Фурье-спектрометр - это интерферометр Майкельсона, который освещается исследуемым излучением, одно из зеркал перемещается с постоянной скоростью, а получившаяся на выходе кривая зависимости отсчета фотоприемного устройства от разности хода лучей в плечах интерферометра подвергается Фурье-анализу и тем самым преобразуется в распределение интенсивности по частотам (длинам волн). В некоторых случаях такая сложная методика оказывается более эффективной, чем прямой анализ спектра.
Фурье-спектроскопия является эффективным методом изучения колебательных спектров веществ.
Оптическая схема:
1 - Источник света.
2 - Фотоприемник.
3 - Зеркала.
С.Д. - светоделитель.
К - компенсатор.
У - устройство изменения разности хода.
Л - линзы (не обязательны).
Области применения:
· Проведение исследований в ИК области,
· Фурье-спектроскопия обеспечила существенное продвижение в исследовании колебательно-вращательных спектров молекулярных газов,
· Газовый анализ, в первую очередь анализ состава атмосферы, как Земли, так и других планет.
Принцип действия.
Пусть разность хода между двумя интерферирующими пучками изменяется по закону Δ = 2vt. При монохроматическом освещении интерферометра интенсивность света, попадающего в приемник 2, изменяется синусоидально: сигнал приемника промодулирован с частотой W = 2kv = 2wv/c. Частота модуляции W зависит от оптической частоты w монохроматического излучения. Измеряя W, можно найти w, т.е. получить информацию о спектре источника. Для получения необходимого спектрального распределения интенсивности излучения по длинам волн (частотам) используют преобразование Фурье. Чем, собственно, и обуславливается название данного метода анализа.
Таким образом, процесс получения спектра методом Фурье-спектрометра сводится к следующим этапам:
Измерение F(Δ) путем регистрации сигнала как функции изменения оптической разности хода;
Экспериментальное определение значения F(0), т.е. регистрация сигнала в точке нулевой разности хода (разность хода в интерферометре будет равна нулю, если оптические длины пути лучей /светоделитель/зеркало/ обоих плеч будут равны). Этой точке соответствует абсолютный максимум отсчетов F(Δ);
Вычисление обратного преобразования Фурье - выражения F(Δ)-0.5 F(0).
Разрешающая способность Фурье-спектрометра.
Разрешающая способность, полученная в спектре, зарегистрированном на Фурье-спектрометре, определяется разностью хода Δ. Оказывается, однако, что разность хода можно делать сколь угодно большой только при достаточно малом входном отверстии. При конечном размере входной диафрагмы после отражения от коллиматора возникают пучки, непараллельные строго оптической оси прибора. Из-за разного наклона разность хода для таких пучков оказывается немного различной, что приводит к уширению аппаратной функции прибора. Чтобы ослабить этот эффект, приходится уменьшать входную диафрагму, однако уменьшение диафрагмы приводит к уменьшению сигнала и, следовательно, к ухудшению отношения сигнал / шум в спектре. На практике часто именно минимально возможная диафрагма и определяет спектральное разрешение.
Таким образом, реальное предельное разрешение фурье-спектрометров очень часто определяется энергетическими условиями: яркостью источника излучения, светосилой, чувствительностью приемника излучения и т.п. В современных приборах высокого класса, снабженных стандартными источниками излучения для измерения спектров поглощения, предельное разрешение составляет около 0,002 см-1.
Преимущества фурье-спектрометров:
1. Выигрыш Жакино. Есть возможность использовать большие телесные углы у источника и приемника. Таким образом через прибор проходит больше светового потока, следовательно происходит более полное использование анализируемого излучения.
2. Выигрыш фелжетта. В каждый момент времени регистрируется весь спектр, поэтому в Фурье-спектрометрах более высокое соотношение сигнал/шум, чем в дифракционных или призменных приборах.
3. Отсутствие ограничений в спектральном разрешении за счет размеров оптических элементов. Трудно ожидать, что размеры дифракционных решеток или тем более призм будут больше 50 см. Таким образом, естественным пределом разрешения приборов, использующих пространственную дисперсию, является величина 0,02 см-1. В то же время уже сейчас налажен серийный промышленный выпуск фурье-спектрометров с разрешением до 0,002 см-1.
4. Поскольку фурье-спектрометры не требуют очень узких входных и выходных щелей, требования к созданию оптических схем без аберраций при их конструкции сильно снижаются. По этой причине становится возможным создание оптических схем с большим отношением диаметра объектива к его фокусу (относительным отверстием), обычно 1: 3, что делает такие приборы более компактными по сравнению со щелевыми.
Источники информации:
1. http://lab127.karelia.ru/%7Eekostq/PUBLIC/fs/index_2.html,
2. http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/1156.html
3. www.spectrometr.ru
И мне захотелось самостоятельно сделать такой. Эта задача совсем не простая, но действующий макет спектрометра все же удалось сделать. Сразу предупрежу - это не инфракрасный спектрометр, так что особенно интересных измерений им не провести.
О том, как же работает Фурье-спектрометр, и как его можно сделать в домашних условиях - далее (осторожно, много картинок!).
Немного теории
На всякий случай - речь будет идти про спектрометры оптического диапазона.
Я постараюсь не очень глубоко вдаваться в теорию работы спектрометров, хотя тема эта очень обширная.
Наиболее распространенные типы спектрометров - это спектрометры с диспергирующим элементом, который способен распределять излучение с разными длинами волн в пространстве. Примером таких элементов являются дифракционные решетки и призмы.
Упрощенная схема спектрометра с полупрозрачной дифракционной решеткой:
На схеме: 1 - входная щель, 2 - коллиммирующий объектив, 3 - дифракционная решетка, 4 - фокусирующий объектив, 5 - плоскость изображения (плоскость фотоприемника).
Исследуемое излучение проходит через входную щель, преобразуется объективом 2 в параллельный пучок света, который падает на дифракционную решетку. Решетка производит пространственное разделение этого пучка - излучение с разными длинами волн начинает распространятся под разными углами. Фокусирующая линза 5 формирует из параллельных пучков изображение в плоскости 5, которое может регистрироваться фотоприемником (например, ПЗС-линейкой).
Эти виды спектрометров относительно просты, но у них есть свои недостатки.
Одним из параметров, влияющим на спектральное разрешение спектрометра, является ширина щели - чем она меньше, тем лучше разрешение. Однако при уменьшении размеров щели падает освещенность фотоприемника, из-за чего усложняется получение спектров. Так как свет распределяется по плоскости изображения, то освещенность изображения падает.
Призмы, хоть и просты в изготовлении и использовании, не способны обеспечивать высокое спектральное разрешение. Еще один их недостаток - они могут работать только в определенном диапазоне волн, определяемом материалом призмы. Обычные стекла не способны пропускать излучение с длиной вольны больше 3-4 мкм.
Дифракционные решетки сложней в изготовлении, но обеспечивают намного лучшее спектральное разрешение. Отражающие дифракционные решетки могут использоваться в широком диапазоне длин волн - от ультрафиолетового излучения до дальнего ИК. Один из недостатков дифракционных решеток - они дают несколько различных порядков спектра, которые могут искажать интерферограмму. Для их устранения приходится использовать светофильтры, ограничивающие спектр излучения на входе или выходе спектрометра.
