Способ дисперсионной фурье-спектрометрии в непрерывном широкополосном излучении


 


Владельцы патента RU 2468344:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) (RU)

Изобретение относится к оптическим методам исследования материалов, а именно к определению спектров комплексной диэлектрической проницаемости или оптических постоянных. Способ заключается в размещении в каждом плече двухлучевого интерферометра по одному идентичному герметичному контейнеру с прозрачными окнами, в одном из которых в измерительном плече размещают прозрачный образец исследуемого вещества. В контейнере опорного плеча размещают эталонное тело, толщиной, равной толщине образца, и изготовленное из вещества, с показателем преломления n0, монотонно зависящим от частоты излучения и отличающимся от показателя преломления исследуемого вещества n в пределах полосы излучения не более чем на величину (n-n0)=λmin/a, где а - расстояние, проходимое излучением в образце, λmin - минимальная длина волны излучения. Пропускают через оба контейнера излучение и дискретно регистрируют интерферограмму, формируемую на выходе интерферометра при изменении разности оптических путей излучения в опорном и измерительном плечах по заданному закону. Обрабатывают полученную интерферограмму с помощью полного Фурье-преобразования. Изобретение позволяет повысить точность измерений и расширить класс исследуемых веществ. 1 ил.

 

Изобретение относится к оптическим методам исследования материалов, а именно - к определению спектров комплексной диэлектрической проницаемости или оптических постоянных (показателя преломления n и показателя поглощения k) вещества в результате одновременных амплитудно-фазовых измерений в рабочем диапазоне частот зондирующего излучения и может найти применение в оптических исследованиях физико-химических процессов, в дисперсионной спектроскопии, в оптической контрольно-измерительной аппаратуре и рефрактометрии материалов.

Дисперсионная Фурье-спектроскопия (ДФС) позволяет определять в результате амплитудно-фазовых измерений частотные зависимости n и k (связанные известными соотношениями с комплексной диэлектрической проницаемостью) образца в оптическом диапазоне при использовании широкополосных источников излучения [1, 2].

Амплитудно-фазовая Фурье-спектроскопия, являющаяся разновидностью ДФС, основана на анализе интерференционной картины, образованной в параллельных пучках широкополосного излучения, один из которых взаимодействует с образцом. Для получения информации о спектрах амплитуд и фаз излучения выполняют полное (косинусное и синусное) Фурье-преобразование интерферограммы, полученной при изменении разности хода опорного и измерительного пучков.

Известен способ асимметричной дисперсионной Фурье-спектрометрии, включающий размещение образца в одном плече (измерительном) двухлучевого статического интерферометра, воздействие на образец перестраиваемым по частоте монохроматическим излучением, дискретную регистрацию интерферограммы, формируемой на выходе интерферометра при изменении разности оптических путей излучения в опорном и измерительном плечах по заданному закону, математическую обработку полученной интерферограммы с помощью полного Фурье-преобразования [3]. Основным недостатком известного способа является большая продолжительность и низкая точность измерений, что обусловлено необходимостью дискретной перестройки источника по частоте и многократного повторения процедуры измерений на каждой частоте излучения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ дисперсионной Фурье-спектрометрии в широкополосном излучении, включающий размещение в каждом из плеч двухлучевого интерферометра по одному идентичному герметичному контейнеру с прозрачными окнами, размещение в контейнере измерительного плеча образца исследуемого вещества, пропускание через оба контейнера непрерывного широкополосного излучения, дискретную регистрацию интерферограммы, формируемой на выходе интерферометра при изменении разности оптических путей излучения в опорном и измерительном плечах по заданному закону, математическую обработку полученной интерферограммы с помощью полного Фурье-преобразования [4]. Основным недостатком известного способа является низкая точность измерений, что обусловлено неоднозначностью по целому числу 2π при определении фазового набега Δφ излучения в образце исследуемого вещества и малостью длины взаимодействия излучения с веществом при ограничении Δφ величиной 2π.

Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является повышение точности измерений и расширение класса исследуемых веществ и образцов.

