CC BY
90Радиостроение
Научно-практический журнал ИКр ://www. гас! iovega.su
Ссылка на статью: // Радиостроение. 2017. № 06. С. 27-38
Б01: 10.24108/^е^.0617.0000124
Представлена в редакцию: 13.10.2017
© НП «НЕИКОН»
УДК 681.785.574
Фурье-спектрометр видимого и ближнего ИК диапазона
Балашов А.А.1, Вагин В.А.2, Голяк И.С.1*,
1 1 1 Морозов А.Н. ' , Нестерук И.Н. ,
Хорохорин А.И.1
ШуааоЩта]1:ш
:МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия 2Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН, Москва, Россия
В материале статьи описывается разработанный макет динамического Фурье-спектрометра, позволяющего работать в широком спектральном диапазоне и с большим спектральным разрешением. Приводится описание основных частей макета и его принцип работы. Для повышения стабильности работы в конструкции используются уголковые отражатели с секундной точностью. В конструкции спектрометра реализован канал референтного излучения с учетверенной частотой, что обеспечивает большую точность дискретизации и больший спектральный диапазон работы. Приведены полученные интерферограммы от неонового источника излучения и восстановленные из них спектры излучения.
Ключевые слова: динамический Фурье-спектрометр; ИК Фурье-спектрометр; уголковые отражатели; референтный канал
Введение
Современные задачи спектроскопии требуют создания приборов с высокими спектральными характеристиками. Требования к спектрометру значительно возрастают, когда необходимо регистрировать спектры источников слабого свечения в широком диапазоне длин волн. Сегодня, в связи с развитием и прогрессом вычислительной техники, появлением более чувствительных фотоприемников открываются пути дальнейшего совершенствования спектральной техники [1-7].
Сущность метода Фурье-спектроскопии основана на использовании двухлучевого интерферометра с последующим преобразованием Фурье измеряемого с его помощью сигнала, который представляет собой интерферограмму, описывающую изменение интенсивности сигнала на фотоприемнике в зависимости от оптической разности хода между двумя интерферирующими пучками [3, 8].
В предлагаемой статье рассмотрен разработанный в НТЦ УП РАН макет неразъю-стируемого и высокостабильного Фурье-спектрометра непрерывного сканирования ближнего ИК диапазона в длинах волн от 0,4 до 1,1 мкм со спектральным разрешением 0,5 - 8 см-1. Спектральный диапазон ограничивается характеристиками светоделительной пластины. При необходимости спектрометр может работать и в более широком спектральном диапазоне.
Описание оптической схемы Фурье-спектрометра
Внешний облик разработанного спектрометра представлен на рис. 1. Оптическая схема рассматриваемого макета представлена на рис. 2. По существу данный спектрометр состоит из трех интерферометров - измерительного (основной канал, который производит измерение исследуемого излучения), канала «белого света» (осуществляет точную привязку по шкале оптической разности хода, измеряемых интерферограмм) и референтного канала (измеряет оптическую разность хода в интерферометре).
Рис. 1. Макет неразъюстируемого Фурье-спектрометра непрерывного сканирования для видимого и
ближнего ИК диапазона
В измерительном канале световой поток от источника исследуемого излучения (1) направляется через оптоволокно на объектив (2) и в виде коллимированного пучка направляется на вход интерферометра. Коллимированное излучение, входящее в интерферометр, делится на два когерентных потока на светоделительной пластине (3). Отражённый от светоделителя (3) пучок падает на неподвижный уголковый отражатель (5), отражается от него и идёт строго в обратном направлении, проходит через светоделитель (3) и компенсатор (4) и направляется посредством конденсора (7) на приемник излучения (8).
Рис. 2. Оптическая часть Фурье-спектрометра
Прошедшая через светоделитель (3) часть вошедшего в интерферометр излучения проходит через компенсаторную пластину (4), отражается от подвижного уголкового отражателя (6), вторично проходит через компенсаторную пластину и также посредством конденсора (7) направляется на приемник излучения (8).
