Ю.А.Толмачев
Принципы работы оптического спектрометра. Новый взгляд на старые проблемы.
1. Введение
1.1 От автора
Перед Вами лежит книга, написанная (точнее — переписанная, в значительной степени, наново) под влиянием перемен, происходящих на наших глазах в оптике. Раньше она называлась «Новые спектральные приборы. Принципы работы» [1]. Книга была основана на материалах курса лекций, которые Сергей Эдуардович Фриш поручил мне читать студентам кафедры оптики физического факультета Ленинградского государственного университета. Курс получился в значительной мере оригинальным, и издание соответствующего учебного пособия было необходимо.
В динамичные 70-е годы ХХ века мое отношение к физическим процессам в оптических устройствах во многом формировалось под воздействием друга, радиофизика К.И.Костыгова, занимавшегося распространением импульсных радио-сигналов в атмосфере. К тому же, именно тогда появилась целая серия книг, в которых вопросы спектрального анализа рассматривались в динамике взаимодействия включающегося монохроматического сигнала с измерительным устройством [2], или трансформации ультракороткого импульсного сигнала [3, 4]. Необычность подобного подхода так увлекла меня, что большая часть книги и была посвящена качественному анализу преобразования абстрактного дельтаобразного волнового возмущения. Перечитав новый вариант, я могу, пожалуй, сказать, что немногое изменилось во мне самом с тех пор, и стремление дать качественную картинку происходящих в спектральных приборах процессов вполне сохранилось. Мне гораздо больше нравится построить в воображении процесс изменения очень короткого светового импульса при его распространении в приборе, нежели анализировать статическую картину поля монохроматической волны. Впрочем, отсюда не следует, что я имею что-то против такой картины – это дело вкуса.
С момента издания предыдущей версии книги прошло больше 30 лет. За эти годы в оптике изменилось очень многое. Прежде всего, использованная мною вслед за Большими Учеными абстракция — предельно-короткий световой импульс превратилась в реальность. Применение фемтосекундных импульсов в физике и технике стало нормальным рабочим инструментом, и очень скоро они войдут в рутинные технические системы связи и информации, в том числе, в бытовые устройства.
Необычность свойств ультракоротких импульсных волн для всех нас, кто со школьной скамьи привык к описанию оптических явлений с помощью понятия монохроматической волны, и отсутствие (также в отличие от монохроматических процессов) практики применения математического аппарата адекватного соответствующим задачам привели к тому, что в предыдущем издании мною были допущены серьезные погрешности математического описания. Единственным мне оправданием может служить то, что все прошедшие годы я подсознательно возвращался к этим смутно видимым, точнее — интуитивно ощущавшимся, тревожным пробелам и по прошествии многих лет понял причину ошибок и нашел способ их исправить. Постоянное общение со студентами, некоторые из которых (как А.М.Алексеев и А.Н.Федоров, а позже – М.В.Фроленкова (Лукашова) и А.Н.Кытманов) с удовольствием принимали «импульсную» концепцию и помогали в ее развитии, способствовало тому, что представления автора постоянно менялись и теперь, надеюсь, они не только правильны, но и достойны того, чтобы Вы познакомились с ними.
Особую благодарность хочу принести моему постоянному соавтору в течение многих лет — Михаилу Константиновичу Лебедеву. Его глубокое знание математики, прекрасное владение компьютером и фантастическая работоспособность позволили достаточно точно сформулировать задачу и найти ее решение, по крайней мере, для тех случаев, которые хорошо изучены и известны в оптике монохроматических волн.
Итак, книга начинается с общих вопросов
анализа линейных систем и понятия
аппаратной функции, используемого мною
в дальнейшем. В спектральных приборах,
предназначенных для исследования
стационарного излучения, оно хорошо
известно в применении к длинам волн или
частотам. Нам – работавшим над развитием
импульсных представлений - пришлось
расширить его, включив в него то, что в
радиофизике называется «импульсным
откликом» системы. По ходу дела понятия
импульсного отклика и аппаратной функции
будут время от времени путаться, ибо и
то, и другое по своей сути есть отклик
на сигнал в виде
-функции
(во времени, в пространстве, или в шкале
частот).
Заговорив об аппаратной функции, нельзя уйти от проблемы ее коррекции, видоизменения. Примеры того как осуществляется воздействие на форму аппаратной функции перекочевали из старой книги, так как ничего принципиально нового на эту тему в литературе мне не встретилось.
Полностью исключен заключительный раздел предыдущего варианта книги. В существенной мере он был данью модному тогда направлению классификации различных приборов и «объективной» оценки их способности принимать и перерабатывать информацию об источнике оптического сигнала. Надеюсь, что история развития спектроскопии расставила все по своим местам, так что и преподаватели высшей школы, и ученые, и инженеры, и лаборанты на производстве применяют оптимальным образом подобранные системы и устройства из огромного арсенала, который предоставляют им различные фирмы. Часть материалов последней главы использована в других главах и во введении к новому варианту.
Мне хотелось бы надеяться, что книга может послужить помощником всем, кто связал свою деятельность с совершенно новым (не устаю это повторять и буду делать это впредь в тексте, да простит мне читатель) объектом оптики — ультракоротким световым импульсом. Поскольку изложение будет вестись в рамках скалярного приближения к волновым процессам с использованием понятия дельта-импульса, то все сказанное будет в равной мере относиться и к аттосекундным оптическим, и к радиоимпульсам, и к акустическим сигналам. Не надо только абсолютизировать подход, не надо забывать физическую специфику каждого вида волн. Наконец, не надо упускать из виду то обстоятельство, что все рассмотрение будет проходить в линейном приближении, что естественно ограничивает область применимости полученных выводов.