7.12. Некоторые конструктивные особенности фурье-спектрометров.

Несмотря на то, что для целей фурье-спектроскопии можно использовать любой двухлучевой интерферометр, практически применяются только разновидности, основанные на тех же принципах, что и интерферометр Майкельсона. Основными элементами его, как мы видели, являются коллимирующая и фокусирующая пучок оптика, светоделитель, зеркала и система их перемещения. Поскольку фурье-спектрометры главным образом используются для исследований ИК излучения, линзы в них почти никогда не применяются, употребляется только зеркальная оптика.

Важную проблему составляет конструкция светоделителя. Вместо привычных для видимой области спектра тонких металлических пленок или многослойных диэлектрических покрытий в ближней ИК области в качестве светоделителя используются тонкие пленки германия, кремния, окиси железа, нанесенные на подложку из кварца, фтористого бария или кальция, бромистого калия или йодистого цезия. В далекой ИК-области применяется обычно пленка из майлара. Достаточно большие длины волн электромагнитного излучения позволяют также применить в этой области спектра и совсем необычные светоделители – металлическую сетку или проволочную решетку.

Следующую проблему представляют сами подвижные зеркала интерферометра. Необходимо смещать их на большое расстояние, оставляя параллельными самим себе (точнее, сохраняя параллельным самому себе фронт отраженной волны), что представляет собой задачу большой технической сложности. Облегчить ее решение и снизить во много раз требования, предъявляемые к точности работы механической системы, можно, если вместо плоских зеркал поставить уголковые отражатели. Прецизионно изготовленный, такой отражатель возвращает падающий на него пучок света точно в обратном направлении, независимо от угла падения исходного пучка. Это означает, что в интерферометре появляется возможность покачивать отражатель в более или менее значительных пределах. Разность хода при наклонах несколько меняется, но основная функция такого отражателя – возвращение волны в направлении строго противоположном направлению падения - выполняется, волновые фронты в двух плечах остаются параллельными друг другу. На эту особенность работы уголкового отражателя как «возвращателя» пучка обратил мое внимание А.И.Лопатин. Он же подчеркнул, что при наличии косых пучков (а именно они обеспечивают большую величину светового потока) даже малое смещение вершины пирамиды отражателя от главной оси интерферометра приведет к зависимости разности хода между плечами интерферометра от поперечной координаты. Детально эта проблема изучена в работах, посвященных резонаторам лазеров, где в качестве зеркал иногда употребляются уголковые отражатели.

Относительно простое и достаточно надежное решение проблемы зеркал дает и так называемая система «кошачий глаз» (рис. 7.28). Она состоит из большого

Рис. 7.28

параболического вогнутого зеркала и малого сферического. Малое зеркало может быть выпуклым, плоским или вогнутым. Читатель увидит в схеме, показанной на рис. 7.28, один из компонентов конструкции лазерного резонатора и может сразу оценить стабильность того или иного варианта, пользуясь теорией резонаторов. Как известно, наибольшую стабильность и, соответственно, наименьшие искажения волнового фронта для косых пучков обеспечивает применение в такой системе комбинации вогнутого и выпуклого зеркала. Радиусы кривизны большого и малого зеркал берутся приблизительно равными, вершина малого зеркала находится в точке фокуса параболоида. Такая система, имеющая относительное отверстие , в реальной системе вносит максимальные искажения волнового фронта не более при разрешающей силе фурье-спектрометра . Работа с отражателями типа «кошачий глаз» позволяет упростить юстировку интерферометра, при этом сам отражатель должен быть съюстирован достаточно точно. Особенно нежелательна разная настройка рефлекторов, используемых в двух плечах интерферометра. Отражатели «кошачий глаз» применяются сейчас во всех лабораторных фурье-спектрометрах высокой разрешающей силы. В серийно выпускаемых приборах малой и средней разрешающей силы используются либо плоские зеркала, либо уголковые отражатели.

Остановимся на еще одной важной проблеме работы фурье-спектрометра, не связанной непосредственно с конструкцией оптических элементов прибора. Речь идет о проблеме эффективного использования времени эксперимента. Действительно, мы пришли к выводу, что нет смысла измерять величину светового потока на выходе интерферометра непрерывно. Достаточно производить дискретные отсчеты с шагом . Следовательно, при непрерывном движении зеркала мы теряем сигнал в течение большей части времени перемещения. Для того чтобы избежать этих потерь, вместо непрерывного перемещения применяется шаговое. В приборах средней разрешающей силы обычно перемещение осуществляется точным винтом, который вращается шаговым электродвигателем. Величина смещения контролируется автоматически с помощью встроенного в прибор лазера.

Сложнейшая техническая задача шагового перемещения большого по размерам (и, соответственно, массивного) зеркала в фурье-спектрометре с разностью хода до 2 м остроумно решена в приборе, описанном в работе [38]. Здесь была применена непрерывно движущаяся (рис. 7.29, x₁) основная каретка, находящееся на ней зеркало было установлено на основании, совершающем периодические пилообразные движения в сторону противоположную движению каретки (рис. 7.29, х₂). Сумма этих движений (рис. 7.29, х) дает желаемый результат – скачкообразное перемещение от одной точки отсчета интерферограммы к другой.

Рис. 7.29

Измерение интерферограммы при большом изменении разности хода требует значительного времени проведения эксперимента. При этом возрастает роль низкочастотных шумов и дрейфа параметров системы. Для уменьшения влияния связанных с этим ошибок вместо самой интерферограммы иногда измеряется ее производная по времени. Для этого применяется относительно высокочастотная модуляция разности хода пучков в интерферометре. Одно из зеркал интерферометра (или малое зеркало отражателя «кошачий глаз») периодически смещается. Регистрация осуществляется путем синхронного детектирования на частоте модуляции. Спектр в этом случае получается как синус-преобразование Фурье регистрограммы. Вместе с тем, при нулевой разности хода сигнал обращается в нуль, и для восстановления среднего уровня, на котором базируется собственно интерферограмма, требуется специальное измерение его положения.

Использование фурье-спектрометра в ВУФ и рентгеновской области спектра представляется мне малооправданным – с этой задачей успешно справляются классические приборы.