Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы измерений. Учебное пособие
.pdf
область спектра с пропусканием, близким к функции человеческого
глаза.
Рисунок 67 - Дисперсии составляющих дисперсионного фильтра
Христиансена. Показатель преломления: 1 - 10% сероуглерод в
бензине; 2 - боросиликатное стекло
Интерференционные фильтры принципиально схожи с
отражательными многослойными фильтрами, поскольку представляют
собой набор отражающих и прозрачных покрытий, нанесенных на
прозрачную подложку. Фильтр, предназначенный для выделения какойлибо полосы пропускания, должен иметь оптические толщины слоев,
кратные целому числу полуволн, т. е.
;...
n
=∆
2
2
d λ
2
λ
;
=∆=∆
2
где n - целое число. Очевидно, что фильтр будет пропускать не
только излучение данной длины волны, но и длины волн, кратные ей,
т. е. 2λ; 3λ... nλ. Для того чтобы излучения высших порядков не
накладывалось на излучение первого порядка, интерференционные
слои наносят на какое-либо стекло, поглощающее высшие порядки.
Интерференционные фильтры изготавливают работающими как на
пропускание, так и на отражение.
Если в фильтре интерференция происходит в
поляризованных лучах света, то такие фильтры позволяют выделять
узкие спектральные интервалы, ширина которых доходит до сотых
долей нанометра. Интерференционно-поляризационные фильтры
удобны в использовании, поскольку позволяет получать высокую
степень монохроматизации при большой светосиле прибора.
171
Однако интерференционно-поляризационные фильтры сложны в
изготовлении и, соответственно, дороги. Тем не менее, для ряда
специальных задач, когда требуется реализовать в приборе высокое
спектральное разрешение с высокой светосилой и при этом
обеспечить небольшие габариты и вес прибора, использование
интерференционно-поляризационных фильтров оказываются
предпочтительным способом решения проблемы.
Интерференционные спектральные приборы. В
дисперсионных спектральных приборах разложение
электромагнитного излучения в спектр по длинам волн или по
частотам осуществляется за счет дисперсии показателя преломления
в оптическом стекле. В приборах с дифракционными решетками
спектр получается за счет дифракции лучей на периодических
структурах. Существует еще один метод разложения излучения по
длинам волн - интерференция световых пучков. Поскольку
положение максимума интерференционной картины зависит от
длины волны, возможно создание таких приборов, в которых
изменяется разность хода двух световых пучков. В том случае, если
излучение монохроматично, при изменении разности хода на
выходном устройстве будет наблюдаться чередование максимумов и
минимумов интенсивности (см. рис. 68, а).
В интерференционных спектральных приборах разложение в
спектр по длинам волн не происходит. Регистрируется непосредственно
сигнал на выходе, а затем специальные средства обработки сигнала
производят разложение зависимости интенсивности в ряд Фурье. Сигнал
на выходе интерференционного спектрометра φ(t) связан с искомой
функцией распределения энергии по длинам волн l(λ) соотношением:
( )
∞
ϕ≈λ
∫
0
4
πυ
Cos)t(I
tdt
,
λ
где υ - скорость изменения разности хода в интерференционном
спектрометре в направлении осевого луча.
На практике чаще всего используются два принципиально
отличных типа интерференционных спектрометров - это Фурье- и
СИСАМ-спектрометры с селективной амплитудной модуляцией.
Преимущества Фурье-спектрометра перед другими типами
спектральныx приборов состоит в том, что прибор регистрирует весь
172
световой поток одновременно. Схема расположения узлов Фурьеспектрометра аналогична схеме интерферометра Майкельсона (см.
рис. 69).
Сигнал на
дисперсионном приборе
Сигнал на интерференционном
приборе
а)
б)
в)
Рисунок 68 - Форма сигналов на выходе приборов: а)
монохроматическое излучение λо; б) две близкорасположенные
линии λ1, λ 2; в) сложный спектральный состав излучения λ1; λ 2; ... λ n
Рисунок 69 - Принцип действия Фурье-спектрометра: 3 — зеркала;
ПЗ - полупрозрачное зеркало; И - источник света; Л -линзы;
D -диафрагма; ФП - фотоприемник
173
Если интерферометр Майкельсона облучить светом
сложного спектрального состава, то при перемещении одного из
зеркал со скоростью и будет наблюдаться картина, изображенная на
рис. 68 в. Для каждой монохроматической составляющей излучения λо
интенсивность сигнала на выходе будет изменяться периодически.
,
λλ
0
0
Частота модуляции v
πϑ
4
+=
cos1II
t
λ
ν2
=
mod.
, для разных длин волн
λ
различная.
