книги из ГПНТБ / Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник

зеркало Зп. Зеркало Зп фокусирует диспергированное излучение на плоское зеркало 3,, которое направляет лучи на выходную щ е л ь монохроматора Щвых. Далее плоское зеркало 3-2 направля-

одинакова, болометр не дает никакого сигнала. Если излучение поглощается в одном из каналов, на болометр поочередно попа­ дают пучки различной интенсивности, в результате чего появля­ ется переменный сигнал, частота которого равна частоте преры­ вания. Этот сигнал после усиления и преобразования подается на обмотку электродвигателя отработки, который перемещает фотометрический клин, уменьшая до нуля возникшую разность интенсивностей пучков. Фотометрический клин механически свя­ зан с пером, которое, перемещаясь, отмечает на бумажной ленте пройденное клином расстояние. Это расстояние пропорционально поглощению.

Прибор имеет четыре сменные призмы, применяемые для раз­ личных участков спектра. Примерные диапазоны работы призм приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

По такому же примерно принципу работают и двухлучевые инфракрасные спектрофотометры более поздних выпусков — ИКС-16 и ИКС-22.

201

участки на рис. 7.9, и соответствуют полосам поглощения анали­ зируемого компонента. Чем больше концентрация поглощающего вещества, тем больше будут площадки поглощения и тем меньше энергии будет попадать на приемник излучения. Однако при таком исполнении инфракрасный анализатор является неселектпвным, т. е. будет реагировать па любое вещество, находящееся в кювете и способное ослаблять излучение, попадающее на при­ емник.

Для того чтобы сделать анализатор селективным, т. е. реаги­ рующим па одно определенное вещество, применяют два спосо­ ба. При применении первого способа селективность достигается установкой после ПК-излучателя диспергирующего элемента (решетки, призмы), при этом используется явление поглощения веществом монохроматического излучения. Такие анализаторы называются дисперсионными, их принцип действия аналогичен принципу действия однолучевого спектрометра. Анализаторы, выполненные по второму способу, работают без разложения све­ та, а необходимая селективность обеспечивается подбором соот­ ветствующих фильтров пли селективных приемников ИК-пзлуче- н11я; такие анализаторы называются бездисперсионными. Бездпспсрспоппые анализаторы гораздо проще н дешевле дисперсионных, благодаря чему они получили широкое распро­ странение в промышленности.

Бездисперспониые ИК-аиалпзаторы разделяются на анализа­ торы с положительной п отрицательной фильтрацией. Анализа­

точников фокусируется параболическими отражателями в виде двух пучков, которые прерываются с определенной частотой мо­ дулирующим диском 3. Один пучок лучей проходит через сравни­ тельную кювету 5, заполненную газом, не поглощающим излуче­ ния в данном спектральном интервале (например, чистым сухим воздухом), а второй пучок проходит через измерительную кюве­ ту 4, куда подводится анализируемый газ. Пройдя через кюветы 4, 5 пучки лучей попадают на приемники излучения 8, 9. Очевид­ но, энергия излучения, попадающая на приемник 9, не меняется, а энергия излучения, проходящая через кювету 4, будет зависеть

ностный сигнал усиливается усилителем 10 и регистрируется прибором 11.

Для того чтобы обеспечить селективность измерений, прием­ ники ИК-излучения помещают в кюветы 6, 7, заполненные газом, концентрация которого определяется. Так как этот газ будет по­ глощать только ту энергию, которая соответствует его полосам поглощения, то излучение всех остальных длин волн, попадая на приемники 8, 9, будут давать разностный сигнал на выходе

203

анализатора, равный нулю, поскольку сигналы от приемников в этом случае будут одинаковыми. Таким образом, анализатор бу­ дет реагировать только на энергию излучения, принадлежащую к полосам поглощения анализируемого газа, и ие будет реагиро­ вать на излучение остальных длин воли (см. рис. 7. 9, в).

