CC BY
25
ОПЫТ ПОДГОТОВКИ ДИПЛОМИРОВАННЫХ СПЕЦИАЛИСТОВ -МАГИСТРОВ И ИНЖЕНЕРОВ ПО СПЕЦИАЛИЗАЦИЯМ «СПЕКТРАЛЬНЫЕ И ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ» И «ФИЗИЧЕСКАЯ ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ»
Г.Г. Горбунов, Ю.К. Михайловский, О.К. Таганов
Подготовка кадров высшей квалификации на кафедре СПбГУ ИТМО «Физическая оптика и спектроскопия» носит довольно специфический характер в силу необходимости формировать у выпускников кафедры знания по очень широкому кругу проблем физической оптики и спектрального приборостроения. Расширение научного кругозора выпускников кафедры, формирование знаний как по фундаментальным направлениям физической оптики, так и по проблемам конструирования сверхточных оптических приборов, навыков проведения приближенных расчетов оптических схем, составления методик эксперимента, непосредственной работы на многофункциональных спектральных приборах, умения провести обработку результатов эксперимента и анализа полученных данных - вот далеко не полный круг вопросов, которые должны быть решены преподавательским составом кафедры. Все это заставляет находить новые методы ведения преподавания основных дисциплин, особенно на старших курсах.
Организация и проведение нового комплексного проекта № Б0120 Федеральной целевой программы «Интеграция» позволили по-новому решить многие проблемы подготовки специалистов высшей квалификации и на этой кафедре. Эта программа позволила привлечь специалистов ВНЦ «ГОИ им. С.И.Вавилова» и еще более укрепить сотрудничество кафедры, в частности, с лабораторией ГОИ, занимающейся разработкой методов и приборов фурье-спектрометрии. Член-корреспондент РАН, бывший Генеральный директор «ГОИ им. С.И.Вавилова» М.М. Мирошников, обсуждая вопросы разработки фурье-спектрометров, говорил: «Эти работы являются чрезвычайно характерными для ГОИ и вообще для большой науки, поскольку рождают взаимно увязанную и непрерывную цепочку решений. Чисто практическая задача необходимо требует проведения для ее решения или в связи с ее решением глубоких фундаментальных исследований. В свою очередь, для выполнения этих глубоких фундаментальных исследований возникает необходимость создания особо точной научной измерительной аппаратуры».
Основным элементом любого фурье-спектрометра является двухлучевой интерферометр с изменяющейся разностью хода [1]. В динамических фурье-спектрометрах изменение разности хода происходит во времени, а в другой разновидности фурье-спектрометров, называемых статическими, - в пространстве. В большинстве разработок динамических фурье-спектрометров используется классический интерферометр Майкельсона, одно из зеркал которого движется с равномерной скоростью V в направлении, нормальном к своей поверхности (рис.1). Фотоприемник, установленный на выходе интерферометра, регистрирует две когерентных волны, отраженные от концевых зеркал интерферометра, одно из которых перемещается во времени. Это перемещение позволяет прибору регистрировать функцию автокорреляции входящего в интерферометр электромагнитного излучения, так называемую интерферограмму. По теореме Винера-Хинчина функцию автокорреляции стационарного случайного процесса можно представить интегралом Фурье. Обратное фурье-преобразование интерферограммы дает спектр.
На рис. 1 приведена принципиальная блок-схема динамического Фурье-спектрометра. На вход двухлучевого интерферометра типа Майкельсона поступает исследуемое излучение в спектральном диапазоне от до V. Специальный механизм сканирования осуществляет перемещение одного из зеркал интерферометра параллельно самому себе с равномерной скоростью V. Для соблюдения постоянства скорости в
цепи отрицательной обратной связи механизма сканирования используется сигнал вспомогательного (референтного) канала, включающий в себя источник монохроматического излучения (лазера). На выходе интерферометра приемник регистрирует интер-ферограмму, содержащую различные электрические частоты от /1 до /п, зависящие от длины волны входного излучения и от скорости изменения разности хода, при этом Г=2у/Х.
Рис. 1. Принципиальная блок-схема динамического Фурье-спектрометра
Основные преимущества приборов, построенных на этом принципе, по сравнению
с классическими дисперсионными или дифракционными спектрометрами - следующие
[1, 2]:
1. большая светосила (большой телесный угол, из которого может собираться исследуемое излучение при том же спектральном разрешении);
2. одновременность регистрации всех спектральных интервалов (мультиплексность);
3. точность привязки шкалы волновых чисел по одному внутреннему эталону;
4. большой диапазон реализуемых спектральных разрешений, определяемых только величиной реализованной разности хода в плечах интерферометра;
5. большая ширина регистрируемого спектра;
6. отсутствие влияния рассеянного света;
7. однозначность конструкторских и методических решений при построении приборов в очень широком спектральном диапазоне.
