ДВУЛУЧЕВОЙ ОПТИЧЕСКИ КОМПЕНСИРОВАННЫЙ ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТР
DOUBLE-BEAM OPTICAL COMPENSATED FOURIER SPECTROMETRE

Область применения
Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению и может быть использовано в метрологии, а также для исследования неоднородных и находящихся в нестационарном состоянии объектов.
Уровень техники
Спектральные измерения обычно включают измерение двух спектров: образца и эталона. Измерение эталона требует точного измерения спектрального отклика спектрометра. В самом простом случае применяется "однолучевой метод". Спектр образца регистрируется после регистрации спектра эталона. Спектр пропускания образца, в котором устранены все характеристики отклика спектрометра, получают делением спектра образца на спектр эталона. Однолучевой метод имеет внутренне присущие ему недостатки, обусловленные дрейфом и нестабильностью всех элементов, включенных в процесс измерения: дрейфом интенсивности источника излучения, нестабильностью интерферометра, нестабильностью сопряженной оптики, в частности оптоволоконных зондов, погрешностями приемника излучения, АЦП и т.д. Кроме того, на погрешность результатов измерений сильно влияет окружающая среда (температура, влажность, вибрации, акустика, электромагнитный фон и прочее). Поэтому желательно уменьшать время между измерениями образца и эталона или, если возможно, исключить этот временной интервал полностью. Одной из существенных особенностей интерферометров, применяемых в Фурье-спектрометрах является то, что входящий в него пучок излучения делится на два. В общем случае, если в интерферометре в качестве отражателей применяются плоские зеркала, то один из этих пучков возвращается к источнику излучения, пространственно накладывается на входящий пучок, и таким образом не доступен для спектральных измерений. В этом случае только один пучок доступен для измерения спектра. Если на его пути поместить образец, а далее приемник излучения, то можно зарегистрировать интерферогамму, из которой с помощью математической обработки можно получить спектр. Сигнал интерферограммы, который возвращается к источнику, в идеальном случае точно сопряжен с сигналом интерферограммы, выходящим из другого порта интерферометра, таким образом, что когда один сигнал имеет положительное значение, то другой имеет отрицательное значение такой же величины. Эта особенность интерферометра очень привлекательна для создания двулучевого оптически компенсированного Фурье-спектрометра. Если один из пучков направить на референтный эталон (канал сравнения), а второй на исследуемый образец, то разностный сигнал позволяет измерить непосредственно спектральные отличия образца от референтного эталона. Это происходит, потому что две интерферограммы точно компенсируют друг друга за исключением малой разницы, относящейся к спектральным отличиям образца от референтного эталона. Ранее предпринимались многочисленные попытки создания такого двулучевого оптически компенсированного Фурье-спектрометра. Первоначально, для того чтобы разделить входящий в интерферометр луч и луч, возвращающийся из интерферометра, производили небольшую разъюстировку плоского зеркала интерферометра [1-2]. Так как разъюстировка не могла быть стабильной, то две интерферограммы не могли компенсироваться в полной мере и сохраняться неизменной во времени. Появление в начале 80-х годов прошлого века уголковых отражателей достаточной точности для применения в интерферометрах Фурье-спектрометров дали новый импульс возобновить попытки развития двулучевых оптически компенсированных Фурье-спектрометров [3]. Интерферометр с уголковыми отражателями позволяет пространственно разделить входящий луч и луч, возвращающийся к источнику. Таким образом, лучи, которые попадают на нижнюю часть уголкового отражателя, выходят из верхней его части и наоборот. Если излучение входит в нижнюю часть интерферометра, то оба пучка, выходящие из интерферометра, идут из верхней его половины, и могут быть оба использованы для спектроскопических измерений. Такая конфигурация обеспечивает две пространственно разнесенные интерферограммы на выходах интерферометра. Одна интерферограмма может пройти через образец, а другая через референтный эталон. Две интерферограммы будут сдвинуты на 180° друг относительно друга, и если их правильно совместить, то можно полностью исключить большой сигнал фона, оставляя только малый сигнал образца. Однако и эти попытки не были реализованы в полной мере. Проблема заключалась в невозможности наложить два луча друг на друга с достаточно точностью. Но не только попытки оптически совместить пучки были неудачны, но и попытки совместить электрические сигналы, идущие от двух разных детекторов, также имели только ограниченный успех.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является техническое решение, предложенное в [4] (прототип). Сущность этого технического решения базируется на том факте, что интерферометр с уголковыми отражателями позволяет не только пространственно разделить входящий луч и луч, возвращающийся к источнику, но и организовать вход второго пучка в интерферометр. Во всех предыдущих технических решениях использовались два выхода интерферометра при одном входе, один из выходящих пучков направлялся на референтный эталон, а второй на образец, и далее оба пучка собирались на один приемник или на два приемника, и далее суммировались электрические сигналы. В прототипе используются два входа интерферометра, но таким образом, что излучение на них подается от одного источника излучения, даже больше того, с одной и той же его излучающей площадки. При этом используется и тот факт, что интерферограммы, сформированные из разных входов и идущие из одного выхода, также являются сопряженными и имеют также возможность компенсировать общие спектральные особенности образца и референтного эталона. Однако громоздкое устройство формирования двух пучков от одного источника с многочисленными объемными оптическими элементами не обеспечивает в полной мере ни совмещения пучков на приемной площадке детектора, ни возможности сохранять неизменным во времени полученное совмещение. Кроме того, прототип не позволяет использовать дополнительные возможности, которые открывает интерферометр с уголковыми отражателями.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности, чувствительности и производительности измерений.