Так как пучки, прошедшие через интерферометр, когерентны и плоскости их волновых фронтов параллельны, они складываются друг с другом и интерферируют, в результате чего спектральная плотность мощности в этом потоке на каждой длине волны зависит от разности фаз волн в обоих пучках.
Основной элемент макета прибора - интерферометр Майкельсона, в котором в качестве отражателей в плечах интерферометра используются зеркальные триэдры с угловой апертурой 2,5 дюйма и угловым отклонением 1 сек [9]. Один триэдр установлен на подвижной каретке, перемещающейся посредством двигателя магнитоэлектрического типа. В качестве линейной направляющей использована направляющая ЬМ с шариковым сепаратором [10, 11].
Светоделитель состоит из двух пластин: светоделительной (3) и компенсационной (4). Пластины выполнены из кварца КИ. На поверхности светоделительной пластины нанесено светоделительное диэлектрическое покрытие, на область спектра от 0,6 до 1,1 мкм, которое делит рабочий пучок излучения на «прошедший» и «отраженный» [8, 10].
Максимальная оптическая разность хода составляет примерно 50 мм, что обеспечивает номинальное спектральное разрешение до 0,2 см-1.
Канал «белого света» предназначен для точного (когерентного) суммирования ин-терферограмм в измерительном канале с целью повышения отношения сигнал/шум в измеряемых спектрах. Задача канала «белого света» привязать точки регистрации исследуемой интерферограммы к абсолютной шкале оптической разности хода, которая не должна сдвигаться от скану к скану [13, 14].
В рассматриваемом Фурье-спектрометре свет в канале «белого света» проходит такой же оптический путь, что и свет в основном измерительном канале, только разнесен по высоте для исключения их перекрытия (рис.2). Излучение от лампочки накаливания (9) попадает на линзу (10) и далее через поворотные плоские зеркала направляется в интерферометр измерительного канала. Проинтерферировавшее излучение с выхода этого интерферометра посредством линзы (11) направляется на приемник излучения (12). На выходе этого приемника регистрируется зависимость величины проинтерферировавших пучков «белого света» от разности хода. Эта кривая имеет ярко выраженный максимум в точке нулевой разности хода, который и формирует метку по шкале оптической разности хода в интерферограмме основного канала. Далее, с использованием этой метки, осуществляется суммирование интерферограмм, сдвигая их шкалы по оптической разности хода так, чтобы «помеченные» точки интерферограмм совпадали по шкалам [10].
Интерферограмму исследуемого излучения в измерительном канале необходимо регистрировать дискретно с определенным шагом, определяемым согласно теореме Котель-никова-Шеннона на заданном участке изменения оптической разности хода. Последнее позволяет заменить интеграл в Фурье-преобразовании суммой, что важно для численной обработки получаемой интерферограммы на ЭВМ.
Измерение оптической разности хода и управление регистрацией интерферограммы в Фурье-спектрометре осуществляется с помощью референтного канала. Он предназначен для привязки сигнала основного канала к пути, пройденному подвижным зеркалом (к оптической разности хода зеркал). В качестве когерентного источника референтного канала используется лазер [8]. При постоянной скорости сканирования ток через диод ме-
няется по синусоидальному закону. Всякий раз, когда синусоидальный сигнал проходит через значение 0, зеркало завершает прохождение пути Х/2, где X - длина волны лазера. События перехода сигнала через 0 называют «метками». Метки используются для запуска АЦП, преобразующего сигнал исследуемой интерферограммы в цифровой код.
Оптическая схема референтного канала рассматриваемого Фурье-спектрометра представлена на рис. 2. Весь блок референтного канала расположен с задней стороны основного измерительного канала. Излучение одномодового неонового лазера (13) направляется на светоделитель (14), где оно делится на проходящий и отраженный пучки. Отраженный пучок попадает на подвижный ретрорефлектор, выполненный в виде диэдра. Этот диэдр установлен жестко на одной и той же каретке, что и подвижный ретрорефлектор (6) основного измерительного канала. Пройдя этот диэдр излучение попадает на неподвижное зеркало (16) которое возвращает падающее на него излучение строго обратно. Прошедшее излучение отразившись от плоского зеркала (17) возвращается на светоделитель-ную пластину, где происходит интерференция с отразившимся пучком света, который прошел через подвижную систему такого интерферометра.