8. установив матрицу фотоприемников в фокальной плоскости выходного коллиматора динамического Фурье-спектрометра и снимая отдельные интерферограммы с каждого пикселя (каждого элемента матрицы), можно получить одновременно как спектральное разрешение, в зависимости от достигнутой за время сканирования подвижного зеркала разности хода, так и пространственное разрешение по двум координатам пространства, в зависимости от числа элементов в строках и столбцах приемной матрицы.
Эти преимущества позволяют получить выигрыш отношения сигнал/шум в регистрируемом спектре по сравнению с классическими спектрометрами до нескольких порядков, что обусловило стремительное развитие приборов, основанных на этом принципе. Если в начале своего развития ФС использовались главным образом для длинноволнового участка спектра (Х>20 мкм) в связи с тем, что точности, предъявляемые к оптико-механической части прибора, пропорциональны длине волны, то в настоящее время имеются ФС, работающие от 0,2 мкм. Серийный ФС фирмы BRUKER IFS 120HR имеет спектральное разрешение 0,002 см-1 и работает в спектральной области от 42000 до 5 см-1 (стандартная область 4800-450 см-1 ) с относительной точностью привязки шкалы волновых чисел не хуже 0,5 х10- и абсолютной не хуже 5х 10-7 [3]. На основе микротехнологий разработан самый миниатюрный на настоящее время ФС, имеющий размеры 5х4х3 мм3, работающий в видимой области спектра (Х=550-700 нм) и обеспечивающий спектральное разрешение АХ = 4нм на X = 633 нм [4]. Подавляющее большинство космических спектрометров, особенно для ИК-области спектра, работают также на этом принципе. Например, разработанный в ФРГ космический ФС проводит измерение спектра в интервале от 2 до 20 мкм с теоретическим спектральным разрешением 0,01 см-1 за время около 1 с (это составляет около 500000 спектральных интервалов, получаемых за 1 с) [5]. В последние годы еще более расширилась область применения фурье-спектрометров. Приборы, основанные на этом методе, стали использоваться в видеоспектрометрии для сбора «куба данных» исследуемых областей земли или в качестве датчика волнового фронта для адаптивных или мультимодульных систем.
Рис. 2 Принципиальная схема получения видеоспектрометрического «куба данных» при использовании динамического Фурье-спектрометра.
На рис. 2 приведена принципиальная схема получения видеоспектрометрического «куба данных» при использовании динамического фурье-спектрометра. Эти дополнительные возможности метода фурье-спектрометрии еще больше расширили области применения аппаратуры подобного типа.
Разработка фурье-спектрометров, безусловно, является наукоемкой областью приборостроения, развитие которой невозможно без тесного взаимодействия высококвалифицированных специалистов, работающих в самых разных направлениях: исследователей, расчетчиков оптики, конструкторов, технологов, разработчиков новых материалов, в особенности оптических, метрологов, а также разработчиков контрольно-измерительной аппаратуры, программистов, испытателей. В «ГОИ им. С.И. Вавилова» имеется возможность создания таких творческих коллективов и обучения студентов комплексному использованию ранее приобретенных ими знаний.
Сотрудничество кафедры СОФП со специалистами «ГОИ им. С.И. Вавилова», занимающихся разработкой фурье-спектрометрической аппаратуры, позволило ввести рассмотрение вопроса разработки и исследования фурье-спектрометров в качестве базового объекта изучения на старших курсах. На этой основе можно формировать у студентов глубокие понимания таких разделов оптики, как интерферометрия и поляризация света, оптика кристаллов и технология оптических покрытий, источники и приемники излучения, конструирования сверхточных оптических и механических узлов аппаратуры, обработка результатов и анализ экспериментальных данных, отработка алгоритмов и программирование.
Все вышеперечисленное в той или иной мере изучалось студентами на общих курсах лекций по различным дисциплинам. В настоящее время обсуждается возможность создания специального курса, в котором будет сделан акцент на прикладную направленность изученного ранее материала. В нем будет уделено большое внимание методам получения выходной спектральной информации, специальной математической обработке в соответствии с применяемыми алгоритмами обработки. Это даст возможность более глубокого ознакомления студентов со специфическими методами преобразования и обработки данных эксперимента.
Особое значение в профессиональной подготовке студентов по тематике «Фурье-спектрометрия: теория, приборы и методы» играет практика, проводимая непосредственно на аппаратурной и стендовой базе ФГУП ВНЦ «ГОИ им. С.И.Вавилова». Ее эффективность определяется тем, что проводится она на реальных рабочих местах лаборатории под руководством ведущих специалистов - профессионалов данного направления и по программам, проводимых плановых НИР и ОКР.
В настоящее время уже существует практика организации работ студентов СПбГУ ИТМО в ВНЦ «ГОИ им. С.И.Вавилова». Их можно свести к следующим основным видам.
1. З курс. Летний практикум длительностью 1 месяц. Несмотря на краткосрочность, эта практика имеет большое значение, поскольку является, по существу, первым знакомством студентов с характером и содержанием деятельности научного сотрудника профилирующей лаборатории. Студенту выдается задание, связанное с решением той или иной частной технической проблемы, как правило, вытекающей из проводимого исследования или разработки по текущей лабораторной тематике. Формирование задания исходит, с одной стороны, из его умеренной сложности, так как студент 3-го курса обладает небольшими первичными знаниями и опытом по специальности, с другой - характеризуется незначительным объемом из-за скоротечности данной практики (1 месяц)..
2. 4 курс. Выполняется учебно-исследовательская работа (или курсовое проектирование) на которую выделяется контингент студентов, в наибольшей степени проявившие способности и склонность к самостоятельной творческой работе в условиях ис-
следовательской лаборатории. Из этой выборки студентов формируются группы по 1-2 человека, которые получают конкретное задание, выполняемое уже в более длительные сроки (около 4 месяцев), что позволяет практикантам более углубленно освоить методологию исследований и разработок.
3. 5 курс. Продолжается учебно-исследовательская работа. К этому времени студенты в значительной степени овладевают фундаментальными знаниями по основным профильным оптическим дисциплинам и с учетом опыта предыдущей работы в ГОИ
4. 6 курс. Заключительная фаза учебно-исследовательской или проектной работы характеризуется уже подготовкой и написанием дипломного проекта.
Организация практического курса по направлению «Фурье-спектрометрия: теория, приборы и методы» предполагает:
1. проведение ряда ознакомительных лекций или бесед по вопросам теории и практики применения техники фурье-спектрометрии;
2. демонстрацию фурье-спектрометрической аппаратуры, имеющейся в лаборатории;
3. промежуточную проверку знаний, направленных на закрепление материала, полученного на этапах 1, 2;
4. выдачу индивидуальных заданий для самостоятельной работы по теме с учетом курса и специальности студента-практиканта.
Подобная организация работ уже получила апробацию в подготовке специалистов, выпускаемых СПбГУ ИТМО в течение последних нескольких лет. За прошедший период по этому разделу осуществлена защита 5 дипломных проектов (Насонова Т.Д., Овсянникова М.А., Иванова М.Л., Куликов В.Л., Брославский С.Е., Киселев Д.Г.) Среди них как конструкторские работы (Насонова Т.Д., Иванова М.Л., Куликов В.Л.,), связанные с разработкой отдельных элементов аппаратуры, так и расчетные, посвященные вопросам алгоритмов математической обработки информации. Успешность этой деятельности подтверждается фактом получения одним из дипломов по этой тематике призового места на городском конкурсе дипломных проектов ВУЗов.
Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы», Проект № Б0120 -Направление 1.1.-УНЦ «Оптика и научное приборостроение».
Литература
1. Светосильные спектральные приборы. Сборник статей под редакцией К.И.Тарасова. М.: Наука, 1988., С.145-263.
2. Горбунов Г.Г., Киселев Б.А. Фурье-спектрометрия. // Оптический журнал. 1993. №12. С.3-6.
3. IFS 120 // Brucer analitische messtechnik GMBH, 1999, Karlsruhe 21.
4. Manzardo O., Morter C., Herzig H.P. Miniaturized time-scanning Fourier Transform Spectrometer using an Electrostatic Actutor. // Proc. SPIE. 1999. V.3749. Р.474-475.
5. Furer R., Rubin H. et al. «MIRIAM» - a spacebore sun occultation experiment for atmospheric trace gas spectroscopy.. // GEO Journal. 1994. V.32. Р.17-27.
