Интерференционная приставка к спектрофотометру сф-56, позволяющая улучшить его разрешение Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 54.422

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ ПРИСТАВКА К СПЕКТРОФОТОМЕТРУ СФ-56, ПОЗВОЛЯЮЩАЯ УЛУЧШИТЬ ЕГО РАЗРЕШЕНИЕ

Дарья Сергеевна Михайлова

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: daria-83@mail.ru

Описано устройство интерференционной приставки, являющейся комбинированным дифракционно-интерференционным монохроматором. Приведены расчеты величины разрешающей способности комбинированного устройства. Кроме этого, описан принцип работы интерференционной приставки. Разработанное устройство позволяет увеличить разрешающую способность дифракционного спектрометра в десять раз.

Ключевые слова: многолучевая интерференция, разрешающая способность, свободная спектральная область.

DEVELOPMENT OF INTERFERENCE OF THE ATTACHMENT OF A DIFFRACTION SPECTROMETER, WHICH ALLOWS TO IMPROVE THE RESOLUTION

Daria S. Mihailova

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., senior lecturer of the Department of Physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: daria-83@mail.ru

The described device interference consoles, which is a combined diffraction-interference monochromator. The calculations of magnitude of the resolution of the combined device. In addition, the principle of operation of interferometric consoles. The developed device allows to increase the resolution of the diffraction spectrometer ten times.

Key words: multibeam interference, resolving power, free spectral.

Использование скрещенных интерферометров давно широко используется [1, 2], минусом таких устройств является узкая спектральная область.

В настоящем сообщении рассматривается вариант сочетания дифракционного спектрофотометра и интерферометра, заключающийся в использовании перестраиваемого многолучевого интерферометра. Причем ширина свободной спектральной области интерферометра больше спектральной ширины дифракционного спектрометра, т.е. анализируется малый участок всего спектра дифракционного устройства.

Кроме того, интерферометр может быть использован в качестве измерительной кюветы к спектрофотометру. Разработанная приставка позволяет исследовать спектры адсорбированных слоев.

На рис. 1 изображена схема разработанной приставки, включающая линзу интерферометр и щель. Интерференционная приставка помещается в кюветное отделение спектрофотометра СФ-56.

Рис. 1. Схема устройства разработанной приставки:

1 - щель спектрометра; 2 - многолучевой инерферометр; 3- объектив; 4 - диафрагма; 5 - фотоприемное устройство.

Излучение из выходной щели 1 монохроматора падает на двухзеркальный интерферометр 2. Интерферометр выполнен в виде интерференционной кюветы с воздушным зазором между зеркалами, нанесенными в виде тонких полупрозрачных пленок на кварцевые подложки. Затем излучение падает на объектив 3, в фокальной плоскости которого находится диафрагма 4, выполняющая роль пространственного фильтра. Далее излучение попадает на фотоприемное устройство 5[3].

Между зеркалами интерферометра помещались три прокладки, задающие расстояние между зеркалами. Толщина прокладок варьируется от 10 до 100 мкм. Перед проведением измерений проводился контроль параллельности поверхностей путем наблюдения интерференционной картины на поверхности зеркал.

Зеркала интерферометра, в свою очередь, помещены в металлическую оправу (рис. 2).

Рис. 2. Фотография интерферометра помещенного в металлическую оправу

На рис. 3 представлена конструкция оправы двухзеркального интерферометра [3].

Рис. 3. Конструкция оправы многолучевого интерферометра:

1 - прижимные лапки; 2 - кварцевые подложки; 3 - регулировочный винт; 4 - корпус крепления интерферометра; 5 - прижимная пластинка; 6 - воздушный зазор между зеркалами; 7 - отверстие для пьезокерамики [3]

Три прижимные лапки 1 в конструкции оправы необходимы для настройки параллельности зеркал. Нажим лапок контролируется при помощи регулировочных винтов 3. Перестройка интерферометра по длине волны осуществляется при помощи пьезоэлектрического управления. Для этого в отверстия 7 оправы помещаются пьезоэлементы, который приклеивается к поверхности кварцевой подложки 2, затем прижимные лапки 1 убираются.

Использование многолучевых интерферометров в качестве анализаторов газа возможно из-за поглощения излучения веществом в газовой среде. В нашей работе рассматривается поглощение молекулярным слоем, поэтому расстояние между зеркалами выбрано небольшим. Преимуществом применения многолучевой интерференции в спектральных газоанализаторах является возможность для каждого светового луча многократно воздействовать на каждую точку анализируемой поверхности, увеличивая тем самым чувствительность анализатора. Этот эффект уже был использован нами с целью исследования спектров веществ [4, 5]. Исследуемое вещество в виде парогазовой смеси поступает в интерферометр через штуцер 1 [3] (рис. 4).

