CC BY
49
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ГАЗОВЫЕ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОРЫ
Владимир Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул.
Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул.
Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой наносистем и оптотехники, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Александра Сергеевна Сырнева
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул.
Плахотного, 10, ассистент кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: aleksandra-
syrneva@yandex .ru
Дарья Сергеевна Михайлова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул.
Плахотного, 10, ассистент кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Рассматриваются вопросы применимости многолучевых перестраиваемых интерферометров Фабри-Перо в газовых спектроанализаторах. В качестве чувствительного к составу газовой атмосферы элемента применён трёхзеркальный (призменный) многолучевой интерферометр высокого разрешения, основанный на использовании эффекта полного внутреннего отражения.
Ключевые слова: полное внутреннее отражение, оптическое туннелирование, спектроанализатор.
INTERFERENTIAL GAS SPECTRUM ANALYZER Vladimir V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy (10 Plahotnogo, Novosibirsk 630108), Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of Physics department, (383) 361-08-36, e-mail: [email protected]
Dmitry V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy (10 Plahotnogo, Novosibirsk 630108), Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Chair of Nanosystems and optical engineering department, (383) 361-08-36, e-mail: [email protected]
Alexandra S. Syrneva
Siberian State Academy of Geodesy (10 Plahotnogo, Novosibirsk 630108), Assistant Lecturer of Physics department, (383) 361-08-36, e-mail: [email protected]
Darya S. Mihajlova
Siberian State Academy of Geodesy (10 Plahotnogo, Novosibirsk 630108), Assistant Lecturer of Physics department, (383) 361-08-36, e-mail: [email protected]
Questions of applicability of multibeam tunable interferometers the Fabry-Perot in gas spectrum analyzer are considered. As sensitive to structure of gas atmosphere of an element the triple-optical (prismatic) multibeam interferometer of the high permission based on use of total internal reflection phenomenon is applied.
Key words: total internal reflection, optical tunneling, spectrum analyzer.
Для целей получения молекулярных спектров поглощения газов используют методы дисперсионной инфракрасной спектроскопии (ИКС), основанные на анализе адсорбированных на поверхности газов при однократном или многократном полном внутреннем отражении (ПВО) света от поверхности с адсорбированным слоем [1], методы Фурье- спектрометрии [3], методы растровой спектроскопии [6], и др.
В призменных элементах нарушенного ПВО (НПВО) оптического анализа состава различных сред [1] электромагнитное поле светового пучка туннелирует из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем на расстояние порядка длины волны света. Взаимодействие света со средой в области туннелирования приводит к его частичному поглощению или изменению фазы световых колебаний, вышедшее из призмы излучение несёт информацию о составе среды. Чувствительность таких устройств ограничена в связи с малой длиной области взаимодействия излучения со средой.
В настоящем сообщении рассматривается комбинированное спектральное устройство, содержащее скрещённые дифракционный монохроматор и близкий по конструкции к рассмотренному в [2] призменный элемент нарушенного ПВО, в котором, как и в [1], используется эффект полного внутреннего отражения от одной из граней, но также многолучевая интерференция при отражениях света от зеркальных покрытий граней. Комбинирование диспергирующих элементов разных принципов действия, например, дифракционных и интерференционных, призменных и интерференционных описано в литературе [1,4,5].
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. На рис.1 схематически показана оптическая схема использования призменного многолучевого интерферометра совместно с промышленным спектрометром в качестве газоанализатора.
Картина спектра излучения 1 дифракционного монохроматора
формируется в плоскости его выходной щели 2, выходящее излучение попадает в установленный по ходу луча мультиплекс - интерферометр, состоящий из плоского интерферометра 3 и призменного интерферометра 4. Плоская грань 5 призменного интерферометра является поверхностью ПВО, которая предназначена для адсорбции молекул газообразных составляющих окружающей среды и которая является чувствительной поверхностью
газоанализатора. Молекулы адсорбированного слоя 6 оказываются в области существования туннелирующего сквозь поверхность ПВО электромагнитного поля световой волны.
В фокальной плоскости линзы 7 формируется интерференционная картина и установлена диафрагма 8 с кольцевой прорезью. Прошедшее сквозь прорези диафрагмы излучение детектируется фотоприёмником 9.
7
9
Рис. 1. Оптическая схема газоанализатора с использованием призменного
многолучевого интерферометра
Свободная спектральная область призменного интерферометра много уже полосы спектра монохроматора, вырезаемой его выходной щелью, поэтому перед призменным интерферометром установлен пластинчатый интерферометр с меньшим расстоянием между зеркальными поверхностями, чем у призменного, имеющий увеличенную свободную спектральную область. Интерферометры установлены последовательно по ходу луча и образуют собой мультиплекс-интерферометр.