0

В анализаторе с.отрицательной фильтрацией (рис. 7.11) из­ лучение от ИК-псточника 1 проходит через измерительную кю­ вету 2, заполненную анализируемым веществом. Затем это излу­ чение проходит через сравнительную кювету 3, селективную кю­ вету 4 и попадает на неселективные ИК-приемники 5, 6. Сравнительная кювета 3 заполнена газом, не поглощающим И1\- излучение в интересующем нас спектральном интервале, а в се­ лективном кювете находится вещество, концентрация которого определяется в измерительной кювете. Этим обеспечивается не­ обходимая селективность измерений, так как в кювете 4 задер­ живается излучение, соответствующее полосам поглощения ана­ лизируемого вещества. Так как через кювету 3 излучение про­ ходит без помех, то на приемник 5 всегда будет попадать больше энергии, чем на приемник 6. Сигнал, пропорциональный разности энергий излучения, попадающего на приемники 5 и 6, после уси­ ления усилителем 7 и регистрации прибором 8 характеризует концентрацию анализируемого вещества. Анализатор с отрица­

204

тельной фильтрацией регистрирует спектр энергий, показанный па рис. 7.9, б. Как видно из этого рисунка, анализатор реагиру­ ет на изменение энергии только части общего сигнала, соответ­ ствующей заштрихованным участкам спектра, в то время как анализатор с положительной фильтрацией реагирует на весь сиг­ нал (см. рис. 7.9, в ) . Значит, анализатор с положительной фильт­ рацией является более чувствительным. С другой стороны, в ана­ лизаторе с отрицательной фильтрацией нет подвижных частей, его устройство проще, он может применяться для анализа как газов, так и жидкостей. В промышленности применяются анали­ заторы как одного, так и другого типа.

Следует иметь в виду, что ИК-анализаторы как с положитель­ ной, так и с отрицательной фильтрацией могут успешно приме­ няться только в том случае, если анализируемая смесь не содер­ жит мешающих компонентов, которые поглощают излучение на тех же длинах волн, что и определяемое вещество. В этих усло­ виях, для того чтобы избежать неверных показаний, необходимо применить дополнительную фильтрацию излучения — например, установку кюветы К (см. рис. 7.11), заполненной смесью мешаю­ щих газов.

§ 7.3. ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ. ГОЛОГРАФИЯ

Развитие лазерной техники привело к новым возможностям спектроскопии и интерферометрии. Создание целого ряда опти­ ческих квантовых генераторов потребовало изучения спектраль­ ного состава их излучения. Высокая монохроматичность излуче­ ния ОКГ привела к открытию нового направления в технике — голографии, основанной на явлениях интерференции света.

Получили широкое применение лазерные интерферометры.

I. Лазерная спектроскопия

Принцип действия лазерного спектрометра несложен и может быть пояснен на примере отечественного лазерного спектрометра СПЛ-1, разработанного в 1969 г. институтом автоматики и элект­ рометрии Сибирского отделения АН СССР. Прибор СПЛ-1 (рис. 7.12) состоит из оптического блока 8 и электронной приставки 9. Спектрометрический анализ осуществляется при помощи интер­ ферометра 1 с высоким разрешением. Интерферометр представ­ ляет собой оптический резонатор (см. гл. III) с плоскими зерка­ лами 1' и 7//. При изменении расстояния I между этими зерка­ лами путем перемещения зеркала Г меняется длина волны К проходящего через резонатор излучения.

Спектрометр работает следующим образом. Излучение 6 ис­ следуемого ОКГ проходит через интерферометр 1 и зеркальной системой 2—3 фокусируется в плоскости диафрагмы 4. Пройдя диафрагму 4, излучение попадает на фотоприемник 5. Электри­

205

тем, что в ней, кроме фиксации амплитуды (интенсивности) све­ товых лучей, фиксируются также и фазовые соотношения между этими лучами, одновременно осуществляется запись пространст­ венной структуры световых волн.

Р и с . 7.13. К п ол у ч ен и ю г о л о г р а м м ы о б ъ ек т а :

о ~принцип получения голографического изображения; /—объект; б, в— голограммы; г—схема восстановления изображения; 2, 3, ‘/—оптическая система; 5— ОКГ; в—фотопластинка (голограмма)

Для получения голографического изображения объекта необ­ ходим когерентный источник света, облучающий объект. Такими источниками являются, как известно, оптические квантовые гене­ раторы, которые появились в начале шестидесятых годов. По­ этому, несмотря на то что голография была изобретена в 1947 г., до 1962 г. она практически не развивалась. В СССР большая заслуга в развитии голографии принадлежит научному сотруд­ нику Государственного оптического института Ю. Н. Деннскжу,

207

Г л а в а VIII. НАБЛЮДЕНИЕ И ФОТОГРАФИРОВАНИЕ

ВИНФРАКРАСНЫХ ЛУЧАХ. РАДИОМЕТРИЯ

§8.1. ФОТОГРАФИРОВАНИЕ В ИК-ЛУЧАХ ОПТИЧЕСКИМИ ФОТОКАМЕРАМИ

Особенности фотографирования в инфракрасных лучах по сравнению с обычной фотографией заключаются в следующем.

