Применение для анализа газового состава пробы

Каждый газ имеет свой спектр поглощения проходящего через него излучения. Причём величина поглощения зависит от концентрации данного газа.Обычно на входе фурье-спектрометра устанавливают кювету, через которую прокачивают анализируемую газовую смесь. С одной стороны кюветы стоит источник света, с другой ставится интерферометр Майкельсона. Таким образом спектр на входе интерфереметра будет иметь «провалы» на определённых длинах волн. После обратного преобразования Фурье получаем спектр поглощения, по которому достаточно просто определить присутствующие в анализируемом воздухе газы и их концентрацию

Затворы Керра

Эффект Керра, или квадратичный электрооптический эффект — явление изменения значения показателя преломления оптического материала пропорционально второй степени напряженности приложенного электрического поля. В сильных полях наблюдаются небольшие отклонения от закона Керра.

Качественное описание

Под воздействием внешнего постоянного или переменного электрического поля в среде может наблюдаться двойное лучепреломление, вследствие изменения поляризации вещества. Пусть коэффициент преломления для обыкновенного луча равен n_o, а для необыкновенного — n_e. Разложим разность коэффициентов преломления n_o − n_e, как функцию внешнего поля E, по степеням E. Если до наложения поля среда была неполяризованной и изотропной, то n_o − n_e должно быть чётной функцией E (при изменении направления поля эффект не должен менять знак). Значит, в разложении по степеням E должны присутствовать члены лишь чётных порядков, начиная с E ². В слабых полях членами высших порядков можно пренебречь, в результате чего

Эффект Керра обусловлен, главным образом, гиперполяризуемостью среды, происходящей в результате деформации электронных орбиталей атомов или молекул или вследствие переориентации последних. Оптический эффект Керра оказывается очень быстрым, так как в твёрдых телах может произойти только деформация электронного облака атома.

Закон Керра

n_e − n_o = B λ₀ E ²,

где λ₀ — длина волны света в вакууме; B — постоянная Керра, зависящая от природы вещества, длины волны λ₀ и температуры. Для большинства веществ B > 0, что означает их подобие оптически положительным одноосным кристаллам.

Ячейка Керра — устройство, основанное на эффекте Керра — явлении возникновения под действием электрического поля в оптически изотропных средах двойного лучепреломления. Отличается высоким быстродействием (10 ^{− 9} ÷ 10 ^{− 12} секунды). Состоит из среды с Керроевской нелинейностью (например CS₂ — сероуглеродом) помещённой между обкладок конденсатора. При прохождении мощного импульса электрического тока через ячейку оптические свойства среды меняются так, что свет меняет направление поляризации при прохождении ячейки.

. Эффект Керра не зависит от направления электрического поля. Это свойство используется в ячейке Керра. Луч света от источника S при помощи линз L и Ь попадает на приемник света R; А ш В — листы поляроида, скрещенные так, что в R свет не проникает. Ячейка Керра К — это сосуд с плоскими стенками, куда наливается выбранная жидкость (нитробензол или ундециловый спирт). В жидкость помещены два плоских металлических электрода. При создании между ними мгновенной разности потенциалов жидкость становится двоякопреломляющей. Это влечет за собой поворот плоскости поляризаци света, проходящего через поляроид А; поэтому теперь некоторое количество света проходит через поляроид В к приемнику. Каждый раз при подаче соответствующего напряжения «затвор» открывается и пропускает свет.

Существенным моментом здесь является то, что скорость реакции жидкости, т. е. время между приложением поля и появлением двойного преломления, настолько мало, что его почти невозможно измерить какимлибо доступным способом. Для некоторых жидкостей оно меньше 1/100 000 000 000 сек — величина необычайно малая.

Предположим теперь, что вместе постоянного электрического поля мы подаем на электроды переменное поле, которое периодически меняется от нуля до максимума. Тогда ячейка Керра превращается в предельно быстродействующий световой затвор, который работает с частотой, равной частоте изменения поля. При помощи простой по конструкции ячейки Керра можно производить прерывание света до 10000000000 раз в секунду.

Ячейки Керра уже нашли применение в ряде важных областей. В частности, такая ячейка была использована для измерения скорости света с очень высокой точностью в лабораторных условиях. Луч света прерывается ячейкой Керра и затем посылается на зеркало, от которого он отражается. Скорость прерывания подбирается путем изменения частоты так, чтобы оптический затвор опять оказался открытым точно через то время, которое нужно свету на путь до зеркала и обратно. Время срабатывания затвора задается подаваемой частотой, которую можно точно определить. Так как теперь известно время, затраченное на прохождение точно измеренного расстояния между ячейкой Керра и зеркалом, то скорость света вычисляется из этих данных непосредственно и притом с большой точностью.

Ячейки Керра используются и в сверхскоростных камерах. В частности, в одной камере была целая последовательность ячеек Керра вокруг линзы, а частота подаваемого напряжения подбиралась так, чтобы получить шесть кадров через 1/100 000 000 сек. За етоль короткий интервал времени свет проходит всего около трех метров. Эта величина ограничивает ту пространственную область, которую можно охватить при помощи фотографий.

Затворы Керра получили новую область применения с появлением лазеров. Высокоскоростные камеры широко используются в технике. При помощи их исследовались взрывы, распространение пламен по трубам и развитие химических реакций. Благодатный объект для подобных исследований —различные неустойчивости в электрических разрядах, в частности связанные с изучением плазмы и управляемыми термоядерными реакциями. Теми же методами изучались взрывные эффекты,вызываемые импульсами мощных лазеров, а также исследовались явления колебаний, порождаемых прохождениями ударных волн через препятствия. Устройства типа ячеек Керра имеют большое будущее также в связи с изучением процессов разрушения деталей машин.

Литература

[1] Сойфер В.А. Методы компьютерной обработки изображений. М.: Физматлит,2003. – 120-138 с.

[2] Павлидис Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений. М.: Мир, 1986.

[3] Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. – 66 с.

[4] Хуанг Т.С. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений. М.: Радио и связь, 1986.

[5] Белл Р.Дж. Введение в фурье-спектроскопию. М.: Мир, 1972.

Дата добавления: 2015-10-29