Фурье-спектрометр

.Хо иборы,ке физи исполь х целей, ьных хаМ ся к технике физи ожет быть испол я спектральны , поглощения, фо териалов.повышение точно ГОсудАРстВез.ный кОмитетПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЪСТВУ(57) Изобретение относится к технического эксперимента и может бытзовано для научных и практическконкретно, для измерения спектра Изобретение отно ческого эксперимента эовано для измере характеристик (наприм топ роводимости и др.) Цель изобретенияНа фиг.1 - блок-схема Фурье-спектрометра, реализующего предлагаемый способ; на фиг,2 (а-ж) - временные диаграммы входных и выходных сигналов синхронных детекторов; на фиг.З - временные диаграммы работ отдельных блоков под воздействием блока управления.Устройство содержит интерферометр Мвйкельсона 1, имеющий оптическую систему, состоящую из зеркал 2-13, из которых два являются подвижными, причем зеркало 2- подвижное вдоль оси, перпендикулярной плоскости зеркала, а зеркало 12 - подвижное, Цель изобретения при исследованиях алов, характеризуционностью протессов, Для этого ое детектирование вух различных фапо значению двухсчета интерферогее значение фазы, ия по всем точкам и чение, Вычисляют го текущего значеектируют значения х при двух фазах чего их суммируют рфеоограмму, 3 ил. рактеристик материалов - повышение точности широкого класса матери ющихся различной инер кающих в них проце осуществляют синхронн полезного сигнала при д зах опорного сигнала и сигналов в каждой точке рамм определяют текущ накапливают эти значен определяют среднее зна косинус и синус средне ния фазы, по ним корр интерферограмм, сняты опорного сигнала, после и получают искомую инте вокруг оси, проходящей параллельно плоскости зеркала, Остальные зеркала (3-11 и 13) - неподвижные, Подвижное зеркало 2 соединено с приводом 14 и датчиком 15 перемещения, которые электрически соединены с блоком 16 управления,В интерферометре 1 имеется светоделитель 17, блок 18 фильтров с приводом, подключенным к блоку 16 управления, источник 19 оптического излучения, прерыватель 20 оптическо о излучения, подключенный к блоку модулятора 21, фото- приемник 22, В состав устройства входит оптический криостат 23 (показан условно), Исследуемый образец 24, помещенный в криостат 23, устанавливается на пути оптического излучения, сфокусированного зеркалом 9.Фотоприемник 22 через пере лючатель 25 соединен с усилителем 26 низкой часто 1622775ты, либо исследуемый образец 24 соединенс усилителем 26 низкой частоты (в зависимости от положения переключателя 25).Вход управления коэффициентом усиленияусилителя 26 подключен к блоку 16 управления. Выход усилителя низкой частоты 26соединен с первым входом синхронного детектора 27 и с первым входом синхронногодетектора 28, Второй вход синхронного детектора 27 соединен с выходом опорногогенератора 29. Второй вход синхронногодетектора 28 соединен с выходом фаэовращателя 30, вход которого подключен к выходу опорного генератора 29, Входуправления опорного генератора 29 соединен с блоком управления,Выход синхронного детектора 27 черезаналого-цифровой преобразователь (нафиг,1 не показан) соединен с входом первого запоминающего устройства 31 (ЗУ 1) и спервым входом делителя 32,Выход синхронного детектора 28 черезаналого-цифровой преобразователь (нафиг,1 не показан) соединен с входом запоминающего устройства ЗЗ и с вторым входом делителя 32.На фиг.1 аналого-цифровые преобразователи не показаны, так как в принципевозможно последующее преобразование ваналоговом виде,Выход делителя 32 соединен с входомвычислителя арктангенса 34, выход которого соединен с входом интегратора 35. Входуправления интегратора 35 подключен кблоку управления 16.Выход интегратора 35соединен с входами вычислителей синуса36 и косинуса 37, выходы которых соединены с запоминающими устройствами 38 и 39,соответственно.Входы управления запоминающих устройств 38 и 39 подключены к блоку 16 управления.Выход запоминающего устройства 38соединен с первым входом умножителя 40,второй вход которого соединен с выходомзапоминающего устройства 31.