Интерференционные спектральные приборы

Область дисперсии интерферометра Фабри-Перо очень мала. Например, для интерферометра толщиной L= 5 мм при λ=500 нм область дисперсии Δλ =0,025 нм. Поэтому при работе с интерферометром Фабри-Перо необходима дополнительная монохроматизация излучения. Поэтому интерферометр Фабри-Перо используютв совокупности с призменным или дифракционным спектральным прибором. Существуют два способа «скрещивания» интерферометра со спектральным прибором: внутренняя и внешняя (рисунок 8).

Сравнивая призменные, дифракционные и интерференционные спектральные приборы, следует отметить, что при равном разрешении и сравнимых геометрических размерах светосила дифракционных приборов на порядок выше светосилы призменных, а светосила спектрометра Фабри-Перо на порядок превышает светосилу дифракционного спектрометра. Однако по причине очень узкой области дисперсии он не может конкурировать с призменными и дифракционными приборами. Спектрометры Фабри-Перо незаменим в случаях, когда требуется высокая разрешающая сила (10⁶ -10⁷), недостижимая с другими типами спектральных приборов.

Модуляционные спектральные приборы

В спектрометрах, основанных на спектрально-селективной модуляции и называемых модуляционными приборами, разделение на спектральные компоненты осуществляется в электронной системе прибора. К многоканальным модуляционным спектрометрам относятся фурье-спектрометры. Принципиальная схема фурье-спектрометра показана на рисунке 9. Фурье-спектрометр ‒ спектральный прибор, в котором искомый спектр получают в два приёма: сначала регистрируется интерферограмма исследуемого излучения, а затем через её фурье-преобразование вычисляют искомый спектр.

Рисунок 9 - Принципиальная схема фурье-спектрометра: S - источник сплошного спектра; М₁ - фиксированное зеркало интерферометра; М₂-подвижное зеркало интерферометра; M’₁ - изображение фиксированного зеркала в плече зеркала М₂; d-входное отверстие;

В-светоделитель; D-фотоприёмник; А - усилитель; И - интерфейс связи ЭВМ с регистрирующей и управляющей электроникой фурье-спектрометра.

Фурье-спектрометры имеют два основных преимущества перед обычными приборами. Во-первых, приемник в ходе сканирования в каждый момент времени получает весь поток излучения сразу, а не узкий его участок, определяемый диспергирующей системой обычного прибора, т.е. получается информация одновременно обо всем исследуемом спектральном диапазоне. Во-вторых, разрешающая сила интерферометра легко повышается (увеличением длины перемещения зеркала) без уменьшения потока излучения.

Основным элементом Фурье-спектрометра является интерферометр Майкельсона, который настраивается на получение в плоскости выходной диафрагмы интерференционных полос равного наклона. Одно из зеркал (М₂) двигается поступательно, в процессе чего исследуемое излучение модулируется, причём частота модуляции f зависит от скорости движения зеркала и длины волны излучения

,

где ‒ частота излучения (в см^-1)

При монохроматическом освещении входного отверстия на приемник, расположенный за выходной диафрагмой, поступает переменный световой сигнал, соответствующий прохождению через выходную диафрагму максимумов и минимумов интерференционной картины, яркость которого

,

где x - разность хода, равная удвоенной величине перемещения зеркала и линейно зависящая от времени.

Приемником прибора регистрируется синусоидальный сигнал , амплитуда которого пропорциональна яркости падающего излучения (интерферограмма). Например, для линии в спектре ртути с длиной волны λ =546 нм при скорости перемещения зеркала М₂ , равной 10 ^-3 мм/с, частота модуляции f равна 1,83 Гц.

Такую модуляцию светового потока называют интерференционной.

