Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разработка Фурье-спектрометра сверхвысокого разрешения и определение его характеристик 16
1.1. Отражатели типа «Кошачий глаз» и способ их юстировки 19
1.2. Фотоэлектрический метод оценки точности поступательного перемещения зеркала интерферометра Майкельсона 28
1.3. Оптико-механическая часть Фурье-спектрометра УФС-02 32
1.4. Оптическая схема интерферометра для Фурье-спектрометра УФС-02 36
1.5. Опорный канал Фурье-спектрометра УФС-02 41
1.6. Определение разрешающей силы Фурье-спектрометра УФС-02. 44
Глава 2. Изучение с помощью Фурье-спектрометра сверхвысокого разрешения спектров паров атомарных металлов и спектров редкоземельных ионов в кристаллах 51
2.1. Возмущение запрещенных переходов в атомах таллия и туллия при столкновении с атомами инертных газов 51
2.2. Спектры высокого разрешения в области переходов для кристалла иттрий алюминиевого граната, активированного эрбием 55
2.3. Преимущества Фурье-спектрометра высокого разрешения при исследовании спектров редкоземельных ионов в кристаллах 58
Глава 3. Разработка быстросканирующих Фурье-спектрометров для средней и дальней ИК области и определение их характеристик 70
3.1. Принцип непрерывного (быстрого) сканирования 71
3.2. Метод накопления интерферограмм 72
3.3. Устройство перемещения подвижного отражателя 73
3.4. Фурье-спектрометр ФС-01 76
3.5. Исследование спектральных характеристик Фурье-спектрометра ФС-01 79
3.6. Автоматизированный фотоэлектрический Фурье-спектрометр АФС-01 91
3.7. Некоторые экспериментальные результаты, полученные на Фурье-спектрометре АФС-01 94
3.8. Лабораторный субмиллиметровый Фурье-спектрометр ЛСФС-01 99
Глава 4. Фурье-спектрометры специального назначения ..105
4.1. Быстросканирующий Фурье-спектрорадиометр БФС-01 106
4.2. Двухканальный Фурье-спектрометр ФС-02 121
4.3. Экспериментальные результаты, полученные на Фурье-спектрометре ФС-02 130
4.4. Фурье-спектрометр комбинационного рассеяния света инфра красного диапазона 135
Глава 5. Фурье-спектрометр широкого применения и его использование 143
5.1. Аналитический Фурье-спектрометр АФ-1 145
5.2. Методика измерений основных параметров Фурье-спектро метров широкого применения 155
5.3. Автоматизированная система идентификации и контроля качества горючего на основе Фурье-спектрометра АФ-1 ..168
5.4. Фурье-спектрометр ближнего ИК диапазона и его использование для изучения спектров комбинационного рассеяния света 174
Заключение 179
Список использованной литературы 183
Приложение 193
- Фотоэлектрический метод оценки точности поступательного перемещения зеркала интерферометра Майкельсона
- Спектры высокого разрешения в области переходов для кристалла иттрий алюминиевого граната, активированного эрбием
- Исследование спектральных характеристик Фурье-спектрометра ФС-01
- Фурье-спектрометр комбинационного рассеяния света инфра красного диапазона
Введение к работе
Современные задачи спектроскопии в инфракрасной области спектра требуют создания приборов с высокими спектроскопическими характеристиками. Требования к спектральному прибору значительно возрастают, когда необходимо зарегистрировать спектры источников слабого свечения при ограниченном времени измерений в широком диапазоне длин волн. Необходимо отметить, что до недавнего времени эти трудности в случаях, требующих еще и высокого разрешения в спектре, оказывались просто непреодолимыми. Сегодня, в связи с развитием и прогрессом вычислительной техники, открылись пути совершенствования спектральной техники. Блестящим примером такого развития является Фурье-спектроскопия, которая в настоящее время переживает бурное развитие.
Сущность метода Фурье-спектроскопии основана на использовании двухлучевого интерферометра с последующим преобразованием Фурье. Еще в конце прошлого века Майкельсон показал /I/, что интенсивность света, регистрируемая на выходе двухлучевого интерферометра с изменяемой оптической разностью хода, является косинусным Фурье-преобразованием спектра исследуемого излучения. Соответственно, в силу обратимости операции Фурье-преобразования, для восстановления искомого спектра достаточно выполнить, косинусное преобразование интерферо-граммы, описывающее изменение интенсивности сигнала на фотоприемнике в зависимости от оптической разности хода между двумя интерферирующими пучками.
Исследуемый спектр всегда ограничен либо природой излучения, либо прозрачностью материалов оптических элементов интерферометра, либо чувствительностью приемника. Именно это обстоятельство и позволяет производить преобразование Фурье по дискретным значениям интер-ферограммы, используя современные быстродействующие ЭВМ.
5'
В настоящее время преимущества Фурье-спектроскопии общеизвестны/2,3,4/ и к ним в первую очередь следует отнести:
Выигрыш Фелжета /5/. Фактор мультиплексности, заключающийся в одновременной регистрации всего исследуемого спектрального диапазона.
