Оптические спектральные приборы - Скоков И.В.
Скачать (прямая ссылка):
Характер взаимодействия излучения с веществом меняется в зависимости от длины волны. Например, поглощение длинноволнового инфракрасного излучения проявляется главным образом в нагревании поглощающего вещества. Ультрафиолетовое излучение может проявляться, например, в фотоэффекте или фотохимическом действии, или в возбуждении люминесценции.
Таким образом, анализируя оптическое излучение, можно изучать как свойства излучателя, так и свойства сред, трансформирующих это излучение.
Г л а в а 2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СПЕКТРАЛЬНЫХ
ПРИБОРОВ
1. ПРИНЦИП РАБОТЫ СПЕКТРАЛЬНОГО ПРИБОРА
Разложение излучения сложного состава осуществляется двумя методами. Первый метод — пространственное разделение спектра, или селективная фильтрация, второй—селективная модуляция. Несмотря на принципиальное различие обоих методов, можно представить работу спектрального прибора следующим образом.
Пусть имеется исследуемое спектральное распределение (рис. 5, а), описываемое функцией / (X). Спектральный прибор, раз-
17
f(A)
F(A)
a (A-A.')
f)
Рис. 5. Иллюстрация принципа работы спектрального прибора
лагающий и регистрирующий это распределение, можно характеризовать некоторой функцией а (X — X'), которая описывает способность спектрального прибора выделять узкие участки спектра с шириной 6Х (рис. 5, б) и называется аппаратной функцией или функцией пропускания спектрального прибора. Из понятия аппаратной функции ясно, что чем меньше ее ширина, тем точнее будет измерена спектральная линия или полоса и тем более тонкая структура спектра может быть исследована.
Наблюдаемое распределение энергии излучения источника F (X) будет описываться некоторой функцией
F(X) = J f (к) 0(1 — 1') dX.
Процесс измерения спектров сводится к следующему. Исследуемое излучение со спектральным распределением / (Я) направляется на спектральный селективный фильтр или спектральный селективный модулятор.
В первом случае фильтр из сложного излучения со спектром f (X) выделяет некоторые спектральные интервалы ЬХ в окрестностях каждой X'. Фильтр может непрерывно или дискретно перестраиваться во времени по некоторому закону V (/), т. е. осуществлять сканирование спектра. На приемник энергии излучения приходят выделенные компоненты излучения 6Х. Преобразованное в сигналы излучение дает функцию наблюдаемого распределения во времени F (/). Переходя от аргумента t к аргументу можно получить функцию F (X), т. е. наблюдаемый спектр (рис. 5, в). Приборы со спектрально-селективной фильтрацией могут быть многоканальными, т. е. информация об исследуемом спектре получается не в результате сканирования по X, а путем одновременной регистрации потоков излучения разных длин волн Х\ Х\ Х"\ ... несколькими приемниками излучения.
Во втором случае поток излучения сложного состава со спектром f (X) модулируется селективным модулятором с некоторой ча-
18
стотой /о = const, при этом модуляции подвергается лишь поток со спектральным интервалом 6К в окрестностях 3v, а остальной поток остается немодулированным. Модулятор путем перестройки осуществляет сканирование таким образом, что различные длины волн излучения последовательно модулируются с той же частотой /0. В сигнале приемника с помощью электрического фильтра выделяется составляющая /0» и на выходе получается функция F (if), значения которой пропорциональны соответствующим интенсивностям в спектре f (Ц. Здесь по существу функция разделения излучения по длинам волн переносится из оптической части в электронную.
Приборы со спектральной селективной модуляцией также могут быть многоканальными. В основе их работы лежит принцип мультиплексирования, т. е. одновременный прием в кодированной форме потока излучения от многих спектральных элементов одним приемником. С этой целью излучение длин волн X", ... одновременно
модулируется разными частотами f", Наложение соответствующих потоков Ф', Ф", Ф'" образует в приемнике сложный сигнал, спектр которого по частоте несет информацию об исследуемом спектре.
При анализе сложных спектров с использованием интерференционных селективных модуляторов вместо выделения частотных компонентов излучения с помощью электрических фильтров применяется Фурье-преобразование регистрируемой интерферограммы, в закодированной форме содержащей информацию о спектральном распределении излучения.
Остановимся на некоторых особенностях многоканальных спектральных приборов [15], которые позволяют решить две взаимосвязанные задачи [4]:
при заданном времени эксперимента t измерить спектр излучения источника с максимальным отношением сигнал/шум;
• при заданном отношении сигнал/шум затратить минимальное время на измерение спектра.
Для пояснения сказанного выше будем полагать, что основной причиной ошибок измерения является шум приемника излучения, причем уровень шума не зависит от значения падающего потока излучения. Известно, что в этом случае повторное я-кратное измерение интенсивности одного и того же спектрального интервала приводит к увеличению отношения сигнал/шум в /п раз, т. е. к повышению в то же число раз точности измерений.