Для регистрации спектра в плоскости изображения спектрометра устанавливают многоэлементные фотоприемники, которые позволяют очень быстро считать весь спектр излучения. Наиболее распространенные кремниевые ПЗС и КМОП линейки подходят только для видимой области спектра и ближнего ИК излучения. Для исследования излучения длиной более 1.2 мкм нужны приемники из других материалов, например германия, арсенида галлия-индия, или даже линейки микроболометров. Такие многоэлементные приемники выпускают всего несколько компаний в мире, они очень дороги и труднодоступны.
Для регистрации спектров можно использовать и более дешевые одноэлементные фотоприемники (фотодиоды, болометры), но в таком случае сканирование изображение должно быть механическим - путем перемещения одного из узлов спектрометра. Это заметно увеличивает время получения спектрограммы и может снижать точность измерения абсолютных величин длин волн.
В Фурье-спектрометрах используется совершенно другой принцип работы - он основан на явлении интерференции .
В Википедии, как мне показалось, приведено наиболее простое и понятное описание:
Основной элемент фурье-спектрометра - интерферометр Майкельсона .
Допустим, у нас имеется когерентный источник излучения с определённой длиной волны. Когда разность хода двух лучей, пришедших в приёмник, равна λ/2 (то есть лучи пришли в противофазе) интенсивность света, регистрируемая приёмником, близка к нулю. При перемещении правого зеркала интерферометра Майкельсона разность хода лучей изменяется, изменяется и интенсивность света, регистрируемая приёмником. Очевидно, что интенсивность света максимальная, когда разность хода лучей будет кратна длине волны.При перемещении зеркала с постоянной скоростью на выходе приёмника будет наблюдаться электрический сигнал синусоидальной формы. Притом период синусоиды зависит от длины волны источника, а амплитуда от интенсивности источника.
Теперь представим, что на входе некогерентный источник. Каждая длина волны в спектре источника света будет давать свою синусоиду на выходе приёмника. Таким образом на выходе приёмника мы получаем сложный сигнал. При выполнении над полученным сигналом обратного преобразования Фурье получаем спектр входного электрического сигнала, который также является спектром излучения источника (то есть интенсивность излучения источника на различных длинах волн).
Схема интерференции излучения в Фурье-спектрометре:
На схеме: 1 - источник излучения, 2 - светоделительная (полупрозрачная) пластинка, 3 - неподвижное зеркало, 4 - подвижное зеркало, 5 - фотоприемник.
Схема реального спектрометра несколько сложнее:
На схеме: 1 - источник излучения, 2,4 - колиммирующая оптика, 3 - входная диафрагма, 5 - неподвижное зеркало, 6 - подвижное зеркало, 7 - привод зеркала, 8 - светоделительная пластинка, 9 - лазер опорного канала, 10 - фотоприемник опорного канала, 11 - фокусирующая оптика, 12 - фотоприемник сигнала.
Для того, чтобы стабилизировать скорость движения подвижного зеркала, и обеспечить «привязку» спектрометра к абсолютным значениям длин волн, в спектрометр вводят опорный канал, состоящий из лазера и его фотоприемника (9 и 12 на схеме). Лазер в таком случае выступает эталоном длины волны. В высококачественных спектрометрах для этих целей используют одночастотные газовые лазеры. В результате точность измерения длин волн получается очень высокой.
Фурье-спектрометры обладают и другими преимуществами по сравнению с классическими спектрометрами.
Важная особенность Фурье-спектрометров - при использовании даже одного фотоприемника, одновременно регистрируются все спектральные элементы, что дает энергетический выигрыш по сравнению с поэлементным механическим сканированием (выигрыш Фэлжетта).
Фурье-спектрометры не требуют использования оптических щелей, которые задерживают большую часть светового потока, что дает большой выигрыш в светосиле (выигрыш Жакино).
В Фурье-спектрометрах нет проблемы наложения спектров, как в спектрометрах с дифракционными решетками, за счет чего спектральный диапазон исследуемого излучения может быть очень широким, и определяется параметрами фотоприемника и светоделительной пластины.
Разрешающая способность Фурье-спектрометров может быть намного выше, чем в традиционных спектрометрах. Она определяется разностью хода подвижного зеркала Δ. Разрешаемый интервал волн определяется выражением: δλ = λ^2/Δ
Однако есть и важный недостаток - большая механическая и оптическая сложность спектрометра. Для возникновения интерференции оба зеркала интерферометра должны быть очень точно выставлены перпендикулярно друг другу. При этом одно из зеркал должно совершать продольные колебания, но перпендикулярность должна сохраняться с той же точностью. В высококачественных спектрометрах в некоторых случаях для компенсации наклона подвижного зеркала в процессе движения при помощи пьезоэлектрических приводов наклоняют неподвижное зеркало. Для получения информации о текущем наклоне измеряются параметры опорного луча от лазера.
Практика
Я абсолютно не был уверен в том, что можно сделать Фурье-спектрометр в домашних условиях, не имея доступа к нужным станкам (как я уже упоминал, механика - самая сложная часть спектрометра). Поэтому спектрометр делался поэтапно.
Одна из наиболее важных частей спектрометра - узел неподвижного зеркала. Именно его нужно будет юстировать (плавно перемещать) в процессе сборки. Нужно было обеспечить возможность наклонять зеркало по двум осям, и точно перемещать его в продольном направлении (зачем - ниже), при этом зеркало не должно наклонятся.
Основой узла неподвижного зеркала стал одноосевой столик с микрометрическим винтом. Эти узлы у меня уже были, нужно было только соединить их вместе. Для безлюфтовой связи я использовал простой прижим столика к микрометрическому винту пружиной, находящейся внутри основания столика.
Его я сделал, используя три юстировочных винта, снятых со сломанного теодолита. Металлическая пластина с приклеенным зеркалом прижимается пружинами к торцам этих винтов, а сами винты закреплены в металлическом уголке, прикрученном к
столику.
Конструкция понятна из фотографий:
Видны юстировочные винты зеркала и микрометрический винт.
Спереди видно само зеркало. Оно взято из сканера. Важная особенность зеркала - зеркальное покрытие должно быть спереди зеркала, и для того, чтобы интерференционные линии не были кривыми, поверхность зеркала должна быть довольно качественной.
Вид сверху:
Видны пружины, прижимающие столик в микрометрическому винту и крепление пластины с зеркалом к уголку.
Как видно из фотографий, узел неподвижного зеркала прикреплен к доске из ДСП. Деревянное основание интерферометра - явно не лучшее решение, но из металла в домашних условиях его было сделать проблематично.
Теперь можно проверить возможность получить интерференцию в домашних условиях - то есть собрать интерферометр. Одно зеркало уже есть, поэтому нужно добавить второе тестовое зеркало и светоделитель. У меня был светоделительный кубик, и я использовал именно его, хотя кубик в интерферометре работает хуже, чем светоделительная пластинка - его грани дают дополнительные переотражения света. Получилась такая конструкция:
На одну из граней кубика, не обращенную к зеркалу, нужно направить свет, а через другую можно наблюдать интерференцию.
После сборки зеркала расположены слишком не перпендикулярно, и поэтому нужно выполнить первичную юстировку. Ее я делал при помощи маломощного лазерного диода, соединенного с коллимирующей линзой достаточно большого диаметра. На лазер нужно подать очень маленький ток - такой, чтобы можно было смотреть прямо на кристалл. В результате получается точечный источник света.
Лазер устанавливается перед интерферометром, и его отражения в зеркалах наблюдаются через кубик. Для удобства наблюдения я приставил к кубику призму, направляющую вышедшее из кубика излучение вверх. Теперь, поворачивая юстировочные винты зеркала, нужно совместить два видимых отражения лазера в одно.
К сожалению, фотографий этого процесса у меня нет, и выглядит он не очень понятно - из-за бликов в кубике видно много светящихся точек. Все становится значительно понятней, когда начинаешь поворачивать юстировочные винты - часть точек начинает перемещаться, а часть остается на месте.
После того, как зеркала выставлены вышеописанным образом, достаточно увеличить мощность лазера - и вот она, интерференция! Выглядит она практически так же, как и на фотографии в начале статьи. Однако излучение лазера глазами наблюдать опасно, так что чтобы увидеть интерференцию, нужно установить после кубика какой-либо экран. Я использовал простой листок бумаги, через который видно интерференционные полосы - мощности и когерентности лазера хватает, чтобы создать достаточно контрастное изображение. Поворачивая юстировочные винты зеркала, можно изменять ширину полос - очевидно, что слишком узкие полосы наблюдать проблематично. Чем лучше интерферометр отъюстирован, тем шире полосы. Однако, как я уже упоминал, малейшие отклонения зеркал приводят к разъюстировке, и следовательно, линии становятся слишком узкими и неразличимыми. Чувствительность получившегося интерферометра к деформациям и вибрациям огромная - достаточно нажать на доску-основание в любом месте, и линии начинают перемещаться. Даже шаги в комнате приводят к дрожанию линий.
Однако интерференция когерентного лазерного света - это еще не то, что нужно для работы Фурье-спектрометра. Такой спектрометр должен работать с любым источником света, в том числе и белым. Длина когерентности белого света - около 1 мкм.
У светодиодов эта величина может быть больше - несколько десятков микрометров. Интерферометр формирует интерференционную картину только тогда, когда разность хода световых лучей для между каждым из зеркал и светоделителем меньше длины когерентности излучения. У лазера, даже полупроводникового, она большая - больше нескольких миллиметров, поэтому интерференция возникает сразу после юстировки зеркал. А вот даже от светодиода интерференцию получить в разы сложнее - перемещая зеркало в продольном направлении микрометрическим винтом, нужно добиться того, чтобы разность хода лучей попала в нужный микронный диапазон.
Однако, как я уже говорил, при перемещении, особенно достаточно большом (сотни микрон), из-за недостаточно качественной механики столика, зеркало может немного поворачиваться, что приводит к тому, что условия для наблюдения интерференции исчезают. Поэтому часто приходится вновь устанавливать вместо светодиода лазер и поправлять юстировку зеркала винтами.
В конце-концов, после получасовых попыток, когда уже казалось, что это совсем не реально, мне удалось получить интерференцию света от светодиода.
Как оказалось немного позже, вместо того, чтобы наблюдать интерференцию через бумажку на выходе кубика, лучше установить матовую пленку перед кубиком - так получается протяженный источник света
. В результате интерференцию можно наблюдать непосредственно глазами, что заметно упрощает наблюдение.
Получилось вот так (видно отражение кубика в призме):
Потом удалось получить и интерференцию в белом свете от светодиодного фонаря (на фотографии видно матовую пленку - она обращена торцом к фотоаппарату и на ней видно тусклое пятно света от фонаря):
Если потрогать любое из зеркал, то линии начинают перемещаться и тускнеть, пока не исчезнут совсем. Период линий зависит от длины волны излучения, как показано на синтезированной картинке, найденной на просторах интернета:
Теперь, когда интерферометр сделан, нужно сделать узел подвижного зеркала взамен тестового. Изначально я планировал просто приклеить небольшое зеркало к динамику, и подавая на него ток, изменять положение зеркала. Получилась такая конструкция:
После установки, потребовавшей новой юстировки неподвижного зеркала, оказалось, что зеркало слишком сильно качается на диффузоре динамика и его несколько перекашивает при подаче тока через динамик. Тем не менее, изменяя ток через динамик, можно было плавно перемещать зеркало.
Поэтому я решил сделать конструкцию попрочней, используя механизм, который применяют в некоторых спектрометрах - пружинный параллелограмм. Конструкция понятна из фотографии:
Получившийся узел оказался значительно прочней предыдущего, хотя жесткость металлических пластинок-пружин вышла несколько высокой.
Слева - доска из оргалита, с отверстием-диафрагмой. Защищает спектрометр от внешних засветок.
Между отверстием и светоделительным кубиком установлена коллимирующая линза, приклеенная к металлической оправе:
На оправе виден специальный пластиковый держатель, в который можно вставлять матовую пленку (лежит в правом нижнем углу).
Установлен объектив для фотоприемника. Между объективом и кубиком установлено маленькое зеркало на поворачиваемом креплении. Оно заменяет призму, которая использовалась ранее. Фотография в начале статьи сделана именно через него. При повороте зеркала в положение для наблюдения оно перекрывает объектив, и регистрация спектрограммы становится невозможной. При этом нужно прекращать подавать сигнал на динамик подвижного зеркала - из-за слишком быстрых колебаний линии глазом не видны.
Внизу в центре виден еще один одноосевой столик. Изначально на нем был закреплен фотодатчик, но особых преимуществ столик не давал, и позже я его снял.
Спереди установил фокусирующий объектив от фотоаппарата:
Для упрощения юстировки и тестирования спектрометра установил красный фотодиод около диафрагмы.
Диод установлен на специальном поворотном держателе, так что его можно использовать как источник тестового излучения для спектрометра, поток света от объектива при этом перекрывается. Управляется светодиод выключателем, установленным под держателем.
Теперь стоит немного подробнее рассказать про фотодатчики. Изначально планировалось использовать только один обычный кремниевый фотодиод. Однако первые попытки сделать качественный усилитель для фотодиода оказались провальными, так что я решил использовать фотодатчик OPT101, который уже содержит в в себе усилитель с коэффициентом преобразования 1000000 (1 мка -> 1В).
Этот датчик работал довольно хорошо, особенно после того, как я снял вышеупомянутый столик, и точно выставил датчик по высоте.
Однако кремниевый фотодиод способен принимать излучение только в диапазоне длин волн 400-1100 нм.
Линии поглощения различных веществ обычно лежат дальше, и для их обнаружения нужен другой диод.
Для работы в ближней ИК области есть несколько типов фотодиодов. Для простого самодельного прибора наиболее подходят германиевые фотодиоды, способные принимать излучение в диапазоне 600 - 1700 нм. Эти диоды выпускались еще при СССР, поэтому они относительно дешевы и доступны.
Чувствительность фотодиодов:
Мне удалось достать фотодиоды ФД-3А, и ФД-9Э111. В спектрометре я использовал второй - он обладает несколько большей чувствительностью. Для этого фотодиода пришлось все же собрать усилитель. Он сделан с использованием операционного усилителя TL072. Для того, чтобы усилитель заработал, понадобилось обеспечить ему питание напряжением отрицательной полярности. Чтобы получить такое напряжение, я использовал готовый DC-DC преобразователь с гальванической развязкой.