Преимущество Жакино /6,7,8/. Большой геометрический фактор -выигрыш в светосиле, обусловленный осевой симметрией интерферометра и значительными размерами входной диафрагмы. В классических (дифракционных) спектрометрах геометрический фактор (инвариант Лаг-ранжа-Гельмгольца) определяется произведением площади щели на телесный угол, задаваемый коллиматором. В Фурье-спектрометрах площадь круглой входной диафрагмы значительно превышает площадь щели классического спектрометра при одинаковом разрешении и фокусных расстояниях коллиматоров,
Преимущество Конна /9/. Высокая точность определения волновых чисел в спектре. Она обеспечивается точным измерением оптической разности хода интерферирующих световых пучков в интерферометре, обусловленным применением в качестве стандарта частоты стабилизированного He-Ne лазера. Эта особенность Фурье-спектрометра гарантирует точность измерения волновых чисел, по меньшей мере, на порядок большую, чем в классических спектрометрах.
4. Постоянное во всем исследуемом спектральном диапазоне разрешение 5 а, которое определяется только величиной предельной оптической разности хода Ьщах, обеспеченной в интерферометре, 6*(Т = 1/Lmax.
5; Широкий диапазон исследуемого спектра. Спектральный диапазон, регистрируемый за один скан, ограничивается только областью пропускания светоделителя и областью спектральной чувствительности приемника. Так, например, спектр пропускания в области от 2 до 25 мкм может быть зарегистрирован с одним источником, одним светоделителем и
одним приемником излучения.
Практическое отсутствие рассеянного излучения /10/, которое является основным источником фотометрической погрешности в классической спектроскопии.
Высокая степень автоматизации спектральных исследований. Она обуславливается самой природой метода Фурье-спектроскопии, требующей численного восстановления спектра из интерферограммы. В связи с этим все Фурье-спектрометры содержат в своем составе ЭВМ, что в свою очередь создает дополнительные преимущества. Имеется возможность накопления, запоминания и сравнения спектров и последующей обработки спектральной информации. ЭВМ обеспечивает контроль основных параметров спектрометра, управление прибором и процессом сканирования, расчет искомого спектра и его документирование Л1, 70/.
Перечисленные преимущества фурье-спектрометров позволяют получать спектральную информацию сразу в очень широком диапазоне длин волн за время одного эксперимента. Поэтому изучение спектральных свойств веществ в газообразном, жидком и твёрдом состоянии с помощью Фурье-спектрометров обеспечивает высокое качество научной информации.
Цель работы - разработка и изготовление нового класса спектральных приборов, а именно Фурье-спектрометров непрерывного сканирования и использование их для изучения широкодиапазонных спектров излучения и поглощения в ИК области спектра.
Основные задачи диссертации, определяемые поставленной целью, состоят в следующем:
Разработка и изготовление Фурье-спектрометра сверхвысокого разрешения, исследование его основных элементов и экспериментальное определение его предельных характеристик.
Проведение комплекса измерений широкодиапазонных спектров поглощения паров металлов и спектров поглощения редкоземельных ио-
нов в кристаллах при низких температурах с разрешением на уровне 0,005 см"1.
Разработка и изготовление ряда быстросканирующих Фурье-спектрометров высокого разрешения и экспериментальное определение их спектральных характеристик.
Разработка и изготовление ряда Фурье-спектрометров специального назначения.
Разработка и изготовление Фурье-спектрометра широкого назначения, и его применение для задач контроля качества.
Научная новизна.
Комплексные исследования отдельных элементов, механических устройств перемещения и оптических схем Фурье-спектрометров позволили впервые в СССР, а позднее - и в России, создать ряд быстросканирующих Фурье-спектрометров для инфракрасной области спектра.
Рассмотрена и исследована оптическая схема интерферометра типа Майкельсона с улучшенной компенсацией фазовых искажений в светоделителе, что позволило резко снизить требования к материалу светоделителя и повысить в два раза спектральное разрешение.
На Фурье-спектрометре сверхвысокого разрешения с высокой точностью (0,005 см"1) в широком диапазоне длин волн измерены положения штарковских компоненти уровней Ij 5/2,13/2,11/2 иона Ег3+ в кристаллах иттрий алюминиевого граната.
С помощью Фурье-спектрометра сверхвысокого разрешения впервые в мире была обнаружена и исследована ядерная сверхтонкая структура в оптическом спектре кристалла фторида лития-иттрия активированного гольмием.
Разработана оптическая схема интерферометра для Фурье-спектрометра, которая позволила реализовать в одном приборе одновременно высокое спектральное и высокое временное разрешение.
Разработана оптическая схема двухканального Фурье-спектрометра,
которая позволяет одновременно проводить измерение эталона и образца.
С помощью ИК Фурье-спектроскопии реализован на практике экспресс-метод анализа горюче-смазочных материалов.
Практическая ценность.
На основании проведенных исследований разработаны и выпущены в мелкосерийном производстве в НТЦ УП РАН ряд быстросканирующих Фурье-спектрометров различного назначения:
Фурье-спектрометр УФС-02 с рабочей областью спектра от 1 мкм до 100 мкм и разрешением до 0,005 см"1;
Фурье-спектрометр ФС-01 с рабочей областью спектра от 2 мкм до 100 мм и разрешением до 0,1 см'1. Фурье-спектрометр ФС-01 внедрен в серийное производство на Опытно-производственном предприятии НТО АН СССР г. Минска;
Автоматизированный фотоэлектрический спектрометр АФС-01 с рабочей область спектра от 2 мкм до 400 мкм и разрешением до 0,1 см"1;
Лабораторный субмиллиметровый Фурье-спектрометр ЛСФС-01 с рабочей областью спектра от 100 мкм до 3000 мкм и разрешением до 0,05 см"1.
Быстросканирующий Фурье-спектрорадиометр БФС-01 с рабочей областью спектра от 100 мкм до 5000 мкм с разрешением ОД см*1 и временным разрешением 5 мс.