Проинтерферировавшее излучение затем направляется на приемник излучения (18) где оно преобразуется в электрический сигнал. Такое построение интерферометра для референтного канала с используемым зеркальным диэдром и плоским зеркалом позволяет при том же перемещении подвижного зеркала увеличить измеряемую разность хода в два
раз и производить уже измерения разности хода с шагом Х/4, что в дальнейшем приводит
1/2
к увеличению сигнал/шум в измеряемом канале в 2 [12].
Экспериментальные результаты
Для проверки возможности регистрации спектров излучения в ближнем ИК диапазоне с использованием неразъюстируемого Фурье-спекрометра проводилась регистрация интерферограммы от неонового источника с последующим восстановлением спектра излучения. Выбор неонового источника объясняется тем, что его спектр характеризуется большим набором линий излучения, лежащих в широком интервале видимого и ближнего ИК диапазона.
В разработанном макете Фурье-спектрометра на фотоприемном устройстве регистрировалась двухсторонняя интерференционная картина, с общим числом точек 62000, что обеспечивает заданное при сканировании спектральное разрешение 2 см-1.
Пример регистрируемой в одном скане интерферограммы от неонового источника представлен на рисунке 3.
/, отн. ед, 20000
15000
10000
5000
о
-5000 -10000 -15000 -20000
О 10000 20000 30000 40000 50000 60000
х, номер отчета
Рис. 3. Интерферограмма неоновой лампы, зарегистрированная на динамическом Фурье-спектрометре
На рисунке 4 представлена центральная часть интерферограммы, изображенной на рисунке 3.
30400 30500
х, номер отчета
Рис. 4. Центральная часть интерферограмма неоновой лампы, зарегистрированная на динамическом Фурье-
спектрометре
Для восстановления спектра излучения используется полное фурье преобразование от двухсторонней интерферограммы [7, 8]:
jp »+q » ,
I (v) =
где P (v) и Q (v) - действительная и мнимая части обратного преобразования фурье интерферограммы.
Восстановленный спектр излучения от неонового источника приведен на рис. 5.
Рис. 5. Спектр неоновой лампы, полученный на динамическом Фурье-спектрометре
По оси ординат отложена интенсивность в относительных единицах, по оси абсцисс волновые числа в см-1. Линии излучения наблюдаются в широком спектральном диапазоне от 9000 до 18000 см-1, что соответствует значениям длин волн от 400 до 1100 нм. Поскольку в коротковолновой части спектра линии слабые, то для подтверждения работы прибора в этой части спектра на рис. 6 показан только коротковолновый диапазон длин волн 350 - 540 нм.
Рис. 6. Коротковолновая часть спектра излучения неоновой лампы
На рис. 7 показаны отдельные линии излучения. Они выведены в волновых числах, поскольку спектральное разрешение Фурье-спектрометра практически одинаково во всем спектральном диапазоне в этом представлении. Ширины линий примерно 2 см-1, что подтверждает заданное при регистрации спектральное разрешение.
Рис. 7. Небольшой фрагмент спектра неоновой лампы, полученный на динамическом Фурье-спектрометре
Заключение
В работе приводится описание неразьюстируемого Фурье-спектрометра, позволяющего регистрировать спектры излучения ИК диапазона 0,4 - 1,1 мкм.
С использованием предложенного спектрометра была зарегистрирована интерферо-грамма от неонового источника излучения с последующим преобразованием в спектр излучения. Показана возможность регистрации с коротковолновом спектральном диапазоне длин волн, что обусловлено реализацией референтного канала с учетверенной частотой.
Дальнейшие исследования и разработки предполагается направить на создание ра-мановского Фурье-спектрометра на базе описанного макета. Способность регистрации слабых источников излучения очень важна и чрезвычайно полезна при работе в этом новом качестве. Рамановский Фурье-спектрометр [15-17] в свою очередь станет основой интегрированной, многофункциональной и высоко оптимизированной системы, решающей задачи спектральной аналитики без пробоподготовки и бесконтактно.
