Фурье-спектрометр. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Фурье-спектрометр

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 ds1/2L..

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.

Литература по

Белл Р. Дж., Введение в фурье-спектроскопию, пер. с англ., М., 1975; Светосильные спектральные приборы, М., 1988.

В. А. Вагин, Г. Н. Жижин.

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира