ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТР

ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТР

- спектральный прибор, в к-ром искомый спектр получают в два приёма: сначала регистрируется интерферограмма исследуемого излучения, а затем через её фуръе-преобразование вычисляют искомый спектр. Совокупность спектральных методов, осуществляемых с помощью Ф.-с., наз. фурье-спектроскопиеп.

Осн. элемент Ф.-с.- интерферометр Майкельсона (или одна из его разновидностей), к-рый настраивается на получение в плоскости выходной диафрагмы интерференц. по- лос равного наклона. Одно из зеркал ( М₂ на рис.) двигается поступательно, в процессе чего исследуемое излучение модулируется, причём частота модуляции зависит от скорости движения зеркала и длины волны излучения.

Принципиальная схема фурье-спектрометра: S-источ ник сплошного ИК-спектра; М₁ - фиксированное зеркало интерферометра; М₂- подвижное зеркало интерферометра; M₁- изображение фиксированного зеркала в плече зеркала М₂; d- входное отверстие фурье-спектрометра; В- светоде литель; D- фотоприёмник; А - усилитель; И- интерфейс связи ЭВМ с регистрирующей и управляющей электрони кой фурье-спектрометра.

Интегральная интенсивность светового потока, выходящего из идеального интерферометра, I(d) описывается выражением

где В(s)- спектральная плотность входящего в интерферометр излучения (от источника S) с амплитудой напряжённости электрич. поля E(t )в эл.-магн. волне E(t). Фурье-преобразование перем. части ф-ции I(d) (интерферо-граммы) позволяет восстановить исследуемый спектр:

Идеальная интерферограмма предполагается бесконечно протяжённой, при этом разрешающая сила Ф.-с. была бы бесконечно велика. Целый ряд факторов, однако, ограничивает достижимое разрешение: конечные пределы ме-ханич. перемещения зеркала М₂, возможности цифровой регистрации и обработки интерферограммы, неидеальность оптич. системы и др. Как правило, форма и ширина аппаратной функции Ф.-с. определяются пределом изменения оптич. разности хода L и видом т. н. аподизац. ф-ции А(d) (см. Аподизация), к-рая входит в подынтегральное выражение в (1):

где A'(s) - фурье-образ ф-ции A(d). Фактически А'(s)и является аппаратной ф-цией Ф.-с., её ширина ~ 1/L. Варьируя форму аподизац. ф-ции, можно в больших пределах изменять форму и ширину аппаратной ф-ции Ф.-с., что упрощает обработку и интерпретацию получаемых спектров. Если ф-ция А(d) = 1 при d < L (аподизация отсутствует), то

и ширина аппаратной ф-ции ds1/2L..

Второй существ. фактор, влияющий на форму иширину аппаратной ф-ции Ф.-с.,- протяжённость реального источника излучения в спектрометре. Обычно его размеры (линейные размеры входного отверстия спектрометра d )выбираются в зависимости от требований эксперимента, т. к. зависящий от d телесный угол W, определяющий угл. расходимость светового пучка в интерферометре (как и в любом спектральном приборе), связан с разрешающей способностью R:

это означает, что повышение R возможно только при уменьшении светосилы прибора и, следовательно, влечёт за собой ухудшение отношения сигнал/шум (S/N).

Результат восстановления спектра зависит также от дискретности регистрации интерферограммы, т. е. регистрации её с нек-рым шагом h по оптич. разности хода. Для этой цели необходимо регистрировать интерферограмму с частотой (1/h), по крайней мере, вдвое большей, чем макс. частота сигнала. При этом частоты, лежащие в диапазоне от 0 до 1/2h, передаются однозначно, а фрагменты более высоких частот в восстановленном спектре появляются на частотах, меньших 1/2h. Последнее явление (т. н. "переналожение" спектров) устраняется с помощью предварит. оптич., электрич. или программной фильтрации сигнала. При высоком разрешении, большом значении частоты коротковолновой границы исследуемого спектра и относительно узком спектральном составе последнего (Ds) можно резко сократить объём обрабатываемой информации, выбирая шаг равным 1/2Ds. Однако при этом нужно точно знать спектральный диапазон исследуемого сигнала для его однозначной идентификации.

В Ф.-с. реализуются два осн. принципа сканирования интерферограммы - шаговое и непрерывное (быстрое). В быстросканирующем Ф.-с. подвижный отражатель движется с пост. скоростью u. На выходе интерферометра каждая спектральная составляющая исследуемого сигнала синусоидально модулируется с частотой v = 2us и осн. интегральное соотношение фурье-спектроскопии принимает вид

В этом случае интерферометр модулирует собств. сигнал. Если исследуемый спектральный сигнал лежит в интервале от s₁ до s₂, то диапазон частот v модуляции интерференц. сигнала изменяется в пределах 2us₁ <v<2us₂. Этот диапазон можно изменять, варьируя скорость u, согласуя его с частотными характеристиками приёмного устройства спектрометра.

