Способ спектрометрии и интерферометр для его осуществления

 

Изобретение относится к области спектрального анализа. При реализации предлагаемого способа регистрацию системы интерференционных полос, образованной при воздействии стоячей световой волны на тонкий частично пропускающий слой, осуществляют в виде сигнала пространственной и временной частоты за счет того, что на упомянутый тонкий частично пропускающий слой воздействуют дополнительной стоячей световой волной с образованием и на этом же слое, как на смесителе, световых биений с частотой радиодиапазона. Заявленный способ спектрометрии осуществляется на интерферометре, содержащем оптически сопряженные первый и второй когерентные источники светового излучения, тонкий частично пропускающий слой, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, светоделительный элемент и спектроанализатор. Технический результат - возможность повысить разрешающую способность при измерении светового излучения в 2-5 раз. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретения относятся к области спектрального анализа и могут быть использованы при спектральном анализе светового излучения.

Классический способ спектрального анализа излучения заключается в разложении пучка света, с помощью призмы или дифракционной решетки, с выделением спектральных составляющих и их последовательным сканированием [Малышев В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука, 1979, с. 185-201; 257-274].

Данный способ обладает меньшей светосилой по сравнению со способами, основанными на интерференции пучков света, что является его недостатком.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является способ спектрометрии, основанный на регистрации системы интерференционных полос стоячей световой волны посредством тонкого частично пропускающего слоя, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны [А.В.Атнашев, В.Б.Атнашев, П.В. Атнашев. Метод интерференции на дифракционной решетке. Метод Атнашева. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000, с. 13 (прототип)].

К недостаткам данного способа следует отнести низкую точность регистрации системы интерференционных полос стоячей световой волны посредством тонкого частично пропускающего слоя, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны, и, следовательно, низкую точность анализа.

Задачей изобретения является повышение точности спектрального анализа за счет повышения точности регистрации системы интерференционных полос стоячей световой волны посредством тонкого частично пропускающего слоя, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе спектрометрии, основанном на регистрации системы интерференционных полос стоячей световой волны посредством тонкого частично пропускающего слоя, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны, этот слой толщиной не более λ/2 расположен между первым когерентным источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом Θ, определяемым из соотношения sinΘ = λ/2d, где Θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ = c/v₁ - длина световой волны первого когерентного источника, с - скорость света, v₁ - частота светового излучения первого когерентного источника, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, кроме того на упомянутый тонкий частично пропускающий слой дополнительно воздействуют стоячей световой волной от второго когерентного источника светового излучения с частотой v₂, определяемой из выражения v₂= v₁±F, где F - частота биений, которую задают в диапазоне 1-6•10¹² Гц, путем направления светового излучения от второго когерентного источника светового излучения на упомянутые тонкий частично пропускающий слой и отражающее зеркало, при этом регистрацию системы интерференционных полос стоячей световой волны с периодом d осуществляют путем проецирования изображения упомянутой системы на периодическую систему, содержащую фотоэлементы, полученные с фотоэлементов электрические сигналы регистрируют в зависимости от местоположения этих фотоэлементов в периодической системе и подвергают преобразованию по пространственной координате и координате времени.

Одним из классических устройств, используемым для спектрального анализа, является монохроматор с дифракционной решеткой [Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука, 1979, с.266-274], состоящий из зеркал и поворотной дифракционной решетки, обеспечивающей сканирование спектра.

Данный дифракционный монохроматор обладает меньшей светосилой по сравнению с интерферометрами, что является его недостатком.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является интерферометр, содержащий оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, спектроанализатор и тонкий частично пропускающий слой, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны [патент РФ 2177605, МПК 7 G 01 J 3/00, G 01 В 9/02, G 01 R 23/17, опубл. 27 декабря 2001 г. (прототип)].

К недостаткам данного интерферометра можно отнести влияние дифракционного разложения на результаты измерений.

Задачей изобретения является повышение точности измерений за счет устранения явления дифракционного разложения.

