RU2031374C1

RU2031374C1 - Acoustooptical spectrometer

Info

Publication number: RU2031374C1
Authority: RU
Inventors: В.М. Латышев
Priority date: 1990-09-04
Filing date: 1990-09-04
Publication date: 1995-03-20

Abstract

FIELD: acoustooptics. SUBSTANCE: acoustooptical spectrometer includes forming optics, acoustooptical filter, photodetector installed in succession in path of light beam, control unit connected to acoustooptical filter and register linked to photodetector and control unit. It is provided with polarization converter, signal generator, inverting amplifier, first and second key circuits, integrator with integration time at least twofold greater than oscillation period of signal generator. Polarization converter is placed ahead of acoustooptical filter and is coupled to output of signal generator to which controlling input of first key circuit and controlling input of second key circuit through inverting amplifier are connected. Signal inputs of first and second key circuits and integrator are linked to output of photodetector and their outputs - to inputs of register. Second output of control unit is connected to signal generator. EFFECT: enhanced operational stability. 2 dwg

Description

Изобретение относится к акустооптике, а именно к устройствам измерения спектральных характеристик оптических сигналов, и может быть использовано в различных областях народного хозяйства для исследования характеристик материалов, источников света, атмосферы, подстилающей поверхности Земли и т. п. The invention relates to acousto-optics, and in particular to devices for measuring the spectral characteristics of optical signals, and can be used in various fields of the national economy to study the characteristics of materials, light sources, the atmosphere, the underlying surface of the Earth, etc.

Известны спектрометры, включающие формирующую оптику, диспергирующий элемент (дифракционная решетка или призма), фотодетектор и регистратор [1]. Known spectrometers, including forming optics, a dispersing element (diffraction grating or prism), photodetector and recorder [1].

Недостатками известных спектрометров являются малая скорость перестройки в рабочем диапазоне из-за необходимости механического поворота диспергирующего элемента относительно приемной щели фотодетектора, ограниченные функциональные возможности по измерению поляризационных свойств входного излучения, что сказывается и на точностных характеристиках приборов. The disadvantages of the known spectrometers are the low speed of tuning in the operating range due to the need for mechanical rotation of the dispersing element relative to the receiving slit of the photodetector, limited functionality for measuring the polarization properties of the input radiation, which affects the accuracy characteristics of the devices.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является акустооптический спектрометр, включающий формирующую оптику, акустооптический фильтр (АОФ) с блоком управления, фотодетектор и регистратор, связанный с выходом фотодетектора и блоком управления [2]. В акустооптическом спектометре световое излучение формируется входной оптикой в пучок с малой расходимостью (1-2^о) и направляется на вход АОФ. АОФ включает в себя два скрещенных (входной и выходной) поляризатора, между которыми помещен светозвукопровод с ультразвуковым преобразователем. С помощью перестраиваемого генератора высокой частоты, являющегося составной частью блока управления, в светозвукопроводе ультразвуковым преобразователем возбуждается ультразвуковая волна, коллинеарная световому пучку. При акустооптическом взаимодействии в светозвукопроводе поляризация светового сигнала для одной длины волны, отвечающей условию синхронизма света и звука, изменяется на ортогональную и проходит на выход фильтра. Поляризация светового излучения других длин волн остается без изменения, и оно на выход АОФ не проходит. Фотодетектор преобразует световой сигнал в электрический, который и регистрируется в регистраторе. Перестройка генератора высокой частоты осуществляется блоком управления. Управляющий сигнал с блока управления поступает также на регистратор для задания координаты "длина волны".The closest in technical essence and the achieved result to the invention is an acousto-optic spectrometer, including forming optics, acousto-optic filter (AOF) with a control unit, a photodetector and a recorder associated with the output of the photodetector and control unit [2]. In an acoustooptical spektometre light radiation generated input optics into a beam with low divergence (1-2 ^a) and directed to the input of ANP. AOF includes two crossed (input and output) polarizers, between which is placed a light pipe with an ultrasonic transducer. By means of a tunable high-frequency generator, which is an integral part of the control unit, an ultrasonic wave collinear to the light beam is excited by an ultrasonic transducer in a light and sound pipeline. During acousto-optic interaction in a light and sound pipeline, the polarization of the light signal for one wavelength corresponding to the condition of synchronism of light and sound changes to orthogonal and passes to the filter output. The polarization of light radiation of other wavelengths remains unchanged, and it does not pass to the AOF output. The photodetector converts the light signal into an electric signal, which is recorded in the recorder. The tuning of the high-frequency generator is carried out by the control unit. The control signal from the control unit also arrives at the recorder to set the coordinates "wavelength".