Рис. 4. Фотография разработанной интерференционной приставки, установленной в кюветном отделении (1 - штуцер для подачи исследуемого вещества)

Световой поток, прошедший через интерферометр проецируется на диафрагму. Она может быть выполнена в виде круглого отверстия. Наличие щели необходимо для выделения из светового потока одного порядка интерференции [3].

Значение свободной спектральной области многолучевого интерферометра определяется формулой [6]:

А2

Аки = А / т = —, (1)

и 2иЬ

где

2иЬ

т = —— (2) А

А - длина волны излучения, т - порядок интерференции, п - показатель преломления среды между зеркалами, Ь -ширина воздушного зазора.

Ширину линии спектра пропускания, обратную величине разрешающей способности, определим по формуле [7]:

А 2

5Аи =—-, (3)

и 2К3фПЬ ( )

где Ыэф - эффективное число лучей в многолучевом интерферометре.

Ыэф при близких к единице значениях коэффициента отражения Я определяется формулой:

«л / (1 - Я),

где Я - коэффициент отражения зеркала.

В табл. 1 приведены расчетные величины спектральных характеристик спектрофотометра СФ-56 при использовании интерференционной приставки.

Таблица 1

Результат расчета спектральных характеристик спектрофотометра СФ-56 при использовании разработанной приставки [3].

А, мкм ДА, нм Ь, мкм ^эф §Аи, нм

1 45 15 0,06

0,3 30 0,03

6 7,5 15 0,4

30 0,2

1 245 15 0,06

0,7 30 0,03

6 40,8 15 0,4

30 0,02

Была получена серия графиков спектров излучения комбинированного спектрального устройства, представленная на рис. 5. Спектральная ширина щели спектрофотометра равна АЛ = 6 нм. Перестройка осуществлялась путем наклона интерферометра. Обработка результатов, представленных на рис. 5, показывает, что интерференционные пики графиков, при повороте интерферометра от 0 до 5° смещаются на 1 нм, таким образом, осуществляется перестройка по спектру.

31 32

зз/

Длина волны, нм | ' 1 ' 1 ! 1 1 1 1 | ' 1 ' ' 1 ' ' ' 1 I 1 ' ' 1 1 1 1 1 ' I 1 1 ' 1 1 ' 1 1 ' | ' ' 1 1

300 310 320 330 340

Рис. 5. Спектры излучения спектрофотометра и интерференционной приставки, полученные при перестройке интерферометра:

- угол наклона интерферометра 0°; Б2 - угол наклона интерферометра 3°; Б3 - угол наклона интерферометра 5°

В табл. 2 приведены рассчитанные значения углов поворота в интерферометра и смещений пиков АЛ' при заданных положениях пиков ЛЛ

Таблица 2

Результат расчета углов поворота интерферометра.

Л\, мкм Л-2, мкм АЛ, мкм в,°

0,303 0,3025 0,5 10-3 3,29

0,303 0,302 110-3 4,66

Из графика (рис. 5) видно, что значения рассчитанных величин совпадают с данными, полученными в ходе эксперимента (табл. 2). Расчетом показано, что достижимое разрешение увеличено в 15-30 раз (табл. 1).

Представленные результаты подтверждают возможность применения разработанной интерференционной приставки для увеличения разрешающей способности серийных спектрометров.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ежевская Т., Бубликов А. ИК-фурье-спектрометры со специализированными приставками НПВО // Методология. - 2012. - № 1 (2).

2. Лебедева В. В. Экспериментальная оптика. - М. : Изд-во Моск. ун-та, 2005. - 352 с.

3. Михайлова Д. С. Разработка метода, позволяющего улучшить разрешающую способность дифракционного спектрофотометра // Компьютерная оптика. - 2016.- № 6. -С. 280-285.

4. Интерференционные газовые спектроанализаторы / В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, А. С. Сырнева, Д. С. Михайлова // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск : СГГА, 2012. Т. 1. - С. 152-159.

5. Спектральные характеристики конбинированных спектральных устройств с интерферометром Фабри-Перо / В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, А. С. Сырнева, Д. С. Михайлова // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехноло-гии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск : СГГА, 2012. Т. 1. - С. 160-168.

6. Гаррисон Дж., Лорд Р., Луфбуров Дж. Практическая спектроскопия. - М. : Изд-во иностр. лит-ры, 1950. - 336 с.

7. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1970. - 855 с.

© Д. С. Михайлова, 2017