Если на выходе приемника установить узкополосный
усилитель, настроенный на частоту v
, то прибор будет работать как
mod
монохроматор, т. е. регистрировать излучение на какой-то
определенной длине волны. Если установить ряд узкополосных
усилителей, то будет регистрироваться излучение по спектру в ряде
точек
λ
,
1
λ
2,….. λп
(n - общее число приемников). При этом все сигналы
в отличие от дисперсионных приборов регистрируются одновременно.
Максимальная разность хода L определяет разрешающую способность
Фурье-спектрометра.
=L2R
λ
Если есть необходимость выделить весь спектр источника
излучения, используют компьютеры, в которых проводится Фурьеанализ выходного сигнала, зарегистрированного одним приемником
излучения. Условием получения результатов высокого качества
является равномерность перемещения подвижного зеркала на всей
длине L.
174
Рисунок 70 - Принципиальная
схема СИСАМ'а:О(, D2 -
диафрагмы; G,, G2 -
дифракционные решетки; ПЗ -
полупрозрачное зеркало; а,=а2
Спектрометры с интерференционной селективной модуляцией
(СИСАМ'ы) используют также принцип интерференции двух
световых потоков, но в отличие от Фурье-спектрометра СИСАМ
работает на одной фиксированной длине волны. Это достигается,
например, тем, что в интерферометре Майкельсона (рис. 69), зеркала
«З» заменяют на дифракционные решетки, повернутые относительно
осей падающих пучков на одинаковый угол α (рис. 70).
Для того чтобы пояснить принцип работы СИСАМ'а,
допустим, что одна из решеток движется вдоль осевого луча в
интерферометре. В этом случае для монохроматического излучения
изменение интенсивности будет изменяться периодически аналогично
изменению по формуле 8.24 приведенной для Фурье-спектрометра.
Отличие выходного сигнала СИСАМ'а от сигнала Фурьеспектрометра состоит в том, что глубина модуляции по мере изменения разности хода изменяется и максимум соответствует частоте
ν=γ2
mod
λ
По мере изменения длины волны, регистрируемой СИСАМ'ом
и соответствующей точному равенству углов а1= а2, глубина
модуляции будет изменяться. По этой причине сигнал на выходе для
175
фиксированной длины волны будет иметь несколько максимумов,
∆
λ
убывающих по амплитуде (см. рис. 71).
Рисунок 71 - Сигнал СИСАМ'а от монохроматического излучения с
длиной волны
λ
о
Еще один вариант спектрометра с интерференционной
селективной модуляцией основыван на том, что у дифракционной
решетки с симметричной формой штриха наблюдаются максимумы
справа и слева от нулевого порядка, когда разность хода ∆ = 0.
Такие максимумы дают когерентное излучение и дают
контрастную интерференционную картину, если их направлять в одну
и ту же точку пространства. На рис. 72 изображена одна из
возможных оптических схем такого прибора.
Рисунок 72 - Схема расположения деталей в СИСАМ'е с
использованием правого и левого порядков дифракционной
решетки: ИС - источники света; ФП - фотоприемник; G -
дифракционная решетка; З1 32 - зеркала; at = a2
176
СИСАМ, изображенный на рис. 72, работает следующим
образом. Детали в приборе размещаются так, чтобы углы дифракции в
правом и левом порядке дифракции в точности совпадали и
соответствовали условию максимума отражения дифракционной
решеткой
d. sin α = k
λ
, k = 1, 2…,
0
где d - постоянная решетки и k - целое число, т. е. порядок максимума
отражения дифракционной решетки. Для того чтобы зарегистрировать
сигнал от источника на длине волны λо одно из зеркал перемещают
вдоль луча с частотой модуляции ω
. При исходной настройке
mod
должно быть выполнено условие равенства углов дифракции α1 = α2 и
условие максимума выходного сигнала d sinα = k
λ
, где d - расстояние
0
между штрихами решетки. На выходе прибора в точке расположения
фотоприемника при этом будет наблюдаться максимум
интенсивности. Если периодически менять положение зеркала 32 с
частотой <м0, то периодически меняется интенсивность излучения на
частоте ω
. Об интенсивности излучения источника света судят по
mod
изменению глубины модуляции.
СИСАМ'ы имеют одно существенное преимущество перед
другими спектральными приборами - высокое спектральное
разрешение для монохроматического излучения, на которое настроен
прибор. При этом сигнал может быть выделен на фоне интенсивного
излучения с другими длинами волн, т. к. прибор реагирует только на
излучение с длиной волны, удовлетворяющей условию d sin a = кλ.
Недостатком СИСАМ'а является сложность настройки, и то,
что при изменении рабочей длины волны оба зеркала нужно перемещать синхронно с высокой точностью. Это условие выдвигает
жесткие требования к настройке прибора и к помехозащищенности.
Существуют схемы, автоматически обеспечивающие синхронность
перемещения обоих зеркал 3, и 32 (см. рис. 72) однако
помехозащищенность до настоящего времени является слабым местом
СИСАМ'ов.