Для полного внутреннего отражения излучения от полноотражающей грани призмы необходимо следующее значение показателя преломления n материала призмы:
n > —, (1)
sin Р
где n0 - показатель преломления среды, окружающей призму, Р - угол падения излучения изнутри призмы на полноотражающую грань. Отражённое от полноотражающей грани излучение попадает на полупрозрачное зеркало на выходной грани призмы 4, частично отражается назад, повторяя свою траекторию, и так далее; излучение внутри призмы многократно отражается от зеркал и ПВО - грани. Такое отражение возможно, если падение лучей на зеркала нормальное.
Вышедшие из выходной грани призмы световые пучки интерферируют. Уравнение максимумов интерференционной картины интерферометра Фабри -Перо можно записать в виде [3]:
2nLcos0 = mk, m = 1,2,3... , (2)
где 2nLcos0 - оптическая разность хода двух соседних лучей в интерферометре, 0 - угол преломления падающего луча света в
интерферометре, k - длина световой волны в вакууме.
Из последней формулы видна, возможность перестройки интерферометра по длинам волн как путём изменения угла падения излучения, так и изменением значения хода лучей L .
В теории резонаторов Фабри-Перо число отражений от зеркал характеризуется «эффективным числом отражений» ^ФФ, равным примерно 30 - 100. В такое же число раз возрастает чувствительность анализаторов адсорбционного слоя с использованием взамен рефрактометрических датчиков НПВО многолучевого трёхзеркального интерферометра.
Дифракционный монохроматор выделяет выходной щелью участок спектра Лк , который должен быть несколько уже области дисперсии пластинчатого
интерферометра 3. Поворотом дифракционной решётки можно выбирать положение участка в общей картине спектра.
Область дисперсии интерферометров Фабри-Перо определяется уравнением [4]:
АЛ к к2
Лк, = — =--------, (3)
m 2nL cos 0
2nL cos 0
где m =---------- - порядок интерференции в интерферометре; L -
к
расстояние между его зеркалами, в случае интерферометра в виде прямоугольной равносторонней призмы и нормального падения луча на катетную грань отсчитываемое по ходу луча; n - показатель среды между зеркалами интерферометра, i - номер интерферометра.
Ширину линии спектра пропускания интерферометра можно определить по формуле:
у 2
8к, =-----к------. (4)
2NэфпЦ cos 0
В рассматриваемой на рис. 1 схеме у пластинчатого интерферометра , = 1, у призменного i = 2. В случае мультиплекс-интерферометра ширина, спектра линии пропускания определяется интерферометром с большей величиной L ,
свободная спектральная область - полосой интерферометра с меньшей величиной Ь [3].
Световой поток, вышедший из выходной щели монохроматора, имеет в сечении форму прямоугольника, вдоль длинной стороны которого спектральный состав не изменяется. Интерференционная картина, создаваемая светом после прохождения мультиплекс-интерферометра, имеет форму полосы, пересекаемой отрезками интерференционных концентрических колец. При фотоэлектрической регистрации интенсивности выходящего из скрещённых монохроматора и интерферометра излучения предложено [5] получающуюся интерференционную картину проецировать на диафрагму 8 с кольцеобразным отверстием, концентричным кольцам картины; отверстие пропускает часть излучения на фотоприёмник.
Работу с газоанализатором необходимо производить следующим образом. Вначале перестройкой монохроматора находят в спектре пропускания исследуемого образца линии, которые подлежат подробному исследованию, затем включают сканирование выделенной полосы спектра спектральной полосой пропускания мультиплекс - интерферометра. Сканирование производят, например, наклоном мультиплекс-интерферометра относительно направления светового потока с соблюдением параллельности смежных поверхностей пластинчатого и призменного интерферометров, угол наклона не должен превышать требуемый для изменения спектра проходящего излучения в пределах свободной спектральной области мультиплекс - интерферометра.
Сканирование спектра поворотом мультиплекс - интерферометра возможно в связи с тем, что дисперсия интерферометра не зависит от расстояния между отражающими слоями [5].
Найдём значение угла поворота мультиплекс-интерферометра относительно направления падающего на него луча при перестройке положения линии пропускания интерферометра на величину дки. Синхронно поворачиваются входящие в его состав интерферометры и при условии
пластинки интерферометра и призмы) максимумы интерференционных картин интерферометров остаются совпадающими.
Уравнения интерферометра Фабри-Перо при нормальном падении луча на входную поверхность призмы и при таком угле падения, при котором угол преломления равен 0, можно записать в виде:
При перестройке мультиплекс-интерферометра по длине волны на величину свободной спектральной области Д^ угол поворота ф равен:
2nL = mj к ^ 2nL cos 0 = m (к - ск„).