1. Инфракрасное излучение лучше, чем видимое, проходит сквозь атмосферную дымку, замутненную среду и туманы не­ большой плотности, что дает возможность фотографировать уда­ ленные объекты (фотографирование на расстоянии десятков и сотен километров, аэрофотография, фотография земной поверх­ ности с ракет с искусственных спутников Земли).

2. Отличие коэффициентов пропускания, отражения и погло­ щения ряда предметов в ИК-областп спектра по сравнению с видимыми лучами позволяет выявить на ИК-фотографии ряд деталей, не различимых глазом в видимом свете и на обычной фотографии (эти особенности обусловили применение ИК-фото- графии в медицине, пскуствоведеннн, криминалистике и т. д.).

3. Инфракрасная фотография дает возможность получить снимки в темноте.

Для получения фотографии в ИК-лучах применяют специаль­

эмульсин чувствительны к сине-фиолетовым лучам и почти не чувствительны к желтым, зеленым и красным лучам. Для того чтобы сделать фотоэмульсию чувствительной к более длинновол­ новому излучению, в эмульсию добавляют некоторые красители— оптические сенсибилизаторы. Добавление красителей на основе цинка (криптоцианииа, иеоцнанина п др.) делают эмульсию чув­ ствительной к инфракрасным лучам. Пластинки и пленки с эмульсией, сенсибилизированной к красной части спектра, на­ зываются панхроматическими, а к инфракрасной части — инфрахроматическими. Пленки, сенсибилизированные одновременно к красной и инфракрасной областям, называются панинфрахрома-

тическими.

Наша промышленность выпускает ннфрахроматические пла­ стинки и пленки: И-740, И-760, И-840, И-880, И-920, предназна­ ченные для спектрального анализа и съемки в ИК-лулах (цифра в названии указывает область длин волн в миллимикронах, к

длины волны сенсибилизации чувствительность фотоматериала в ИК-области спектра падает. Иногда фотоматериал сенсибилизи­ руют к широкой части ИК-спектра. Так, например, некоторые

209

Фотопленки сенсибилизируют в области 740—900 мкм (см. пун­ ктирную кривую). Такие пленки пригодны для съемки в темноте с источником света, закрытым инфракрасным фильтром.

При хранении пифрахроматпческпх фотоматериалов непре­ рывно п быстро падает светочувствительность. Скорость падения чувствительности тем больше, чем больше длина волны сенси­ билизации. Поэтому па практике редко применяют эмульсии, сенсибилизированные к области спектра с длинами волн больше

дания влаги. Перед использованием пленку после извлечения из холодильника подогревают до окружающей температуры, чтобы избежать конденсации влаги.

Для фотографирования в ПК-лучах на большие расстояния используют специальные фотокамеры с длиннофокусными объ­ ективами. Во время второй мировой войны немецкой фотокаме­ рой с объективом, имеющим фокусное расстояние 17 м, фотогра­ фировали английское побережье через пролив Ла-Манш в усло­ виях сильной дымки. Расстояние при этом было более 30 км. Современные фотокамеры и аэрофотокамеры дают возможность получить снимки на расстояниях в десятки и сотни километ­ ров.

Фотографии земных ландшафтов в ПК-лучах, полученные с искусственных спутников Земли, могут оказать большую помощь в изучении природных ресурсов.

При применении пнфрахроматических фотоматериалов про­ изводят съемку удаленных объектов, которые не различимы в видимых лучах из-за воздушной дымки (рис. 8.2). При этом рез­ ко возрастает контрастность изображения. Различия отража­ тельной способности ряда объектов в ПК-лучах позволяют выя­ вить на снимках множество деталей, практически не различимых

210