RU1775621C - Многоканальный оптический спектрометр - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение относитс  к спектральным приборам и может быть использовано дл  получени  и изучени  спектров излучени , поглощени , отражени  и флюоресценции, а также в качестве спектрального детектора в приборах технологического и экологического контрол . Сущность: в качестве приемника излучени  используетс  линейный фоточувствительный прибор с зар довой св зью, имеющий повышенный динамический диапазон. Дл  реализации динамического диапазона приемника угол блеска дифракционной решетки полихроматора подобран таким образом, что крива  спектрального распределени  коэффициента отражени  решетки и крива  спектральной чувствительности приемника на участке, соответствующем рабочему спектральному диапазону, дают в сумме линию , слабо завис щую от длины волны. 7 ил.

Description

сл

С

Изобретение относитс  к спектральным приборам и может быть использовано в научных и заводских лаборатори х дл  получе- ни  и изучени  спектров излучени , поглощени , отражени  и флюоресценции, а также в качестве спектрального детектора в приборах технологического и экологического контрол .

Известны многоканальные спектральные приборы, предназначенные дл  работы в различных област х спектра (ОМА-2, США; OSA, ФРГ, OSMA, ФРГ; OVA, ГДР). При широких сервисных возможност х эти приборы обладают низким светопропусканием и малым динамическим диапазоном по световому потоку.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению  вл етс  прибор СР-200 французской фирмы Жобен-Ивон. содержащий полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой, многоканальный приемник и контроллер. Такой прибор при более высоком, чем у вышеназванных светопропускании, обладает динамическим диапазоном около , что не позвол ет решать многие научные и технологические задачи.

Целью изобретени   вл етс  расширение динамического диапазона по световому потоку.

Цель достигаетс  тем, что в качестве приемника излучени  используетс  линейный фоточувствительный прибор с зар довой св зью, имеющий повышенный динамический диапазон. Дл  реализации динамического диапазона приемника угол блеска дифракционной решетки полихроматора подобран таким образом, что крива  спектрального распределени  коэффициента отражени  решетки и крива  спектральной чувствительности приемника на участке, соответствующем рабочему спектvi vi сл о ю

ральному диапазону дают в сумме линию, слабо завис щую от длины волны.

Крива  спектральной чувствительности типичного приемника с зар довой св зью, выполненного на основе кремни , показана на фиг. 1. Спектральное распределение коэффициента отражени  дифракционной решетки сложным образом зависит от формы профил  ее штрихов и рассчитываетс  при помощи электромагнитной теории. На фиг. 2 представлены кривые спектрального распределени  коэффициента отражени  решеток с различными углами блеска.

Дл  оптимизации угла блеска дифракционной решетки были рассмотрены четыре решетки, позвол ющие работать в наиболее часто используемых дл  анализа участках спектра. Кривые спектрального распределени  произведени  светочувствительности приемника и коэффициента от- ражени  решетки представлены на фиг. 3-6: 3 - решетка 600 , работающа  в области 200-400 им; А - решетка 300 работающа  в области 400-800 нм; 5 - решетка 400 мм , работающа  в области 300- 600 нм; 6 - решетка 225 , работающа  в области 550-1100 нмс Из рисунков видно, что оптимальным дл  решетки 600 мм  вл етс  угол блеска, приблизительно равный 4°, дл  решетки 300 - Зи, 400 - Зи и 225 - 4°. При углах блеска, меньших оптимального, суммарный коэффициент пропускани  прибора слишкоти низок, что снижает его чувствительность, при углах блеска, больших оптимального, он резко из- мен етс  с изменением длины волны, что не позвол ет реализовать динамический диапазон фотоприемника.

На основании накопленных данных, часть из которых представлена на фиг. 3-60 была выведена эмпирическа  формула, устанавливающа  св зь между длиной волны максимальной эффективности дифракционной решетки Атах границами рабочего спектрального диапазона AI и А.2 , посто н- ной решетки d и длиной волны максимальной чувствительности фотоприемника АЗ:

1 ; А2 A- ,r4vbs2m

Arm -A j-jj (-g-)(1)

В свою очередь, длина волны максимальной эффективности дифракционной решетки св зана с углом блеска соотношением:

k /Uax 2d -COSV/2 siny ,(2)

где k - пор док спектра, v II - половина угла между падающим и дифрагированным пучками.

Подставл   (1) в (2), получаем формулу дл  определени  оптимального угла блеска дифракционной решетки, работающей в

приборе с фотоприемником с зар довой св зью:

y arCSin2dS

(3)

где с AI

A2-Ai

У

л - d

При невыполнении соотношени  (3) по- юк излучени , падающий на приемник, или резко мен етс  по спектру, или слишком мал, что не позвол ет обеспечить нормальной работы приемника и достигнуть высокого динамического диапазона, который, как показали эксперименты, равен 10 .

Спектральные приборы с приемниками с зар довой св зью и согласованием спектрального коэффициента отражени  решетки с чувствительностью приемника в технике неизвестны, поэтому предлагаемое изобретение удовлетвор ет критери м новизны и существенных отличий.

Принципиальна  схема показана на фиг, 7. Устройство содержит дифракционный полихроматор 1, приемник с зар довой св зью 2 и контроллер 3.

Устройство работает следующим образом: полихроматор 1 разлагает излучение в спектр и фокусирует его на приемник 2, контроллер 3 обеспечивает управление приемником и св зь с микроЭВМ дл  дальне йшей обработки спектров.

В качестве примера конкретного выполнени  за вл емого устройства можно привести многоканальный оптический спектрометр, выполненный на основе поли- хроматора с вогнутой дифракционной решеткой с радиусом кривизны 100 мм и размером 36x36 мм, обеспечивающий разрешающую способность 1-2 нм и позвол ющий работать в следующих област х спектра: 200-400 нм с решеткой 600 , 300-600 нм с решеткой 400 ,400-800 нм с решеткой 300мм 1 и 550-1100 нм с решеткой 225мм т, и приемника по А.С.N1316513, имеющего 500 каналов на длине 13 мм,и совокупный динамический диапазон 10Ъ. Габариты полихроматора 200x100x90 мм, контроллера 480x300x118 мм, масса прибора 15 кг.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Многоканальный оптический спектрометр , содержащий входную щель, полихроматор с плоским полем, собранный на основе вогнутой дифракционной решетки, многоканальный приемник излучени  и контроллер , отличающийс  тем, что, с целью расширени  динамического диапазона работы спектрометра по световому потоку , приемник выполнен в виде линейного прибора с зар довой св зью, а дифракционна  решетка установлена так, что угол бле- CKaf у соответствует соотношению

   arCsin2dcSi72

   гдес

   h -Ai ,4-Азч2

   К - пор док спектра:

   d - частота штрихов решетки.

   200 JOO Ш 500

   °3°4в

   С, / i

   ff,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7Ш Фиг2

   v - средний угол между направлени ми от вершин решетки на входную щель и приемник излучени ;

   1 AI и А2 начало и конец рабочего спект- ральнбго диапазона;

   Аз - длина волны максимальной чувствительности приемника.

   Л.нм

   0,8

   600 мм 1

   02

   07

   Of

   ад

   02

   ti to to и te дл/

   ewa

   ФМ.З

   Шмм 1

   5: 5:

   §

   -Э

   §

   CO

   СЭ

   tr Q

   cs

   СЭ

   U7

   cvS

   f 3

   СЭ

   CNI

   CS

   C4

   СЭ

   t Фиг. 7