В шаговом Ф.-с. подвижный отражатель перемещается скачкообразно или непрерывно с очень малой скоростью u. В этом случае сигнал модулируется механич. обтюратором или быстрым изменением оптич. разности хода с небольшой амплитудой (т. н. внутр. модуляция). Шаговый Ф.-с. эффективен при исследованиях сигналов с узкополосным спектром или быстро меняющихся во времени.

Разл. типы Ф.-с. имеют определ. преимущества перед спектральными приборами с диспергирующими элементами. Так, благодаря осевой симметрии Ф.-с. обладает большей примерно в 2p/b раз светосилой (выигрыш Жакино; b- угл. высота щели в спектральных приборах с диспергирующими элементами) при одинаковой площади сечения коллимированного светового пучка в интерферометре Ф.-с. и на диспергирующих элементах классич. спектрального прибора. Выигрыш в мультиплексности (выигрыш Фелжета) обусловлен тем, что в течение всего времени измерения Ф.-с. одновременно регистрирует все компоненты исследуемого спектрального интервала, и, следовательно, при равных отношениях S/N сокращается время регистрации одинакового спектрального интервала или при равных временах его измерения получают в раз лучшее отношение S/N (М- число разрешаемых спектральных элементов на регистрируемом спектральном интервале). Выигрыш Фелжета возможен, когда шум приёмника излучения не зависит от величины сигнала. Использование стабилизированного по частоте лазера для измерения оптич. разности хода в интерферометре позволяет значительно повысить точность определения длин волн в спектре. В Ф.-с. применяется вычислит. техника (персональные компьютеры), что даёт возможность не только регистрировать и выводить спектральную информацию на внеш. устройства, но и осуществлять последующую обработку получаемых спектров. Кроме того, в Ф.-с. при правильном выборе частоты модуляции спектральных составляющих отсутствует рассеянный свет, появляющийся в большинстве спектрометров др. типов и искажающий регистрируемый сигнал.

Т. о., с помощью разл. типов Ф.-с. можно достичь предельно высокого разрешения, высокой фотометрической точности (большого отношения S/N )или сокращения времени регистрации спектра. Сочетание разных пар этих качеств в Ф.-с. и создаёт их многообразие.

Совр. Ф.-с. позволяет работать в широком спектральном интервале от 5 см ^-1 до 5•10⁴ см ^-1 , т. е. от субмиллиметрового до УФ-диапазона, хотя наиб. распространены приборы, работающие в ИК-диапазоне, где эффективность использования преимуществ Ф.-с. наибольшая. Разрешение совр. Ф.-с. изменяется в широких пределах - от неск. дес. до 10^-4 см ^-1.

Временное разрешение (фактически время регистрации интерферограммы) получаемых спектров в большинстве Ф.-с. составляет от долей секунды до неск. минут. Ф.-с. с высокими скоростями изменения оптич. разности хода обладают временным разрешением до 2-3 мс при достаточно высоком спектральном разрешении (до 0,1 см ^-1). В приборах с шаговым сканированием достигается временное разрешение порядка Не при исследовании периодически повторяющихся сигналов. Ф.-с. на основе статич. интерферометров, где в качестве интерферограммы регистрируется пространственно фиксированная в плоскости приёмных площадок многоэлементного фотоприёмника (линейки или матрицы фотодиодов) интерференц. картина, позволяют достигать временного разрешения, определяемого физ. пределом отд. измерения на отд. приёмнике, т. е. до 1 мкс и быстрее. Однако спектральное разрешение таких Ф.-с. оказывается довольно низким (не лучше 50 см ^-1).

Обычно в Ф.-с. образец размещается в исследуемом световом пучке до или после интерферометра, исследуется отражённый или пропущенный образцом световой пучок. Однако образец может быть размещён и в одном из плеч интерферометра. В этом случае после обратного комплексного фурье-преобразования зарегистрированной интерферограммы получают комплексно-сопряжённую амплитуду отражения (пропускания) образца, умноженную на спектр источника излучения. Такой Ф.-с. наз. амплитудно-фазовым, он применяется для точного определения спектров оптич. постоянных веществ.

Лит.: Белл Р. Дж., Введение в фурье-спектроскопию, пер. с англ., М., 1975; Светосильные спектральные приборы, М., 1988.

В. А. Вагин, Г. Н. Жижин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.