Интерференционные спектральные приборы.

В дисперсионных спектральных приборах с призмой разложение электромагнитного

излучения в спектр по длинам волн или по частотам осуществляется за счет дисперсии показателя преломления в оптическом стекле. В приборах с дифракционными решетками спектр получается за счет дифракции лучей на периодических структурах. Существует еще один метод разложения излучения по длинам волн – интерференция световых пучков. Поскольку положение максимума интерференционной картины зависит от длины волны, возможно создание таких приборов, в которых изменяется разность хода двух световых пучков. В том случае, если излучение монохроматично, при изменении разности хода будет наблюдаться чередование максимумов и минимумов интенсивности на выходном устройстве (см. рис. 2.23).

В интерференционных спектральных приборах разложение в спектр по длинам волн не

происходит. Регистрируется непосредственно сигнал на выходе, а затем специальные средства обработки сигнала производят разложение зависимости интенсивности в ряд Фурье. Сигнал на выходе интерференционного спектрометра φ(t) связан с искомой функцией распределения энергии по длинам волн I(λ) соотношением:

где υ – скорость изменения разности хода в интерференционном спектрометре в направлении осевого луча. На практике чаще всего используются два принципиально отличных типа интерференционных спектрометров - это Фурье-спектрометры и СИСАМ'-спектрометры с селективной амплитудной модуляцией. Преимущества Фурье-спектрометра перед другими типами спектральных приборов состоит в том, что прибор регистрирует весь световой поток одновременно. Схема расположения узлов Фурье-спектрометра аналогична схеме интерферометра Майкельсона (см. рис. 2.24).

Рисунок 2.24. Функциональная схема Фурье-спектрометра

З – зеркало; ПЗ – полупрозрачное зеркало; Л – линза; И – источник излучения; D – выходная

щель; ФП – фотоприемник.

Если интерферометр Майкельсона осветить светом сложного спектрального состава, то при

перемещении одного из зеркал З со скоростью υ будет наблюдаться картина, изображенная на

рис. 2.23, в. Для каждой монохроматической составляющей излучения λ0 интенсивность сигнала

на выходе будет изменяться периодически

Частота модуляции для разных длин волн различная.Если на выходе приемника установить узкополосный усилитель, настроенный на частоту νmod,то прибор будет работать как монохроматор, т. е. регистрировать излучение на какой-то определенной длине волны. Если установить ряд узкополосных усилителей, то будет регистрироваться излучение по спектру в ряде точек λ1, λ2.....λn (n - общее число приемников). При этом все сигналы в отличие от дисперсионных приборов регистрируются одновременно. Максимальная разность хода L определяет разрешающую способность Фурье-спектрометра. Если на выходе приемника установить узкополосный усилитель, настроенный на частоту νmod, то прибор будет работать как монохроматор, т. е. регистрировать излучение на какой-то определенной длине волны. Если установить ряд узкополосных усилителей, то будет регистрироваться излучение по спектру в ряде точек λ1, λ2.....λn (n - общее число приемников). При этом все сигналы в отличие от дисперсионных приборов регистрируются одновременно. Максимальная разность хода L определяет разрешающую способность Фурье-спектрометра.

Если есть необходимость выделить весь спектр источника света, в современных Фурье -

спектрометрах используют компьютеры, в которых проводится Фурье-анализ выходного сигнала,

зарегистрированного одним приемником излучения. Условием получения результатов высокого

качества является равномерность перемещения подвижного зеркала на всей длине L.

Спектрометры с интерференционной селективной модуляцией (СИСАМ) используют также

принцип интерференции двух световых потоков, но в отличие от Фурье-спектрометра СИСАМ

работает на одной фиксированной длине волны. Это достигается, например, тем, что в

интерферометре Майкельсона, схема которого дана на рис. 2.24, зеркала З заменяют на

дифракционные решетки, повернутые относительно осей падающих пучков на одинаковый угол α.Недостатком СИСАМ'а является то, что этот прибор очень сложен в настройке и

чувствителен к помехам. Для создания приборов высокой разрешающей силы в спектроскопии широко используется прибор, известный как интерферометр Фабри-Перо или эталон Фабри-Перо. Этот прибор является в настоящее время основным в получении высокого спектрального разрешения. Принцип действия эталона Фабри-Перо основан на прохождении света между двумя плоскопараллельными

светоделительными поверхностями (см. рис. 2.25). Эталон может быть выполнен в виде стеклянной плоскопараллельной пластины или в видедвух плоских зеркал, расположенных параллельно с зеркальными покрытиями на внутреннихповерхностях.При прохождении пучка света через эталон Фабри-Перо в результате многократныхотражений от полупрозрачных поверхностей зеркал образуется ряд параллельных световыхпучков. Разность хода между соседними пучками может быть вычислена из геометрическихсоображений и равна

где t – толщина пластины; n – показатель преломления среды в промежутке между зеркалами.

Условие максимума интерференции имеет вид

где k – целое число. Условие максимума выполняется для всех углов, составляющих угол φ с

поверхностью. Поэтому если за эталоном поместить линзу, то в ее фокусе образуется ряд ярких колец, соответствующих условию максимума. Излучения различных длин волн будут наблюдаться под разными углами, образуя систему концентрических колец. Такая картина типична для любой плоскопараллельной пластины. Только в обычной пластине пучки очень быстро ослабляются при многократном прохождении. В эталоне Фабри-Перо коэффициент отражения близок к единице, поэтому интенсивность каждого последующего пучка мало отличается от интенсивности предыдущего. Результирующий сигнал на выходе формируется

как результат многолучевой интерференции при числе интерферирующих пучков от десяти – для

коэффициента отражения зеркал 80% – до 150 – для коэффициента отражения 98 %. У эталона Фабри-Перо кроме высокого спектрального разрешения есть еще одно важное преимущество перед дисперсионными спектральными приборами с входными щелями. Это преимущество состоит в высокой светосиле прибора. В самом деле, спектральная щель выделяет только малую часть светового потока от источника, зависящую от ширины щели. Чем большего разрешения по длинам волн мы хотим добиться, тем уже должна быть входная щель. Соответственно в спектральный прибор попадает только часть энергии излучения источника света. В эталоне Фабри-Перо таких ограничений нет, т. е. в формировании выходного сигнала участвует весь световой поток, испускаемый источником света.

Дата добавления: 2015-11-16