Выход запоминающего устройства 39соединен с первым входом умножителя 41,второй вход которого соединен с выходомзапоминающего устройства 33.Выход умножителя 40 соединен с первым входом сумматора 42, второй вход которого соединен с выходом умножи 1 еля 41.Выход сумматора 42 соединен с блоком16 управления и с регистратором 43, входуправления которого соединен с блоком 16управления,На фиг,1 связи функциональных блоковс блоком управления не показаны.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Предложенный способ рассмотрим на примере работы устройства, представленного на фиг,1,От источника оптического излучения 19 световой поток проходит через прерыватель 20, обрезается зеркалом 3, коллимируется параболическим зеркалом 4, От зеркала 4 световой поток параллельным пучком направляется на светоделитель 17, отражается от плоского зеркала 5, попадает вновь на светоделитель 17, отраженный пучок, направленный в сторону зеркала б, отражается от этого зеркала и подается на параболическое зеркало 7,Другая часть светового пучка отражается от светоделителя 17 в сторону подвижного зеркала 2. Отражаясь от зеркала 2, световой пучок проходит через светоделитель 17 и попадает на зеркало б. Пучок оптического излучения, отраженный от зеркала 6, собирается сферическим зеркалом 7.Таким образом, на зеркало 6 приходят два световых пучка, прошедших от источника 19 оптического излучения по доум различным плечам интерферометра. И в зависимости от того, в каком положении находится подвижное зеркало 2, определяющее разность хода о плечах интерферометра, будут изменяться условия интерференции пучков излучения, собираемого сферическим зеркалом 7.В результате интерференции будет меняться интенсивность результирующего оптического излучения, которое направляется от зеркала 7 через предварительно выбранный фильтр блока 18 фильтров, После прохождения фильтра оптическое излучение ограниченного спектрального состава отражается от зеркала 8, попадает на зеркало 9 и направляется на исследуемый образец 24, установленный в фокусе зеркала 9 и размещенный в оптическом криостате 23,Если исследуется спектральная зависимость фотопроводимости, то электрический сигнал снимается непосредстоенно с контактов к образцу и через переключатель 25 (показано на фиг 1) поступает на усилитель 26,Если проводятся исследования калориметрической л 1 етодикой, то вместе с обрэзцом 24 в криостате 23 помещается термочувствительный элемент (например, терморезистор), который соединяется с исследуемым образцом посредством теплопроводника (на и рил 1 е р, медной проволочки). Электрический сигнал, снил 1 аемый с термочуостоительного элемента, также подабтся на усилитель низкой частоты 26.(2) 55 После интегрирования выражения (1) иВ случас если и.следуотс спе.тральные характеристики отражеия илиропускаия, оптическое издуение отражается о образца 24, собирдс ся зеркалом 10 и попадает на фоторымник 22, ораждясь от зеркала 2 (в положении, показан ом пунктиром) и зеркала 13, либо проход. т чеоез образец 24, собиравгзер лом 11, о оа.ждется от эсГ,кал 12 и 13, г опадая на фото- приемник 22, оо еественно, Электрический сигнал с фотоприел;ника 22 через переключатегь 25 ( в положении, протиеополо,ком показаному н. фиг.) поступает нэ усилиель низкой цдст ты 25С усилител 26 эл .ктриьес кий сигнал посту,-вт одонрем но нд два сихрс нных детскторд 27 и 28 которыми осуще.вляетсл син роное детгтьлро:ди;". Сигн лд при двлх ,азах опорого сигнала сдвинувтых на 90 один отоги ельо другоо Для зыполнеия такого детектировдия перьей вход сикроного деток;"рд 28 одкпю,евыходу фдзоврдщдегя, О, ело которого соедине с опо,.э ыл геярдо; м 29 Фазоердщатель 30 осуцестеляет сдвиг фазы опорного сигнала от генератора 29 на 90".Следует отметить, что сдвиг Фдэы может быть выбран и лобым друг; м, Однако, с точки зрения простоты реализации и одзвременного обесплчеия еысокои точнг.сти определения значе ия .окуцс двига фазы искомого сигнала, цел.