Настоящая работа выполнена в рамках госбюджетной работы 40.6 (Программы ФНИ государственных академий наук) «Неразъюстируемый Фурье-спектрометр видимого и ближнего инфракрасного диапазона» и при поддержке гранта РФФИ № 16-29-09625.
Список литературы
1. Белл Р.Дж. Введение в Фурье-спектроскопию: пер с англ. М.: Мир, 1975. 380 с. [Bell R.J. Introductory Fourier transform spectroscopy. N.Y.: Academic Press, 1972. 382 p.].
2. Вагин В.А. ИК Фурье-спектрометры для научных исследований и прикладных применений: дис. ... докт. техн. наук. М., 2009. 239 с.
3. Балашов А.А., Вагин В.А., Висковатых А.В., Жижин Г.Н., Пустовойт В.И., Хорохорин А.И. Аналитический Фурье-спектрометр АФ-1 широкого применения // Приборы и техника эксперимента. 2003. Т. 46. № 2. С. 87-89.
4. Egorova L.V., Anufriev A.S. An imaging dynamic shearing Fourier spectrometer // J. of Optical Technology. 2013. Vol. 80. No. 11. Pp. 703-705. DOI: 10.1364/J0T.80.000703
5. Meindl P., Monte C., Wähmer M. Adaptation of a Fourier transform spectrometer as a reference instrument for solar UV irradiance measurements // AIP conf. proc. 2013. Vol. 1531. Iss. 1. Pp. 829-832. DOI: 10.1063/1.4804898
6. Винтайкин И.Б., Васильев Н.С., Голяк И.С., Голяк И.С., Морозов А.Н., Есаков А.А., Светличный С.И., Табалин С.Е., Фуфурин И.Л. Рамановский спектрометр на основе статического интерферометра Майкельсона // Изв. РАН. Энергетика. 2016. № 6. С. 144-152.
7. Васильев Н.С., Винтайкин И.Б., Голяк И.С., Голяк И.С., Кочиков И.В., Фуфурин И.Л. Восстановление и анализ спектров комбинационного рассеяния света, получаемых со статического Фурье-спектрометра // Компьютерная оптика. 2017. Т. 41. № 5.
С. 626-635. DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41 -5 -626-635
8. Морозов А.Н., Светличный С.И. Основы Фурье-спектрорадиометрии. 2-е изд. М.: Наука, 2014. 455 с.
9. Griffiths P.R., De Haseth J.A. Fourier transform infrared spectrometry. 2nd ed. Hoboken: Wiley-Interscience, 2007. 529 p.
10. Balashov A.A., Vaguine V.A., Zhizhin G.N., Chelnokov A.I. Fast-scanning Fourier-spectroradiometer BPS-01 // Proc. of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 1989. Vol. 1145. Pp. 395-396. DOI: 10.1117/12.969518
11. Балашов А.А., Вагин В.А., Голяк Ил. С., Морозов А.Н., Хорохорин А.И. Многоканальный динамический ИК-Фурье-спектрометр // Журнал прикладной спектроскопии. 2017. Т. 84. № 4. С. 643-647.
12. Jianping Li, Chan R.K.Y. Toward a UV-visible-near-infrared hyperspectral imaging platform for fast multiplex reflection spectroscopy // Optics Letters. 2010. Vol. 35. No. 20. Pp. 3330-3332. DOI: 10.1364/0L.35.003330
13. Морозов А.Н., Балашов А.А., Вагин В.А., Хорохорин А.И., Голяк И.С. Система регистрации и суммирования слабых сигналов в Фурье-спектрометре // Радиостроение. 2016. № 4. С. 1-13. DOI: 10.7463/rdopt.0416.0847752
14. Морозов А.Н., Балашов А.А., Вагин В.А., Хорохорин А.И., Голяк И.С. Особенности работы с многоканальным ИК Фурье-спектрометром // Радиостроение. 2016. № 6. С. 75-81. DOI: 10.7463/rdopt.0616.0851915
15. Dzsaber S., Negyedi M., Bernath B., Gyure B., Feher T., Kramberger C., Pichler T., Simon F. A Fourier transform Raman spectrometer with visible laser excitation // J. of Raman Spectroscopy. 2015. Vol. 46. No. 3. Pp. 327-332. DOI: 10.1002/jrs.4641
16. Oxley J., Smith J., Brady J., Dubnikova F., Kosloff R., Zeiri L., Zeiri Y. Raman and infrared fingerprint spectroscopy of peroxide-based explosives // Applied Spectroscopy. 2008. Vol. 62. No. 8. Pp. 906-915.
