CC BY
190
УДК 535.542.3
О РАЗРЕШЕНИИ ИМПУЛЬСНОЙ ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИИ
Бронислав Сергеевич Могильницкий
ФГАОУ АСМС, Новосибирский филиал, 630004, Россия, г. Новосибирск, ул. Революции, 36, кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой, тел. (383)210-07-75, email: ats3300-106-45@yandex.ru
Игорь Владиленович Минин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: prof. minin@gmail. com
Олег Владиленович Минин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: prof. minin@gmail. com
Геннадий Владимирович Шувалов
ФГУП «СНИИМ», 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, кандидат технических наук, и.о. директора, тел. (383)210-17-26, e-mail: shuvalov@sniim.ru
При освещении спектрометра одиночными лазерными импульсами разрешающая способность Фурье-спектрометра низкая из-за отсутствия явления многоволновой интерференции. При освещении «синхронизованными» лазерными импульсами разрешающая способность Фурье-спектрометра восстанавливается до уровня стационарного освещения.
Ключевые слова: Фурье-спектрометр, синхронизованные лазерные импульсы.
ABOUT PULSE FOURIER SPECTROSCOPY PERMISSION
Bronislav S. Mogilnitsky
FGAOU ASMS, Novosibirsk branch, 630004, Russia, Novosibirsk, Revolyutsii St., 36, head of the department, candidate of physical and mathematical sciences, tel. (383)210-07-75, e-mail: ats3300-106-45@yandex.ru
Igor V. Minin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotny St., Ph.D., Prof. of Department "Metrology and Technology of Optical Production" chair, tel. (383)361-07-45, email: prof.minin@gmail.com
Oleg V. Minin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotny St., Dr.Sci.Tech., professor of "Metrology and Technology of Optical Production" chair, tel. (383)361-07-45, e-mail: prof.minin@gmail.com
Gennady V. Shuvalov
Federal State Unitary Enterprise SNIIM, 630004, Russia, Novosibirsk, 4 Dimitrov Ave., Cand.Tech.Sci. of sciences, acting director, tel. (383)210-17-26, e-mail: shuvalov@sniim.ru
At illumination of a spectrometer by single laser impulses resolution of Fourier spectrometer low due to the lack of the phenomenon of a multiwave interference. When lighting by the "synchronized" laser impulses resolution of Fourier spectrometer is restored to level of stationary lighting.
Key words: Fourier spectrometer, the synchronized laser impulses.
Интерференционная спектроскопия с преобразованием Фурье оформилась как научное направление во второй половине XX века. Широкое распространение этого уникального метода обусловлено развитием вычислительной техники. Фурье-спектрометры обеспечили резкое повышение спектрального разрешения, информативность и скорость получения информации. Эта технология нашла широкое применение в задачах атмосферной оптики, в области исследования биологических объектов, газовых и жидких сред, и др.
Работа Фурье-спектрометра основана на принципах двухлучевой интерферометрии (интерферометр Майкельсона). Источником спектроскопической информации является интерференционная картина, формируемая при сканировании одного из зеркал интерферометра. Освещенность приемника, а значит, и регистрируемый сигнал меняется синусоидально вследствие сканирования образовавшейся
интерференционной картины (рис. 1) [*].
Рис. 1. Современный Фурье-спектрометр
Важнейшей метрологической характеристикой Фурье-спектрометра является его разрешающая способность
к=тк
где X - длина волны света, 5 А, - аппаратная функция, определяемая преобразованиями Фурье-спектрометра при конечной разности хода L. Другими словами, аппаратная функция Фурье -спектрометра - это
наблюдаемое распределение спектральной интенсивности на выходе прибора, если на вход поступает строго монохроматическое излучение. Ширина аппаратной функции определяет разрешающую способность Фурье-спектрометра. Например, ширина аппаратной функции Фурье-спектрометра при треугольной апподизации равна 8Л ~ à2/2L, где 2L - длина сканирования зеркала [1]. Тогда разрешающая способность определяется как = 2L/X и для L = 0.1 м, X = 10'6м будет равна 9? = 2-105. Основные метрологические характеристики Фурье - спектрометров детально изучены с разных точек зрения в режиме стационарного освещения. Как изменится разрешение Фурье-спектрметра при освещении его импульсным излучением?
Известно, что импульсный сигнал имеет однозначное соответствие между спектральным и временным составляющими. Согласно интегралу Фурье спектральные и временные характеристики равноправно отражают суть спектрально-временного процесса [2]. Для моноимпулъсного излучения, освещающего Фурье-спектрометр, это соответствие можно записать
= т JX,
как произведение частоты света на длительность импульса (здесь частота света представлена в терминах пространственных частот, т.е. v = 1/А,), где 9^ - спектральный параметр, 9ît - временной параметр.
Параметр 911 = ти/т0, где ти - длительность импульса света, т0 = 2L/c = 1/ôv - время прохождения светом длины пространственного сканирования зеркала - время переходного процесса, определяет работу Фурье-спектрометра. При s3?t = ти/т0 > 1 в Фурье-спектрометре организуется интерференция. Это соответствует ситуации, когда длительность импульса “накрывает” время переходного процесса. При 9ît < 1 в Фурье-спектрометре интерференция не формируется. Здесь отметим, что при освещении импульсом света на выходе спектрометра формируются два импульса, разделенных временем т0. Оценим время переходного процесса т0. Оно определяется величиной пространственной длины сканирования зеркала. Так, для L = 0.1 м т0= 3-Ю'10с, а при L = 0.01 м т0 = 3-10'11 с.
