Акустооптический спектрометр

 

Изобретение относится к акустооптике, а именно к устройствам для спектрального анализа сигналов в оптическом диапазоне длин волн. Сущность изобретения: акустооптический спектрометр содержит формирующую оптику, акустооптический фильтр, фотодетектор, установленные последовательно по ходу светового пучка, блок управления, поключенный к акустооптическому фильтру, и регистратор, подключенный к фотодетектору и блоку управления. Он снабжен преобразователем поляризации, генератором сигнала, инвертирующим усилителем, первой и второй ключевыми схемами, интегратором с временем интегрирования по крайней мере в два раза больше периода колебаний генератора сигнала, причем преобразователь поляризации установлен перед акустооптическим фильтром и подключен к выходу генератора сигнала, к которому подключены также управляющий вход первой ключевой схемы и через инвертирующий усилитель управляющий вход второй ключевой схемы, сигнальные входы первой и второй ключевых схем и интегратора подключены к выходу фотодетектора, а их выходы - к входам регистратора, при этом второй выход блока управления подключен к генератору сигнала. 2 ил.

Изобретение относится к акустооптике, а именно к устройствам измерения спектральных характеристик оптических сигналов, и может быть использовано в различных областях народного хозяйства для исследования характеристик материалов, источников света, атмосферы, подстилающей поверхности Земли и т. п.

Известны спектрометры, включающие формирующую оптику, диспергирующий элемент (дифракционная решетка или призма), фотодетектор и регистратор [1].

Недостатками известных спектрометров являются малая скорость перестройки в рабочем диапазоне из-за необходимости механического поворота диспергирующего элемента относительно приемной щели фотодетектора, ограниченные функциональные возможности по измерению поляризационных свойств входного излучения, что сказывается и на точностных характеристиках приборов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является акустооптический спектрометр, включающий формирующую оптику, акустооптический фильтр (АОФ) с блоком управления, фотодетектор и регистратор, связанный с выходом фотодетектора и блоком управления [2]. В акустооптическом спектометре световое излучение формируется входной оптикой в пучок с малой расходимостью (1-2^о) и направляется на вход АОФ. АОФ включает в себя два скрещенных (входной и выходной) поляризатора, между которыми помещен светозвукопровод с ультразвуковым преобразователем. С помощью перестраиваемого генератора высокой частоты, являющегося составной частью блока управления, в светозвукопроводе ультразвуковым преобразователем возбуждается ультразвуковая волна, коллинеарная световому пучку. При акустооптическом взаимодействии в светозвукопроводе поляризация светового сигнала для одной длины волны, отвечающей условию синхронизма света и звука, изменяется на ортогональную и проходит на выход фильтра. Поляризация светового излучения других длин волн остается без изменения, и оно на выход АОФ не проходит. Фотодетектор преобразует световой сигнал в электрический, который и регистрируется в регистраторе. Перестройка генератора высокой частоты осуществляется блоком управления. Управляющий сигнал с блока управления поступает также на регистратор для задания координаты "длина волны".

Недостатком данного акустооптического спектрометра является невысокая точность измерений, обусловленная поляризационной избирательностью АОФ. Для получения полной информации о характере сигнала необходимо измерять или обе поляризационные составляющие спектра, или энергетические характеристики сигнала независимо от его поляризационных свойств, что не возможно в данной конструкции спектрометра.

Целью изобретения является повышение точности измерения спектров излучения оптических сигналов за счет измерения обоих поляризационных составляющих и энергетических характеристик сигнала.

Для достижения цели акустооптический спектрометр, включающий формирующую оптику, АОФ, фотодетектор, установленные последовательно по ходу светового пучка, блок управления, подключенный к АОФ, и регистратор, подключенный к фотодетектору и блоку управления, снабжен преобразователем поляризации, генератором сигнала, инвертирующим усилителем, первой и второй ключевыми схемами, интегратором с временем интегрирования, по крайней мере в два раза большим периода колебаний генератора сигнала, причем преобразователь поляризации установлен перед АОФ и подключен к выходу генератора сигнала, к которому подключены также управляющий вход первой ключевой схемы и через инвертирующий усилитель управляющий вход второй ключевой схемы, сигнальные входы первой и второй ключевых схем и интегратора подключены к выходу фотодетектора, а их выходы - к входу регистратора, при этом второй выход блока управления подключен к генератору сигнала.

