Фурье-спектрометр - спектральный прибор, в к-ром искомый спектр получают в два приёма: сначала регистрируется интерферограмма исследуемого излучения, а затем через её фуръе-преобразование вычисляют искомый спектр. Совокупность спектральных методов, осуществляемых с помощью Фурье-спектрометра, наз. фурье-спектроскопиеп.
Осн. элемент Фурье-спектрометра - интерферометр
Майкельсона (или одна из его разновидностей), к-рый настраивается на получение
в плоскости выходной диафрагмы интерференц. по-лос равного наклона. Одно из зеркал (М2 на рис.) двигается поступательно,
в процессе чего исследуемое излучение модулируется, причём частота модуляции
зависит от скорости движения зеркала и длины волны излучения.
Принципиальная схема фурье-спектрометра: S-источник
сплошного ИК-спектра; М1 - фиксированное зеркало
интерферометра;
М2-подвижное зеркало интерферометра; M1-изображение
фиксированного зеркала в плече зеркала М2;
d-входное отверстие фурье-спектрометра; В-светоделитель;
D-фотоприёмник; А - усилитель; И-интерфейс связи
ЭВМ с регистрирующей и управляющей электроникой
фурье-спектрометра.
Интегральная интенсивность
светового потока, выходящего из идеального интерферометра, I(d) описывается
выражением
где В(s)- спектральная плотность входящего в интерферометр излучения (от источника S) с амплитудой
напряжённости электрич. поля E(t)в эл--магн. волне E(t). Фурье-преобразование
перем. части функции I(d) (интерферо-граммы) позволяет восстановить исследуемый
спектр:
Идеальная интерферограмма
предполагается бесконечно протяжённой, при этом разрешающая сила Фурье-спектрометра была
бы бесконечно велика. Целый ряд факторов, однако, ограничивает достижимое разрешение:
конечные пределы ме-ханич. перемещения зеркала М2, возможности
цифровой регистрации и обработки интерферограммы, неидеальность оптич. системы
и др. Как правило, форма и ширина аппаратной функции Ф--с. определяются
пределом изменения
оптич. разности хода L и видом т. н. аподизац. функции А (d) (см.
Аподизация ),к-рая входит в подынтегральное выражение в (1):
где A'(s) - фурье-спектр функции A(d). Фактически А'(s)и является аппаратной функцией
Ф--с., её ширина ~ 1/L. Варьируя форму аподизац. функции, можно в больших
пределах изменять форму и ширину аппаратной функции Ф--с., что упрощает обработку
и интерпретацию получаемых спектров. Если функция А(d) = 1 при d < L (аподизация отсутствует), то
и ширина аппаратной функции
ds
1/2L..
Второй существ. фактор, влияющий на форму и ширину аппаратной функции Фурье-спектрометра,- протяжённость реального
источника излучения в спектрометре. Обычно его размеры (линейные размеры входного
отверстия спектрометра d)выбираются в зависимости от требований эксперимента,
т. к. зависящий от d телесный угол W, определяющий угл. расходимость
светового пучка в интерферометре (как и в любом спектральном приборе), связан
с разрешающей способностью R:
это означает, что повышение
R возможно только при уменьшении светосилы прибора и, следовательно,
влечёт за собой ухудшение отношения сигнал/шум (S/N).
Результат восстановления
спектра зависит также от дискретности регистрации интерферограммы, т. е. регистрации
её с нек-рым шагом h по оптич. разности хода. Для этой цели необходимо
регистрировать интерферограмму с частотой (1/h), по крайней мере, вдвое
большей, чем макс. частота сигнала. При этом частоты, лежащие в диапазоне от
0 до 1/2h, передаются однозначно, а фрагменты более высоких частот в
восстановленном спектре появляются на частотах, меньших 1/2h. Последнее
явление (т. н. "переналожение" спектров) устраняется с помощью предварит.
оптич., электрич. или программной фильтрации сигнала. При высоком разрешении,
большом значении частоты коротковолновой границы исследуемого спектра и относительно
узком спектральном составе последнего (Ds) можно резко сократить объём обрабатываемой
информации, выбирая шаг равным 1/2Ds. Однако при этом нужно точно знать спектральный
диапазон исследуемого сигнала для его однозначной идентификации.
В Ф--с. реализуются два
осн. принципа сканирования интерферограммы - шаговое и непрерывное
(быстрое).
В быстросканирующем Фурье-спектрометре подвижный отражатель движется с пост.
скоростью u. На выходе интерферометра каждая спектральная составляющая
исследуемого сигнала
синусоидально модулируется с частотой v = 2us и осн. интегральное соотношение
фурье-спектроскопии принимает вид
В этом случае интерферометр
модулирует собств. сигнал. Если исследуемый спектральный сигнал лежит в интервале
от s1 до s2, то диапазон частот v модуляции интерференц.