Реализация изобретения
Заявленный технический результат достигается за счет того, что двулучевой оптически компенсированный Фурье-спектрометр, содержащий источник излучения, конденсоры, оптоволоконные вводы, оптоволоконные зонды, оптоволоконные кабели, коллиматоры, светоделитель, неподвижный рефлектор, подвижный рефлектор, приемник излучения, согласно изобретению содержит источник абсолютно черного тела, оптически связанный с дополнительным конденсором и дополнительным оптоволоконным вводом, а также оптически связанный с одним из двух коллиматоров.
Источник абсолютно черного тела введен в конструкцию с целью повышения точности, чувствительности и производительности измерений.
С той же целью в конструкцию может быть введен второй приемник излучения, оптически связанный со светоделителем и расположенный с противоположной его стороны по отношению к первому приемнику.
Два входа интерферометра позволяют формировать четыре интерферограммы, две в одном выходе и две в другом. Причем в каждом выходе интерферограммы -сопряженные. В такой конфигурации можно проводить не только измерение спектральных особенностей образца в сравнении с референтным эталоном, но и проводить абсолютную калибровку интенсивности источника излучения, измерение относительных характеристик спектральных откликов приемников, сравнительные измерения всевозможных оптических устройств, в том числе и оптоволоконных. Если на один вход направить излучение от источника абсолютно черного тела с известной температурой, а на второй направить излучение от испытуемого источника излучения, то можно провести абсолютную калибровку интенсивности данного источника излучения.
Далее, если в один из выходов установить приемник с известным спектральным откликом, а во второй - испытуемый приемник, а излучение на оба входа подать от одного источника излучения, с помощью, например, оптоволоконного устройства можно получить спектральный отклик испытуемого приемника. Также можно направить излучение от одного источника с одной и той же его площадки, как в прототипе, но не через громоздкие объемные элементы, а через оптоволоконные зонды. Один из зондов взаимодействует с исследуемым веществом, а второй с эталонным. Выходы этих зондов подводятся к двум разным входам двухлучевого интерферометра, обозначенных на чертеже как источник излучения 1 (у интерферометра - два входа и два выхода), и с помощью зеркал (сферических или параболических) в виде коллимированных пучков направляются в интерферометр. После интерферометра пучки направляются на два приемника, каждый из которых регистрирует две оптически компенсированных интерферограммы.
Таким же образом можно проводить разностные измерения, которые могут быть важны для обнаружения слабых спектральных отличий в присутствии интенсивных фоновых компонент излучения. Интерферометрические сигналы из двух выходных портов являются сопряженными, и могут быть вычтены, удваивая промодулированные компоненты интерферограммы, в то время как, в принципе, исключается любой общий шум измерения. С другой стороны, по желанию, можно два выходных порта оборудовать таким образом, чтобы наблюдать одновременно два разных спектральных диапазона, установив разные детекторы, один на одну спектральную область, а второй - на другую.
Если на таком двулучевом спектрометре измерить характеристики пропускания элементов спектрометра и сопряженной с ним оптики, а также спектральный отклик приемника и спектр излучения источника, тогда можно установить эти устройства на однолучевой спектрометр и пользоваться системой как абсолютным спектрометром для измерения излучения источника или спектрального отклика приемника соответственно.