Поставленная задача может быть решена за счет того, что в интерферометре, содержащем оптически сопряженные первый когерентный источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, тонкий частично пропускающий слой, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, и спектроанализатор, этот слой толщиной не более λ/2 расположен между первым когерентным источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом Θ, определяемым из соотношения sinΘ = λ/2d, где Θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ = c/v₁ - длина световой волны первого когерентного источника, с - скорость света, v₁ - частота светового излучения первого когерентного источника, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны. Интерферометр также содержит периодическую систему с фотоэлементами, которая расположена позади отражающего зеркала, светоделительный элемент, расположенный между упомянутыми тонким частично пропускающим слоем и первым когерентным источником светового излучения, второй когерентный источник светового излучения с частотой v₂, определяемой из выражения v₂=v₁±F, где F - частота биений, которую задают в диапазоне 1-6•10¹² Гц, оптически сопряженный со свето делительным элементом.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема интерферометра.

Интерферометр содержит оптически сопряженные первый когерентный источник 1 светового излучения, отражающее зеркало 2, выполненное частично пропускающим световое излучение, тонкий частично пропускающий слой 3, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, и спектроанализатор 4. Тонкий частично пропускающий слой 3 толщиной не более λ/2 расположен между первым когерентным источником 1 светового излучения и отражающим зеркалом 2 под углом Θ, определяемым из соотношения sinΘ = λ/2d, где Θ - угол между тонким частично пропускающим слоем 3 и волновым фронтом световой волны, λ = c/v₁ - длина световой волны первого когерентного источника 1, с - скорость света, v₁ - частота светового излучения первого когерентного источника 1, d - период интерференционных полос 5, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое 3 при воздействии стоячей световой волны. Интерферометр также содержит периодическую систему 6 с фотоэлементами 7, которая расположена позади отражающего зеркала 2, светоделительный элемент 8, расположенный между тонким частично пропускающим слоем 3 и первым когерентным источником 1 светового излучения, второй когерентный источник 9 светового излучения с частотой v₂, определяемой из выражения v₂= v₁±F, где F - частота биений, которую задают в диапазоне 1-6•10¹² Гц, оптически сопряженный со светоделительным элементом 8. Светоделительный элемент 8 выполнен в виде светоделительного кубика. Тонкий частично пропускающий слой 3 может быть нанесен на одну из поверхностей оптического клина 10. Отражающее зеркало 2 при этом может быть выполнено на другой поверхности клина 10 в виде отражающего покрытия с коэффициентом отражения 0,50-0,99 и коэффициентом пропускания 0,01-0,50. На периодическую систему 6, содержащую фотоэлементы 7, спроецировано изображение системы интерференционных полос 5. Периодическая система 6, содержащая фотоэлементы 7, выполнена в виде линейки или матрицы приборов с зарядовой связью.

Заявленный способ спектрометрии осуществляется на настоящем интерферометре следующим образом.