Фотография фотодиода вместе с усилителем:
На обоих фотодиодах должен быть сфокусирован поток света из интерферометра. Для того, чтобы разделить поток света от объектива, можно было бы использовать светоделительную пластинку, однако это привело бы к ослаблению сигналов с диодов. Поэтому после объектива было установлено еще одно поворотное зеркало, при помощи которого можно направлять свет на нужный диод. В результате получился такой узел фотодатчиков:
В центре фотографии находится объектив, сверху на нем закреплен лазер опорного канала. Лазер тот же, что в дальномере , взятый из DVD привода. Лазер начинает формировать качественное когерентное излучение только при определенном токе. Мощность излучения при этом достаточно высокая. Поэтому, чтобы ограничить мощность луча, мне пришлось закрыть объектив лазера светофильтром. Справа закреплен датчик на OPT101, внизу - германиевый фотодиод с усилителем.
В опорном канале для приема излучения лазера используется фотодиод ФД-263, сигнал от которого усиливается операционным усилителем LM358. В этом канале уровень сигнала очень большой, так что коэффициент усиления - 2.
Получилась вот такая конструкция:
Под держателем тестового светодиода находится маленькая призма, направляющая луч лазера в сторону фотодиода опорного канала.
Пример осциллограммы, получаемой со спектрометра (источником излучения служит белый светодиод):
Желтая линия - сигнал, подаваемый на динамик подвижного зеркала, голубая линия - сигнал с OPT101, красная - результат Фурье-преобразования, выполняемого осциллографом.
Программная часть
Без программной обработки Фурье-спектрометр невозможен - именно на компьютере проводится обратное Фурье-преобразование, преобразовывающее интерферограмму, полученную от спектрометра, в спектр исходного сигнала.
В моем случае особую сложность создает то, что я управляю зеркалом синусоидальным сигналом. Из-за этого зеркало также движется по синусоидальному закону, и это значит, что его скорость постоянно меняется. Получается, что сигнал с выхода интерферометра оказывается промодулирован по частоте. Таким образом, программа должна производить еще и коррекцию частоты обрабатываемого сигнала.
Вся программа написана на C#. Работа со звуком производится при помощи библиотеки NAudio. Программа не только обрабатывает сигнал от спектрометра, но и формирует синусоидальный сигнал частотой 20 Гц для управления подвижным зеркалом. Более высокие частоты хуже передаются механикой подвижного зеркала.
Процесс обработки сигнала можно разделить на несколько этапов, и результаты обработки сигнала в программе можно просматривать на отдельных вкладках.
Сначала программа получает массив данных от аудиокарты. Этот массив содержит данные от основного и опорного каналов:
Вверху - опорный сигнал, внизу - сигнал от одного из фотодиодов на выходе интерферометра. В качестве источника сигнала в данном случае используется зеленый светодиод.
Обработка опорного сигнала оказалась довольно непростой. Приходится искать локальные минимумы и максимумы сигнала (отмечены на графике цветными точками), вычислять скорость движения зеркала (оранжевая кривая), искать точки минимума скорости (отмечены черными точками). Для этих точек важна симметричность опорного сигнала, так что они не всегда точно совпадают с реальным минимумом скорости.
Один из найденных минимумов скорости принимается за начало отсчета интерферограммы (отмечен красной вертикальной линией). Далее выделяется один период колебания зеркала:
Число периодов колебаний опорного сигнала за один проход зеркала (между двумя черными точками на скриншоте выше) указано справа: «REF PERIODS: 68». Как я уже упоминал, полученная интерферограмма промодулирована по частоте, и ее нужно скорректировать. Для коррекции я использовал данные о текущем периоде колебаний сигнала в опорном канале. Коррекция проводится путем интерполяции сигнала методом кубических сплайнов. Результат виден ниже (отображается только половина интерферограммы):
Интерферограмма получена, теперь можно выполнять обратное Фурье-преобразование. Оно производится при помощи библиотеки FFTW. Результат преобразования:
В результате такого преобразования получается спектр исходного сигнала в области частот. На скриншоте он пересчитан в обратные сантиметры (СМ^-1), которые часто используются в спектроскопии. Но мне все же больше привычна шкала в длинах волн, поэтому спектр приходится пересчитывать:
Видно, что разрешение спектрометра падает с ростом длины волны. Немного улучшить форму спектра можно, добавив в конец интерферограммы нули, что равносильно проведению интерполяции после выполнения преобразования.
Примеры полученных спектров
Слева - на лазер подается номинальный ток, справа - значительно меньший ток. Как видно, при уменьшении тока когерентность излучения лазера падает, увеличивается ширина спектра.
В качестве источников использовались: «ультрафиолетовый» диод, синий, желтый, белый диоды, и два ИК диода с разными длинами волн.
Спектры пропускания некоторых светофильтров:
Показаны спектры излучения после интерференционных светофильтров, снятых с денситометра. В правом нижнем углу - спектр излучения после ИК фильтра, снятого с фотоаппарата. Стоит отметить, что это не коэффициенты пропускания этих фильтров - для измерения кривой пропускания светофильтра нужно учитывать форму спектра источника света - в моем случае это лампа накаливания. С такой лампой у спектрометра оказались определенные проблемы - как оказалось, спектры широкополосных источников света получаются как-то коряво. Я так и не смог выяснить, с чем это связано. Возможно проблема связана с нелинейным движением зеркала, возможно - с дисперсией излучения в кубике, либо плохой коррекцией неравномерной спектральной чувствительности фотодиода.
А вот и полученный спектр излучения лампы:
Зубцы на спектре справа - особенность работы алгоритма, компенсирующего неравномерную спектральную чувствительность фотодиода.
В идеале, спектр должен выглядеть вот так:
Испытывая спектрометр, нельзя не посмотреть спектр лампы дневного света - он имеет характерную «полосатую» форму. Однако при регистрации спектра Фурье-спектрометром спектра обычной лампы на 220В возникает проблема - лампа мерцает. Тем не менее, Фурье преобразование позволяет выделить более высокочастотные колебания (единицы кГц), даваемые интерференцией, из низкочастотных (100 Гц), даваемых сетью:
Правей - спектр пропускания раствора медного купороса. Интересно, что он не пропускает ИК излучение. Небольшой пик на 650 нм связан с переотражением излучения лазера из опорного канала в основой.
Вот так снимался спектр:
Ниже идет спектр пропускания воды, справа от него - график реального спектра пропускания воды.
Дальше идут спектры пропускания ацетона, раствора хлорного железа, изопропилового спирта.
Напоследок приведу спектры солнечного излучения, полученные кремниевым и германиевым фотодиодами:
Неровная форма спектра связана с поглощением солнечного излучения веществами, содержащимися в атмосфере. Справа - реальная форма спектра. Форма спектра, полученного германиевым фотодиодом, заметно отличается от реального спектра, хотя линии поглощения находятся на своих местах.
Таким образом, несмотря на все проблемы, мне все же удалось получить в домашних условиях интерференцию белого света и сделать Фурье-спектрометр. Как видно, он не лишен недостатков - спектры получаются несколько кривые, разрешение получилось даже хуже, чем у некоторых самодельных спектрометров с дифракционной решеткой (в первую очередь это связано с малым ходом зеркала подвижного зеркала). Но тем не менее - он работает!
