Фурье спектрометр: принципы работы, разрешение

Спектроскопия еще со времен И.Ньютона стала основным и наиболее информативным методом, позволяющим исследовать состав вещества. Исторически сложилось так, что развитие дифракционных методов шло одновременно с интерференционными. Однако последние до середины 20 столетия применялись для решения узких аналитических задач, а их преимущества в полной мере не использовались.

Развитие вычислительной техники стало толчком для создания современных интерференционных спектрометров, которые работают с использованием преобразования Фурье. Компьютер стал неотъемлемой частью приборов, и позволяет быстро выполнять вычисления. Благодаря им Фурье-спектрометры обеспечивают высокое разрешение, и превосходят оптические приборы по информативности.

Принципы работы

Особенности Фурье-спектрометрии

Основное отличие Фурье-спектрометрии от классических методов оптической спектроскопии заключается в отсутствии диспергирующего элемента. Спектр получается в результате двух последовательных процессов. На первом этапе происходит регистрация интерферограммы излучения, а затем - с помощью Фурье-преобразования осуществляется вычисление спектра.

Фурье-спектрометр способен одновременно регистрировать весь исследуемый спектр, что отличает его от других типов спектральных приборов. Разность хода интерферирующих пучков в приборе модулирует монохроматические излучения, составляющие исследуемый спектр, при этом его частота соответствует определенной длине волны. Приемник излучения регистрирует сигнал в виде Фурье-преобразования функции распределения энергии в соответствии с частотой, и, следовательно, спектра анализируемого излучения. Для выполнения обратного Фурье-преобразования используется современная вычислительная техника.

Основные преимущества

Получение спектров на фурье-спектрометрах - довольно сложный процесс. Однако в этом случае открываются большие возможности, которые превосходят другие спектральные методы исследования вещества.

Выигрыш Фелжета - мультиплекс фактор, благодаря которому имеется возможность получения в фурье-спектрометре информации обо всем исследуемом спектре. Таким образом, соотношение сигнала к шуму имеет более высокую величину по сравнению с дифракционными или призменными приборами.

Выигрыш Жакино - геометрический фактор, который дает возможность снизить величину телесного угла, как у источника, так и приемника излучения. Это позволяет пропускать большее количество энергии с высоким разрешением, и сделать конструкцию прибора компактной.

В фурье-спектрометрах отсутствует ограничение по спектральному разрешению, связанные с размерами оптических элементов. В них эта величина достигает <0,001 см-1, и не сопоставима со значением 0,02 см-1, которое имеет естественное ограничение в приборах с использованием дифракционных решеток.

Прибор дает возможность с высокой точностью определять спектральные волновые числа. При этом разрешение остается постоянным во всем спектре.

С помощью фурье-спектрометра можно исследовать пространственно-неоднородные объекты. Для этого интерферометр используется как диспергирующий элемент, а фотодиодная матрица регистрирует сигнал.

Способ регистрации

Для получения интерференционной картины сигнал регистрируется фотоприемником. Это устройство связано с аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) с помощью усилителя. Задача АЦП состоит в преобразовании электрических сигналов в цифровой. В результате этого процесса получается массив - интерферограмма. После ее обработки в ЭВМ с использованием Фурье-преобразования получается спектр. Благодаря вычислительной технике имеется возможность обработки и другой информации, полученной в результате исследования образца, а также контролировать работу прибора и осуществлять управление им.

Сканирование

В процессе сканирования измеряется показатель преломления среды, при прохождении через нее луча, на пути которого расположена кювета, соединенная с насосом. При этом используется связь показателя преломления с величиной давления. В результате откачки воздуха наблюдается изменение разности хода интерферирующих лучей. Компенсация разности хода обеспечивается за счет дополнительных окон, предусмотренных в кювете на другом плече прибора.

Процесс сканирования может производиться различными способами. Наибольшее распространение получил способ сканирования давлением, который отличается простотой. В этом случае в кювету через капилляр непрерывно подается воздух.

Для связи зарегистрированного отсчета с разностью хода определенной величины снимается опорная интерферограмма, которая получается при излучении He-Ne лазера.

Интерференционная картина. Спектр. Интерферограмма

Явление интерференции возникает при наложении двух отраженных от зеркал лучей, имеющих определенную разность хода. В результате наблюдаются кольца, расположенные под одинаковым углом наклона. На положение плоскости, в которой будет локализоваться интерференционная картина, оказывает влияние ряд факторов: условия освещения светоделителя, взаимное расположение зеркал, рисующая оптика и другие.

Спектр представляет собой зависимость монохроматических составляющих излучения от величины длины волны.

Под интерферограммой понимают сигнал, который зависит от разности хода, и регистрируется фотоприемником

Оптическая схема

Фурье-спектрометр построен по принципу интерферометра Майкельсона. В нем исследуемое излучение служит источником освещения, а одно из зеркал имеет определенную постоянную скорость движения. На выходе получается кривая, которая описывает зависимость отсчета приемника от разности хода лучей. После Фурье-анализа она имеет вид распределения интенсивности излучения по длинам волн (частотам). Несмотря на сложность метод более эффективен при сравнении с непосредственным анализом света.



фурье спектрометр схема

 

1 - Источник света.

2 - Фотоприемник.

3 - Зеркала.

СД - Светоделитель.

К - Компенсатор.

У - Устройство измеряющее разность хода.

Л - Линзы (необязательный элемент).

 

Спектр и функция временной корреляции оптического сигнала имеют однозначную связь, потому интерферометр может быть использован в качестве прибора, позволяющего производить измерение спектра. С другой стороны действие интерферометра на излучение можно рассматривать как действие на совокупность монохроматических волн.