17. McCreery R.L. Raman spectroscopy for chemical analysis. N.Y.: Wiley, 2005. 420 p. DOI: 10.1002/0471721646
Radio Engineering
Radio Engineering, 2017, no. 06, pp. 27-38. DOI: 10.24108/rdeng.0617.0000124 Received: 13.10.2017
Fourier Spectrometer of Visible and Near Infrared Range
A.A. Balashov1, V.A. Vaguine2,1.S. Golyak1'*, ':iiiyaaoi@maiiju
A.N. Morozov1'2, I.N. Nesteruk1, A.I. Khorokhorin1
1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia 2Scientific and Technological Center of Unique Instrumentation of RAS, Moscow, Russia
Keywords: dynamic Fourier spectrometer; VIS-IR Fourier spectrometer; corner reflectors; reference
channel
The paper describes a highly stable dynamic Fourier spectrometer, developed in the Scientific and Technological Center of Unique Instrumentation of the Russian Academy of Sciences, for recording the spectra of visible and near-IR radiation with a high spectral resolution.
To ensure the spectrometer operation reliability in the long-term measurements, the interferometer construction of the main channel uses the corner reflectors, as mirrors. They allow us to ensure a second accuracy of deviation between the incident and reflected rays.
In the Fourier spectrometer is implemented a reference channel system, which, with the same displacement of the movable mirror of the main channel, allows us to have a twice increasing measured difference of path and already to measure the path difference with the step of X/4,
1/2
which further results in increasing the signal/noise ratio in the measurement channel by 2 and expanding the spectral range of performance. This is reached through the reference channel of an additional system of reflectors used in the interferometer.
The developed spectrometer was used to carry out experimentation on the feasibility to record interferograms and recover emission spectra from a test source. As a test source was used the neon one, a radiation spectrum of which is a set of narrow lines lying in the visible and near infrared region.
The recorded interferogram of the neon source and its recovering radiation spectrum allow evaluating the performance spectrometer quality. The resulting interferogram is symmetrical, which allows us to draw conclusion that there is no displacement of the zero difference for the wavelengths of the visible and near IR bands. The spectral resolution for the neon lamp spectrum is 2cm-1 and corresponds to that of found when recording.
The implemented white light channel combined with the main channel will further allow cumulating interferograms and appropriate summing when detecting a weak signal.
Based on the described layout of the Fourier spectrometer, a Raman spectrometer can be developed to allow detection and analysis of a weak signal.
References
1. Bell R.J. Introductory Fourier transform spectroscopy. N.Y.: Academic Press, 1972. 382 p. (Russ. ed.: Bell R.J. Vvedinie v Fur'e spektroskopiyu. Moscow: Mir Publ., 1975. 380 p.).
2. Vagin V.A. IK Fur'e spektrometry dlia nauchnykh issledovanij i prikladnykh primenenij. Doct. diss. [Infrared Fourier spectrometers for scientific research and applications. Doct. diss.]. Moscow, 2009. 239 p. (in Russian).
