ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
520.35:534:535
Спектрометры на акустооптических фильтрах
М. М. МАЗУР1, В. Э. ПОЖАР2
1 Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, Менделеево, Россия, e-mail:s-mmazur@mail.ru 2 Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН, Москва, Россия,
e-mail: v_pozhar@rambler.ru
Представлено семейство акустооптических спектрометров для различных применений. Проведена их классификация по типам, характеристикам, назначению. Отмечены особенности создания и применения этих спектрометров и измерительных систем на их основе.
Кпючевые слова: акустооптические фильтры, спектрометры, монохроматоры изображений.
A family of AOTF-based spectrometers for various applications is presented. The classification according to their types, functions, and characteristics is carried out. The creation and application features of these spectrometers and specialized measuring systems are discussed.
Key words: acousto-optical filters (AOTF), spectrometers, image monochromators.
Акустооптические (АО) фильтры — это перестраиваемые оптические фильтры, управляемые акустическим сигналом [1]. Из-за способности к перестройке эти фильтры идеально подходят для регистрации спектров оптического излучения [2, с. 5].
В статье описаны основные измерительные приборы и системы, разработанные в отделе акустооптики ВНИИФТРИ или при участии его специалистов, приведена классификация этих приборов, указаны их технические характеристики, особенности, области применения, рассмотрены методы калибровки, а также принципиально новые методы измерений и анализа.
Наиболее важные характеристики АО-спектрометра определяются параметрами используемого в нем АО-моно-хроматора. Один из них — рабочий спектральный диапазон, в соответствии с которым отбирают подходящие дл я АО-фильтра материалы; другой — величина М2, которая определяет необходимую управляющую мощность акустической волны, возбуждающей дифракционную решетку в кристалле. На рис. 1 приведены области оптической прозрачности и примерные значения М2 четырех основных кристаллов, использованных в описанных ниже АО-приборах.
Огромное преимущество по эффективности во всех диапазонах кроме ультрафиолетового (УФ) имеет парателлурит (ТеО2). Однако он не пригоден для получения высокого спектрального разрешения, где необходима коллинеарная геометрия дифракции. В этих случаях используют кварц ^Ю2) или молибдат кальция (СаМоО4). На кристалле SiO2 были созданы АО-ячейки с длиной взаимодействия до 18 см, обеспечивающие разрешение 0,1 нм при X = 0,4 мкм, тогда как кристаллы СаМоО4 с максимальной длиной взаимодействия до 9 см уступают им по разрешению в 1,5 раза.
Другой важный параметр АО-фильтров — контраст функции пропускания вида sin2x/x2, т. е. отношение пропускания фильтра в максимуме функции к пропусканию вне пределов основного окна: чем выше это отношение, тем больше отношение сигнал—фон и тем точнее получаемая спектральная
информация. Увеличение контраста достигается двойной монохроматизацией: последовательным пропусканием света через две АО-ячейки или через две области одной ячейки [3—6]. Двойные монохроматоры, требующие специальной конструкции и технологии изготовления, были реализованы на всех четырех видах кристаллов, а на парателлурите создано несколько различных вариантов [6].
В табл. 1 представлены основные виды разработанных АО-спектрометров. В целом они перекрывают диапазон 250—4400 нм, но при этом каждый охватывает примерно одну октаву Хтах/Хт,п = 2. Разработанные спектрометры способны реализовать все виды спектроскопии: эмиссионную, абсорбционную, флуоресценции и комбинационного рассеяния. В зависимости от рабочего диапазона спектрального разрешения и назначения выбирается вид АО-монохрома-тора и дополнительные элементы спектрометра.
0,1 1,0 10,0
X, мкм
Рис. 1. Области прозрачности (1) и использования (2) материалов для АО-фильтров; значения М2 материала нормированы на М2
кварца
Т а б л и ц а 1
Спектрометры
Название прибора Кристалл, тип монохроматора Спектральный диапазон, нм Разрешение (при X), нм Особенность прибора
АОС SiO2, квазиколлинеар- ный 250—760 0,5 (630) Двойной диапазон
АОС-Ф То же 280—760 0,5 (630) Двойной диапазон
СВ-Э ТеО2, неколлинеарный двойной 375—790 1,3 (440) Эмиссионный двухка-нальный
СВ-СФ То же 380—850 1,5 (600) Спектрофотометр двух-диапазонный
Кварц-4 [7] SiO2, коллинеарный 400—750 0,5 (630) —
РАОС-Ф [8] ТеО2, неколлинеарный двойной 460—760 2,5 (630) Спектрофлуориметр
РАОС [2, с. 16] СаМоО4, коллинеарный двойной 540—800 0,3 (630) Рамановский спектрометр
УчАОС-ИК ТеО2, неколлинеарный двойной 450—1150 0,7 (640) Спектрофотометр
Кварц -2 [9] SiO2, коллинеарный 590—1150 0,5 (630) Спектрорадиометр
ИК-3 ТеО2, неколлинеарный двойной 1200—2400 2 (1 200) Схема без поляризаторов
ИК-2 То же 2200—4400 10 (3390) То же
Например, спектрометр РАОС для регистрации комбинационного рассеяния (рис. 2), кроме регистрирующей части (выделена пунктиром), размещенной в едином блоке
Рис. 2. Функциональная схема АО-спектрометра РАОС: РФ — режекционный фильтр; ДТ — датчик температуры; АОМ1, АОМ2 -
монохромато-
ры; УЗП — ультразвуковой преобразователь; ФЭУ — фотоэлектронный умножитель; ЭП — элемент Пельтье; ПУ, БУ — программируемый и буферный усилители; БП — блок питания; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ПК — персональный компьютер
40x15x8 см, содержит лазер и оптоволоконный зонд для освещения образца и регистрации рассеянного излучения. Подавление рассеянного света обеспечивает двойная мо-нохроматизация, а в некоторых случаях и режекционный фильтр лазерного излучения.