Двухканальньга фурье-спектрометр ФС-02 с рабочей областью спектра от 2 до 25 мкм и разрешением 0,5 см'1.
Фурье-спектрометр широкого применения с рабочей областью спектра от 2 до 25 мкм и разрешением 1 см"1.
Автоматизированная система контроля качества горюче-смазочных материалов АСИ ККГ.
9. Действующий макет инфракрасного Фурье-Раман спектрометра.
Результаты по исследованиям и разработкам Фурье-спектрометров
внедрены в Научно-технологическом центре Уникального приборостроения РАН, Институте спектроскопии РАН, Физическом институте РАН, Институте химической физики РАН, Институте космических исследований РАН, Институте физики металлов СО РАН, 25 ГОСНИИ МО РФ, Филиале Института ядерных исследований им. И.В. Курчатова, а также в ряде вузов и отраслевых НИИ.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 39 работах, в том числе в 22 центральных научно-технических периодических изданиях и сборниках научных трудов, в описаниях 6 патентов на изобретения, в 3 препринтах Института спектроскопии РАН, а также в 8 тезисах докладов на международных и отечественных научных конференциях. Ниже приведен список публикаций, выполненных с участием соискателя:
Букреев B.C., Балашов А.А., Вагин В.А. Отражатели для интерферометра Фурье-спектрометра высокого разрешения // ПТЭ, 1974. - № 4. -с.175-177.
Балашов А А., Букреев B.C., Жижин Г.Н. Фурье-спектрометр высокого разрешения // Тезисы докладов 2-го Всесоюзного симпозиума по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения. Г.Томск, 1974 г.
Balashov АА., Bukieev V.S., Zhizhin G.N. High resolution infrared spectroscopy// Abstracts of papers, Liblice near Prague, 1974.
Балашов A.A., Букреев B.C., Вагин В.А, Жижин Т.Н., Культепин Н.Г., Нестерук И.Н., Перминов Е.Б. Фурье-спектрометр высокого разрешения 0,01 см*1) для спектральной области 0,6-100 мкм // Препринт ИСАИ, 1976. - № 10/130. - 52 с.
Balashov АА, Bukreev V.S., Vagin V.A., Kultepin N.G., Nesteruk I.N., Zhizhin G.N. Fourier-transform spectrometer for 0.6 - 100 fim with resolution 0.01 - 0.005 cm-1 // IV-th International seminar on high resolution in-
frared spectroscopy. Abstracts of papers, Liblice near Prague, 1976.
Balashov A.A., Bukreev V.S., Vagin V.A., Perminov E.B., Zhizhin G.N. Infrared luminescence studied of Dy 2+ - doped CaF2 at helium temperature on high resolution Fourier spectrometer // IV-th International seminar on high resolution infrared spectroscopy. Abstracts of papers, Liblice near Prague, 1976.
Балашов A.A., Букреев B.C., ЖижинТ.Н. Фотоэлектрический метод контроля непрямолинейности поступательного движения // Измерительная техника, 1976. - № 1. - с.49-50.
Балашов А.А., Букреев B.C., Вагин В.А., Жижин Г.Н. Интерферометр с улучшенной компенсацией фазовых искажений в светоделителе // ПТЭ, 1977.-№2.-с.191-193.
Балашов А:А., Багданскис Н.И., Букреев B.C., Вагин В.А., Жижин F.H., Культепин Н.Г., Нестерук И.Н. Инфракрасный измерительный комплекс высокого разрешения института спектроскопии АН СССР // XVIII съезд по спектроскопии, Тезисы докладов, г.Горький, 1977.
Балашов А.А., Букреев B.C., Вагин В.А., Жижин Г.Н., Культепин Н.Г., Нестерук И.Н. Фурье-спектрометр высокого разрешения УФС-01 // ПТЭ, 1978. - № 2. - с.268.
Балашов А.А., Букреев B.C., Нестерук И.Н,, Филиппов O.K. О выборе источника излучения для инфракрасного Фурье-спектрометра // ЖПС, 1978.-Т.29.-№3.-с.559-561.
Balashov A., Bukreev V., Nesteruk I., Perminov Е., Vagin V., Zhizhin G. High resolution Fourier transform spectrometer (0.005 cm*1) - for the 0.6-100 pm spectral range // Applied Optics, 1978. - V.17. -No.l 1. - p.1716-1722.
Балашов А.А., Букреев B.C., Вагин В.А., Жижин Т.Н., Культепин Н.Г., Нестерук И.Н. Фурье-спектрометры высокого разрешения. Приборы для научных исследований // Сб. докл. Изд. СЭВ, т. 1, Москва, 1980. - с.76-80.
Балашов А.А., Букреев B.C., Вагин В.А., Дроздов В.Н., Культепин Н.Г.
Комплекс Фурье-спектрометра высокого разрешения УФС-02 // ПТЭ, 1983.-№3.-с.239.
Андреев B.C., Балашов А.А., Букреев B.C., Вагин В.А, Висковатых А.В., Давыдов А.Е., Капустин С.А., Культепин Н.Г., Руренко А.А. Инфракрасный Фурье-спектрометр ФС-01 // ПТЭ, 1983. - № 5. - с.229-230.
Агладзе Н.И., Балашов А.А., ЖижинТ.Н., Попова М.Н. Спектры высокого разрешения в области переходов 41 ]5/2- 41 \т,\\а для кристаллов иттрий-алюминиевого граната, активированного эрбием // Оптика и спектроскопия, 1984. - Т. 57. - № 3. - с. 379-381.