Основным элементом Фурье-спектрометра является двулучевой интерферометр. Чаще всего применяется интерферометр Майкельсона, состоящий из двух зеркал и светоделительной пластины. одно из зеркал может перемещаться, изменяя разность хода интерферирующих лучей. Светоделительная пластина служит для разделения входного потока излучения на две части и объединения после отражения от зеркал. Фотоприемник регистрирует суммарную от двух каналов интенсивность излучения, усредненную за некоторое время T.
(1)
Δ L – разность хода между интерферирующими пучками, c - скорость света, I 0 – исходная интенсивность излучения, A(τ) – автокорреляционная функция. Если время T достаточно велико (T >> времен всех осцилляций и флуктуаций), что выполняется для стационарного оптического излучения, то все интегралы в (1) можно считать в бесконечных пределах. Тогда последний интеграл в (1) – свертка, которую по теореме Фурье-анализа (можно применить теорему Винера-Хинчина) можно представить в виде Фурье-образа произведения функций:
(2)
Для действительных E(t), функции A(τ), I ω – четные. обратное Фурье преобразование A(τ) в спектр будет чисто косинусным:
(3)
В реальном Фурье-спектрометре разность хода Δ L и соответственно временныя задержка интерферирующих лучей τ не может быть бесконечной. Поэтому аппаратная функция реального прибора отличается от идеальной δ(ω), которая получается для бесконечно большой разности хода. Для выяснения вида аппаратной функции будем как обычно пропускать через Фурье-спектрометр монохроматическое излучение:
(4)
Аппаратная функция Фурье-спектрометра не является положительно определенной. Ширину аппаратной функции можно сделать сколь угодно малой, увеличивая разность хода интерферирующих лучей. За ширину аппаратной функции принимают расстояние от максимума до первого нуля, что дает величину Δω:
Разрешающая способность Фурье-спектрометра также как и для решетки и интерферометра Фабри-Перо определяется произведением числа интерферирующих лучей (для Фурье-спектрометра их 2) и порядком интерференции, связанным с максимальной разностью хода Δ L/λ= m . Недостатком формы аппаратной функции Фурье-спектрометра является ее знакопеременность, что затрудняет наблюдение слабых спектральных линий вблизи сильных. Для устранения этого недостатка применяют процедуру аподизации, а именно, вычисление спектра по автокорреляционной функции производится с некоторой весовой функцией W(τ= Δ L/ c ), которая обращается в ноль при τ= τ max , При линейной весовой функции аппаратная функция (4) преобразуется к виду:
(6)
Аппаратная функция Фурье-спектрометра с линейной аподизацией становится положительно определенной, но ширина ее увеличивается 2 раза. Аподизация может быть применена на этапе регистрации интерферограммы, например, путем изменения светового потока, попадающего на фотоприемник путем диафрагмирования. Чаще аподизация применяется при Фурье преобразовании автокорреляционной функции.
Динамический Фурье-спектрометр отличается от рассмотренного выше, тем, что подвижное зеркало интерферометра перемещается с относительно высокой и постоянной скоростью V. Спектр регистрируется в реальном времени с использованием численных алгоритмов быстрого преобразования Фурье. Для реализации такого прибора интерферометр работает под управлением ЭВМ. Интерферограмма регистрируется с помощью быстродействующих фотодетекторов и преобразуется в цифровую форму быстродействующими аналого-цифровыми преобразователями. Тогда параметр автокорреляционной функции будет выражаться через скорость перемещения подвижного зеркала.
На схеме: 1 - источник излучения, 2,4 - колиммирующая оптика, 3 - входная диафрагма, 5 - неподвижное зеркало, 6 - подвижное зеркало, 7 - привод зеркала, 8 - светоделительная пластинка, 9 - лазер опорного канала, 10 - фотоприемник опорного канала, 11 - фокусирующая оптика, 12 - фотоприемник сигнала.
Для того, чтобы стабилизировать скорость движения подвижного зеркала, и обеспечить «привязку» спектрометра к абсолютным значениям длин волн, в спектрометр вводят опорный канал, состоящий из лазера и его фотоприемника (9 и 12 на схеме). Лазер в таком случае выступает эталоном длины волны. В высококачественных спектрометрах для этих целей используют одночастотные газовые лазеры. В результате точность измерения длин волн получается очень высокой.
Фурье-спектрометры обладают и другими преимуществами по сравнению с классическими спектрометрами.
Важная особенность Фурье-спектрометров - при использовании даже одного фотоприемника, одновременно регистрируются все спектральные элементы, что дает энергетический выигрыш по сравнению с поэлементным механическим сканированием (выигрыш Фэлжетта).
Фурье-спектрометры не требуют использования оптических щелей, которые задерживают большую часть светового потока, что дает большой выигрыш в светосиле (выигрыш Жакино).
В Фурье-спектрометрах нет проблемы наложения спектров, как в спектрометрах с дифракционными решетками, за счет чего спектральный диапазон исследуемого излучения может быть очень широким, и определяется параметрами фотоприемника и светоделительной пластины.
Разрешающая способность Фурье-спектрометров может быть намного выше, чем в традиционных спектрометрах. Она определяется разностью хода подвижного зеркала Δ. Разрешаемый интервал волн определяется выражением: δλ = λ^2/Δ
Однако есть и важный недостаток - большая механическая и оптическая сложность спектрометра. Для возникновения интерференции оба зеркала интерферометра должны быть очень точно выставлены перпендикулярно друг другу. При этом одно из зеркал должно совершать продольные колебания, но перпендикулярность должна сохраняться с той же точностью. В высококачественных спектрометрах в некоторых случаях для компенсации наклона подвижного зеркала в процессе движения при помощи пьезоэлектрических приводов наклоняют неподвижное зеркало. Для получения информации о текущем наклоне измеряются параметры опорного луча от лазера.
Практика
Я абсолютно не был уверен в том, что можно сделать Фурье-спектрометр в домашних условиях, не имея доступа к нужным станкам (как я уже упоминал, механика - самая сложная часть спектрометра). Поэтому спектрометр делался поэтапно.Одна из наиболее важных частей спектрометра - узел неподвижного зеркала. Именно его нужно будет юстировать (плавно перемещать) в процессе сборки. Нужно было обеспечить возможность наклонять зеркало по двум осям, и точно перемещать его в продольном направлении (зачем - ниже), при этом зеркало не должно наклонятся.
Основой узла неподвижного зеркала стал одноосевой столик с микрометрическим винтом. Эти узлы у меня уже были, нужно было только соединить их вместе. Для безлюфтовой связи я использовал простой прижим столика к микрометрическому винту пружиной, находящейся внутри основания столика.
Его я сделал, используя три юстировочных винта, снятых со сломанного теодолита. Металлическая пластина с приклеенным зеркалом прижимается пружинами к торцам этих винтов, а сами винты закреплены в металлическом уголке, прикрученном к
столику.
Конструкция понятна из фотографий:
Видны юстировочные винты зеркала и микрометрический винт.
Спереди видно само зеркало. Оно взято из сканера. Важная особенность зеркала - зеркальное покрытие должно быть спереди зеркала, и для того, чтобы интерференционные линии не были кривыми, поверхность зеркала должна быть довольно качественной.
Вид сверху:
Видны пружины, прижимающие столик в микрометрическому винту и крепление пластины с зеркалом к уголку.