Недостатком данного акустооптического спектрометра является невысокая точность измерений, обусловленная поляризационной избирательностью АОФ. Для получения полной информации о характере сигнала необходимо измерять или обе поляризационные составляющие спектра, или энергетические характеристики сигнала независимо от его поляризационных свойств, что не возможно в данной конструкции спектрометра. The disadvantage of this acousto-optical spectrometer is the low measurement accuracy due to the polarization selectivity of AOF. To obtain complete information about the nature of the signal, it is necessary to measure either both polarization components of the spectrum or the energy characteristics of the signal regardless of its polarization properties, which is not possible in this spectrometer design.

Целью изобретения является повышение точности измерения спектров излучения оптических сигналов за счет измерения обоих поляризационных составляющих и энергетических характеристик сигнала. The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring the emission spectra of optical signals by measuring both polarization components and energy characteristics of the signal.

Для достижения цели акустооптический спектрометр, включающий формирующую оптику, АОФ, фотодетектор, установленные последовательно по ходу светового пучка, блок управления, подключенный к АОФ, и регистратор, подключенный к фотодетектору и блоку управления, снабжен преобразователем поляризации, генератором сигнала, инвертирующим усилителем, первой и второй ключевыми схемами, интегратором с временем интегрирования, по крайней мере в два раза большим периода колебаний генератора сигнала, причем преобразователь поляризации установлен перед АОФ и подключен к выходу генератора сигнала, к которому подключены также управляющий вход первой ключевой схемы и через инвертирующий усилитель управляющий вход второй ключевой схемы, сигнальные входы первой и второй ключевых схем и интегратора подключены к выходу фотодетектора, а их выходы - к входу регистратора, при этом второй выход блока управления подключен к генератору сигнала. To achieve the goal, an acousto-optical spectrometer, including forming optics, AOF, a photodetector installed in series along the light beam, a control unit connected to the AOF, and a recorder connected to the photodetector and control unit, is equipped with a polarization converter, a signal generator, an inverting amplifier, the first and the second by key circuits, an integrator with an integration time of at least twice the oscillation period of the signal generator, and the polarization converter is installed ne AOF unit and is connected to the output of the signal generator, which is also connected to the control input of the first key circuit and through the inverting amplifier the control input of the second key circuit, the signal inputs of the first and second key circuits and integrator are connected to the output of the photodetector, and their outputs are connected to the input of the recorder, the second output of the control unit is connected to a signal generator.

Существенными отличиями заявляемого акустооптического спектрометра являются включение в состав спектрометра новых элементов - преобразователя поляризации, генератора сигнала, двух ключевых схем, инвертирующего усилителя, интегратора; установка преобразователя поляризации перед АОФ по ходу светового пучка; выбор постоянной времени интегратора, по крайней мере в два раза большей периода колебаний генератора сигнала; соединения элементов схемы, обеспечивающие функционирование спектрометра. Significant differences of the claimed acousto-optical spectrometer are the inclusion of new elements in the spectrometer — a polarization converter, a signal generator, two key circuits, an inverting amplifier, an integrator; installation of a polarization converter in front of the AOF along the light beam; selection of the integrator time constant, at least twice the oscillation period of the signal generator; connections of circuit elements ensuring the operation of the spectrometer.

На фиг. 1 схематически представлена схема акустооптического спектрометра; на фиг. 2 приведены спектро- и осциллограммы сигналов на выходах элементов схемы. In FIG. 1 is a schematic diagram of an acousto-optical spectrometer; in FIG. Figure 2 shows the spectral and oscillograms of the signals at the outputs of the circuit elements.

Спектрометр содержит формирующую оптику 1, АОФ 2, блок 3 управления, фотодетектор 4, регистратор 5, преобразователь 6 поляризации, генератор 7 сигнала, инвертирующий усилитель 8, интегратор 9 и две ключевые схемы 10 и 11. The spectrometer contains forming optics 1, AOF 2, a control unit 3, a photodetector 4, a recorder 5, a polarization converter 6, a signal generator 7, an inverting amplifier 8, an integrator 9, and two key circuits 10 and 11.