Agladze N.I., Balashov A.A., Bukreev V.S., Kultepin N.G., Popova M.N., Vagin V.A., Vinogradov E.A., Zhizhin G.N. New high resolution infrared Fourier-transform spectrometer and the first results in atomic, molecular and crystal spectroscopy// In: 1985 Int. Conf. on Fourier and Computerized IR Spectroscopy, ed. J.Grasselli & D.Cameron, SPIE, 1985. - p.452-453.
Агладзе Н.И., Балашов A.A., Веденин В.Д., Кулясов В.Н. Возмущение запрещенных переходов в атомах галлия и тулия при столкновениях с атомами инертных газов // Оптика и спектроскопия, 1987. - Т,63. - №1. -с.12-15.
Балашов А А., Вагин В. А., Челноков А.И. Сканирующее устройство для получения разности хода в двухлучевом интерферометре // Автор. свид.№ 1300294, 1987.
Балашов А.А., Болдырев Н.Ю., Бурлаков В.М. и другие. Спектроскопия ИК-отражения высокотемпературных сверхпроводящих керамик на основе лантана и иттрия // Письма в ЖЭТФ, 1987. - Т.46 (Приложения). -с.43-46.
Балашов А.А., Болдырев Н.Ю., Бурлаков В.М. и другие. Спектроскопия высокотемпературных сверхпроводящих керамик. - Препринт ИСАИ, 1987.-№2.-34 с.
Агладзе Н.И., Балашов А.А, Букреев B.C., Вагин В.А., Виноградов
E.A., Жижин Г.Н., Культепин Н.Г., Попова М.Н. Инфракрасный Фурье-спектрометр быстрого сканирования с разрешением 0,005 см"1 // Сборник "Фурье-спектроскопия и современные проблемы физики и химии поверхности", Научный совет по проблеме "Спектроскопия атомов и молекул АН СССР", Москва, 1988. - с.83-114. 23: Балашов А.А., Букреев B.C., Вагин В.А., Висковатых А.В. Инфракрасный Фурье-спектрометр быстрого сканирования ФС-01 // Сборник "Фурье-спектроскопия и современные проблемы физики и химии поверхности", Москва, Научный совет по проблеме "Спектроскопия атомов и молекул" АН СССР, 1988. - с.128-147.
Балашов А.А. Фурье-спектрометры среднего разрешения ФС-01, АФС-01, ЛСФС-01 // Препринт ИСАИ, 1988. - № 3. - 33с.
Арзамасцев В.И., Балашов А.А. Устройство для юстировки Фурье-спектрометра на основе поляризационного интерферометра Майкельсона на поляризационных решетках // Автор, свид. № 1414089, 1988.
Балашов А.А., Вагин В.А., Челноков А.И. Фурье-спектрометр // Автор, свид. № 1492890,1989.
Балашов А.А., Вагин В.А. Разработка Фурье-спектрометров в ЦКБ Уникального приборостроения АН СССР // Компьютерная оптика, 1989.-Вып.4.-с.89-103.
Балашов А.А., Вагин В.А., Жижин Г.Н. Современные Фурье-спектрометры - новая ветвь компьютеризированной техники // Компьютерная оптика, 1989. - Вып.4. - с. 78-89.
Балашов А.А., Вагин В. А., Челноков А.И.. Быстросканирующий Фурье-спектрорадиометр БФС-01 // Компьютерная оптика, 1989. - Вып.6. -с.72-80.
Балашов А.А., Вагин В.А., Висковатых А.В., Станский Л.И. Двухлу-чевой Фурье-спектрометр // Автор, свид. №1649892, 1991.
Balashov A.A., Zhizhin G.N., Chelnokov A.L, Vagin V.A. Fast-scanning Fourie-spectroradiometr BFS-1 II 7-th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy, SPIE, 1989. - V.l 145. - p.395-396.
Balashov A.A., Zhizhin G.N., Vagin V.A. Modern Fourier-spectrometers -a new branch of computerized optical instrumentation II Computer Optics, 1990.-V.2.-№2.-p.l73-180.
Balashov A. A, Vagin V.A. Development of Fourier-spectrometers in the Soviet Union II Computer Optics, 1990. - V.2. - №2. - p. 181-190.
Митягин Ю.А., Мурзин B.H., Стеклицкий C.A., Чеботарев А.П., Трофимов И.Е., Балашов А.А., Блох М.А. Перестраиваемый полупроводниковый лазер субмиллиметрового диапазона // Автор, свидетельство №1597071,1990 г.
Balashov А.А;, Vagin V.A., Viskovatich А.V., Gnshkovski В., Lasarev Y.A., Terpugov Е. Two-channel Fourier Spectrometer for biophysical studies II The 8-th Internationa] Conference on Fourier Transform Spectroscopy. - SPIE, 1991. -V.1575. - p.182-183..
Чечкенев И.В., Сизов А.Б., Балашов A.A., Вагин В.А., Григорьев В.Г., Наметкин О.П., Лазарев Е.С., Калинин Л.Л., Михайлов A.M. Автоматизированный способ идентификации и определения кондиционности нефтепродуктов // Патент России, № 2075062,1997.
Алаторцев Е.И., Балашов А.А., Вагин В.А., Висковатых А.В., Калинин Л.Л., Хорохорин А.И., Чечкенев И.В. Автоматизированная система идентификации и контроля качества горючего на основе Фурье-спектрометра АФ-1 //Оптический журнал, 1999. -№10. -с.113-114.