и и и и \ и /
Можно найти, что при малых значениях угла 0 :
(5)
0 * л/2дкц / к . (6)
При этом угол падения равен ф = n. 0
(7)
Фкр = п^^[2Ак^Гк (8)
Результаты расчётов приведены в табл. 1. Предполагается, что призмы изготовлены из кремния (ИКС-29) и стекла (СФ-46), ф - максимальный угол поворота призмы, обеспечивающий перестройку в пределах свободной спектральной области, Ц и Ц - расчётные значения.
Таблица 1 - Расчёты спектральных характеристик газоанализаторов,
использующих мультиплекс-интерферометры.
спектрометр к, < II < n к, 8^ = , к, 8к2, нм Ф2 ,
мкм нм мм нм мм рад
ИКС-29 5 6 3,4 0,6 0,2 18 6,7 -10 3 0,17
СФ-46 0,5 0,15 1,5 0,56 0,005 16,8 5 -10~6 0,037
При адсорбции на поверхность ПВО-грани призмы из газовой фазы слоя вещества, поглощающего на некоторой длине волны, полное внутреннее отражение на этой длине волны нарушается, интенсивность выходящего из призмы излучения уменьшается.
Определим эффективность взаимодействия излучения с адсорбированным на поверхности гипотенузной грани слоем молекул газа. Амплитуда E электрической компоненты световой волны в области туннелирования определяется уравнением [4,5]:
E = E0exp (-х / х), (9)
где х - расстояние от поверхности, х - расстояние, на котором амплитуда уменьшается в e раз от значения на поверхности. Уменьшение интенсивности световой волны на расстоянии х от поверхности определяется формулой:
I / I0 = (E / E0)2 = exp(-2х / х) (10)
Излучение дважды пересекает адсорбированный на поверхности слой под углом (3, проходя в нём туда и обратно путь I:
^ = 2<i/cosP, (11)
где d - толщина адсорбированного слоя. Адсорбированный слой имеет толщину много меньше длины волны света и находится в области максимума напряжённости E0 электрической компоненты туннелирующей световой волны
(х = 0), поэтому в соответствии с законом Бугера для поглощения света в
адсорбированном слое можно записать:
^тах / ^тахО = бХр (-Д^О^ ) * 1 - Nэ/(Х^ (12)
где ^тах / ^тах0 - отношение пропускания интерферометра при наличии
адсорбированного слоя к пропусканию в отсутствие слоя в максимуме пропускания излучения на некоторой длине волны, а} - коэффициент
поглощения излучения в веществе адсорбированного слоя,
Учитывая (11) и (12), получим:
AT / Tmax0 = 2N^d/COS P , (13)
ГДе AT = Tmax - Tmax0 .
При изучении мономолекулярных адсорбированных на поверхности слоев оценочно можно считать толщину адсорбированного слоя равной
d = цаа, (14)
где aaí - диаметр адсорбированного атома, ц - коэффициент заполнения адсорбированного слоя атомами. Можно получить формулу:
AT / Tmax0 = 2КфЫХЧаа( /cOS Р . (15)
Наклонное падение излучения на грань призмы приводит к влиянию на фильтрующие свойства спектрального устройства поляризационных эффектов [4,5]. При фильтрации неполяризованного излучения каждая линия спектра разделяется на две, соответствующие расположению светового вектора в волне в плоскости падения и перпендикулярно плоскости падения, в результате одной длине волны в спектре поглощения соответствует две полосы. Для устранения эффекта устанавливают по ходу луча поляризационный ахроматический светофильтр, что приводит к уменьшению светосилы прибора.
Введение мультиплекс-интерферометра повышает разрешающую силу всего комбинированного спектрального устройства на 2-3 порядка величины.
Многолучевой трёхзеркальный интерферометр найдёт применение в оптике при создании интерференционных приборов различного назначения - для спектроскопии, при обработке оптической информации, в качестве сенсорных устройств различных датчиков и анализаторов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения. - М.: Мир, 1970. - 335 с.
2 ГЕО-Сибирь-2011. Т. 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнология. Ч. 2.: сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2011», - Новосибирск: СГГА, 2011. - 259. - с. 166-168.
3 Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит-ры. 1976. - 392 с.
4 Ахманов С. А., Никитин С. Ю. Физическая оптика : Учебник - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. - 656 с.
5 Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат. лит. 1970. - 855 с.
6 Шлишевский В. Б. Теория и практика светосильной растровой спектроскопии. -Новосибирск: СГГА, 2005. - 264 с.
7 Скоков И. В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. - М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.
© В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков, А.С. Сырнева, Д.М. Михайлова, 2012