Преобразователь 6 поляризации установлен перед АОФ и подключен к выходу генератора 7 сигнала. Выход фотодетектора 4 подключен к сигнальным входам интегратора 9, первый и второй ключевых схем 10 и 11, выходы которых подключены к разъему регистратора 5. На управляющие входы ключевых схем подаются сигналы с выхода генератора 7 сигнала, причем на вторую ключевую схему сигнал подается через инвертирующий усилитель 8. The polarization converter 6 is installed in front of the AOF and connected to the output of the signal generator 7. The output of the photodetector 4 is connected to the signal inputs of the integrator 9, the first and second key circuits 10 and 11, the outputs of which are connected to the connector of the recorder 5. Signals from the output of the signal generator 7 are supplied to the control inputs of the key circuits, and the signal is fed to the second key circuit through an inverting amplifier 8.

Фоpмирующая оптика 1 содержит коллиматор из двух линз и точечной диафрагмы, обеспечивающий расходимость светового пучка не более 2^о. АОФ содержит два скрещенных поляризатора - призмы Глана и светозвукопровод из прямоугольного бруска кварца Х-среза, ориентированного вдоль оси Х с точностью 1,5. Ультразвуковой преобразователь продольной ультразвуковой волны нанесен на одну из граней светозвукопровода. В блоке 3 управления имеются генератор высокой частоты, обеспечивающий на нагрузке ультразвукового преобразователя мощность ≈ 4-5 Вт в диапазоне 60-140 МГц, и схема его перестройки в этом диапазоне. Сигнал постоянного напряжения, пропорциональный частоте ультразвука, а следовательно, и длине волны настройки (пропускания) АОФ, подается с выхода блока управления на регистратор 5 и генератор 7 сигнала. Фотодетектором 4 служит фотоэлектронный умножитель ФЭУ-69 с блоком питания. Может быть использован и фотодиод ФД-24 в зависимости от уровней исследуемых сигналов.Forming optics 1 contains a collimator of two lenses and a point diaphragm, providing a divergence of the light beam of not more than 2 ^about . AOF contains two crossed polarizers - Glan prisms and a light and sound conduit from a rectangular block of X-cut quartz oriented along the X axis with an accuracy of 1.5. An ultrasonic transducer of a longitudinal ultrasonic wave is applied to one of the faces of the light-sound pipeline. In control unit 3, there is a high-frequency generator that provides power ≈ 4-5 W in the range of 60-140 MHz at the load of the ultrasonic transducer, and a circuit for its tuning in this range. A constant voltage signal proportional to the ultrasound frequency and, consequently, to the AOF tuning (transmission) wavelength, is fed from the output of the control unit to the recorder 5 and the signal generator 7. Photodetector 4 is a photomultiplier tube PMT-69 with a power supply. The PD-24 photodiode can also be used, depending on the levels of the studied signals.

Регистратором 5 служит трехканальный самописец. По одной координате самописца откладывается длина волны нанометрах, а по другой - амплитуда сигнала с выхода интегратора и ключевых схем. Преобразователь 6 поляризации служит для периодического вращения плоскости поляризации входного сигнала с частотой, определяемой генератором 7 сигнала. Преобразователь поляризации выполнен из пластины плавленного кварца, склеенной с пьезоэлектрическим преобразователем, подключенным к выходу генератора сигнала. Амплитуда сигнала на пьезоэлектрическом преобразователе выбрана из условия поворота плоскости поляризации входного сигнала на угол 90^о за счет наведенного двулучепреломления. Размеры пластин 30х20х10 мм.Registrar 5 is a three-channel recorder. On one coordinate of the recorder, the wavelength of nanometers is plotted, and on the other, the amplitude of the signal from the output of the integrator and key circuits. The polarization converter 6 is used for periodic rotation of the plane of polarization of the input signal with a frequency determined by the signal generator 7. The polarization converter is made of a fused silica plate glued to a piezoelectric transducer connected to the output of a signal generator. The amplitude of the signal on the piezoelectric transducer is selected from the condition of rotation of the plane of polarization of the input signal by an angle of 90 ^about due to induced birefringence. The dimensions of the plates are 30x20x10 mm.

