RU2468344C1 - Способ дисперсионной фурье-спектрометрии в непрерывном широкополосном излучении - Google Patents
Способ дисперсионной фурье-спектрометрии в непрерывном широкополосном излучении Download PDFInfo
- Publication number
- RU2468344C1 RU2468344C1 RU2011126683/28A RU2011126683A RU2468344C1 RU 2468344 C1 RU2468344 C1 RU 2468344C1 RU 2011126683/28 A RU2011126683/28 A RU 2011126683/28A RU 2011126683 A RU2011126683 A RU 2011126683A RU 2468344 C1 RU2468344 C1 RU 2468344C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- sample
- arm
- substance
- measuring
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к оптическим методам исследования материалов, а именно к определению спектров комплексной диэлектрической проницаемости или оптических постоянных. Способ заключается в размещении в каждом плече двухлучевого интерферометра по одному идентичному герметичному контейнеру с прозрачными окнами, в одном из которых в измерительном плече размещают прозрачный образец исследуемого вещества. В контейнере опорного плеча размещают эталонное тело, толщиной, равной толщине образца, и изготовленное из вещества, с показателем преломления n0, монотонно зависящим от частоты излучения и отличающимся от показателя преломления исследуемого вещества n в пределах полосы излучения не более чем на величину (n-n0)=λmin/a, где а - расстояние, проходимое излучением в образце, λmin - минимальная длина волны излучения. Пропускают через оба контейнера излучение и дискретно регистрируют интерферограмму, формируемую на выходе интерферометра при изменении разности оптических путей излучения в опорном и измерительном плечах по заданному закону. Обрабатывают полученную интерферограмму с помощью полного Фурье-преобразования. Изобретение позволяет повысить точность измерений и расширить класс исследуемых веществ. 1 ил.
Description
Изобретение относится к оптическим методам исследования материалов, а именно - к определению спектров комплексной диэлектрической проницаемости или оптических постоянных (показателя преломления n и показателя поглощения k) вещества в результате одновременных амплитудно-фазовых измерений в рабочем диапазоне частот зондирующего излучения и может найти применение в оптических исследованиях физико-химических процессов, в дисперсионной спектроскопии, в оптической контрольно-измерительной аппаратуре и рефрактометрии материалов.
Дисперсионная Фурье-спектроскопия (ДФС) позволяет определять в результате амплитудно-фазовых измерений частотные зависимости n и k (связанные известными соотношениями с комплексной диэлектрической проницаемостью) образца в оптическом диапазоне при использовании широкополосных источников излучения [1, 2].
Амплитудно-фазовая Фурье-спектроскопия, являющаяся разновидностью ДФС, основана на анализе интерференционной картины, образованной в параллельных пучках широкополосного излучения, один из которых взаимодействует с образцом. Для получения информации о спектрах амплитуд и фаз излучения выполняют полное (косинусное и синусное) Фурье-преобразование интерферограммы, полученной при изменении разности хода опорного и измерительного пучков.
Известен способ асимметричной дисперсионной Фурье-спектрометрии, включающий размещение образца в одном плече (измерительном) двухлучевого статического интерферометра, воздействие на образец перестраиваемым по частоте монохроматическим излучением, дискретную регистрацию интерферограммы, формируемой на выходе интерферометра при изменении разности оптических путей излучения в опорном и измерительном плечах по заданному закону, математическую обработку полученной интерферограммы с помощью полного Фурье-преобразования [3]. Основным недостатком известного способа является большая продолжительность и низкая точность измерений, что обусловлено необходимостью дискретной перестройки источника по частоте и многократного повторения процедуры измерений на каждой частоте излучения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ дисперсионной Фурье-спектрометрии в широкополосном излучении, включающий размещение в каждом из плеч двухлучевого интерферометра по одному идентичному герметичному контейнеру с прозрачными окнами, размещение в контейнере измерительного плеча образца исследуемого вещества, пропускание через оба контейнера непрерывного широкополосного излучения, дискретную регистрацию интерферограммы, формируемой на выходе интерферометра при изменении разности оптических путей излучения в опорном и измерительном плечах по заданному закону, математическую обработку полученной интерферограммы с помощью полного Фурье-преобразования [4]. Основным недостатком известного способа является низкая точность измерений, что обусловлено неоднозначностью по целому числу 2π при определении фазового набега Δφ излучения в образце исследуемого вещества и малостью длины взаимодействия излучения с веществом при ограничении Δφ величиной 2π.
Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является повышение точности измерений и расширение класса исследуемых веществ и образцов.
Технический результат достигается тем, что в известном способе дисперсионной Фурье-спектрометрии в широкополосном излучении, включающем размещение в каждом плече двухлучевого интерферометра по одному идентичному герметичному контейнеру с прозрачными окнами, размещение в контейнере измерительного плеча прозрачного образца исследуемого вещества, пропускание через оба контейнера излучения, дискретную регистрацию интерферограммы, формируемой на выходе интерферометра при изменении разности оптических путей излучения в опорном и измерительном плечах по заданному закону, математическую обработку полученной интерферограммы с помощью полного Фурье-преобразования, в контейнере опорного плеча размещают эталонное тело, толщиной, равной толщине образца, и изготовленное из вещества, с показателем преломления n0, монотонно зависящим от частоты излучения и отличающимся от показателя преломления исследуемого вещества n в пределах полосы излучения не более чем на величину (n-n0)=λmin/a, где a - расстояние, проходимое излучением в образце, λmin - минимальная длина волны излучения.
Повышение точности измерений заявляемым способом достигается в результате устранения неоднозначности по целому числу 2π и увеличения пути излучения в исследуемом веществе. Повышение точности становится возможным благодаря наличию в контейнерах веществ с близкими показателями преломления в пределах полосы частот излучения (это различие Δn не должно превышать λmin/a, где а - расстояние, проходимое излучением в образце, λmin - минимальная длина волны излучения) и равенству расстояний, проходимых излучением в контейнерах. Действительно, в этом случае изменение разности фаз Δφ для составляющей излучения с данной длиной волны λ в интерферирующих пучках оказывается равным не Δφ=k0·(n-1)·a как в способе-прототипе (где k0=2π/λ; n - показатель преломления исследуемого вещества на данной λ), а-Δφ=k0·Δn·a. Но, поскольку в заявляемом способе Δn мало, то равенство Δφ=2π будет достигаться при а, значительно большем, по сравнению с прототипом. Таким образом, заявляемый способ позволяет увеличить длину взаимодействия излучения с исследуемым веществом, что обуславливает повышение точности измерения коэффициента его поглощения.
Расширение класса исследуемых веществ и образцов обеспечивается также благодаря размещению в контейнере опорного плеча интерферометра вещества с показателем преломления, близким к показателю преломления исследуемого вещества в полосе частот излучения, поскольку в этом случае расстояние а, проходимое излучением в исследуемом веществе при выполнении условия Δφ≤2π, становится в (n-1)/Δn раз больше, по сравнению с прототипом. Поэтому заявляемым способом можно исследовать не только тонкие, но и протяженные образцы (расширение класса исследуемых образцов), а также - и оптически более плотные материалы (расширение класса исследуемых веществ).
На фиг.1 приведена схема спектрометра, позволяющего реализовать заявляемый способ, где цифрами обозначены: 1 герметичный контейнер с прозрачными окнами, заполняемый исследуемым веществом; 2 герметичный контейнер с прозрачными окнами, заполняемый веществом с известной зависимостью его показателя преломления от частоты излучения; 3 источник широкополосного немонохроматического излучения; 4 светоделитель; 5 линия задержки, состоящая из неподвижного 5а и подвижного 5б уголковых отражателей, обеспечивает сканирование разности оптических путей интерферирующих пучков; 6 плоское зеркало, 7 плоское зеркало, размещенное в контейнере 1; 8 светоделитель, размещенный в контейнере 2 и сопряженный с зеркалом 7; 9 линия задержки, состоящая из неподвижного 9а и подвижного 9б уголковых отражателей, обеспечивает сохранность когерентности соответственных монохроматических компонент в интерферирующих пучках; 10 фотоприемное устройство (ФПУ); 11 блок обработки информации, способный выполнять полное Фурье-преобразование регистрируемой в ходе сканирования интерферограммы.