Балашов А.А., Вагин В.А., Висковатых А.В., Жижин Г.Н., Пустовойт В.И., Хорохорин А,И. Аналитический Фурье-спектрометр АФ-1 широкого применения // ПТЭ, 2003. - №2. - с.87-89.
Alatortsev ЕЛ., Balashov A.A., Pustovoit V.L, Khorokhorin A.L,Vagin V.A., Viskovatich A.V., Zhizhin G.N. Application of Fourier-transform
spectrometer AF-1 for automation system of identification and quality control of fuels II Intern. Conference "Spectroscopy in Special Application". Abstracts of Papers, Kyiv, Ukraine, 2003.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5 глав заключения и приложения. Основная часть диссертации содержит 203 страницы машинописного текста, в том числе 65 рисунка, 8 таблиц и список литературы из 101 наименования.
В первой главе большое внимание уделено вопросу замены плоских зеркал интерферометра Майкельсона на отражатели типа "кошачий глаз" с вспомогательными плоскими зеркалами. Показано, что это позволило резко снизить требования к механизму перемещения подвижного отражателя интерферометра Майкельсона. Выполнены оценки основных параметров ретрорефлекторов и отмечены требования, предъявляемые к их юстировке и конструкции. Для оценки точности перемещения подвижного отражателя разработана специальная оптическая схема. С помощью неё проведены исследования точности перемещения подвижного отражателя. Рассмотрены отличительные особенности такой оптической схемы интерферометра -совмещение светоделителя и компенсатора в одной пластине, - а также использование отражателей типа "кошачий глаз" с дополнительными плоскими зеркалами. Проведены исследования этой оптической схемы по устранению фазовых искажений в материале светоделителя. Экспериментально проверена разрешающая сила спектрометра.
Во второй главе получены спектральные результаты по уширению и
сдвигу запрещенных линий поглощения атомов таллия и атомов тулия в
окружении инертных газов. Проведены измерения штарковских компонент
уровней иона в кристалле иттрий-алюминиевого граната. Показаны
преимущества Фурье-спектрометра (такие, как высокое разрешение, широкий спектральный диапазон, точность по шкале длин волн, численная
обработка полученных спектральных результатов) по сравнению с другими измерениями, выполненными на обычных спектральных приборах при исследованиях спектров редкоземельных ионов в кристаллах.
В третьей главе описаны три Фурье-спектрометра для средней и дальней ИК области спектра. Описан ряд общих принципов и элементов, используемых при их создании. Проведены исследования их спектральных характеристик.
В четвертой главе описаны разработки Фурье-спектрометров специального назначения: создание сверхбыстродействующего Фурье-спектрометра для изучения спектров излучения замагниченной плазмы на установках типа «Токамак» в субмиллиметровой области спектра; создание истинно двухканального Фурье-спектрометра повышенной чувствительности для исследования спектров поглощения на фоне сильного поглощения воды; создание Фурье-Раман спектрометра инфракрасного диапазона; а также приведены результаты некоторых спектрометрических измерений, полученных на этих приборах.
Пятая глава посвящена разработке малогабаритного Фурье-спектрометра широкого применения. Разработана методика измерений его основных технических параметров. На базе такого Фурье-спектрометра разработана автоматизированная система контроля качества горюче-смазочных материалов. Показана возможность использования модифицированного Фурье-спектрометра такого типа для его работы в режиме Фурье-Раман-спектрометра.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы. Диссертация выполнена в Научно-технологнческом центре Уникального приборостроения РАН в тесном сотрудничестве с ведущей организацией ~ Институтом спектроскопии РАН.
В приложении представлены Акты внедрения в различные организации.
Фотоэлектрический метод оценки точности поступательного перемещения зеркала интерферометра Майкельсона
В процессе разработки оптических схем интерферометров была разработана оптическая схема контроля биений подвижных отражателя /21/. В отличие от известной схемы /22/, предназначенной для аналогичных целей, схема на рис.6 обладает рядом очевидных преимуществ. Прежде всего, обеспечивается возможность измерения не только значения и знака угла наклона отражателя при его поступательном перемещении, но и определения участка, где наблюдаются отклонения поступательного перемещения от заданного. При этом отсутствуют ограничения, обусловленные величиной линейного расстояния, на которое перемещается отражатель. Эта схема контроля позволяет также легко изменять расстояние между интерферирующими пучками Б и В с учётом размеров подвижного отражателя и необходимой точностью. В качестве источника 1 использован He-Ne лазер стабилизированный по частоте ( =0,6328 мкм). Пройдя через линейный 2 и круговой 3 поляризаторы, а также телескопическую систему 4, пучок излучения лазера попадает на первый светоделитель 5, на котором одна часть излучения отражается в сторону поворотного зеркала 6, а вторая попадает на второй светоделитель 7, где излучение также делится на отраженный и прошедший пучки (8 - поворотное зеркало). Полученные таким образом три пучка излучения направляются на основной светоделитель 9, на котором каждый из них делится на пучки, прошедшие в сторону подвижного отражателя 10 и отраженные в сторону неподвижного отражателя 11. Размер неподвижного отражателя 11 таков, что он отражает в обратном направлении только центральный А из этих трех пучков. Часть излучения всех пучков, прошедших через светоделитель 9 и отраженных от подвижного отражателя 10, вновь направляются на 9, где еще раз делятся на отраженные и прошедшие части. При этом в центральном пучке наблюдается интерференция, которая регистрируется первичным преобразователем 13. Части боковых пучков, отраженные от 9, попадают на поворотное зеркало 12 и светоделитель 14, с помощью которых они смешиваются, а результирующая интерференционная картина регистрируется первичным преобразователем 15. Таким образом, преобразователи 13 и 15 (в нашем случае ФЭУ) регистрируют две интерферограммы, показанные на рис.7, где I - интенсивность света; 8 - оптическая разность хода интерферирующих пучков.