Генератор 7 сигнала собран на транзисторах, причем пьезоэлектрический преобразователь включен в цепь обратной связи генератора. Поскольку частота вращения плоскости поляризации в кварцевой пластине в два раза выше частоты сигнала, подаваемого на пьезоэлектрический преобразователь, в генераторе сигнала имеется удвоитель частоты. Именно с выхода удвоителя частоты генератора 7 сигнала подается напряжение на управляющие входы ключевых схем 10 и 11. The signal generator 7 is assembled on transistors, and the piezoelectric transducer is included in the generator feedback circuit. Since the frequency of rotation of the plane of polarization in the quartz plate is two times higher than the frequency of the signal supplied to the piezoelectric transducer, the signal generator has a frequency doubler. It is from the output of the frequency doubler of the signal generator 7 that voltage is supplied to the control inputs of the key circuits 10 and 11.

Усилитель-инвертор 8 собран на транзисторах и обеспечивает при коэффициенте усиления 1 инвертирование сигнала с выхода генератора 7. Интегратор 9 - RC-цепочка в нагрузке эмиттерного повторителя, обеспечивающего развязку для ключевых схем 10 и 11. Ключевые схемы, собранные на микросхемах с эмиттерными повторителями на входе и интегрирующими цепочками на выходе, обеспечивают регулируемую временную выборку сигналов фотодетектора, синхронизированную с работой преобразователя 6 поляризации. The amplifier-inverter 8 is assembled on transistors and provides, when the gain is 1, the signal is inverted from the output of the generator 7. Integrator 9 is an RC circuit in the load of the emitter follower, which provides isolation for key circuits 10 and 11. Key circuits assembled on microcircuits with emitter repeaters on input and integrating circuits at the output, provide an adjustable temporary sampling of the photodetector signals, synchronized with the operation of the polarization converter 6.

Акустооптический спектрометр работает следующим образом. Acousto-optical spectrometer works as follows.

Световой пучок с расходимостью, определяемой формирующей оптикой 1, имеющий в общем случае две поляризационные составляющие, направляется на вход АОФ 2 с входным поляризатором. При включенном генераторе 7 сигнала преобразователь 6 поляризации периодически поворачивает плоскость поляризации входного сигнала и через входной поляризатор АОФ 2 поочередно проходят поляризационные составляющие входного сигнала. АОФ пропускает на фотодетектор 4 составляющие входного сигнала на длине волны, определяемой частотой колебаний генератора высокой частоты в блоке 3 управления. На выходе интегратора 9, подключенного к фотодетектору, при времени интегрирования, значительно большем периода колебаний генератора 7 сигнала, регистрируется сигнал, пропорциональный полусумме обеих поляризационных составляющих спектра сигнала на длине волны пропускания АОФ. На выходах ключевых схем 10 и 11, осуществляющих выборку сигнала, синхронизованную состоянием преобразователем 6 поляризации, регистрируются сигналы, пропорциональные поляризационным составляющим спектра. Периодический поворот плоскости поляризации входного сигнала, осуществляемый преобразователем 6 поляризации, должен быть равен 90^о, что достигается регулировкой амплитуды напряжения с выхода генератора 7 сигнала на пластинах пьезоэлектрического преобразователя.A light beam with a divergence determined by the forming optics 1, which generally has two polarization components, is sent to the input of AOF 2 with an input polarizer. When the signal generator 7 is turned on, the polarization converter 6 periodically rotates the plane of polarization of the input signal and the polarizing components of the input signal alternately pass through the input polarizer AOF 2. AOF passes to the photodetector 4 components of the input signal at a wavelength determined by the oscillation frequency of the high-frequency generator in the control unit 3. At the output of the integrator 9 connected to the photodetector, with an integration time much longer than the oscillation period of the signal generator 7, a signal is proportional to the half-sum of both polarization components of the signal spectrum at the AOF transmission wavelength. At the outputs of the key circuits 10 and 11, sampling the signal, synchronized by the state of the polarization converter 6, signals proportional to the polarization components of the spectrum are recorded. The periodic rotation of the plane of polarization of the input signal, carried out by the polarization converter 6, should be equal to 90 ^° , which is achieved by adjusting the voltage amplitude from the output of the signal generator 7 on the plates of the piezoelectric transducer.