3. Balashov A.A., Vagin V.A., Viskovatykh A.V., Zhizhin G.N., Pustovojt V.I., Khorokhorin A.I. An AF-1 analytical Fourier-transform spectrometer for a wide field of applications. Instruments and Experimental Techniques, 2003, vol. 46, no. 2, pp. 219-221. DOI: 10.1023/A:1023630019216
4. Egorova L.V., Anufriev A.S. An imaging dynamic shearing Fourier spectrometer. J. of Optical Technology, 2013, vol. 80, no. 11, pp. 703-705. DOI: 10.1364/J0T.80.000703
5. Meindl P., Monte C., Wahmer M. Adaptation of a Fourier transform spectrometer as a reference instrument for solar UV irradiance measurements. AIP conf. proc., 2013, vol. 1531, iss. 1, pp. 829-832. DOI: 10.1063/1.4804898
6. Vintajkin IB., Vasil'ev N.S., Goliak I.S., Goliak I.S., Morozov A.N., Esakov A.A., Svetlichnyj S.I., Tabalin S.E., Fufurin I.L. Raman spectrometer based on a static Michelson interferometer. Izvestiia Rossijskoj Akademii nauk. Energetika [Proc. of the Russian Acad. of Sciences. Power Engineering J.], 2016, no. 6, pp. 144-152 (in Russian).
7. Vasil'ev N.S., Vintajkin I.B., Goliak I.S., Goliak I.S., Kochikov I.V., Fufurin I.L. Recovery and analysis of Raman spectra obtained using a static Fourier transform spectrometer. Komp'yuternaia optika [Computer Optics], 2017, vol. 41, no. 5, pp. 626-635.
DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41 -5-626-635 (in Russian)
8. Morozov A.N., Svetlichnyj S.I. Osnovy Fur'e-spektroradiometrii [Foundations of Fourier spectroradiometry]. 2nd ed. Moscow: Nauka Publ., 2014. 455 p. (in Russian).
9. Griffiths P.R., De Haseth J.A. Fourier transform infrared spectrometry. 2nd ed. Hoboken: Wiley-Interscience, 2007. 529 p.
10. Balashov A.A., Vaguine V.A., Zhizhin G.N., Chelnokov A.I. Fast-scanning Fourier-spectroradiometer BPS-01. Proc. of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE), 1989, vol. 1145, pp. 395-396. DOI: 10.1117/12.969518
11. Balashov A.A., Vaguine V.A., Golyak Il.S., Morozov A.N., Khorokhorin A.I. Multichannel dynamic Fourier-transform IR spectrometer. J. of Applied Spectroscopy, 2017, vol. 84, no. 4, pp. 664-667. DOI: 10.1007/s10812-017-0526-z
12. Jianping Li, Chan R.K.Y. Toward a UV-visible-near-infrared hyperspectral imaging platform for fast multiplex reflection spectroscopy. Optics Letters, 2010, vol. 35, no. 20, pp. 3330-3332. DOI: 10.1364/OL.35.003330
13. Morozov A.N., Balashov A.A., Vagin V.A., Khorokhorin A.I., Golyak Il.S. The recording and summing system of weak signals in the Fourier spectrometer. Radiostroenie [Radio Engineering], 2016, no. 4, pp. 1-13. DOI: 10.7463/rdopt.0416.0847752 (in Russian)
14. Morozov A.N., Balashov A.A., Vagin V.A., Khorokhorin A.I., Golyak Il.S. Operation features of a multi-channel IR Fourier spectrometer. Radiostroenie [Radio Engineering], 2016, no. 6, pp. 75-81. DOI: 10.7463/rdopt.0616.0851915 (in Russian)
15. Dzsaber S., Negyedi M., Bernath B., Gyure B., Feher T., Kramberger C., Pichler T., Simon F. A Fourier transform Raman spectrometer with visible laser excitation. J. of Raman Spectroscopy,, 2015, vol. 46, no. 3, pp. 327-332. DOI: 10.1002/jrs.4641
16. Oxley J., Smith J., Brady J., Dubnikova F., Kosloff R., Zeiri L., Zeiri Y. Raman and infrared fingerprint spectroscopy of peroxide-based explosives. Applied Spectroscopy, 2008, vol. 62, no. 8, pp. 906-915.
17. McCreery R.L. Raman spectroscopy for chemical analysis. N.Y.: Wiley, 2005. 420 p. DOI: 10.1002/0471721646