Для расширения спектрального диапазона в некоторых п риборах служат АО-ячейки с двумя пьезопреобразователями на разные поддиапазоны, а для уменьшения потерь света и упрощения оптической схемы применяют бесполяризаторные схемы.
Видеомонохроматоры и спектрометры изображений. Для обнаружения объектов, их идентификации, визуализации структуры широко используют спектральную фильтрацию изображений. Акустооптичес-кие монохроматоры способны не только обеспечивать передачу спектральны х изображений, но и произвольную перестройку по спектру, причем очень быструю, в течение 10 мкс. Это свойство, называемое произвольной спектральной адресацией, дает ряд преимуществ в способе регистрации и соответственно обработке получаемой информации.
Конструкции АО-ячеек и монохромато-ров для передачи спектральных изображений имеют некоторые особенности. Например, достижение максимального пространственного разрешения требует работы в параллельных пучках, поэтому на входе и выходе АО-монохроматора должны располагаться объективы. По такой схеме построены спектрометры изображения с высоким пространственным разрешением
[10]. Однако сильные хроматические аберрации, связанные со смещением изображения и изменением масштаба, усложняют получение спектров в каждой точке изображения [11 ]. Минимизация искажений изображения была достигнута применением двойной монохроматизации в симметричных схемах АО-монохроматоров [6], в которых во второй АО-ячейке происходит компенсация аберраций, вызванных первой [1 2].
В табл. 2 представлены данные об основных разработанных монохроматорах и спектрометрах изображений. Ви-деомонохроматоры МВС-УФ, МВС-В предназначены для размещения на микроскопе. В них использована симметричная схема расположения двух АО-ячеек благодаря чему даже в слабо сходящихся пучках и без дополнительной оптики они обеспечивают достаточное пространственное разрешение. Особенность третьего монохроматора — возможность управления его полосой пропускания, что очень важно для частичной компенсации снижения чувствительности прибора, обусловленного малым размером регистрирующего элемента (пиксела). Управляемое расширение полосы обусловлено линейной частотной модуляцией ультразвуковых колебаний [13].
Спектрометры изображений, представленные в табл. 2, имеют существенно различающееся пространственное разрешение. Максимальное (900x900 точек) обеспечивает спектрометр на двойном АО-монохроматоре СИ-Вид, построенном по симметричной схеме; на одинарном монохро-маторе СИ-ИК, работающем на границе инфракрасного (ИК) диапазона, пространственное разрешение естественно ниже: 410x465 точек. Весьма низкое разрешение спектрометра ближнего ИК-диапазона обусловлено малым числом пикселов фотоприемной матрицы, которая заметно ограничивала принципиально достижимое разрешение АО-фильтра.
Специализированные системы. На базе АО-фильтров разработаны специализированные спектральные приборы, предназначенные либо для эксплуатации в тяжелых условиях, либо для измерений каких-либо физических характеристик объекта (табл. 3). Опыт эксплуатации мобильных, бортовых приборов в космических, морских, промышленных условиях показал, что АО-фильтры являются одним из наиболее
надежных узлов этих приборов: случаев выхода из строя приборов из-за отказа АО- ячеек, вызванных внешними условиями, не наблюдали.
Следует отметить применение АО-спектрометров, размещаемых в самолетах и на морских судах, для дистанционного зондирования природных ресурсов [2, с. 97]. Приборы космического назначения успешно работали в околоземном пространстве [14] и на других планетах [15,16]: спектрорадио-метр «Трассер» был первым АО-спектрометром, использованным в космосе; спектрорадиометр SPICAM впервые позволил обнаружить следы воды на Марсе, причем они работали в условиях значительных температурных колебаний. Газоанализатор САГА-Т100, представляющий трассовый УФ-спектрофотометр, прошел сертификацию в мобильной и стационарной конфигурациях при дальности измерений до 100 м. Спектрорадиометр «Микрохрон», внедренный в производство для контроля плазмо-химических процессов при изготовлении изделий микроэлектроники, основан на непрерывном мониторинге спектра излучения плазмы на отдельных характерных линиях спектра. Для измерений концентрации загрязнителей в воздухе используется метод выборочной регистрации спектров [22].
Серия приборов-спиртомеров позволяет регистрировать объемную концентрацию этанола в крепких напитках и с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.