Спектральные методы НК (стр. 2 из 2)

Для призменного диспергирующего элемента (рис. 5) разрешающая способность зависит от длины волны анализируемого излучения:

Rmax=T*dn/d ,

где n - коэффициент преломления, зависящий от длины волны , T - длина основания призмы.

Разрешающая способность дифракционнй решётки определяется полным числом штрихов, нанесённых на её поверхность

R=kN ,

где k - порядок спектра, N - число штрихов решётки.

Действие дифракционной решётки легко понять, рассмотрев интерференцию отдельных плоских волн, испытавших дифракцию на щелях решётки (рис. 6).

В результате интерференции лучей, исходящих из соседних щелей, будут наблюдаться интерференционные максимумы тогда, когда разность хода лучей₂-₁будет равна целому числу волн падающего света. Положение максимумов определяется выражением

t(sin - sin) = k ,

где t - постоянная решётки; - угол дифракции;  - угол падения; k - целое число, определяющее порядок спектра.

Аналогичная формула получается для отражающей решётки (рис.6). Из неё видно, что угол дифракции зависит от длины волны, что и даёт возможность применять решётку в качестве диспергирующего элемента.

Фурье-спектрометры. Все спектральные приборы, содержащие щель, обладают общим недостатком - для увеличения проходящего через прибор светового потока необходимо увеличивать ширину щели, при этом ухудшается разрешающая способность. Другой принципиальный недостаток обычных спектральных приборов - малое число одновременно регистрируемых спектральных элементов (линий).

Рис. 7. Схема Фурье-спектрометра

1 - объектив; 2 - диафрагма; 3 - коллиматор; 4 - светоделительная пластина; 5 - интерферометр Майкельсона; 6 - объектив; 7 - фотоприёмник; 8 - усилитель переменного тока; 9 - синхронный детектор; 10 - фильтр низких частот; 11 - регистратор; 12 - привод; 13 - интерферограмма; 14 – спектрограмма

От этих недостатков свободен Фурье-спектрометр, который вообще не имеет щели, ограничивающей световой поток и регистрирует одновременно весь спектр, ограниченный лишь спектральной чувствительностью приёмника излучения. Разложение потока по спектру основано на методе селективной частотной модуляции различных спектральных составляющих этого потока, преобразовании частотно-модулированного оптического сигнала в электрический и применении дискретного Фурье-преобразования при обработке электрического сигнала фотопреобразователя.

Основу прибора составляет оптический блок с интерферометром Майкельсона, заключённым в термостатированный корпус и калибруемым по высокостабильному источнику света - лазеру (рис. 7). Интерферометр Майкельсона выполняет функцию прямого Фурье-преобразования путем модуляции каждой отдельной спектральной составляющей светового потока с определенной длиной волны частотой, пропорциональной собственной световой частоте, но ниже ее на 5-6 порядков. Такой сложный частотно-модулированный световой сигнал на выходе интерферометра Майкельсона преобразуется фотоприемником в электрический, далее оцифровывается и вводится в компьютер для проведения обратного Фурье-преобразования. С таким низкочастотным сигналом компьютеру легче справиться. Он по алгоритму Фурье-преобразования разлагает низкочастотный FM-сигнал в частотный спектр, который оказывается полностью идентичным по форме световому спектру, но в гораздо более длинноволновом диапазоне.

Оптические преобразования в Фурье-спектрометре происходят следующим образом. Излучение от исследуемого объекта фокусируется объективом 1 в плоскости диафрагмы 2 и затем коллимируется объективом 3. Параллельный пучок лучей проходит светоделительную 4 и компенсирующую 4' пластины интерферометра Майкельсона 5. Отражённые от неподвижного З1 и подвижного З2 зеркал лучи собираются объективом 6 в плоскости фотоприёмника 7. Приёмно-усилительное устройство 7-11 фиксирует только переменную составляющую потока, представляющую собой преобразование Фурье для спектрального распределения яркости объекта по закону косинуса, т.е. интерферограмму 13. Последняя представляет собой зависимость изменения сложного электрического сигнала I от разности ходаS. Привод 12 осуществляет параллельное перемещение подвижного зеркала интерферометра с постоянной скоростью v. При этом разность ходаS между двумя интерферируемыми в плоскости фотопреобразователя лучами будет меняться по законуS=2vt. Интерферируемый световой поток можно записать как

E2=E21 + E22 +2E1E2cos

или

I=IО(1+cos) ,

где- разность фаз интерферируемых лучей, определяемая разностью ходаS:

=t =S/c =2vt/c = 2*2vt/c .

Изменение разности хода приведёт к периодическому изменению величины светового потока, падающего на фотопреобразователь 7, для каждой отдельной монохроматической составляющей с определённой частотой fмод. Электрический сигнал фотопреобразователя будет промодулирован набором (спектром) частот fмод(), зависящим от спектрального состава анализируемого излучения:

I=IО(1+cos2(2v/c)t)=IО(1+cos2fмодt) ,

где fмод=2v/c=2v/ - частота модуляции отдельной монохроматической составляющей светового потока, т.е. fмод является функцией частоты световых колебаний, и во столько раз меньше, во сколько раз скорость света c больше удвоенной скорости перемещения зеркала 2v.

Очевидно, что глубина модуляции для всех длин волн будет одинакова.

Частота же модуляции для разных длин волн различна. Такая интерферограмма обрабатывается на ЭВМ, в результате чего получается спектрограмма 14, определяющая зависимость спектральной яркости объекта от длины волны (рис. 8).

Рис. 8. Спектральные линии поглощения некоторых примесей в кремнии и германии, полученные с помощью Фурье-спектрометра при различных температурах охлаждения основного материала, К (1 – 293; 2 – 80; 3 – 20; 4 - 8)

Разрешающая способность Фурье-спектрометра определяется максимальной разностью ходаSмежду интерферирующими лучами

R=2S/ .

Погрешность измерения яркости на приборе не превышает 1%, а спектральный предел разрешения находится в диапазоне 5-1 см-1 (0.05 - 0.01мкм при =10 мкм). К недостаткам прибора следует отнести большую сложность его устройства, а также необходимость стабилизации температуры для основных элементов конструкции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Давыдов П. С. Техническая диагностика радиоэлектронных устройств и систем. - М.:Радио и связь, 2000. - 256 с.

2. Ермолов И.Н., Останин Ю.Я. Методы и средства неразрушающего контроля качества: Учеб. пособие для инженерно-техн. спец. вузов.-М.: Высшая школа, 2002. - 368 с.

3. Технические средства диагностирования: Справочник / Под общ. ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 2005. - 672 с.

4. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. - Справочник. В 2-х кн./ Под ред. В.В.Клюева - М.: Машиностроение, 2006.

5. Ж.Госсорг. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: Пер. с франц. – М. Мир, 2005. – 416 с.