сообразно сдвигать фазу на 90".На фиг 2 (д-ж) показаны в. одые и выходные сигналы с нхронньх детг.кторов 27 и 28, сплошной лифией - сигналы при наличии сдвига фазы (Лр) полезного сигнала, пунктирой линисй . при Лу) 0На фиг 2 д представлен сигнал, пэступдодий на первый вход синхронного детектора 27 и второй вх .д синхронного детектора 28, Нд фиг.2 б показа сигндг от опорного г.нерд.ора 29, гоступдощийа второй вюд синхронного детектора 27 (ереого синхронного детектора).На фиг.2 показан сигнд ,поступающий с выхода фазоврдтдтегя 30 нд первьй вход синхронного детектора 28 (второго синхронного деге.тора). Опорные сигналы, показаные на фиг 2 б и фиг.2 г, сдвинуты по фазе на 90 оди н отосиел ь о другого.На фиг.2 в и фиг.2 д показаны сигндлы после синхоонногс детектирования до фильтрации, ад фиг.2 е и фиг.2 ж - после фильтрации, соответственно для синхронных детекторое 27 28.Кдк видно из фиг.2 а-ж, при отсутствии сдвига фазы полезного сигнала относительно опорных, выходное напря кение, снимаемое с синхронного детектора 27, имеет максимальное эна ение. д выходное напряжение, снимаемое с синхронно "о детектора 28, - минимальное (совпадает с ссью абс цисс). При наличии дви;а фазы полезноэсигн лд относительно опооных, выходое напряжение синхронного де-екторд 27 у иеньцдется, д выходнге напряжение синхрзнногс детектора 28 - увеличивается.10 Такой сдвиг фазы возникает вследствиепроявления инерционных свойств исследуемого образца. Для различных образцов величиа сдвига фаз будет неодинаковой, она талже зависит от метода измерений. Наи больший сдви фазы полезнг го сигнала п.ису; кдлоримет; ическол;у методу измерения сп.ктра поглощния, Эначительный сдвиг ьд-.ы возникает при снятии спектра фотопроеодимости,20 Рходовые напряжения синхро нь.х детекоров 2 и 28 несут в себе информацию о фдз поскольку эти напряжения прогор- ипндльны косинусу и синусу екущей фазы.Выходное напряжение Осл первого 25 синхронного детектора (после фильтод)определяетсяОсл - - . ( Осеп (Ч / о)с 1 Ч2 т о30--ОсзЬ(Чт у;о)с 3 Ч (1)2 тг гдетл начальное зндцеие фазы полезного сигнала, посту гающего на первый синхрон ный детектор;Чт - значение фазы полезого сигнала; Ос - напряжение полезного сигнала, Для второго синхронного детекторазначение фазы опорного сигнала сдвинуто0 Лна 90, т,е. на ,.Выходное напряжение второго синхронного детектора (после фильтра) опреде- ляется(4)Начальное значение фазы полезного сигнала тр, устанавливается однократно при настройке прибора, Целесообразно настра ивать устройство так, чтобы трс = 0 (хотя для реализации работы данного устройства это непринципиально).Если отсутствует сдвиг фазы Лтр,то текущее значение сдвига фазы трир 10Когда Л рФ 0тр=Р +ЛтрС учетом этого выражения (3) и (4) можно записать15 0 д = СОЗ (трт+Лтр) = - СОЗЕ (5)1 20 с 20 сп(тр + Лтр )20Положим, что трс= О, тогда вь ражения (4) и (5) принимают вид:Осд = сов Лтр1 20 с(7)2 20 с25Ог: с ь 1 п Лр (8)Таким образом, имея на выходе синхронных детекторов 27 и 28 напряжения, определяемые полезным сигналом О а также косинусом и синусом сдвига фазы, можно выделить Лр,Для этого в каждой точке счета интерферограммопределяютотношениеОсд к Осд35 и вычисляют арктангенс этого отношения.Действительно, поделив выражение (8)на (7), имеемО сд ви Л2О, 1 соз тр- тд тр,откудагЛр = агИ 9 (10) 45О.,Отношение значений Осд и Осд выполгняется делителем 32, который выполняетданную функцию в цифровом виде, если после синхронных детекторов 27 и 28 имеютсяаналого-цифровые преобразователи, 8предлагаемом устройстве на выходе синхронных детекторов 21 и 28 поставлены аналого-цифровые преобразователи, С выходаделителя 32 сигнал поступает на вычислитель арктангенса 34. На выходе вычислителя арктангенса 34 получается сигнал,определяющий текущий сдвиг фазы р. Таким образом, на интегратор 35 поступаюттекущие значения фазы, однозначно определяющие сдвиг фазы в каждой точке интерферограммы. Интегратор 35 выполняет (по команде с блока 16 управления) вычисление среднего по всем точкам интерфераграммы текущего значения фазы р = - ) тр,"где п - число точек, т - время. После вычисления среднего текущео значения фазы по команде с блока управления сигнал, соответствующий этому значению, пода 6 тся на вычислители синуса 36 и косинуса 37.