Технический результат достигается тем, что в известном способе дисперсионной Фурье-спектрометрии в широкополосном излучении, включающем размещение в каждом плече двухлучевого интерферометра по одному идентичному герметичному контейнеру с прозрачными окнами, размещение в контейнере измерительного плеча прозрачного образца исследуемого вещества, пропускание через оба контейнера излучения, дискретную регистрацию интерферограммы, формируемой на выходе интерферометра при изменении разности оптических путей излучения в опорном и измерительном плечах по заданному закону, математическую обработку полученной интерферограммы с помощью полного Фурье-преобразования, в контейнере опорного плеча размещают эталонное тело, толщиной, равной толщине образца, и изготовленное из вещества, с показателем преломления n0, монотонно зависящим от частоты излучения и отличающимся от показателя преломления исследуемого вещества n в пределах полосы излучения не более чем на величину (n-n0)=λmin/a, где a - расстояние, проходимое излучением в образце, λmin - минимальная длина волны излучения.

Повышение точности измерений заявляемым способом достигается в результате устранения неоднозначности по целому числу 2π и увеличения пути излучения в исследуемом веществе. Повышение точности становится возможным благодаря наличию в контейнерах веществ с близкими показателями преломления в пределах полосы частот излучения (это различие Δn не должно превышать λmin/a, где а - расстояние, проходимое излучением в образце, λmin - минимальная длина волны излучения) и равенству расстояний, проходимых излучением в контейнерах. Действительно, в этом случае изменение разности фаз Δφ для составляющей излучения с данной длиной волны λ в интерферирующих пучках оказывается равным не Δφ=k0·(n-1)·a как в способе-прототипе (где k0=2π/λ; n - показатель преломления исследуемого вещества на данной λ), а-Δφ=k0·Δn·a. Но, поскольку в заявляемом способе Δn мало, то равенство Δφ=2π будет достигаться при а, значительно большем, по сравнению с прототипом. Таким образом, заявляемый способ позволяет увеличить длину взаимодействия излучения с исследуемым веществом, что обуславливает повышение точности измерения коэффициента его поглощения.

Расширение класса исследуемых веществ и образцов обеспечивается также благодаря размещению в контейнере опорного плеча интерферометра вещества с показателем преломления, близким к показателю преломления исследуемого вещества в полосе частот излучения, поскольку в этом случае расстояние а, проходимое излучением в исследуемом веществе при выполнении условия Δφ≤2π, становится в (n-1)/Δn раз больше, по сравнению с прототипом. Поэтому заявляемым способом можно исследовать не только тонкие, но и протяженные образцы (расширение класса исследуемых образцов), а также - и оптически более плотные материалы (расширение класса исследуемых веществ).

На фиг.1 приведена схема спектрометра, позволяющего реализовать заявляемый способ, где цифрами обозначены: 1 герметичный контейнер с прозрачными окнами, заполняемый исследуемым веществом; 2 герметичный контейнер с прозрачными окнами, заполняемый веществом с известной зависимостью его показателя преломления от частоты излучения; 3 источник широкополосного немонохроматического излучения; 4 светоделитель; 5 линия задержки, состоящая из неподвижного 5а и подвижного 5б уголковых отражателей, обеспечивает сканирование разности оптических путей интерферирующих пучков; 6 плоское зеркало, 7 плоское зеркало, размещенное в контейнере 1; 8 светоделитель, размещенный в контейнере 2 и сопряженный с зеркалом 7; 9 линия задержки, состоящая из неподвижного 9а и подвижного 9б уголковых отражателей, обеспечивает сохранность когерентности соответственных монохроматических компонент в интерферирующих пучках; 10 фотоприемное устройство (ФПУ); 11 блок обработки информации, способный выполнять полное Фурье-преобразование регистрируемой в ходе сканирования интерферограммы.

Способ осуществляется следующим образом. В контейнере 1 размещают прозрачный образец исследуемого вещества, а в контейнере 2 - эталонное тело, толщиной, равной толщине образца, и изготовленное из вещества, с нормальной дисперсией и известной зависимостью показателя преломления n0 от частоты, который мало отличается от показателя преломления исследуемого вещества n в пределах полосы излучения. Коллимированное излучение источника 3 поступает на светоделитель 4 и разделяется им на два пучка - опорный и измерительный. Линия задержки 5, сканированием по заданному закону отражателя 5б, осуществляет заданное изменение оптической разности хода интерферирующих пучков. Прошедший через линию 5 пучок измерительного плеча интерферометра отражается зеркалом 6 и направляется на входное окно контейнера 1, в котором он взаимодействует с исследуемым веществом, отражается зеркалом 7 и, выйдя из контейнера 1 через его другое окно, падает на светоделитель 8. На противоположную сторону делителя 8 через окно контейнера 2 поступает прошедшее через линию 9 излучение из опорного плеча. Совмещенные делителем 8 пучки из обоих плеч выходят из контейнера 2 через его третье окно и направляются на вход ФПУ 10, регистрирующего интерференционную интенсивность излучения. Генерируемый устройством 10 электрический сигнал поступает в блок обработки информации 11.