Как видно из фотографий, узел неподвижного зеркала прикреплен к доске из ДСП. Деревянное основание интерферометра - явно не лучшее решение, но из металла в домашних условиях его было сделать проблематично.
Теперь можно проверить возможность получить интерференцию в домашних условиях - то есть собрать интерферометр. Одно зеркало уже есть, поэтому нужно добавить второе тестовое зеркало и светоделитель. У меня был светоделительный кубик, и я использовал именно его, хотя кубик в интерферометре работает хуже, чем светоделительная пластинка - его грани дают дополнительные переотражения света. Получилась такая конструкция:
На одну из граней кубика, не обращенную к зеркалу, нужно направить свет, а через другую можно наблюдать интерференцию.
После сборки зеркала расположены слишком не перпендикулярно, и поэтому нужно выполнить первичную юстировку. Ее я делал при помощи маломощного лазерного диода, соединенного с коллимирующей линзой достаточно большого диаметра. На лазер нужно подать очень маленький ток - такой, чтобы можно было смотреть прямо на кристалл. В результате получается точечный источник света.
Лазер устанавливается перед интерферометром, и его отражения в зеркалах наблюдаются через кубик. Для удобства наблюдения я приставил к кубику призму, направляющую вышедшее из кубика излучение вверх. Теперь, поворачивая юстировочные винты зеркала, нужно совместить два видимых отражения лазера в одно.
К сожалению, фотографий этого процесса у меня нет, и выглядит он не очень понятно - из-за бликов в кубике видно много светящихся точек. Все становится значительно понятней, когда начинаешь поворачивать юстировочные винты - часть точек начинает перемещаться, а часть остается на месте.
После того, как зеркала выставлены вышеописанным образом, достаточно увеличить мощность лазера - и вот она, интерференция! Выглядит она практически так же, как и на фотографии в начале статьи. Однако излучение лазера глазами наблюдать опасно, так что чтобы увидеть интерференцию, нужно установить после кубика какой-либо экран. Я использовал простой листок бумаги, через который видно интерференционные полосы - мощности и когерентности лазера хватает, чтобы создать достаточно контрастное изображение. Поворачивая юстировочные винты зеркала, можно изменять ширину полос - очевидно, что слишком узкие полосы наблюдать проблематично. Чем лучше интерферометр отъюстирован, тем шире полосы. Однако, как я уже упоминал, малейшие отклонения зеркал приводят к разъюстировке, и следовательно, линии становятся слишком узкими и неразличимыми. Чувствительность получившегося интерферометра к деформациям и вибрациям огромная - достаточно нажать на доску-основание в любом месте, и линии начинают перемещаться. Даже шаги в комнате приводят к дрожанию линий.
Однако интерференция когерентного лазерного света - это еще не то, что нужно для работы Фурье-спектрометра. Такой спектрометр должен работать с любым источником света, в том числе и белым. Длина когерентности белого света - около 1 мкм.
У светодиодов эта величина может быть больше - несколько десятков микрометров. Интерферометр формирует интерференционную картину только тогда, когда разность хода световых лучей для между каждым из зеркал и светоделителем меньше длины когерентности излучения. У лазера, даже полупроводникового, она большая - больше нескольких миллиметров, поэтому интерференция возникает сразу после юстировки зеркал. А вот даже от светодиода интерференцию получить в разы сложнее - перемещая зеркало в продольном направлении микрометрическим винтом, нужно добиться того, чтобы разность хода лучей попала в нужный микронный диапазон.
Однако, как я уже говорил, при перемещении, особенно достаточно большом (сотни микрон), из-за недостаточно качественной механики столика, зеркало может немного поворачиваться, что приводит к тому, что условия для наблюдения интерференции исчезают. Поэтому часто приходится вновь устанавливать вместо светодиода лазер и поправлять юстировку зеркала винтами.
В конце-концов, после получасовых попыток, когда уже казалось, что это совсем не реально, мне удалось получить интерференцию света от светодиода.
Как оказалось немного позже, вместо того, чтобы наблюдать интерференцию через бумажку на выходе кубика, лучше установить матовую пленку перед кубиком - так получается протяженный источник света
. В результате интерференцию можно наблюдать непосредственно глазами, что заметно упрощает наблюдение.
Получилось вот так (видно отражение кубика в призме):
Потом удалось получить и интерференцию в белом свете от светодиодного фонаря (на фотографии видно матовую пленку - она обращена торцом к фотоаппарату и на ней видно тусклое пятно света от фонаря):
Если потрогать любое из зеркал, то линии начинают перемещаться и тускнеть, пока не исчезнут совсем. Период линий зависит от длины волны излучения, как показано на синтезированной картинке, найденной на просторах интернета:
Теперь, когда интерферометр сделан, нужно сделать узел подвижного зеркала взамен тестового. Изначально я планировал просто приклеить небольшое зеркало к динамику, и подавая на него ток, изменять положение зеркала. Получилась такая конструкция:
После установки, потребовавшей новой юстировки неподвижного зеркала, оказалось, что зеркало слишком сильно качается на диффузоре динамика и его несколько перекашивает при подаче тока через динамик. Тем не менее, изменяя ток через динамик, можно было плавно перемещать зеркало.
Поэтому я решил сделать конструкцию попрочней, используя механизм, который применяют в некоторых спектрометрах - пружинный параллелограмм. Конструкция понятна из фотографии:
Получившийся узел оказался значительно прочней предыдущего, хотя жесткость металлических пластинок-пружин вышла несколько высокой.
Слева - доска из оргалита, с отверстием-диафрагмой. Защищает спектрометр от внешних засветок.
Между отверстием и светоделительным кубиком установлена коллимирующая линза, приклеенная к металлической оправе:
На оправе виден специальный пластиковый держатель, в который можно вставлять матовую пленку (лежит в правом нижнем углу).
Установлен объектив для фотоприемника. Между объективом и кубиком установлено маленькое зеркало на поворачиваемом креплении. Оно заменяет призму, которая использовалась ранее. Фотография в начале статьи сделана именно через него. При повороте зеркала в положение для наблюдения оно перекрывает объектив, и регистрация спектрограммы становится невозможной. При этом нужно прекращать подавать сигнал на динамик подвижного зеркала - из-за слишком быстрых колебаний линии глазом не видны.
Внизу в центре виден еще один одноосевой столик. Изначально на нем был закреплен фотодатчик, но особых преимуществ столик не давал, и позже я его снял.
Спереди установил фокусирующий объектив от фотоаппарата:
Для упрощения юстировки и тестирования спектрометра установил красный фотодиод около диафрагмы.
Диод установлен на специальном поворотном держателе, так что его можно использовать как источник тестового излучения для спектрометра, поток света от объектива при этом перекрывается. Управляется светодиод выключателем, установленным под держателем.
Теперь стоит немного подробнее рассказать про фотодатчики. Изначально планировалось использовать только один обычный кремниевый фотодиод. Однако первые попытки сделать качественный усилитель для фотодиода оказались провальными, так что я решил использовать фотодатчик OPT101, который уже содержит в в себе усилитель с коэффициентом преобразования 1000000 (1 мка -> 1В).
Этот датчик работал довольно хорошо, особенно после того, как я снял вышеупомянутый столик, и точно выставил датчик по высоте.
