5.6.2. Неравноплечий сисам. Миас.

До сих пор мы рассматривали только сисамы с почти равными оптическими длинами пути световых пучков в плечах интерферометра. Дифрагированные волновые фронты при этом пересекались в пределах поля решеток. Автору не известен ни один прибор этого типа, доведенный до серийного выпуска. В каждом случае речь шла лишь об уникальных разработках, и прибор работал только либо в руках его создателя, либо в группе исследователей с непосредственным участием разработчика.

Иная судьба сложилась у неравноплечего сисама МИАС, созданного в СПбГУ. Здесь я опишу только одну из возможных схем, рождение которой происходило на глазах у меня (я был лишь сторонним наблюдателем и критиком). История разработки прибора была полна противоречий, восторгов от найденных коллегами остроумных путей преодоления возникающих проблем, возможностью самому «покрутить ручки» спектрометра при настройке и, в конце концов, гордостью за полученные авторами результаты.

Рассмотрим оптическую схему этого сисама (рис. 5.19). Его основу составляет

Рис. 5.19

комбинация дифракционной решетки с симметричным профилем штриха (4) и вспомогательного зеркала (6), которое располагается параллельно штрихам решетки, а плоскость его перпендикулярна плоскости решетки. Это – единственный оптический узел прибора, который требует «интерференционной» точности изготовления. Между решеткой и зеркалом имеется небольшой зазор, при изменении величины которого осуществляется ахроматическая («когерентная») модуляция проходящего светового потока (вариант, упомянутый нами в разделе (3.2.3.2)). Для перестройки по длинам волн применяется относительно большое поворотное зеркало (5).

Входящий через диафрагму 1 пучок проходит через коллиматор 2 и направляется на решетку, выполняющую одновременно роль светоделителя. В результате дифракции образуются два пучка, которые приходят на зеркало (5) по двум путям – непосредственно от решетки и после отражения от вспомогательного зеркала 6. Эти два пучка оказываются параллельными друг другу. После отражения они возвращаются на решетку, где вторично испытывают дифракцию и направляются по одному и тому же пути в направлении входа. После отражения от полупрозрачного зеркала пучки фокусируются на выходную диафрагму 7. Результат сложения их амплитуд определяется величиной разности хода между пучкам света, проходящими через прибор по двум каналам. Вместо линейного во времени изменения разности хода применяется синусоидальное на частоте механического резонанса узла вспомогательного зеркала (что не обязательно, но уменьшает роль изменения температуры пьезо-пластины, на которой закреплено вспомогательное зеркало, вследствие нагрева под действием выделяющегося в ней джоулева тепла).

Форма аппаратной функции сисама определяется конфигурацией контура решетки и содержит как четную, так и нечетную по величине разности хода компоненту, мы пренебрегали нечетной в нашем предыдущем рассмотрении сисама. Амплитуда этой компоненты, вносящей серьезные искажения в результирующий контур, определяется начальной разностью хода между пучками. В принципе, она может быть сделана равной нулю, и тогда

_,

т. е. разрешающая способность вчетверо превосходит разрешающую способность установленной в сисаме решетки, так как использовано двойное ее прохождение в каждом плече интерферометра.

Используя возможности электроники, разработчики обошли проблему точной настройки начальной разности хода, измеряя независимо амплитуды выходного сигнала как на четной , так и на нечетной составляющей и осуществляя операцию

.

К оценке эффективности такой операции мы еще вернемся в разделе, посвященном фурье-спектроскопии, отметив только, что в этом случае аппаратная функция имеет вид модуля функции . «Вычисление» модуля измеряемого сигнала, равно как и операции возведения в квадрат и извлечения корня, вносит принципиальную нелинейность во все наши рассуждения и выкладки, в том числе, и в вопрос об учете формы аппаратной функции при анализе измеренного сигнала.

Мы останавливались на особенностях формы аппаратной функции сисама по обратно-круговой схеме, вызванной наличием «черной полоски». Тот же эффект имеет место и в описываемом сисаме.

Прибор показал высокую стабильность и простоту настройки, при прочих равных параметрах он на два порядка превосходит классический монохроматор по величине сигнала. Одним из наиболее эффектных опытов, показавших достоинства этого сисама, явились его испытания в реальных «полевых» условиях экспедиции на Кольский полуостров в 1979 году. Одной из ее целей была регистрация эмиссионных спектров полярных сияний. Источник излучения – обширные светящиеся области – по своей природе соответствует условиям применимости приборов с большой входной апертурой – растрового, или сисама. Яркость свечения очень мала, что позволило использовать для регистрации фотоумножитель, так как электрический сигнал оказывается сравнимым по величине с темновым током. В этом опыте наблюдалась, в частности, «запрещенная» линия OI 557,7 нм (переход ¹D₂ –> ¹S₀). Центр доплеровского контура этой линии оказался сдвинутым в фиолетовую сторону спектра на величину Δλ = 0,0040 ± 0,0002 нм, что соответствовало скорости движения атомов кислорода равной 2000 ±100 м/c/. Результаты анализа полученных данных были опубликованы в журнале Оптика и спектроскопия (т. 59, вып. 5, с. 945). Насколько мне известно, это было первое доказательство существования направленных потоков атомных частиц в полярных сияниях.