До начала измерений отражатель 5б устанавливают в среднее (в пределах его хода) положение. Число N положений отражателя 5б, пропорциональное частотному разрешению спектрометра, выбирают исходя из требований к точности измерений. Кроме того, изменяя с помощью линии 9 разность оптических путей пучков, добиваются максимальной видности интерференционной картины.

Зарегистрировав в блоке 11 интерферограмму, представляющую собой совокупность значений интерференционного сигнала при N положениях отражателя 5б, выполняют полное Фурье-преобразование интерферограммы и получают фазовый и амплитудный спектры исследуемого вещества в диапазоне частот излучения источника 1. Для повышения соотношения "полезный сигнал/шум" такие измерения выполняют многократно, находят средние значения сигналов в точках отсчета, совокупность которых представляет собой усредненную интерферограмму, которая и подвергается полному Фурье-преобразованию. Кроме того, для дополнительного повышения отношения "полезный сигнал/шум" в процессе измерений может быть применена также известная методика фазовой модуляции интерференционного сигнала путем колебаний отражателя 5б, что позволяет реализовать селективную регистрацию электрического сигнала с выхода ФПУ 10 на частоте фазовой модуляции.

В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность получения с помощью описанного выше прибора спектров n и k воды, находящейся при температуре 18°C, в диапазоне λ, от 0,4 мкм до 0,8 мкм. В качестве источника излучения со сплошным спектром выберем нить лампы накаливания при температуре 2000°C, снабженную соответствующим полосовым фильтром. Учитывая, что показатель преломления воды n при λ=0,4 мкм равен приблизительно 1,4 [5], в качестве эталонного тела, помещаемого в контейнер опорного плеча, выберем такую же воду, но находящуюся при температуре 60°C, и показатель преломления которой n0 меньше n на величину Δn≈1,5·10-4 [6]. Тогда расстояние а, проходимое излучением в образце, не должно превышать 2,7 мм, чтобы выполнить условие Δφ=k0·Δn·a≤2π (где k0 соответствует λ=0,4 мкм). В случае же применения способа-прототипа, когда контейнер в опорном плече заполнен воздухом, условие Δφ≤2π будет выполнено при a≤1 мкм, поскольку Δn в этом случае равно 0,4. Следовательно, расстояние, проходимое излучением в воде, при применении заявляемого способа, будет в 2700 раз больше, чем в прототипе. В соответствующее число раз уменьшится ошибка определения как n, так и k для воды в рабочем диапазоне длин волн излучения.

Таким образом, в результате увеличения расстояния, проходимого излучением в исследуемом веществе, и ликвидации неоднозначности по целому числу 2π, применение заявляемого способа позволяет как повысить точность измерений, так и расширить класс исследуемых веществ и образцов.

Источники информации

1. Золотарев В.М. Методы исследования материалов фотоники: элементы теории и техники. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. - 275 с.

2. Креницкий А.П. Проблемы измерения диэлектрических характеристик нано- и микроразмерных сред в терагерцевом диапазоне частот // Успехи современной радиоэлектроники, 2008, №9, с.30-35.

3. Егорова Л.В., Ермаков Д.С., Кувалкин Д.Г., Таганов O.K. Фурье-спектрометры статического типа // Оптико-механическая промышленность, 1992, №2, с.3-14.

4. Birch J.R., Parker T.J. Dispersive Fourier Transform Spectroscopy, Ch.3 in "Infrared and Millimeter Waves", v.2. Ed. by K.J.Button, Academic Press, N.Y. 1979, p.137-271 (прототип).

5. Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. Справочник // Л.: Химия, 1984. - с.15.

6. Abbate G., Bernini U., Ragozzino E. and Somma F. The temperature dependence of the refractive index of water // J. Phys. D, 1978, v.11, p.1167-1172.