В интерферограмме I заложена информация о расстоянии, на которое переместился подвижный отражатель, а в интерферограмме II - информация о точности его поступательного перемещения. Сигналы с 13 и 15 (рис.6) через соответствующие согласующие каскады поступают на самописец. Расстояние L при перемещении подвижного отражателя определяется числом полос N интерферограммы I: где коэффициент 1/2 - учитывает двойное прохождение соответствующими пучками излучения расстояния L.
Интерферограмма II характеризует угловое смещение а подвижного отражателя при его поступательном перемещении. По ее виду можно судить о характере и величине неточности поступательного перемещения, а при одновременной регистрации обеих интерферограмм можно с высокой точностью (в нашем случае это не хуже Я/4) определять расстояние, на котором наблюдается отклонение поступательного перемещения отражателя.
При использовании в УФС-01 в качестве подвижного отражателя плоского зеркала контроль поступательного перемещения, выполненный по описанной схеме, позволил определить характер и величину искажений поступательного перемещения, которые испытывает отражатель. Анализ интерферограммы II показал, что угол поворота плоского зеркала есть линейная функция его перемещения. Сосчитав число периодов интерферо-граммы Пна всем пути перемещения подвижного отражателя можно определить линейную величину Р углового смещения а отражателя, как где 2D - расстояние между боковыми пучками Б и В (рис. 6). Расстояние между пучками Б и В может быть выбрано произвольным, путем перемещения плоских поворотных зеркал 6 и 8, что особенно удобно для динамической юстировки интерферометра, а также для обеспечения необходимой точности. Для задач Фурье-спектроскопии необходимо, чтобы на всем пути перемещения подвижного отражателя интерферометра в пучке исследуемого излучения не нарушались условия наблюдения интерференции. Это означает, что заклоны подвижного зеркала на всей длине перемещения не должны превышать величину Хк/4. Под А,к понимается длина волны коротковолновой границы рабочей области спектра. Для УФС-01, коротковолновая граница которого соответствует 1 мкм, необходимо, чтобы величина углового смещения не превышала 0,3" при диаметре подвижного зеркала 100 мм. Использованный нами механизм после соответствующей юстировки удовлетворяет этим требованиям. Однако механизм оказался очень чувствительным к внешним возмущениям (вибрации, акустические удары, температурная зависимость и др.). В связи с этим подвижное плоское зеркало было заменено отражателем типа "кошачий глаз" /17/. Оценка точности поступательного перемещения такого отражателя на нашем механизме показала, что система "кошачий глаз" почти полностью нечувствительна ко всем внешним возмущающим факторам. Интерферограмма II в этом случае представляла прямую линию.
Спектры высокого разрешения в области переходов для кристалла иттрий алюминиевого граната, активированного эрбием
Спектр поглощения паров тулия в гелии представлен на рис.14. На записи рис.14 можно усмотреть асимметрию контура, обусловленную сверхтонкой структурой линии (относительные интенсивности 1:27:20) с расстояниями между сильными компонентами 618 МГц. Для демонстрации влияния на вид спектра аппаратной функции прибора на вставке рис.14 представлен расчетный доплеровский уширенный контур при 50 % поглощении. Отношение постоянной уширения Y к постоянной сдвига Д для линии 1,14 мкм атома тулия в гелии составляет не менее 2.
Сравним теперь результаты для таллия и тулия. Запрещенная линия 1,28 мкм таллия, обусловленная возбуждением валентного р-электрона, уширяется и сдвигается инертными газами (за исключением малого сдвига в гелии и неоне), так же как и атомные линии разрешенных электроди-польных переходов. Запрещенная линия 1,14 мкм тулия, обусловленная возбуждением электрона во внутренней f-оболочке, уширяется в 300 раз слабее линий, связанных с переходами во внешних валентных оболочках.
В заключение можно отметить, что уникально малый сдвиг легкими инертными газами запрещенной линии 1,14 мкм тулия в сочетании с малым ее уширением позволяет рассматривать магнитодипольный переход в f-оболочке тулия перспективным оптическим переходом для проблем стандартизации частоты.
На кристаллах иттрий-алюминиевого граната с примесью эрбия (ИАГ-Ег) работают эффективные лазеры трехмикронного и полуторамикронного диапазонов, генерация идет на переходах в ионе соответственно /33, 34/. Для лазерной техники и физики первостепенный интерес имеют спектроскопические данные об ИАГ-Ег, особенно об участвующих в генерации уровнях Jis/2t іт, \мь Однако имеющиеся литературные данные о положениях штарковских компонент этих уровней неполны и расходятся между собой на 2- 60 см"1, все известные измерения проводились на приборах обеспечивающих точность не лучше ±(2- 3) см."1 /35, 36/.
С помощью Фурье-спектрометра УФС-02 были измерены спектры поглощения кристаллов ИАГ-Ег при 4,2 К и при 300 К в области переходов \$іг + 4Ііз«, и/2 с разрешением 0,03см л+ 1,0 см " и точностью привязки по волновым числам -0,003 см" /37/.