Световой поток от первого когерентного источника 1 светового излучения поступает на отражающее зеркало 2, отражается от него и в виде стоячей световой волны поступает на тонкий частично пропускающий слой 3. За счет того, что тонкий частично пропускающий слой 3 рассеивает или поглощает энергию электрического поля стоячей световой волны и расположен наклонно, в нем образуется система интерференционных полос 5, регистрацию которой можно осуществить в виде сигнала пространственной частоты с периодом следования d. При этом период следования d задан из соотношения: sinΘ = λ/2d, где Θ - угол между тонким частично пропускающим слоем 3 и волновым фронтом световой волны, λ = c/v₁ - длина световой волны первого когерентного источника 1, с - скорость света, v₁ - частота светового излучения первого когерентного источника 1. При использовании оптического клина 10 угол ϕ между плоскостью тонкого частично пропускающего слоя 3 и плоскостью отражающего зеркала 2 задан из соотношения sinϕ = λ/2dn, где λ - длина световой волны первого когерентного источника 1; d - период системы интерференционных полос 5, n - показатель преломления материала оптического клина 10. Световой поток от второго когерентного источника 9 светового излучения через светоделительный элемент 8 также поступает на отражающее зеркало 2, отражается от него и в виде стоячей световой волны поступает на тонкий частично пропускающий слой 3. За счет того, что тонкий частично пропускающий слой 3 рассеивает или поглощает энергию электрического поля стоячей световой волны и расположен наклонно, в нем образуется система интерференционных полос 5 практически с тем же периодом следования d, так как частота v₂ светового излучения второго когерентного источника 9 отличается от частоты v₁ светового излучения первого когерентного источника 1 на частоту биений F, которую задают в диапазоне 1-6•10¹² Гц. Это позволяет осуществить регистрацию системы интерференционных полос 5 в виде сигнала пространственной частоты с периодом следования d. Так как второй когерентный источник 9 используется в качестве гетеродина, то, кроме образования системы интерференционных полос 5 на тонком частично пропускающем слое 3, на этом же слое 3, как на смесителе, возникают световые биения с частотой 1-6•10¹² Гц (с частотой радиодиапазона). Изображение системы интерференционных полос 5, интенсивность которых модулируется по времени, проецируется через частично пропускающее световое излучение отражающее зеркало 2 на периодическую систему 6, содержащую фотоэлементы 7. Полученные с фотоэлементов 7 электрические сигналы регистрируют в зависимости от местоположения этих фотоэлементов 7 в периодической системе 6 и подвергают двумерному преобразованию Фурье по пространственной координате и координате времени на спектроанализаторе 4, на выходе которого получают их частотное преобразование в виде зависимости от длины λ световой волны. Это позволяет повысить точность измерения и обеспечивает высокое разрешение определяемой длины волны.

Предлагаемые способ спектрометрии и интерферометр для его осуществления позволяют повысить точность измерения светового излучения в 2-5 раз.

Формула изобретения

1. Способ спектрометрии, основанный на регистрации системы интерференционных полос стоячей световой волны посредством тонкого частично пропускающего слоя, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны, отличающийся тем, что этот слой толщиной не более λ/2 расположен между первым когерентным источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом Θ, определяемым из соотношения sinΘ = λ/2d, где Θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ = c/v₁ - длина световой волны первого когерентного источника, с - скорость света, v₁ - частота светового излучения первого когерентного источника, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, кроме того, на упомянутый тонкий частично пропускающий слой дополнительно воздействуют стоячей световой волной от второго когерентного источника светового излучения с частотой v₂, определяемой из выражения v₂= v₁±F, где F - частота биений, которую задают в диапазоне 1-6•10¹² Гц, путем направления светового излучения от второго когерентного источника светового излучения на упомянутые тонкий частично пропускающий слой и отражающее зеркало, при этом регистрацию системы интерференционных полос стоячей световой волны с периодом d осуществляют путем проецирования изображения упомянутой системы на периодическую систему, содержащую фотоэлементы, полученные с фотоэлементов электрические сигналы регистрируют в зависимости от местоположения этих фотоэлементов в периодической системе и подвергают преобразованию по пространственной координате и координате времени.

2. Интерферометр, содержащий оптически сопряженные первый когерентный источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, тонкий частично пропускающий слой, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, и спектроанализатор, отличающийся тем, что этот слой толщиной не более λ/2 расположен между первым когерентным источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом Θ, определяемым из соотношения sinΘ = λ/2d, где Θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ = c/v₁ - длина световой волны первого когерентного источника, с - скорость света, v₁ - частота светового излучения первого когерентного источника, d - период интероференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, также интерферометр содержит периодическую систему с фотоэлементами, которая расположена позади отражающего зеркала, светоделительный элемент, расположенный между упомянутыми тонким частично пропускающим слоем и первым когерентным источником светового излучения, второй когерентный источник светового излучения с частотой v₂, определяемой из выражения v₂=v₁±F, где F - частота биений, которую задают в диапазоне 1-6•10¹² Гц, оптически сопряженный со светоделительным элементом.

РИСУНКИ

Рисунок 1