Однако кремниевый фотодиод способен принимать излучение только в диапазоне длин волн 400-1100 нм.
Линии поглощения различных веществ обычно лежат дальше, и для их обнаружения нужен другой диод.
Для работы в ближней ИК области есть несколько типов фотодиодов. Для простого самодельного прибора наиболее подходят германиевые фотодиоды, способные принимать излучение в диапазоне 600 - 1700 нм. Эти диоды выпускались еще при СССР, поэтому они относительно дешевы и доступны.
Чувствительность фотодиодов:
Мне удалось достать фотодиоды ФД-3А, и ФД-9Э111. В спектрометре я использовал второй - он обладает несколько большей чувствительностью. Для этого фотодиода пришлось все же собрать усилитель. Он сделан с использованием операционного усилителя TL072. Для того, чтобы усилитель заработал, понадобилось обеспечить ему питание напряжением отрицательной полярности. Чтобы получить такое напряжение, я использовал готовый DC-DC преобразователь с гальванической развязкой.
Фотография фотодиода вместе с усилителем:
На обоих фотодиодах должен быть сфокусирован поток света из интерферометра. Для того, чтобы разделить поток света от объектива, можно было бы использовать светоделительную пластинку, однако это привело бы к ослаблению сигналов с диодов. Поэтому после объектива было установлено еще одно поворотное зеркало, при помощи которого можно направлять свет на нужный диод. В результате получился такой узел фотодатчиков:
В центре фотографии находится объектив, сверху на нем закреплен лазер опорного канала. Лазер тот же, что в дальномере , взятый из DVD привода. Лазер начинает формировать качественное когерентное излучение только при определенном токе. Мощность излучения при этом достаточно высокая. Поэтому, чтобы ограничить мощность луча, мне пришлось закрыть объектив лазера светофильтром. Справа закреплен датчик на OPT101, внизу - германиевый фотодиод с усилителем.
В опорном канале для приема излучения лазера используется фотодиод ФД-263, сигнал от которого усиливается операционным усилителем LM358. В этом канале уровень сигнала очень большой, так что коэффициент усиления - 2.
Получилась вот такая конструкция:
Под держателем тестового светодиода находится маленькая призма, направляющая луч лазера в сторону фотодиода опорного канала.
Пример осциллограммы, получаемой со спектрометра (источником излучения служит белый светодиод):
Желтая линия - сигнал, подаваемый на динамик подвижного зеркала, голубая линия - сигнал с OPT101, красная - результат Фурье-преобразования, выполняемого осциллографом.
Программная часть
Без программной обработки Фурье-спектрометр невозможен - именно на компьютере проводится обратное Фурье-преобразование, преобразовывающее интерферограмму, полученную от спектрометра, в спектр исходного сигнала.В моем случае особую сложность создает то, что я управляю зеркалом синусоидальным сигналом. Из-за этого зеркало также движется по синусоидальному закону, и это значит, что его скорость постоянно меняется. Получается, что сигнал с выхода интерферометра оказывается промодулирован по частоте. Таким образом, программа должна производить еще и коррекцию частоты обрабатываемого сигнала.
Вся программа написана на C#. Работа со звуком производится при помощи библиотеки NAudio. Программа не только обрабатывает сигнал от спектрометра, но и формирует синусоидальный сигнал частотой 20 Гц для управления подвижным зеркалом. Более высокие частоты хуже передаются механикой подвижного зеркала.
Процесс обработки сигнала можно разделить на несколько этапов, и результаты обработки сигнала в программе можно просматривать на отдельных вкладках.
Сначала программа получает массив данных от аудиокарты. Этот массив содержит данные от основного и опорного каналов:
Вверху - опорный сигнал, внизу - сигнал от одного из фотодиодов на выходе интерферометра. В качестве источника сигнала в данном случае используется зеленый светодиод.
Обработка опорного сигнала оказалась довольно непростой. Приходится искать локальные минимумы и максимумы сигнала (отмечены на графике цветными точками), вычислять скорость движения зеркала (оранжевая кривая), искать точки минимума скорости (отмечены черными точками). Для этих точек важна симметричность опорного сигнала, так что они не всегда точно совпадают с реальным минимумом скорости.
Один из найденных минимумов скорости принимается за начало отсчета интерферограммы (отмечен красной вертикальной линией). Далее выделяется один период колебания зеркала:
Число периодов колебаний опорного сигнала за один проход зеркала (между двумя черными точками на скриншоте выше) указано справа: «REF PERIODS: 68». Как я уже упоминал, полученная интерферограмма промодулирована по частоте, и ее нужно скорректировать. Для коррекции я использовал данные о текущем периоде колебаний сигнала в опорном канале. Коррекция проводится путем интерполяции сигнала методом кубических сплайнов. Результат виден ниже (отображается только половина интерферограммы):
Интерферограмма получена, теперь можно выполнять обратное Фурье-преобразование. Оно производится при помощи библиотеки FFTW. Результат преобразования:
В результате такого преобразования получается спектр исходного сигнала в области частот. На скриншоте он пересчитан в обратные сантиметры (СМ^-1), которые часто используются в спектроскопии. Но мне все же больше привычна шкала в длинах волн, поэтому спектр приходится пересчитывать:
Видно, что разрешение спектрометра падает с ростом длины волны. Немного улучшить форму спектра можно, добавив в конец интерферограммы нули, что равносильно проведению интерполяции после выполнения преобразования.
Примеры полученных спектров
Излучение лазера:Слева - на лазер подается номинальный ток, справа - значительно меньший ток. Как видно, при уменьшении тока когерентность излучения лазера падает, увеличивается ширина спектра.
В качестве источников использовались: «ультрафиолетовый» диод, синий, желтый, белый диоды, и два ИК диода с разными длинами волн.
Спектры пропускания некоторых светофильтров:
Показаны спектры излучения после интерференционных светофильтров, снятых с денситометра. В правом нижнем углу - спектр излучения после ИК фильтра, снятого с фотоаппарата. Стоит отметить, что это не коэффициенты пропускания этих фильтров - для измерения кривой пропускания светофильтра нужно учитывать форму спектра источника света - в моем случае это лампа накаливания. С такой лампой у спектрометра оказались определенные проблемы - как оказалось, спектры широкополосных источников света получаются как-то коряво. Я так и не смог выяснить, с чем это связано. Возможно проблема связана с нелинейным движением зеркала, возможно - с дисперсией излучения в кубике, либо плохой коррекцией неравномерной спектральной чувствительности фотодиода.
А вот и полученный спектр излучения лампы:
Зубцы на спектре справа - особенность работы алгоритма, компенсирующего неравномерную спектральную чувствительность фотодиода.
В идеале, спектр должен выглядеть вот так:
Испытывая спектрометр, нельзя не посмотреть спектр лампы дневного света - он имеет характерную «полосатую» форму. Однако при регистрации спектра Фурье-спектрометром спектра обычной лампы на 220В возникает проблема - лампа мерцает. Тем не менее, Фурье преобразование позволяет выделить более высокочастотные колебания (единицы кГц), даваемые интерференцией, из низкочастотных (100 Гц), даваемых сетью:
Спектр люминесцентной лампы, полученный промышленным спектрометром:
Все спектры выше были получены с использованием кремниевого фотодиода. Теперь приведу спектры, полученные с германиевым фотодиодом:
Первым идет спектр лампы накаливания. Как видно, он не очень-то похож на спектр реальной лампы (уже приведенный ранее).