Для создания приборов высокой разрешающей силы в
спектроскопии широко используется спектрометр, известный как
интерферометр Фабри-Перо или эталон Фабри-Перо. Этот прибор
является в настоящее время основным для получения высокого
177
спектрального разрешения. Принцип действия эталона Фабри-Перо
основан на прохождении света между двумя плоскопараллельными
светоделительными поверхностями (см. рис. 73).
Рисунок 73 - Два типа эталонов Фабри-Перо: а) стеклянная
плоскопараллельная пластина с зеркальным покрытием; б) эталон с
воздушным промежутком
Эталон может быть выполнен в виде стеклянной
плоскопараллельной пластины или в виде двух плоских зеркал,
расположенных параллельно с зеркальными покрытиями на
внутренних поверхностях (см. рис. 73 б).
При прохождении пучка света через эталон Фабри-Перо в
результате многократных отражений от полупрозрачных
поверхностей зеркал образуется ряд параллельных световых пучков.
Разность хода между соседними пучками может быть вычислена
исходя из геометрических принципов
∆=2tn·cosφ,
где t - толщина пластины; n - показатель преломления среды в промежутке между зеркалами. Условие максимума интерференции имеет
вид
2tncosφ=kλ (11)
где k - целое число. Условие максимума выполняется для всех углов,
составляющих угол φ с поверхностью. Поэтому если за эталоном
поместить линзу, то в ее фокусе образуется ряд ярких колец,
соответствующих условию максимума. Излучения различных длин
волн будут наблюдаться под разными углами, образуя систему
178
концентрических колец. Типичная картина интерференции,
наблюдаемая в эталоне Фабри-Перо, приведена на рис. 74.
Рисунок 74 - Формирование изображения в эталоне Фабри-Перо
Такая картина типична для любой плоскопараллельной
пластины. В обычной пластине коэффициент отражения равен 3÷ 5%,
и пучки очень быстро ослабляются при многократном прохождении.
В эталоне Фабри-Перо коэффициент отражения близок к единице,
поэтому интенсивность каждого последующего пучка мало
отличается от интенсивности предыдущего. Результирующий сигнал
на выходе формируется как результат многолучевой интерференции
при числе интерферирующих пучков от десяти - для коэффициента
отражения зеркал 80% - до 150 - для коэффициента отражения 98%.
Основные характеристики и параметры эталона Фабри-Перо
таковы.
Угловая дисперсия - изменение угла расположения
интерференционного максимума от длины волны - выражается
формулой
ϕ 1
d
=
. (8.31)
λϕ
λ
d
Из равенства следует, что дисперсия всех эталонов независимо
от их толщины одинакова. Вблизи нормали дисперсия обращается в
бесконечность. Знак минус указывает на то, что с ростом угла
наблюдения уменьшается длина волны, для которой имеет место
соответствующий максимум.
Из условий наблюдения максимума в эталоне Фабри-Перо (11)
следует, что для монохроматического излучения будет наблюдаться
система интерференционных колец с угловым расстоянием между
179
кольцами с к1- к2=1. Угловое расстояние между соседними кольцами
d
r
−=1
для одной длины волны равно:
λ
−=ϕ∆
ϕ
sint2
Это соответствует интервалу длин волн, который располагается
между соседними кольцами
22
λ
=λ∆ (12)
λ
≈
t2sint2
ϕ
Интервал, определенный по формуле 12, называют постоянной
эталона. Постоянная эталона - это интервал длин волн, в котором
можно наблюдать излучение не опасаясь переналожения порядков. Из
выражения для постоянной эталона следует, что разрешаемый
эталоном Фабри-Перо спектральный интервал тем меньше, чем
больше толщина эталона t.
Пропускание эталона Фабри-Перо в максимуме интенсивности
зависит от коэффициента отражения зеркал г и от их коэффициента
пропускания τ:
2
τ
= ,
2
)r1(T−
В случае отсутствия потерь энергии на поглощение в зеркалах
1 - г = τ и вся энергия, посылаемая источником в направлении
максимума, проходит через эталон, т. е. Т = 1.
Разрешающая способность эталона Фабри-Перо при оценке по
критерию Рэлея (см. рис. 62) имеет вид:
2
t
λ
R
где dλ. - минимальный разрешаемый интервал, N
N
== ,
эфф
λλ
- эффективное
эфф
число интерферирующих пучков, которое находится по формуле
r
эфф.
π
,
N
где г - коэффициент отражения зеркала.
Из оценок, сделанных для спектрального разрешения эталона
Фабри-Перо и разрешаемого спектрального интервала - постоянной
эталона - следует, что этот прибор является спектральным
инструментом высокого разрешения, но реализация этого качества
180
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]