сигнала изменяется в пределах 2us1 <v<2us2.
Этот диапазон можно изменять, варьируя скорость u, согласуя его с частотными
характеристиками приёмного устройства спектрометра.
В шаговом Ф--с. подвижный
отражатель перемещается скачкообразно или непрерывно с очень малой скоростью
u. В этом случае сигнал модулируется механич. обтюратором или быстрым
изменением оптич. разности хода с небольшой амплитудой (т. н. внутр. модуляция).
Шаговый Ф--с. эффективен при исследованиях сигналов с узкополосным спектром
или быстро меняющихся во времени.
Разл. типы Фурье-спектрометров имеют
определ. преимущества перед спектральными приборами с диспергирующими элементами.
Так, благодаря осевой симметрии Фурье-спектрометра обладает большей примерно в 2p/b раз светосилой
(выигрыш Жакино; b- угл. высота щели в спектральных приборах с диспергирующими
элементами) при одинаковой площади сечения коллимированного светового пучка
в интерферометре Фурье-спектрометра и на диспергирующих элементах классич. спектрального
прибора. Выигрыш в мультиплексности (выигрыш Фелжета) обусловлен тем, что в
течение всего времени измерения Фурье-спектрометра одновременно регистрирует все компоненты
исследуемого спектрального интервала, и, следовательно, при равных отношениях
S/N сокращается время регистрации одинакового спектрального интервала
или при равных временах его измерения получают в 
раз лучшее отношение S/N (М-число разрешаемых спектральных элементов
на регистрируемом спектральном интервале). Выигрыш Фелжета возможен, когда шум
приёмника излучения не зависит от величины сигнала. Использование стабилизированного
по частоте лазера для измерения оптич. разности хода в интерферометре позволяет
значительно повысить точность определения длин волн в спектре. В Фурье-спектрометре применяется
вычислит. техника (персональные компьютеры), что даёт возможность не только
регистрировать и выводить спектральную информацию на внеш. устройства, но и
осуществлять последующую обработку получаемых спектров. Кроме того, в Фурье-спектрометр
при правильном выборе частоты модуляции спектральных составляющих отсутствует
рассеянный свет, появляющийся в большинстве спектрометров др. типов и искажающий
регистрируемый сигнал.
Т. о., с помощью разл. типов Фурье-спектрометров можно достичь предельно высокого разрешения, высокой фотометрической
точности (большого отношения S/N)или сокращения времени регистрации
спектра. Сочетание разных пар этих качеств в Фурье-спектрометра и создаёт их многообразие.
Совр.Фурье-спектрометр позволяет работать
в широком спектральном интервале от 5 см-1 до 5•104 см-1
, т. е. от субмиллиметрового до УФ-диапазона, хотя наиб. распространены приборы,
работающие в ИК-диапазоне, где эффективность использования преимуществ Фурье-спектрометра
наибольшая. Разрешение совр. Фурье-спектрометра изменяется в широких пределах - от неск.
дес. до 10-4 см-1.
Временное разрешение (фактически
время регистрации интерферограммы) получаемых спектров в большинстве Фурье-спектрометров составляет
от долей секунды до неск. минут. Фурье-спектрометр с высокими скоростями изменения оптич.
разности хода обладают временным разрешением до 2-3 мс при достаточно высоком
спектральном разрешении (до 0,1 см-1). В приборах с шаговым сканированием
достигается временное разрешение порядка Не при исследовании периодически повторяющихся
сигналов. Фурье-спектрометр на основе статич. интерферометров, где в качестве интерферограммы
регистрируется пространственно фиксированная в плоскости приёмных площадок многоэлементного
фотоприёмника (линейки или матрицы фотодиодов) интерференц. картина, позволяют
достигать временного разрешения, определяемого физ. пределом отд. измерения
на отд. приёмнике, т. е. до 1 мкс и быстрее. Однако спектральное разрешение
таких Фурье-спектрометров оказывается довольно низким (не лучше 50 см-1).
Обычно в Фурье-спектрометре образец размещается в исследуемом световом пучке до или после интерферометра, исследуется отражённый или пропущенный образцом световой пучок. Однако образец может быть размещён и в одном из плеч интерферометра. В этом случае после обратного комплексного фурье-преобразования зарегистрированной интерферограммы получают комплексно-сопряжённую амплитуду отражения (пропускания) образца, умноженную на спектр источника излучения. Такой Фурье-спектрометр наз. амплитудно-фазовым, он применяется для точного определения спектров оптич. постоянных веществ.
В. А. Вагин, Г. Н. Жижин.
|
|
 |