Способ осуществляется следующим образом. В контейнере 1 размещают прозрачный образец исследуемого вещества, а в контейнере 2 - эталонное тело, толщиной, равной толщине образца, и изготовленное из вещества, с нормальной дисперсией и известной зависимостью показателя преломления n0 от частоты, который мало отличается от показателя преломления исследуемого вещества n в пределах полосы излучения. Коллимированное излучение источника 3 поступает на светоделитель 4 и разделяется им на два пучка - опорный и измерительный. Линия задержки 5, сканированием по заданному закону отражателя 5б, осуществляет заданное изменение оптической разности хода интерферирующих пучков. Прошедший через линию 5 пучок измерительного плеча интерферометра отражается зеркалом 6 и направляется на входное окно контейнера 1, в котором он взаимодействует с исследуемым веществом, отражается зеркалом 7 и, выйдя из контейнера 1 через его другое окно, падает на светоделитель 8. На противоположную сторону делителя 8 через окно контейнера 2 поступает прошедшее через линию 9 излучение из опорного плеча. Совмещенные делителем 8 пучки из обоих плеч выходят из контейнера 2 через его третье окно и направляются на вход ФПУ 10, регистрирующего интерференционную интенсивность излучения. Генерируемый устройством 10 электрический сигнал поступает в блок обработки информации 11.
До начала измерений отражатель 5б устанавливают в среднее (в пределах его хода) положение. Число N положений отражателя 5б, пропорциональное частотному разрешению спектрометра, выбирают исходя из требований к точности измерений. Кроме того, изменяя с помощью линии 9 разность оптических путей пучков, добиваются максимальной видности интерференционной картины.
Зарегистрировав в блоке 11 интерферограмму, представляющую собой совокупность значений интерференционного сигнала при N положениях отражателя 5б, выполняют полное Фурье-преобразование интерферограммы и получают фазовый и амплитудный спектры исследуемого вещества в диапазоне частот излучения источника 1. Для повышения соотношения "полезный сигнал/шум" такие измерения выполняют многократно, находят средние значения сигналов в точках отсчета, совокупность которых представляет собой усредненную интерферограмму, которая и подвергается полному Фурье-преобразованию. Кроме того, для дополнительного повышения отношения "полезный сигнал/шум" в процессе измерений может быть применена также известная методика фазовой модуляции интерференционного сигнала путем колебаний отражателя 5б, что позволяет реализовать селективную регистрацию электрического сигнала с выхода ФПУ 10 на частоте фазовой модуляции.
В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность получения с помощью описанного выше прибора спектров n и k воды, находящейся при температуре 18°C, в диапазоне λ, от 0,4 мкм до 0,8 мкм. В качестве источника излучения со сплошным спектром выберем нить лампы накаливания при температуре 2000°C, снабженную соответствующим полосовым фильтром. Учитывая, что показатель преломления воды n при λ=0,4 мкм равен приблизительно 1,4 [5], в качестве эталонного тела, помещаемого в контейнер опорного плеча, выберем такую же воду, но находящуюся при температуре 60°C, и показатель преломления которой n0 меньше n на величину Δn≈1,5·10-4 [6]. Тогда расстояние а, проходимое излучением в образце, не должно превышать 2,7 мм, чтобы выполнить условие Δφ=k0·Δn·a≤2π (где k0 соответствует λ=0,4 мкм). В случае же применения способа-прототипа, когда контейнер в опорном плече заполнен воздухом, условие Δφ≤2π будет выполнено при a≤1 мкм, поскольку Δn в этом случае равно 0,4. Следовательно, расстояние, проходимое излучением в воде, при применении заявляемого способа, будет в 2700 раз больше, чем в прототипе. В соответствующее число раз уменьшится ошибка определения как n, так и k для воды в рабочем диапазоне длин волн излучения.