Существенными отличиями заявляемого акустооптического спектрометра являются включение в состав спектрометра новых элементов - преобразователя поляризации, генератора сигнала, двух ключевых схем, инвертирующего усилителя, интегратора; установка преобразователя поляризации перед АОФ по ходу светового пучка; выбор постоянной времени интегратора, по крайней мере в два раза большей периода колебаний генератора сигнала; соединения элементов схемы, обеспечивающие функционирование спектрометра.

На фиг. 1 схематически представлена схема акустооптического спектрометра; на фиг. 2 приведены спектро- и осциллограммы сигналов на выходах элементов схемы.

Спектрометр содержит формирующую оптику 1, АОФ 2, блок 3 управления, фотодетектор 4, регистратор 5, преобразователь 6 поляризации, генератор 7 сигнала, инвертирующий усилитель 8, интегратор 9 и две ключевые схемы 10 и 11.

Преобразователь 6 поляризации установлен перед АОФ и подключен к выходу генератора 7 сигнала. Выход фотодетектора 4 подключен к сигнальным входам интегратора 9, первый и второй ключевых схем 10 и 11, выходы которых подключены к разъему регистратора 5. На управляющие входы ключевых схем подаются сигналы с выхода генератора 7 сигнала, причем на вторую ключевую схему сигнал подается через инвертирующий усилитель 8.

Фоpмирующая оптика 1 содержит коллиматор из двух линз и точечной диафрагмы, обеспечивающий расходимость светового пучка не более 2^о. АОФ содержит два скрещенных поляризатора - призмы Глана и светозвукопровод из прямоугольного бруска кварца Х-среза, ориентированного вдоль оси Х с точностью 1,5. Ультразвуковой преобразователь продольной ультразвуковой волны нанесен на одну из граней светозвукопровода. В блоке 3 управления имеются генератор высокой частоты, обеспечивающий на нагрузке ультразвукового преобразователя мощность ≈ 4-5 Вт в диапазоне 60-140 МГц, и схема его перестройки в этом диапазоне. Сигнал постоянного напряжения, пропорциональный частоте ультразвука, а следовательно, и длине волны настройки (пропускания) АОФ, подается с выхода блока управления на регистратор 5 и генератор 7 сигнала. Фотодетектором 4 служит фотоэлектронный умножитель ФЭУ-69 с блоком питания. Может быть использован и фотодиод ФД-24 в зависимости от уровней исследуемых сигналов.

Регистратором 5 служит трехканальный самописец. По одной координате самописца откладывается длина волны нанометрах, а по другой - амплитуда сигнала с выхода интегратора и ключевых схем. Преобразователь 6 поляризации служит для периодического вращения плоскости поляризации входного сигнала с частотой, определяемой генератором 7 сигнала. Преобразователь поляризации выполнен из пластины плавленного кварца, склеенной с пьезоэлектрическим преобразователем, подключенным к выходу генератора сигнала. Амплитуда сигнала на пьезоэлектрическом преобразователе выбрана из условия поворота плоскости поляризации входного сигнала на угол 90^о за счет наведенного двулучепреломления. Размеры пластин 30х20х10 мм.

Генератор 7 сигнала собран на транзисторах, причем пьезоэлектрический преобразователь включен в цепь обратной связи генератора. Поскольку частота вращения плоскости поляризации в кварцевой пластине в два раза выше частоты сигнала, подаваемого на пьезоэлектрический преобразователь, в генераторе сигнала имеется удвоитель частоты. Именно с выхода удвоителя частоты генератора 7 сигнала подается напряжение на управляющие входы ключевых схем 10 и 11.

Усилитель-инвертор 8 собран на транзисторах и обеспечивает при коэффициенте усиления 1 инвертирование сигнала с выхода генератора 7. Интегратор 9 - RC-цепочка в нагрузке эмиттерного повторителя, обеспечивающего развязку для ключевых схем 10 и 11. Ключевые схемы, собранные на микросхемах с эмиттерными повторителями на входе и интегрирующими цепочками на выходе, обеспечивают регулируемую временную выборку сигналов фотодетектора, синхронизированную с работой преобразователя 6 поляризации.

Акустооптический спектрометр работает следующим образом.