Способ дисперсионной Фурье-спектрометрии в непрерывном широкополосном излучении, включающий размещение в измерительном и опорном плечах двухлучевого интерферометра по одному идентичному герметичному контейнеру с прозрачными окнами, размещение в контейнере измерительного плеча прозрачного образца исследуемого вещества, пропускание через оба контейнера излучения, дискретную регистрацию интерферограммы, формируемой на выходе интерферометра при изменении разности оптических путей излучения в опорном и измерительном плечах по заданному закону, математическую обработку полученной интерферограммы с помощью полного Фурье-преобразования, отличающийся тем, что в контейнере опорного плеча размещают эталонное тело, толщиной, равной толщине образца, и изготовленное из вещества, с показателем преломления n0, монотонно зависящим от частоты излучения и отличающимся от показателя преломления исследуемого вещества n в пределах полосы излучения не более чем на величину (n-n0)=λmin/a, где а - расстояние, проходимое излучением в образце, λmin - минимальная длина волны излучения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к области спектрометров-детекторов электромагнитного излучения, работающих в гигагерцовом-терагерцовом диапазонах частот. .

Изобретение относится к спектрометрии. .

Изобретение относится к оптической низкокогерентной рефлектометрии со спектральным способом приема и может быть использовано для получения изображения, свободного от когерентных помех, связанных с наличием самоинтерференции рассеянного от объекта исследования излучения и наличием паразитных отражений в оптическом тракте системы.

Изобретение относится к области интерференционной спектроскопии, предназначено для оценки, по меньшей мере, одного химического и/или физического свойства образца или пробы и предлагает альтернативную стратегию корреляции интерференционной информации с химическими и/или физическими свойствами образца, а также способ стандартизации интерферометра.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для регистрации ИК изображений объектов в любых произвольно выбранных узких спектральных полосах, находящихся внутри рабочего спектрального диапазона устройства.

Изобретение относится к области оптического приборостроения. .

Изобретение относится к области технической физики, связанной с разработкой видеоспектральной аппаратуры, предназначенной в первую очередь для решения задач дистанционного зондирования Земли с подвижных платформ.

Изобретение относится к оптическим методам исследования поверхности металлов и полупроводников

Изобретение относится к технической области дистанционного обнаружения веществ и, более конкретно, касается обнаружения аэрозолей или загрязняющих веществ в атмосфере

Изобретение может быть использовано для регистрации спектров источников излучения, в том числе для регистрации малых атмосферных примесей с подвижных носителей. Фурье-спектрометр построен на основе двухлучевого интерферометра с поперечным сдвигом интерферирующих лучей и содержит расположенные по ходу луча входную апертуру, входной объектив, двухлучевой интерферометр с поперечным сдвигом интерферирующих лучей, Фурье-объектив и многоэлементное матричное фотоприемное устройство. Между входной апертурой и входным объективом, а также между Фурье-объективом и многоэлементным матричным фотоприемным устройством установлены под одинаковыми углами к оптической оси плоские поворотные зеркала, снабженные интегрированной электроприводной динамической системой. Оси поворота зеркал лежат в плоскости самих зеркал, проходят через оптическую ось и перпендикулярны плоскости, в которой имеет место поперечный сдвиг интерферирующих лучей. Технический результат - повышение спектрального разрешения и упрощение системы сканирования. 1 ил.

Изобретение относится к области бесконтактного исследования поверхности металлов оптическими методами, а именно к способу измерения длины распространения поверхностных плазмонов, направляемых этой поверхностью. Способ включает измерение интенсивности излучения вдоль трека плазмонов и расчет значения длины распространения по результатам измерений. При этом проводят измерение интенсивности объемного излучения, порожденного плазмонами на естественных неоднородностях поверхности, представляющих собой статистически равномерно распределенные вариации оптических постоянных и шероховатости. Измерения осуществляют за пределами поля плазмонов. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 1 ил.