Дополнительно, в предлагаемом техническом решении, вместо дорогостоящих уголковых отражателей использованы отражатели типа крыши, которые обладают теми же возможностями, что и уголковые, но стоят существенно меньше, а технология их более доступна в условиях Российского производства. Подобные интерферометры описаны в [5].
Осуществление изобретения
На чертеже показана схема двулучевого оптически компенсированного Фурье-спектрометра. Спектрометр содержит источник 1 излучения, источник 2 излучения абсолютно черного тела, конденсоры 3, 4 и 5, оптоволоконные вводы 6, 7, 8, 9 и 10, оптоволоконные зонды 11 и 12, оптоволоконные кабели 13 и 14, коллиматоры 15, 16, 17 и 18, двулучевой интерферометр, состоящий из светоделителя 19, неподвижного рефлектора 20 и подвижного рефлектора 21, приемников излучения 22 и 23. Двулучевой оптически компенсированный Фурье-спектрометр работает следующим образом.
Первый режим работы. Излучение от источника 1 излучения формируется и направляется с помощью конденсоров 3 и 4 на оптоволоконные разъемы 6 и 7 соответственно. Далее излучение поступает на входы двух идентичных сменных оптоволоконных зондов 11 и 12, работающих на пропускание, отражение, нарушенное полное отражение, работающих с газовой кюветой и т.д. Один из зондов тестирует референтный образец, а второй - измеряемый образец. Выходы оптоволоконных зондов подключаются к вводам 9 и 10 соответственно, излучение из которых попадает на коллиматоры 15 и 16 соответственно и далее в виде двух коллимированных пучков поступает на светоделитель 19 интерферометра, где каждый из них делится по интенсивности на два пучка. После светоделителя 19 излучение отражается подвижным и неподвижным рефлекторами 20 и 21, и выходит из интерферометра с обеих его сторон и смещенным относительно входящих пучков. Таким образом, с обоих выходов интерферометра выходят по два коллимированных пучка, которые формируют четыре интерферограммы, две в одном выходе и две в другом. Причем в каждом выходе интерферограммы - сопряженные, то есть когда один сигнал имеет положительное значение, то другой имеет отрицательное значение такой же величины. Пучки попарно в каждом выходе интерферометра накладываются друг на друга, компенсируют друг друга за исключением малой разницы, относящейся к спектральным отличиям образца от референтного эталона. Далее излучение с помощью коллиматоров 17 и 18 направляется соответственно на приемники 22 и 23, которые регистрируют две оптически компенсированных интерферограммы, после математической обработки получают два спектра, содержащие спектральные отличия образца от референтного эталона.
Второй режим работы. На место источника 1 излучения устанавливается тестируемый источник. Излучение от тестируемого источника 1 излучения формируется и направляется с помощью конденсора 3 на оптоволоконный ввод 6. Далее излучение поступает на вход оптоволоконного кабеля 13. Излучение от источника абсолютно черного тела 2 излучения формируется и направляется с помощью конденсора 5 на оптоволоконный разъем 8.
Далее излучение поступает на вход оптоволоконного кабеля 14. Выходы оптоволоконных зондов подключаются к вводам 9 и 10 соответственно, излучение из которых попадает на коллиматоры 15 и 16 соответственно и далее в виде двух коллимированных пучков поступает на светоделитель 19 интерферометра, где каждый из них делится по интенсивности на два пучка. После светоделителя 19 излучение отражается подвижным и неподвижным рефлекторами 20 и 21, и выходит из интерферометра с обеих его сторон и смещенным относительно входящих пучков. Таким образом, с обоих выходов интерферометра выходят по два коллимированных пучка, которые формируют четыре интерферограммы, две в одном выходе и две в другом. Причем в каждом выходе интерферограммы - сопряженные, то есть когда один сигнал имеет положительное значение, то другой имеет отрицательное значение такой же величины. Пучки попарно в каждом выходе интерферометра накладываются друг на друга, компенсируют друг друга за исключением малой разницы, относящейся к спектральным отличиям образца от референтного эталона. Далее излучение с помощью коллиматоров 17 и 18 направляются соответственно на приемники 22 и 23, после математической обработки получают два спектра, содержащие спектральные отличия тестируемого источника излучения от источника абсолютно черного тела 2 излучения.