Световой пучок с расходимостью, определяемой формирующей оптикой 1, имеющий в общем случае две поляризационные составляющие, направляется на вход АОФ 2 с входным поляризатором. При включенном генераторе 7 сигнала преобразователь 6 поляризации периодически поворачивает плоскость поляризации входного сигнала и через входной поляризатор АОФ 2 поочередно проходят поляризационные составляющие входного сигнала. АОФ пропускает на фотодетектор 4 составляющие входного сигнала на длине волны, определяемой частотой колебаний генератора высокой частоты в блоке 3 управления. На выходе интегратора 9, подключенного к фотодетектору, при времени интегрирования, значительно большем периода колебаний генератора 7 сигнала, регистрируется сигнал, пропорциональный полусумме обеих поляризационных составляющих спектра сигнала на длине волны пропускания АОФ. На выходах ключевых схем 10 и 11, осуществляющих выборку сигнала, синхронизованную состоянием преобразователем 6 поляризации, регистрируются сигналы, пропорциональные поляризационным составляющим спектра. Периодический поворот плоскости поляризации входного сигнала, осуществляемый преобразователем 6 поляризации, должен быть равен 90^о, что достигается регулировкой амплитуды напряжения с выхода генератора 7 сигнала на пластинах пьезоэлектрического преобразователя.

Небольшая коррекция амплитуды этого напряжения в рабочем спектральном диапазоне спектрометра осуществляется автоматически при подаче с выхода блока 3 управления постоянного напряжения на вход генератора 7 сигнала. Величина постоянного напряжения однозначно связана с длиной волны настройки АОФ и устанавливается при его начальной настройке.

На фиг.2а приведены исходные спектрограммы двух поляризационных составляющих входного сигнала; на фиг.2б - спектрограмма сигнала с выхода интегратора; на фиг.2в - осциллограмма сигнала на выходе фотодетектора для фиксированной длины волны λ_o; на фиг.2г - осциллограммы управляющих сигналов, подаваемых на ключевые схемы с генератора сигналов, и регулируемый порог срабатывания ключевых схем; на фиг.2д - спектрограммы сигналов с выхода ключевых схем, повторяющих с точностью до постоянного множителя характеристики поляризационных составляющих входного сигнала.

Предлагаемый акустооптический спектрометр приобретает важное свойство - возможность измерения обеих поляризационных составляющих и спектральных энергетических характеристик входного сигнала, не зависящих от поляризационных свойств, что естественно сказывается на точности - полноте получаемой информации об исследуемом сигнале.

Сфера применения акустооптического спектрометра многообразна: исследование спектров оптических сигналов, источников излучения, свойств материалов по рассеянному, отраженному или пропущенному материалом излучению, концентрации растворенных веществ, их элементный состав и т.п.

Технико-экономический эффект от использования изобретения выражается в повышении информационных свойств спектрометра, в возможности использовать один прибор вместо двух для одновременного измерения поляризационных и энергетических спектральных характеристик сигналов, в возможности проведения корректных спектрополяриметрических измерений при исследовании кристаллов, двулучепреломляющих материалов. Реализован образец спектрометра, работающий в диапазоне 0,4-0,8 мкм с полосой пропускания 0,2-0,4 нм, обеспечивающий дополнительные по сравнению с прототипом возможности по исследованию спектров оптических сигналов.

Формула изобретения

АКУСТООПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОМЕТР, включающий оптически связанные формирующую оптику, акустооптический фильтр и фотодетектор, блок управления, подключенный к акустооптическому фильтру, и регистратор, соединенный с фотодетектором и блоком управления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения спектров оптических сигналов, он содержит преобразователь поляризации, генератор сигнала, инвертирующий усилитель, первую и вторую ключевые схемы и интегратор, выполненный так, что время интегрирования по крайней мере в два раза больше периода колебаний генератора сигнала, причем преобразователь поляризации установлен между формирующей оптикой и акустооптическим фильтром и соединен с входом генератора сигнала, один выход которого соединен с управляющим входом первой ключевой схемы через инвертирующий усилитель, а второй выход - с управляющим входом второй ключевой схемы, входы первой и второй ключевых схем и интегратора соединены с выходами фотодетектора, а их выходы - с входами регистратора, при этом второй выход блока управления подключен к генератору сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2