Способ включает регистрацию оптического спектра суммы интерферирующих волн при различных значениях взаимной задержки, выделение модулирующих функций, соответствующих взаимным задержкам, определение нелинейности распределения их фазы, вычисление корректирующей таблицы, регистрацию оптического спектра суммы интерферирующих волн с неизвестными взаимными задержками, применение корректирующей таблицы к оптическому спектру. Рассчитывают сегментированную корректирующую таблицу с уменьшенным числом определяемых отсчетов регистрируемых оптических частот, разбивают зарегистрированный массив на соответствующие сегменты, вычисляют пространственные распределения для каждого сегмента с применением преобразования Фурье, домножают каждое распределение на значения сегментированной корректирующей таблицы, вычисляют восстановленные значения амплитуды оптического спектра с применением обратного преобразования Фурье и комбинируют путем сложения восстановленные значения для получения спектральных отсчетов, эквидистантных по оптической частоте. Технический результат - исключение искажений формы аппаратной функции при использовании Фурье-обработки регистрируемых значений оптических спектров. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа компенсации дрейфа частоты опорного источника энергии в спектрометрическом приборе на основе FT-интерферометра. Способ включает в себя получение в арифметический блок данных, собранных в ответ на запускающий сигнал, который был сгенерирован для отражения положения движущегося оптического элемента интерферометра, и представляющих собой опорную интерферограмму, получение данных, представляющих собой целевую интерферограмму, записанную FT-интерферометром в ответ на запускающий сигнал, который был сгенерирован для отражения положения движущегося оптического элемента интерферометра. Опорная и целевая интерферограммы сравниваются в арифметическом блоке для определения сдвига по фазе между интерферограммами по меньшей мере в одной области вдали от центрального всплеска. На основе полученных данных в арифметическом блоке генерируется математическое преобразование, зависящие от величины фазового сдвига или сдвигов. Математическое преобразование используется для управления действием спектрометрического прибора для получения интерферограммы неизвестного образца. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области измерения спектральных характеристик объекта, которые позволяют неинвазивно измерять биологические компоненты или оценивать дефекты полупроводника. Изобретение обуславливает вхождение измерительного света, излучаемого из объекта, подлежащего измерению, в блок неподвижных зеркал и блок подвижных зеркал и формирует свет, полученный интерференцией измерительного света, отраженного блоком неподвижных зеркал, и измерительного света, отраженного блоком подвижных зеркал. Одновременно с этим изменение интенсивности света, полученного интерференцией измерительного света, получается путем перемещения блока подвижных зеркал и интерферограмма измерительного света получается на основании этого изменения. В то же время обуславливается вхождение опорного света узкого диапазона длин волны, включенного в диапазон длин волны измерительного света, в блок неподвижных зеркал и блок подвижных зеркал и формируется свет, полученный интерференцией опорного света, отраженного блоком неподвижных зеркал, и опорного света, отраженного блоком подвижных зеркал. При этом блок подвижных зеркал перемещается для коррекции интерферограммы измерительного света на основании амплитуды изменения света, полученного интерференцией опорного света, и на основании разности фаз между измерительным светом, который имеет ту же длину волны, что и опорный свет в измерительном свете, и опорным светом, и на основании скорректированной интерферограммы получается спектр измерительного света. Изобретение позволяет с высокой точностью измерять спектральные характеристики объекта, подавляя влияние возмущений. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается интерферометра Майкельсона с колеблющимися зеркалами. Интерферометр включает в себя n зеркал, причем n≥2. Зеркала выполнены с возможностью при колебании на частоте Ω обеспечить изменение оптической разности хода во времени по закону , где δxi=2Ai/cosθi - амплитуда колебаний оптической разности хода от i-го зеркала, которое колеблется с амплитудой Ai, фазовым сдвигом φi и отражает свет под углом θi. Технический результат заключается в повышении спектрального разрешения. 2 н. и 5 з.п. ф-лы. 3 ил.

Изобретение относится к области спектроскопии и касается спектроскопического прибора. Спектрометрический прибор включает в себя сканирующий интерферометр. Интерферометр включает в себя светоделитель, источник монохроматического опорного излучения и источник наблюдаемого излучения. Опорный луч распространяется по первой траектории и падает на лицевую поверхность светоделителя. Наблюдаемое оптическое излучение распространяется по второй траектории, падает на лицевую поверхность светоделителя и перекрывается с опорным пучком на первой лицевой поверхности светоделителя. Траектории распространения опорного и наблюдаемого лучей расположены относительно друг друга под углом большим, чем половинный угол расходимости наблюдаемого луча. Технический результат заключается в повышении полной мощности наблюдаемого луча. 2 н. и 6 з.п. ф-лы. 4 ил.
Наверх