откуда в преобразованном виде поступает на запо минающие устройства 38 и 39, Запоминающие устройства 38 и 39 по команде с блока 16 управления заносят в память поступившие значения сигналов, Одновременно с поступлением сигналов с выходов синхронных детекторов 27 и 28 на делитель 32 эти же сигналы посгупают на запоминающие уст. ройства 31 и 33, которые осуществпяот запись в память значения интерферограмм в каждой точкеПосле записи одного скана (записи интерферограммы по всем заданным точкам) и установления на выходе запоминающих устройств 38 и 39 уровней, соответствующих значениям зп р и сов р, по командам с блока управления осуществляется параллельный вывод по точкам значений интерферограмм записанных в запоминающих устройствах 31 и 33. Сигналя поступают на умножители 40 и 41, Умножители 40 и 41 осуществляют операцию умножения значений в точках интерферограмм на значения уровней сигналов, поступающих с запоминающих устройств 38 и 39,Эту операцию можно записать в следующем видеОк Ок сов р (11)Оу = О у, зп тр,где Ок - значение сигнала в одной 1-тойточке интерферограммь, поступающее и хранящееся в запоминающем устройстве 31; Оу - значение сигнала в одной- той точкеинтерферограммы, поступающее и хранящееся в запоминаощем устройстве 33,С выхода умножителей 40 и 41 сигналыпоступают на сумматор 42, на выходе которого имеется восстановленное значениесигнала, соответствующее каждой точке интерферограммыОс = Ок соя К + Оу зп тр . (12) Значение Ос, регистрируется регистратором 43, управление которым осуществляется от блока 16 управления.10 15 20 После регистрации интерферограмм делается обратное Фурье-преобразование и получается спектр.Управление работой устройства осуществляется блоком 16 управление. Блок управления может быть построен различным образом, например, на основе электронно- вычислительной машины Тогда работа этого блока определяется управлягзщей программой, В любом случае необходимо, чтобы выполнялись временные диаграммы работы отдельных блоков, представленных на фиг.З. Поясним работу устройства фиг 1 повременным диаграммам на Фиг.З. Перед началом измерений (смиг.1 и фиг.З) производлтся выбор режимов работы отдельных блоков устройства, Так, за время от 0 до 1, осуществляется уста овка зеркала 12 (фиг.За), выбор нужного Фильтра в блоке 18 фильтров (фиг,Зб), установка подвижного зеркала 2, При этом работают опорный генератор 29 (фиг Зг) и усилитель 26 низкой частоты (Фиг.Зд)В момен времени 11 - 12 производится выбор и установка коэффициен 1 а усиления усилителя 26 по выходному сигналуЗа время с и осуществляется запись интерферограммПри перемещении подвижноо зеркала 2 в определенные моменты времени (в соответствующих точках) производится запись значений гигналов запоминающими устройствами 31 (ЗУ 1) (фиг,Зе) и 33 (ЗУ 2) (Фиг,Зж). В это же время работает интегратор 35 (фиг.Зд).Заг 1 оминающие устройства ЗУ 1 и ЗУ 2 хранят записанную информацию до тех пор, пока с блока 16 управления не поступит сигнал на ее выводВ момент времени тз после прекращения работы генератора 35, на его выходе появляется сигнал, определяющий текущую фазу, За время тз - 14 производится вычисление синуса и косинуса текущего значения фазы (вычислителями синуса 36 и косинуса 37) и ввод полученных значений по команде с блока 16 управления в запоминающие устройства 38 (ЗУЗ) и 39(ЗУ 4) (фиг.Зк и фиг,Зл). Далее по команде с блока 16 управления в момент времени 1-16 осуществляется синхронный вывод информации из запоминающих устройств 31 и 33 (фиг.Зе и Фиг.Зж), Сигналы с выходов запоминающих устройств 31 и 33 поступают на умножители 40 и 41,При этом на другие входы умножителей 40 и 41 поступают сигналы с запоминающих устройств 38 и 39 (фиг.Зк, фиг,Зл). 