Третий режим работы. Излучение от источника 1 излучения формируется и направляется с помощью конденсоров 3 и 4 на оптоволоконные разъемы 6 и 7 соответственно. Далее излучение поступает на входы двух идентичных оптоволоконных кабелей 13 и 14. Выходы оптоволоконных кабелей подключаются к вводам 9 и 10 соответственно, излучение из которых попадает на коллиматоры 15 и 16 соответственно и далее в виде двух коллимированных пучков поступает на светоделитель 19 интерферометра, где каждый из них делится по интенсивности на два пучка. После светоделителя 19 излучение отражается подвижным и неподвижным рефлекторами 20 и 21, и выходит из интерферометра с обеих его сторон и левее относительно входящих пучков. Таким образом, с обоих выходов интерферометра выходят по два коллимированных пучка, которые формируют четыре интерферограммы, две в одном выходе и две в другом.
Причем в каждом выходе интерферограммы - сопряженные, то есть когда один сигнал имеет положительное значение, то другой имеет отрицательное значение такой же величины. Пучки попарно в каждом выходе интерферометра накладываются друг на друга, компенсируют друг друга за исключением малой разницы, относящейся к спектральным отличиям тестируемого приемника от референтного эталона. Далее излучение с помощью коллиматоров 17 и 18 направляется соответственно на приемники 22 и 23, один из которых с известными спектральными характеристиками, а второй тестируемый. Приемники регистрируют две оптически компенсированных интерферограммы, после математической обработки получают два спектра, содержащие спектральные отличия тестируемого приемника от приемника с известными характеристиками (референтного эталона).
Четвертый режим работы. Излучение от источника 1 излучения формируется и направляется с помощью конденсоров 3 и 4 на оптоволоконные разъемы 6 и 7 соответственно. Далее излучение поступает на входы двух идентичных оптоволоконных кабелей 13 и 14. Выходы оптоволоконных кабелей подключаются к вводам 9 и 10 соответственно, излучение из которых попадает на коллиматоры 15 и 16 соответственно и далее в виде двух коллимированных пучков поступает на светоделитель 19 интерферометра, где каждый из них делится по интенсивности на два пучка. После светоделителя 19 излучение отражается подвижным и неподвижным рефлекторами 20 и 21, и выходит из интерферометра с обеих его сторон и левее относительно входящих пучков. Таким образом, с обоих выходов интерферометра выходят по два коллимированных пучка, которые формируют четыре интерферограммы, две в одном выходе и две в другом. Причем в каждом выходе интерферограммы - сопряженные, то есть когда один сигнал имеет положительное значение, то другой имеет отрицательное значение такой же величины. Пучки попарно в каждом выходе интерферометра накладываются друг на друга, компенсируют друг друга за исключением малой разницы, относящейся к спектральным отличиям образца от референтного эталона. Далее излучение с помощью коллиматоров 17 и 18 направляется соответственно на приемники 22 и 23, один из которых работает в одном спектральном диапазоне, а второй в другом. Приемники регистрируют две оптически компенсированных интерферограммы, после математической обработки получают два спектра, содержащие спектральные отличия образца от референтного эталона в широком спектральном диапазоне.
Регистрируемые результаты имеют точность, превышающую точность прототипа по крайней мере в √2 раза. Чувствительность повышается за счет введения еще одного приемника, что позволяет регистрировать всю энергию, выходящую из интерферометра. Введение дополнительного приемника позволяет также повысить производительность измерений.
Источники информации
1. Genzel et al., A New Version of a Michelson Interferometer FTIR Spectroscopy. // Infrared Physics, 1978, pp.113-120.
2. Genzel et al., The Performance of a Double-Beam Fourier Transform Spectrometer and its Application to the Measurement of Weak I.R. Absorption. // Infrared Physics, Vol.20, 1980, pp.277-286.
3. Балашов А.А., Вагин. В.А., Висковатых А.В., Станский Л.И. Двухлучевой Фурье-спектрометр. // Авторское свидетельство №1649892 от 15.01.1991 г.
4. David R. Mattson. Dual Beam Optical Nulling Interferometric Spectrometer. // Патент США №4,999,010 от 12.03.1991 г.
5. Klaus Korner. Double-beam interferometer arrangement particularly for fourier-transform spectrometers. // UK Patent Application GB 2154019 A от 29.08.1985.