Если интерферометр освещен излучением со сложным спектральным составом в интервале частот от до , интерферограмма имеет вид

~ ,

Для нахождения первоначального оптического спектра нужно применить обратное преобразование Фурье функции интерферограммы :

~

Фурье-спектрометр является многоканальным прибором, то есть им обеспечивается одновременная регистрация большого числа М спектральных интервалов. Многоканальные методы регистрации спектра имеют перед одноканальными преимущество главным образом в чувствительности, поскольку отношение сигнал/шум в многоканальных приборах в раз превышает соответствующую величину в одноканальных. Отсюда следует, что при определенном отношении сигнал/шум спектр можно измерить в М раз быстрее, чем одноканальным прибором

Выигрыш в чувствительности при использовании многоканальных приборов (или быстродействие), называемый выигрышем Фелжета, имеет место в ИК области, где фотонный шум невелик. Поэтому фурье-спектрометры, в основном, используются в ИК области, где являются самыми быстродействующими приборами. Их использование особенно выгодно в дальней ИК области спектра (50 мкм ÷1000 мкм), где они практически вытеснили классические приборы.

Так как фурье-спектрометры имеют осевую симметрию, они характеризуются большей примерно в раз светосилой ( - угловая высота щели в спектральных приборах с диспергирующими элементами) при одинаковой площади сечения коллимированного светового пучка в интерферометре и на диспергирующих элементах классического спектрального прибора. Это преимущество называют выигрышем Жакино.

Отсчет разности хода во время записи интерферограммы проводится путем счета интерференционных полос, получаемых от вспомогательного источника излучения (лазера). Одновременно с численным преобразованием спектра происходит его калибровка по длинам волн путем сравнения с длиной волны лазерного излучения.

Обычно в фурье-спектрометрах образец размещается в световом пучке до или после интерферометра, исследуется отражённый или пропущенный образцом световой пучок. Однако образец может быть размещён и в одном из плеч интерферометра. В этом случае после обратного комплексного фурье-преобразования зарегистрированной интерферограммы получают комплексно-сопряжённую амплитуду отражения (пропускания) образца, умноженную на спектр источника излучения.

В рядовых фурье-спектрометрах максимальное смещение зеркала составляет обычно 5 см (разрешимый спектральный интервал =0,1 см^-1 ). Такие приборы предназначены для исследований спектров поглощения в области (50÷1000) мкм. В качестве источника излучения используется ртутная лампа типа ПРК-4, излучающая в этой области сплошной спектр, а в качестве приемника – ОАП (приемник Голлея). В более совершенных фурье-спектрометр работают в широком спектральном интервале от 5 см^-1 до 5•10⁴ см-1 , то есть от субмиллиметрового до УФ-диапазона, хотя наиболее распространены приборы, работающие в ИК-диапазоне, где эффективность использования преимуществ фурье-спектрометров наибольшая. Разрешение современных фурье-спектрометров изменяется в широких пределах - от нескольких десятков до 10^-4 см^-1 .

Фурье-спектрометры могут быть использованы и в видимой области, где они также превосходят классические приборы в быстродействии и светосиле.

Типичными одноканальными спектральными приборами являются сисамы (спектрометры с интерференционной селективно амплитудной модуляцией.

Сисам строится на основе двухлучевого интерферометра, в котором зеркала заменены синхронно поворачивающимися дифракционными решётками D₁, D₂ и введён модулятор по оптической разности хода Р (рисунок 10).

При заданном положении решеток интерферометр настроен для той длины волны, для которой отраженные от решеток пучки распространяются строго по оси прибора. Интерференционная картина колец равного наклона на выходе интерферометра образуется только для этой длины волны, и только для нее происходит интерференционная модуляция светового потока при повороте пластины 4. Излучение остальных длин волн создает лишь постоянную во времени засветку приемника. Электрический сигнал с приемника направляется в усилитель переменного тока, настроенный на частоту интерференционной модуляции. На выход прибора поступает сигнал, который пропорционален мощности излучения, заключенного в выделяемом спектральном интервале .

При согласованном повороте обеих решеток интерферометр настраивается на разные длины волн, и на выход прибора поочередно поступают сигналы, пропорциональные мощности выделяемых участков спектра. Спектр записывается в тех же координатах, что и в классических приборах.

Сисам, как и Фурье-спектрометр, обладает преимуществом перед щелевыми приборами в светосиле ~в 10² раз. Разрешающая способность сисама определяется разрешающей способностью используемых дифракционных решеток и достигает в средней ИК области ~10⁵.

11