометра относительно другого зеркала интерферометра. Это действие колебаний малой амплитуды передает составляющую переменного тока на детектируемый фотоумножителем 5 сигнал при включении источника белого света 14. Под действием усилителей рассогласования переменного тока и синхронизатора 21, получают корректирующие напряжения постоянного тока, которые действуют в качестве обратной связи для настройки интерферометра и регулирования его длины, чтобы обеспечить максимальное пропускание излучения источника белого света через последовательную

комбинацию АОФ 3 и эталона 4. Возможна также подача колебаний малой амплитуды на пьезоэлектрические кристаллы 18 и 19 для настройки на АОФ, чтобы регулировать длину волны до установки ее соответствующей расстоянию интерферометра или

подавать колебания малой амплитуды на АОФ,

13

чтобы регулировать интерферометр на длину волны АОФ.

В предлагаемом устройстве светотропускание (пропорциональное) составляет величину на 1-3 порядка большую, чем для монохроматорной системы в диапазоне разрешающей способности, обычно требуемой для таких устройств. В обычных ситуациях монохроматорная система оказывается неспособней использовать такое количество рассеянного образцом света, которое может быть легко использовано предлагаемым устройством. Характеристика монохроматора может быть в действительности несколько улучшенной при условиях высокого разрешения (0,5 см), так как изображение щели может быть больше, чем ее ширина.

В устройстве, показанном на фиг. 8, использовано два эталона 4 и 4 синхронно управляемых блоком 11 управления положением эталонов. Эти эталоны имеют существенно различные спектральные полосы пропускания, например, один из них 4 может иметь спектральную полосу пропускания , тогда как зталон4 имеет спектральную полосу пропускания 25 .

Очевидно, что наименьшее общее кратное двух спектральных полос составляет 200, что существенно больше, чем любая спектральная полоса сама по себе. Кроме того, разнииз между спектральными полосами пропускания такова, что они перекрываются только в незначительной степени, за исключением величин, заметно отличающихся от основных величин, а именно около 200см . Таким образом, не существует опасности, что в пределах полосы, в которой работает устройство, пики двух спектральных полос будут совпадать или перекрываться, так что nponycKairae от боковых лепестков АОФ и эталона почти полностью исключается.

Эти результаты могут быть обеспечены, если, например, наименьшее общее кратное спектральных полос пропускания по меньшей мере в три раза больше, чем наибольшая из двух полос. Кроме того, для удобства в уменьшении размера сканирования, необходимого до возврата в исходное положение, желательно, чтобы наименьшее общее кратное было не более чем в десять раз больше из двух полос.

Для некоторых целей может оказаться желательным использовать два детектора. Один из них будет детектировать сигнал, а другой будет служить для осуществления функщ шстронки.

Формула изооретения

14

первое из которых вьшолнено с одной полоссж пропускания, а второе - с множеством разделенных полос пропускания, ширина каждой из которых cyujecTBeHHO уже, чем полоса пропускания 5 первого фильтрующего средства, отличающееся тем, что, с целью повышения разрешающей способности, оно дсяолнительно содержит средство регистрации выходного сигнала со второго фильтрующего средства, средство настройки первого }0 фильтрующего средства при изменении частоты света, пропускаемого через него, и средство, реагирующее на выходной сигнал со второго фильтрующего средства и соеданенное с обоими фильтрующими средствами так, чтобы поддерживать их в состоянии 15 пропускать одинаковую длину волны по меньшей мере в течение части времени работы устройства, при зтом расстоя ше-между полосами пропускания второго фильтрующего средства больше, чем ширина полосы пропускания первого фильтрующего 20 средства, причем второе фильтрующее средство расположено с возможностью принимать выходные лучи из первого фильтрующего средства.

ПЕ акустооптического фильтра, а второе - в виде интерферометра Фабри-Пер о.

. света через первое и второе фильтрующие средства

и средство для создашш малых колеба1шй полосы пропускания одного из фильтрующих средств.

Источники информащш, принятые во вкима1ше при экспертизе:

Машиностроегше, 1968, с. 324.

/ r

Гх

So

D1|

Q ч

1

. |1

i

||

й

||

11

1 1

ч

1

IXT

|| I

фиг. 2

QO

I

со

С

.1Г.