Таким образом, в результате увеличения расстояния, проходимого излучением в исследуемом веществе, и ликвидации неоднозначности по целому числу 2π, применение заявляемого способа позволяет как повысить точность измерений, так и расширить класс исследуемых веществ и образцов.
Источники информации
1. Золотарев В.М. Методы исследования материалов фотоники: элементы теории и техники. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. - 275 с.
2. Креницкий А.П. Проблемы измерения диэлектрических характеристик нано- и микроразмерных сред в терагерцевом диапазоне частот // Успехи современной радиоэлектроники, 2008, №9, с.30-35.
3. Егорова Л.В., Ермаков Д.С., Кувалкин Д.Г., Таганов O.K. Фурье-спектрометры статического типа // Оптико-механическая промышленность, 1992, №2, с.3-14.
4. Birch J.R., Parker T.J. Dispersive Fourier Transform Spectroscopy, Ch.3 in "Infrared and Millimeter Waves", v.2. Ed. by K.J.Button, Academic Press, N.Y. 1979, p.137-271 (прототип).
5. Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. Справочник // Л.: Химия, 1984. - с.15.
6. Abbate G., Bernini U., Ragozzino E. and Somma F. The temperature dependence of the refractive index of water // J. Phys. D, 1978, v.11, p.1167-1172.
Claims (1)
- Способ дисперсионной Фурье-спектрометрии в непрерывном широкополосном излучении, включающий размещение в измерительном и опорном плечах двухлучевого интерферометра по одному идентичному герметичному контейнеру с прозрачными окнами, размещение в контейнере измерительного плеча прозрачного образца исследуемого вещества, пропускание через оба контейнера излучения, дискретную регистрацию интерферограммы, формируемой на выходе интерферометра при изменении разности оптических путей излучения в опорном и измерительном плечах по заданному закону, математическую обработку полученной интерферограммы с помощью полного Фурье-преобразования, отличающийся тем, что в контейнере опорного плеча размещают эталонное тело, толщиной, равной толщине образца, и изготовленное из вещества, с показателем преломления n0, монотонно зависящим от частоты излучения и отличающимся от показателя преломления исследуемого вещества n в пределах полосы излучения не более чем на величину (n-n0)=λmin/a, где а - расстояние, проходимое излучением в образце, λmin - минимальная длина волны излучения.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011126683/28A RU2468344C1 (ru) | 2011-06-30 | 2011-06-30 | Способ дисперсионной фурье-спектрометрии в непрерывном широкополосном излучении |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011126683/28A RU2468344C1 (ru) | 2011-06-30 | 2011-06-30 | Способ дисперсионной фурье-спектрометрии в непрерывном широкополосном излучении |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2468344C1 true RU2468344C1 (ru) | 2012-11-27 |
Family
ID=49254968
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011126683/28A RU2468344C1 (ru) | 2011-06-30 | 2011-06-30 | Способ дисперсионной фурье-спектрометрии в непрерывном широкополосном излучении |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2468344C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1622775A1 (ru) * | 1988-10-21 | 1991-01-23 | Ленинградский электротехнический институт им.В.И.Ульянова (Ленина) | Фурье-спектрометр |
RU2265827C2 (ru) * | 2000-06-01 | 2005-12-10 | Лайфскен, Инк. | Способы двухлучевой ик-фурье спектроскопии и устройства для обнаружения исследуемого вещества в пробах с низкой проницаемостью |
US7206073B2 (en) * | 2002-12-23 | 2007-04-17 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Dispersed fourier transform spectrometer |