Правей - спектр пропускания раствора медного купороса. Интересно, что он не пропускает ИК излучение. Небольшой пик на 650 нм связан с переотражением излучения лазера из опорного канала в основой.
Вот так снимался спектр:
Ниже идет спектр пропускания воды, справа от него - график реального спектра пропускания воды.
Дальше идут спектры пропускания ацетона, раствора хлорного железа, изопропилового спирта.
Напоследок приведу спектры солнечного излучения, полученные кремниевым и германиевым фотодиодами:
Неровная форма спектра связана с поглощением солнечного излучения веществами, содержащимися в атмосфере. Справа - реальная форма спектра. Форма спектра, полученного германиевым фотодиодом, заметно отличается от реального спектра, хотя линии поглощения находятся на своих местах.
Таким образом, несмотря на все проблемы, мне все же удалось получить в домашних условиях интерференцию белого света и сделать Фурье-спектрометр. Как видно, он не лишен недостатков - спектры получаются несколько кривые, разрешение получилось даже хуже, чем у некоторых самодельных спектрометров с дифракционной решеткой (в первую очередь это связано с малым ходом зеркала подвижного зеркала). Но тем не менее - он работает!
Теги:
- фурье
- спектрометр
- оптика
- fft
ИК-Фурье спектрометр Nicolet 8700 (Thermo Scientific)
ИК Фурье-спектроскопия используется для определения содержания различных органических и неорганических веществ и их соединений в твердых, жидких и газообразных образцах (продуктах питания, почвах, металлах и их сплавах, полимерах и т.д.) по спектрам поглощения.
Принцип действия прибора основан на том, что при движении одного из зеркал интерферометра происходит изменение разности хода между интерферирующими лучами. Регистрируемый световой поток на выходе интерферометра (интерферограмма) представляет собой фурье-образ регистрируемого оптического спектра. Сам спектр (в шкале волновых чисел) получается после выполнения обратного преобразования Фурье.
Фурье-спектрометр дополнительно укомплектован библиотеками спектров широкого класса веществ, что позволяет проводить идентификацию исследуемых образцов.
Основные характеристики:
Спектральный диапазон 11000 – 350 см -1
Разрешение 0.1 см -1
Воспроизводимость по волновому числу, см -1 , 0.01
Скорость сканирования при разрешении 16 см -1 , 90 скан/c
Тип спектрометра - интерферометр Майкельсона, 90 град
Количество зеркал в интерферометре 2шт
Адаптивная динамическая автоматическая настройка интерферометра для реализации режимов SST (Пошаговое сканирование) и TRS (Измерение с временным разрешением)
Два источника излучения, работающие без системы водяного охлаждения: для ближнего/среднего ИК диапазона (спектральный диапазон 20 000 – 2000 см -1) и для среднего/дальнего ИК диапазона (спектральный диапазон 9600 – 20 см -1), включая систему автоматического переключения детекторов по команде из программного обеспечения
Детектор термоэлектрический дейтерированный триглицинсульфат (ДТГС), диапазон 12000 – 350 см -1
Детектор для дальней ИК области дейтерированный триглицинсульфат с полиэтиленовым окошком (ДТГС/ПЭ), диапазон 700 – 50 см -1
Детектор охлаждаемый, на основе кристалла ртуть-кадмий-теллур, диапазон 11700 – 600 см -1 , окно KRS-5
Соотношение сигнал шум (пик к пику) за 1 минуту сканирования с разрешением 4 см -1 50 000:1
Соотношение сигнал шум (среднеквадратичное) за 1 минуту сканирования
с разрешением 4 см -1 200 000:1
Пьезоэлектрический модулятор для осуществления фазовой модуляции, диапазон смещения при фазовой модуляции, λ He-Ne 0.5 – 4.5
Детектор охлаждаемый для TRS (время-разрешенной спектроскопии), на основе кристалла ртутькадмий-теллур, со встроенным предусилителем, имеющим выходы постоянного и переменного тока, диапазон выходных напряжений +10 В, постоянная времени детектора 10 нс
Рабочая частота детектора для TRS, Мгц, 50
Быстрый аналого-цифровой преобразователь для TRS
Предельная частота преобразователя для TRS, МГц, 100
Внутренний буфер преобразователя для TRS, Мб, 8
Разрядность преобразователя для TRS, бит, 14
Оптические фильтры для TRS, 1975 см -1 и 3950 см -1
Дополнительные аксессуары и приставки:
1. Дополнительный внешний оптический модуль (TOM) с фокусирующей и отражающей неюстируемой оптикой.
Настольный оптический модуль (TOM) эффективно отвечает потребностям всех экспериментов с использованием поляризационной модуляции. Экспериментальные исследования, которые могут быть выполнены с конфигурацией TOM включают в себя:
ИК- спектроскопию поглощения-отражения (IRRAS)
Колебательный линейный дихроизм (VLD)
Динамический инфракрасный линейный дихроизм (DIRLD)
Основные характеристики:
Частота работы модулятора, кГц, 50
Демодулятор, 100 кГц
Апертура поляризатора для TOM, мм, 30
Держатель пробы для TOM, для измерения пропускания
Охлаждаемый детектор для TOM, на основе кристалла ртуть-кадмий-теллур, с окном из фторида бария, диапазон 11700 – 600 см -1
Диапазон углов измерения отражения, 33 – 89 град.
2. Приставка НПВО iTR
Стандартная конфигурация включает универсальное прижимное устройство и кристалл с оптикой однократного отражения. В данном случае в качестве кристалла используется алмаз и в набор входят различные сменные наконечники для оптимизации контакта между образцами и кристаллом.
Информация на сайте производителя
3. Приставка диффузного отражения (для средней ИК области).
Приставка диффузного отражения высоко эффективна для максимизации диффузного рассеянного излучения и, одновременно, минимизации зеркальноотраженного излучения, которое является источником спектральных помех. Образцы могут быть проанализированы в исходном виде, с небольшим количеством шлифовки или путем измельченияи смешивания с бромидом калия(KBr). Широкая номенклатура образцов может быть проанализирована без их разрушения.
В комплекте:
Две стальные чашки для образцов диаметром 10 мм;
Стандарт отражения в виде позолоченного зеркала диаметром10 мм;
Комплект для абразивной пробоподготовки (1 шт), включая держатель длиной 8 см со сменным наконечником диаметром 10 мм и высотой 2 мм, абразивные диски диаметром 10 мм, бромид калия в пакетах по 0,5 г.
Информация на сайте производителя
4. Детектор термоэлектрический дейтерированный триглицинсульфат (ДТГС),
диапазон 12000 – 350 см -1
5. Детектор для дальней ИК области дейтерированный триглицинсульфат с полиэтиленовым окошком (ДТГС/ПЭ), диапазон 700 – 50 см -1
6. Детектор охлаждаемый, на основе кристалла ртуть-кадмий-теллур, диапазон 11700 – 600 см-1 , окно KRS-5
7. Разборная жидкостная кювета с комплектом тефлоновых спейсеров 0.015, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5 мм с комплектом окошек из бромида калия.
8. Кювета газовая, 100 мм с комплектом окошек из фторида бария.
9. Набор сменных держателей.