Точность привязки по частоте определяется точностью отсчета разности хода в плечах интерферометра Майкельсона при регистрации интер-ферограммы, которая в свою очередь определяется стабильностью применяемого для этой цели лазера. В приборе УФС-02 для измерения разности хода используется стабилизированный по провалу Лэмба He-Ne лазер.
Кристаллы ИАГ-Ег для исследований были выращены методом спонтанной кристаллизации. Концентрация примеси в шихте составляла 0,03 вес. % (коэффициент вхождения близок к единице). Измерения проводились при комнатной температуре и в криостате при температуре жидкого гелия. Объем спектрометра откачивался до 10" мм.рт.ст. для исключения поглощения ИК излучения атмосферными парами воды.
На рис. 15 приведен обзорный спектр поглощения кристалла ИАГ-Ег (0,03 %) в области переходов \$п — 41ш,п/2вине Ег3+. Колоколообразная огибающая пропускания обусловлена предварительным монохроматором. Предмонохроматор использовался для ограничения области спектра, что было необходимо при работе с малопроизводительными ЭВМ. В Таблице 2 даны положения (по шкале волновых чисел сг-в см ) штарковских компонент уровней 4115 , н/2, м/2-При 4,2 К эти положения были определены по спектрам с разрешением 0.03 -0.08 см 1, их точность обусловлена точностью нахождения максимума линии при имеющемся шуме в спектре и составляет іО.ОІ-Ю.ОЗсм"1 для разных линий. При комнатной температуре в спектре имеется большое число линий, соответствующих переходам с заселяющихся подуровней основного уровня. Линии уширяются с повышением температуры, их контуры переналагаются.
Исследование спектральных характеристик Фурье-спектрометра ФС-01
Как уже отмечалось, скорость перемещения подвижного отражателя интерферометра при непрерывном сканировании определяется частотными характеристиками приемного тракта и исследуемым спектральным диапазоном. Скорость выбирается такой, чтобы соответствующие Фурье-частоты находились в оптимальной области частот приемного тракта. В результате время одного скана оказывается заданным (Тскана= L/V, где L -необходимое изменение оптической разности хода для реализации заданного разрешения). В случае слабого сигнала это время может оказаться недостаточным для получения приемлемого отношения сигнал/шум в восстановленном спектре. Эффективным приемом, улучшающим это отношение, является предварительное суммирование интерферограмм (или, гораздо реже, суммирование спектров).
Наличие точного механического привода в этих приборах позволяет измерять спектры с высоким разрешением, а поскольку инструментальные условия выдерживаются достаточно постоянными (благодаря чему величина сигнала в каждой точке интерферограммы после многих сканирований не изменяется), то усреднению в рассматриваемых спектрометрах подвергается интерферограмма. Последнее сокращает продолжительность вычисления, так как для получения окончательного спектра требуется лишь одно Фурье-преобразование суммарной пронормированной интерферограммы.
Сам метод накопления интерферограмм сводится к многократной регистрации интерферограммы. Значения отдельных интерферограмм, точно соответствующие одной и той же оптической разности хода, складываются. . Существенным фактором, определяющим возможность применения этого метода, является идентичность положения точек (по оптической разности хода), в которых происходит суммирование. В некоторых случаях для суммирования важным фактором оказываются также характеристики приемного тракта /58/.
Существенным элементом, определяющим работу всех обсуждаемых в этой главе Фурье-спектрометров, является устройство перемещения подвижного отражателя, выполненное в виде линейного двигателя с прямолинейной цилиндрической направляющей с газовой смазкой. Такая смазка обеспечивает низкий коэффициент трения ( 10"6), малое отличие сил трения при трогании с места от сил трения при движении и высокую их стабильность. Поэтому нет необходимости в большой мощности при вода и достаточно просто осуществляется стабилизация скорости перемещения подвижного отражателя. В результате такое устройство обеспечивает работу прибора в режиме непрерывного сканирования с хорошей воспроизводимостью интерферограммы, что и позволяет осуществлять их накопление.
Точность перемещения подвижного отражателя определяет коротковолновую границу рабочего диапазона спектрометра. Соответственно для случая К=2 мкм и диаметра отражателя D—60 мм угловые биения не должны превышать 2м.Малая величина угловых биений 6 (в реальном устройстве 0,5") обусловлена конструкцией направляющих пневмоподшипника, которая обеспечивает поступательное перемещение отражателя на 5-15 см (рис.23).
Пневмоподшипник представляет собой цилиндр 2 (каретку), помещенный в другой цилиндр 3 (направляющую) с зазором, составляющим 3 мкм на сторону. Внутренний цилиндр выполнен полым и в его полость подается газ (воздух или азот под давлением 1,5-2 атм), который через калиброванные отверстия в соплах 4 внутреннего цилиндра поступает в зазор, образуя газовую смазку. Из зазора газ выходит в окружающее пространство камеры интерферометра, оттуда откачивается форвакуумным насосом. На одном торце внутреннего цилиндра крепится отражатель 5, на другом - катушка двигателя 1;
Перемещается подвижный отражатель линейным двигателем, выполненным в виде соленоида, установленного в поле постоянного магнита. Движение соленоида является результатом взаимодействия тока в ее обмотке и поля постоянного магнита. Закон изменения тока определяет характер движения, а его амплитуда - величину скорости перемещения.