Отсюда следует, что импульсы для Фурье-спектрометра ограничиваются пикосекундным диапазоном длительностей. Для его работы должно выполняться условие ти > т0. Фемтосекундные импульсы для Фурье-спектрометров непригодны вследствие того, что для них необходима ничтожно малая амплитуда пространственного сканирования зеркала спектрометра. Например, при ти = 10'14 с (10 фемтосекунд) длина сканирования должна составлять 2L = 3-10'6 м, т.е. всего 3 мкм, что технически трудно реализуемо.
С момента начала интерференции, когда выполняется условие $Rt = 1, спектральная разрешающая способность Фурье-спектрометра становится равной
Шх = 1/А, т.е. существенно понижается. Это означает, что при освещении Фурье-
спектрометра одиночными импульсами, многоволновая интерференция не формируется. Аппаратная функция Фурье-спектрометра сильно уширяется. В этом случае Фурье-спектрометер не в состоянии образовать интерференцию вследствие дефицита времени и световой энергии в импульсе. В случае 9?t > 1 спектральная разрешающая способность определяется выражением = т0 / X =
t0-v и при
V = 3-1011 = 1, т.е. спектральное разрешение практически теряет смысл.
Другая ситуация при синхронизованном лазерном импульсном освещении. При равенстве периода следования импульсов Т = 2d/c, (d - база резонатора импульсного лазера) времени установления интерференции в Фурье-спектрометре т0 т.е. Т = т0, разрешающая способность его восстанавливается до прежнего уровня, соответствующего стационарному освещению. Происходит постоянная подпитка световой энергией процесса интерференции в Фурье-спектрометре. В момент окончания освещенности Фурье - спектрометра импульсом на входе плеч интерферометра появляется следующий такой же импульс. Происходит процесс непрерывного освещения Фурье-спектрометра и его разрешающая способность восстанавливается до уровня стационарной освещенности.
Синхронизованные лазерные импульсы формируются методом синхронизации мод. Технология производства таких лазеров в настоящее время хорошо отработана. Имея возможность перестройки базы резонатора такого лазера, мы можем всегда организовать синхронизованное когерентное освещение Фурье-спектрометра. Синхронизованное освещение не ограничивает длительность сверхкоротких импульсов, организующих интерференцию в Фурье-спектрометре [3].
Сравнительно недавно появился метод импульсной терагерцовой спектроскопии (ТГС). Для генерации терагерцового излучения (3 см^-ьЮО см'1, что соответствует диапазону частот 3-10пГц 3-1013Гц) используются
дипольные антенны [4, 5] и нелинейные кристаллы [6, 7] на эффекте оптического выпрямления. Для когерентного детектирования используются нелинейные кристаллы на электрооптическом эффекте [8]. Технология исследований в ТГС основана на синхронизованной последовательности импульсов зондирования и обладает особенностями, описанными выше.
Таким образом, при освещении Фурье-спектрометра одиночными импульсами его разрешение низкое из-за отсутствия многоволнового интерференционного эффекта. При освещении синхронизованными лазерными импульсами, разрешение Фурье-спектрометра восстанавливается до уровня разрешения, соответствующего стационарному освещению. Эту особенность необходимо учитывать при проведении прецизионных спектроскопических исследований.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. В. В. Лебедева. Техника оптической спектроскопии. М.: Наука, 1977. с.384.
2. С. А. Ахманов, В. А. Вислоух, А. С. Чиркин. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. - М.: Наука.1988. с. 312.
3. Mogilnitsky B.S., Ponomarev Ju.N. Fabry-Perot Interferometer in the World of Pulses: New Approaches and Capabilites // Atmosferic and Oceanic Optics. 2009. Vol.22. № 5. P.544-550.
4. J.Kind, C.Schmuttenmaer. Far-infraraded dielectric properties of polar liquids probed by femtosecond teraherz puls spectroscopy// J. Phys. Chem. 1996. Vol.100. P.10373.
5. I. Morino, K. Yamada, A. Maki. Terahertz measurement of rotational transitions in vibratio-nally exited states of N2O // J. Of Molekular Spectroskopy. 1999. Vol. 196. P. 131.
6. Y. Ding, I. Zotova. Second-order nonlinear optical materials for efficient generation and amplification of temporally-coherent and narrow-linewidth terahertz waves // Opt. and Quant Electr. 2000. V. 32. P. 531.
7. A. Rice, Y. Jin, X. F. Ma, X,- C. Zhang. Terahertz optical rectification from <110> zinc-blend crystals // Appl. Phys. Lett. 1994. Vol. 64. P. 1324.
8. Q. Wu, X.-C. Zhang. Free-space electro-optics sampling of terahertz beams. // Appl. Phys. Lett. 1995. Vol. 67. P.3523.
[*]. Answers.com
© Б. С. Могильницкий, И. В. Минин, О. В. Минин, Г. В. Шувалов, 2014