 

Исследуемое излучение делится на две волны, которые проходят разные оптические пути, интерферируют, и принимаются фотоприемником. В результате интерференции волна имеет излучение с интенсивностью:

фурье спектрометр принцип       , где

Q - интенсивность волны в плечах;

I - длина волны излучения;

D - разность хода.

 

Если Q1=Q2=0,5Q, то выражение принимает вид:

фурье спектрометр формула

 

При попадании на фотоприемник света со спектральным распределением Q(l) отсчет фотоприемника F(D) будет соответствовать сумме отчетов составляющих спектра.

фурье спектрометр разрешение

 

Чувствительность фотоприемника представляет собой коэффициент пропорциональности между отсчетом и потоком света, который воспринимает приемник.

Если представить выражение в виде суммы двух интегралов, при этом учитывая, что слагаемые будут равны при DF-(0), а второе - F-(D ), то получим: , а

 

F(D)=F-(D)+F-(0) и F-(D)=F(D)-0.5 F(0).

Таким образом интерферограмма представляет собой кривую зависимости F-(D), то есть сигнал, который регистрируется в зависимости от изменения разности хода или косинусный Фурье-образ функции Q(l) P(l).

Обратное Фурье-преобразование интерферограммы при известной кривой чувствительности приемника позволяет определить спектр:

фурье спектрометр спектр

 

Таким образом, процесс получения спектра в Фурье-спектрометре осуществляется в следующей последовательности:

  • Регистрация сигнала, который является функцией изменения разности хода лучей F(D).
  • Определение экспериментальным путем F(0), соответствующее нулевой точке абсолютного максимум отсчетов F(D).
  • Проведение обратного Фурье-преобразования с использованием вычислительной техники.

 

h3: Разрешающая способность

Максимальная разность хода интерферирующих лучей определяет разрешающую способность Фурье-спектрометра, которая вычисляется:

dl=l2/2L.

Если расстояние между спектральными линиями не меньше интервала разрешения, то спектр считается разрешенным.

В Фурье-спекрометрах, как и в классических спектральных приборах, наблюдается явление уширения линий. Его основная причина - это замена бесконечных пределов интегрирования на конечные при обратном Фурье-преобразовании, так как интерферограмма регистрируется в конечных пределах lmax-lmin.

Аппаратная функция

Под аппаратной функцией понимают распределение интенсивности в уширенной прибором линии. Определив ее, узнаем разрешающую способность Фурье-спектрометра.

В случае освещения прибора монохроматическим светом J(s)=d (s -s 0),

 

фурье спектрометр формула

фурье спектрометр формула

 

В результате обратного преобразования получим:

фурье спектрометр формула

фурье спектрометр формула спектра

На рисунке аппаратная функция прибора выглядит в виде сплошной линии, а отрицательные значения интенсивности - это результат вычислений, а не реальные значения.

фурье-спектрометрия

Представленная таким образом аппаратная функция не удобна, так как имеет побочные минимумы, составляющие около 20% максимума. Это приводит к искажению формы линий, которые расположены близко друг от друга. Благодаря применению аподизации удается избежать этих искажений. Смысл такого математического приема - получение однопиковой положительной аппаратной функции

Область применения фурье спектрометра

В настоящее время наиболее активно развивается инфракрасная фурье-спектроскопия. В этой области имеется возможность наиболее полно реализовать преимущества метода, и достигнуть максимальной разрешающей способности.

Высокое разрешение фурье-спектрометров позволяет регистрировать практически без искажений спектры газов в условиях вакуума практически во всей инфракрасной области. Таким образом, разрешение прибора при проведении подобных исследований определяет не сколько технические возможности, а природа исследуемых объектов.

Фурье-спектрометры - универсальные приборы, которые используются во многих отраслях:

  • Топливо. Определение качества нефти и продуктов ее переработки. Метод имеет особое значения для автомобильной и авиационной промышленности, так как позволяет определить бензол в топливе.
  • Фармацевтика. Приборы позволяют решать разнообразные задачи: от анализа химического состава препаратов до контроля качества субстанций и сырья.
  • Нефтегазодобыча. С помощью фурье-спектрометрии определяют влажность нефти, нефтепродуктов и транспортируемого горючего газа.
  • Экологический контроль. Высокая степень автоматизации исследований и преимущества метода позволяют обеспечить эффективный контроль экологической обстановки, и выявить отклонения качества окружающей среды.
  • Производство электроники. Тестеры полупроводниковых пластин на базе ИК Фурье-спектрометра обеспечивают возможность проведения неразрушающего контроля качества и измерения их параметров. Кроме этого, метод позволяет решать различные аналитические задачи при исследовании монокристаллического кремния.
  • Газовый анализ. Фурье-спектрометры позволяют исследовать газы, пары и другие вещества, переведенные в газовую фазу. При этом имеется возможность одновременной регистрации нескольких десятков компонент, и раздельно определять их концентрацию.
  • Производство полимеров. Приборы позволяют анализировать состав полимеров, определять структурные характеристики полимеров и модификаторов. Фурье-спектрометры дают возможность определить на молекулярном уровне ориентацию и структуру цепочек.
  • Угольная промышленность. Определение качества углей и их количественный анализ. Спектрометры позволяют узнать содержание серы.

Возможности фурье-спектрометрии не ограничиваются указанными сферами жизнедеятельности человека, и распространяются на множество других областей: медицина, пожарно-техническая экспертиза, пищевая и парфюмерная промышленность, электроэнергетика, криминалистика и ряд других.

Наша продукция