Специальное интерференционное устройство производит измерение текущей оптической разности хода в основном интерферометре и задает нулевую точку отсчета, его оптическая схема показана на рис.24. В качестве подвижного зеркала 1 этого вспомогательного интерферометра используется обратная сторона отражателя основного интерферометра. Вспомогательный интерферометр освещается двумя источниками излучения. Излучение гелий-неонового лазера 2 обеспечивает получение синусоидального сигнала, необходимого для точного контроля положения подвижного зеркала. В процессе измерения выборка отсчетов интерферограммы производится через равные интервалы перемещения зеркала в моменты, когда упомянутый синусоидальный сигнал обращается в нуль.
Фурье-спектрометр комбинационного рассеяния света инфра красного диапазона
Предварительный и масштабирующий усилители, элементы питания размещены в специальной металлической коробке, устанавливаемой на световоде рядом с криостатом. Используемый предварительный усилитель обладает коэффициентом усиления (1000-5000), полосой пропускания (3000-500000 Гц) и приведенным к входу уровнем шума (1-2 нВ/Гц). Масштабирующий усилитель имеет возможность программного управления коэффициентом усиления в пределах от 1 до 100, Для точной установки гелиевого сосуда с приемником излучения имеется специальная подставка с гостиро-вочными механизмами.
Вакуумная система прибора обеспечивает вакуум в рабочих камерах прибора до 10" мм.рт.ст. Рабочими камерами являются камера интерферометра, оптический переключатель и световоды, по которым исследуемое излучение направляется к интерферометру. Откачка атмосферных газов из камер производится в камере интерферометра и в световодах. Это позволяет придать гибкость вакуумной системе, дает возможность изменять ее. Места, в которых производится откачка газов, объединены общей вакуумной магистралью, откачиваемой одним форвакуумным насосом. В каждом месте откачки установлены отсечной клапан, клапан напуска и термопарный преобразователь, позволяющий измерять величину вакуума. Оптический переключатель откачивается через трубы, подводящие исследуемое излучение.
Для управления измерителями вакуума, а также для коммутации цепей питания элементов прибора БФС-01, используется блок энергоснабжения. Поскольку число вакуумных камер в приборе может быть увеличено до четырех (а каждая камера должна иметь клапаны напуска и отсечки, а также устройство измерения вакуума), то блок энергоснабжения рассчитан на управление четырьмя клапанами напуска (типа ZVE-A), четырьмя клапанами отсечки (типа VRE-15), двумя форвакуумными насосами (типа 2НВР-5ДМ) и четырьмя термопарными манометрическими преобразователями.
Блок энергоснабжения позволяет: - коммутировать общую цепь питания прибора БФС-01 220/380 В; -осуществлять коммутацию перечисленных цепей питания, как под управлением ЭВМ, так и в автономном режиме; - осуществлять контроль над коммутированными по командам управ ления напряжениями и наличием требуемой глубины вакуума в камерах, а также выводом соответствующих сигналов на систему световой индика ции и на разъем, связывающий блок энергоснабжения с ЭВМ. Управление элементами спектрометра, сбор и обработка полученных данных, а также отображение спектральной информации в удобном для экспериментатора виде осуществляются системой управления прибора БФС-01. Указанная система состоит (как упоминалось) из головной ЭВМ и интерфейсной аппаратуры. Головная ЭВМ предназначена для подготовки, загрузки и запуска программ, обслуживающих прибор, а также для хранения, обработки и вывода спектральной информации на внешние устройства. Интерфейсная аппаратура осуществляет непосредственное управление элементами прибора, съемом и первичной обработкой интерферо-грамм. В ее состав входят аналогово-цифровые преобразователи типа Ф-4233 (2 шт.) , источник напряжения +25 В (2 шт.), крейт КАМАК с аппаратурой. Аппаратура крейта КАМАК включает в себя крейт-контроллер К-16, микроЭВМ МП-MI, контроллер режимов работы, модули управления сканером и интерферометром, двухканальный накопитель, модули визуального контроля и сопряжения ВОКС, модуль регистров команд и состояний и ряд стандартных модулей (типа преобразователя 126, индикатора магистрали и т.п.). Связь головной ЭВМ и интерфейсной аппаратуры осуществляется по четырехпроводной линии связи. Со стороны интерфейсной аппаратуры линия подключена к терминальному разъему ЭВМ МП-MI. Через другой разъём ЭВМ МП-MI, предназначенный для вывода системной магистрали ЭВМ, осуществляется связь ЭВМ МП-МГ с крейт-контроллером КАМАК. Поскольку с обеих сторон четырехпроводной линии связи по входам имеются оптронные развязки, то линия связи надежно защищена от помех. Модуль управления сканером управляет двигателем постоянного тока, имеющим датчик величины скорости импульсного типа (контрольный диск с отверстиями, помещенный между светодиодом и фотодиодом). Модуль задает величину скорости вращения сканера, вырабатывает сигнал ошибки в процессе регулирования, контролирует точность управления и идентифицирует количество сбойных ситуаций. Модуль управления интерферометром управляет с помощью шаговых двигателей оптико-механическими устройствами интерферометра (положением неподвижных отражателей в плечах обоих интерферометров, положением оптического переключателя). Двухканалъный накопитель предназначен для временного хранения и первичной обработки принятой от АЦП цифровой информации. Модуль может принимать входную информацию (выборки интерферо-граммы) в виде слов размером до 16 бит в нормальном дополнительном коде, суммировать до 256 сложных выборок, записывать полученные данные в массив памяти размером 64К 32-разрядных слов, производить суммирование аналогичных выборок последовательно, регистрируемых ин-терферограмм до 4096 раз.