Небольшая коррекция амплитуды этого напряжения в рабочем спектральном диапазоне спектрометра осуществляется автоматически при подаче с выхода блока 3 управления постоянного напряжения на вход генератора 7 сигнала. Величина постоянного напряжения однозначно связана с длиной волны настройки АОФ и устанавливается при его начальной настройке. A small correction of the amplitude of this voltage in the working spectral range of the spectrometer is carried out automatically when a constant voltage is applied from the output of the control unit 3 to the input of the signal generator 7. The value of constant voltage is unambiguously related to the wavelength of the AOF tuning and is set during its initial tuning.

На фиг.2а приведены исходные спектрограммы двух поляризационных составляющих входного сигнала; на фиг.2б - спектрограмма сигнала с выхода интегратора; на фиг.2в - осциллограмма сигнала на выходе фотодетектора для фиксированной длины волны λ_o; на фиг.2г - осциллограммы управляющих сигналов, подаваемых на ключевые схемы с генератора сигналов, и регулируемый порог срабатывания ключевых схем; на фиг.2д - спектрограммы сигналов с выхода ключевых схем, повторяющих с точностью до постоянного множителя характеристики поляризационных составляющих входного сигнала.Figure 2a shows the initial spectrograms of two polarization components of the input signal; on figb is a spectrogram of the signal from the output of the integrator; on figv - waveform of the signal at the output of the photodetector for a fixed wavelength λ _o ; Fig.2g - oscillograms of the control signals supplied to the key circuitry from the signal generator, and an adjustable threshold of operation of the key circuitry; on fig.2d - spectrograms of the signals from the output of key circuits, repeating, up to a constant factor, the characteristics of the polarization components of the input signal.

Предлагаемый акустооптический спектрометр приобретает важное свойство - возможность измерения обеих поляризационных составляющих и спектральных энергетических характеристик входного сигнала, не зависящих от поляризационных свойств, что естественно сказывается на точности - полноте получаемой информации об исследуемом сигнале. The proposed acousto-optical spectrometer acquires an important property - the ability to measure both polarization components and spectral energy characteristics of the input signal, which are independent of the polarization properties, which naturally affects the accuracy - completeness of the information received on the signal under study.

Сфера применения акустооптического спектрометра многообразна: исследование спектров оптических сигналов, источников излучения, свойств материалов по рассеянному, отраженному или пропущенному материалом излучению, концентрации растворенных веществ, их элементный состав и т.п. The scope of an acousto-optical spectrometer is diverse: the study of the spectra of optical signals, radiation sources, the properties of materials from scattered, reflected or transmitted material radiation, the concentration of dissolved substances, their elemental composition, etc.

Технико-экономический эффект от использования изобретения выражается в повышении информационных свойств спектрометра, в возможности использовать один прибор вместо двух для одновременного измерения поляризационных и энергетических спектральных характеристик сигналов, в возможности проведения корректных спектрополяриметрических измерений при исследовании кристаллов, двулучепреломляющих материалов. Реализован образец спектрометра, работающий в диапазоне 0,4-0,8 мкм с полосой пропускания 0,2-0,4 нм, обеспечивающий дополнительные по сравнению с прототипом возможности по исследованию спектров оптических сигналов. The technical and economic effect of the use of the invention is expressed in increasing the information properties of the spectrometer, in the possibility of using one device instead of two for simultaneous measurement of the polarization and energy spectral characteristics of the signals, in the possibility of conducting correct spectropolarimetric measurements in the study of crystals, birefringent materials. A spectrometer sample was implemented, operating in the range of 0.4–0.8 μm with a transmission band of 0.2–0.4 nm, providing additional opportunities for studying optical signal spectra as compared to the prototype.

Claims

ACOUSTOOPTIC SPECTROMETER, including optically coupled forming optics, an acousto-optic filter and a photodetector, a control unit connected to an acousto-optic filter, and a recorder connected to a photodetector and a control unit, characterized in that, in order to improve the accuracy of measuring the spectra of optical signals, it contains a polarization converter , a signal generator, an inverting amplifier, the first and second key circuits, and an integrator designed so that the integration time is at least twice as pain e of the oscillation period of the signal generator, and the polarization converter is installed between the forming optics and the acousto-optic filter and connected to the input of the signal generator, one output of which is connected to the control input of the first key circuit through an inverting amplifier, and the second output to the control input of the second key circuit, the inputs of the first and the second key circuits and integrator are connected to the outputs of the photodetector, and their outputs are connected to the inputs of the recorder, while the second output of the control unit is connected to a signal generator.