30 35 40 45 50 55 После суммирования сигналов с выходов умножителей 40 и 41 осуществляе 1 ся регистрация интерферограммы по очкамрегистратором 43 (фиг.З),В качестее регистратора 43 мсжет быть, например перфоратор. В дальнейшем для получения спектра делают обратное Эурьепреобразование записаннсй интерферограммы,Авторами для записи интерферограммиспользуется накопитель на магнитных дисках "Электроника ГМД 7012", подключен ный к микро-РВМ "Электроника",По сраснению с прототипом, применение изобретения позволяет повы,ить точнесть при исследовании широкого класса материалов, характеризующихся различной инерционностью протекающих в них процессов.Так, если при измерениях спектров фотопровпдимости или спекгров поглощения (калори;етрическим методом) с помощью устройства взятого за прототип, возникает по р . юность 10 - 30 , обусловленная инерциоь остью методов и различными своиствами обравцов, то при использовании нового способа зта погрешность не превышает 0,57 ь, т и увеличивается точнов ь из мерелий.Предлагаемое устройство, в отличие ст протогипа, позволяет беэ особых трудностей производить измерения спектральных характеристик материалог:, практически по любой методике. При этом отпадает необходимость постояннои подстройки устройства (с целью устранения сдвига фазы) при переходе от образца к образцу, от одной методи. ки измерений - к другой. Это в эначи 1 ельной мере повышает производительность работ на установке, упрощает ее эксплуатацию.Формула изобретения Фурье.спектрометр, содержащий интерферометр Майкельсона с приводом подвижного зеркала, подключе ным к блоку управления, последова гельно соединенные фотоприемник, усилитель низкой частоты и синхронный детектор, опорный генератор, соединенный с вторым входом синхронного детектора и модулятором оптического излучения, запоминающее усгройство и регистратор интерферограмм, с т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цепью повышения точности при исследовании инерционных процессов, в не. го дополнительно введены второй синхронный детектор, Фазовращатель, второе, третье и четвертое запоминающие устройства, делитель напряжения, вычислитель арктангенса, интегратор, вычислители синуса и косинуса, два умножителя и сумматор, при этом вход фаэовращателя подключен копорному генератору, а выход соединен с первым входом второго синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом усилителя низкой частоты и соответствующим входом первого синхронного детектора, при этом выход первого синхронного детектора соединен с входом первого запоминающего устройства и с первым входом делителя напряжения, выход второго синхронного детектора соединен с входом второго запоминающего устройства и вторым входом делителя напряжения, выход которого соединен с входом вычислителя арктангенса, выход вычислителя арктангенса соединен с входом интегратора, выход которого соединен с входами вычислителей синуса и косинуса, выход вычислителя синуса соединен с входом третьего запоминающего устройства, выход вычислителя косинуса соединен с входом четвертого запоминающего устройства, при этом выход первого запоминающего устройства соединен с первым входом первого 5 умножителя, а выход третьего запоминающего устройства соединен с вторым входом первого умножителя, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго 10 умножителя, первый вход которого соединен с выходом второго запоминающего устройства, а второй вход - с выходом четвертого запоминающего ус ройства, и ри этом выход сумматора соединен с входом 15 регистратора и с блоком управления,к которому также подключены входы управления усилителем низкой частоты, интегратором, запоминающими устройствами и регистратором,Сосгавитель Г.Воробьеватор ГДормиг,онтова Техред Э Цаплок Корректор Л.Алексеенк роизводственно-изда гельский акаэ 146/91 Тираж ВНИИПИ Госудаоственногс кок;ите 113935, Моск: аЕг1 С 5Фиг д Подписноеа по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССЖ. Раушска. наб 4/5 бинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101