AT504654A4 (de) * | 2007-07-12 | 2008-07-15 | Adolf Friedrich Dr Fercher | Räumlich lokalisierte konzentrationsmessung von lösungskomponenten in mischungen |
-
2011
- 2011-06-30 RU RU2011126683/28A patent/RU2468344C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1622775A1 (ru) * | 1988-10-21 | 1991-01-23 | Ленинградский электротехнический институт им.В.И.Ульянова (Ленина) | Фурье-спектрометр |
RU2265827C2 (ru) * | 2000-06-01 | 2005-12-10 | Лайфскен, Инк. | Способы двухлучевой ик-фурье спектроскопии и устройства для обнаружения исследуемого вещества в пробах с низкой проницаемостью |
US7206073B2 (en) * | 2002-12-23 | 2007-04-17 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Dispersed fourier transform spectrometer |
AT504654A4 (de) * | 2007-07-12 | 2008-07-15 | Adolf Friedrich Dr Fercher | Räumlich lokalisierte konzentrationsmessung von lösungskomponenten in mischungen |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
BIRCH J.R., PARKER T.J. Infrared and Millimeter Waves, v.2, ch.3, Dispersive Fourier Transform Spectrometry, Academic Press, N.Y., 1979, p.180-208. * |
BIRCH J.R., PARKER T.J. Infrared and Millimeter Waves, v.2, ch.3, Dispersive Fourier Transform Spectrometry, Academic Press, N.Y., 1979, p.180-208. Егорова Л.В. и др. Фурье-спектрометры статического типа. - Оптико-механическая промышленность, 1992, №2, с.3-14. * |
Егорова Л.В. и др. Фурье-спектрометры статического типа. - Оптико-механическая промышленность, 1992, No.2, с.3-14. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8693004B2 (en) | Dual-etalon cavity ring-down frequency-comb spectroscopy with broad band light source | |
Jaggi et al. | Fourier transform infrared spectroscopy | |
KR20110036945A (ko) | 주파수 빗 광원을 갖는 푸리에 변환 분광기 | |
CN110553993B (zh) | 一种光谱测量系统及多外差拍频信号探测及数据处理方法 | |
CN106442424B (zh) | 利用石墨烯太赫兹表面等离子效应的酒精浓度测量装置及其方法 | |
CN108918458B (zh) | 一种确定材料太赫兹吸收峰的方法 | |
JPH05264355A (ja) | 赤外線エリプソメータ | |
Gast et al. | An amplitude Fourier spectrometer for infrared solid state spectroscopy | |
Palmer et al. | Step-scan FT-IR photothermal spectral depth profiling of polymer films | |
Möllmann et al. | Fourier transform infrared spectroscopy in physics laboratory courses | |
RU2468344C1 (ru) | Способ дисперсионной фурье-спектрометрии в непрерывном широкополосном излучении | |
Shaikh et al. | Qualitative and quantitative characterization of textile material by Fourier transform infra-red | |
US8953168B2 (en) | Optical sensing devices and methods for detecting samples using the same | |
Andrushchak et al. | A new method for refractive index measurement of isotropic and anisotropic materials in millimeter and submillimeter wave range | |
RU2345351C1 (ru) | Устройство для получения спектров поглощения тонких слоев в терагерцовой области спектра | |
Yin et al. | Trace gas detect based on spectral analysis and harmonic ratio | |
Zhizhin et al. | Dispersive Fourier-transform spectroscopy of surface plasmons in the infrared frequency range | |
CN112229814B (zh) | 太赫兹光谱测量装置、测量方法及其用途 | |
Ali | IR spectroscopy | |
RU2477842C1 (ru) | Плазмонный фурье-спектрометр терагерцового диапазона | |
RU2703772C1 (ru) | Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны | |
CN114993941B (zh) | 一种免标定抗振动的吸收光谱测量方法与系统 | |
Chao et al. | Dielectric permittivity measurements of thin films at microwave and terahertz frequencies | |
Naftaly | Broadband terahertz measurements of optical properties of materials | |
Richter et al. | Dielectric loss of liquid hydrocarbons in the millimetre and submillimetre wavelength regions |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160701 |