Оптические методы и приборы для научных исследований:
«Спектральные системы на основе акустооптических фильтров»
Студентка ___________________ (Матвеева А.А.) Группа: РЛ2-92
Проверил___________________ (Пожар В.Э.)
Москва,2014г.
АО-фильтр работает следующим образом: исследуемое излучение дифрагирует на наведенной в кристаллической среде акустической волной объемной дифракционной решетке. Период наведенной решетки, а следовательно, и длина волны оптического излучения, пропускаемого фильтром, определяются высокочастотным управляющим сигналом, подаваемым на пьезопреобразователь, прикрепленный к кристаллу. В современных приборах для повышения спектрального контраста применяют двойные акустооптические фильтры, уровень подавления вне полосы пропускания у таких фильтров — до 10-6.
Рис. 1. Акустооптические монохроматоры на основе коллинеарной и неколлинеарной дифракции
(1 – кристаллическая среда, 2 и 3 – поляризаторы, 4 – ультразвуковой излучатель)
Лабораторные акустооптические приборы. В лабораторных исследованиях применяются акустооптические спектрометры, работающие в различных интервалах спектра: от ультрафиолетового (УФ) до инфракрасного (ИК). Диапазон работы спектрометра определяется свойствами кристалла АО-фильтра. С помощью данных приборов можно исследовать спектры свечения пропускания или рассеяния объектов.
Для исследования комбинационного (рамановского) рассеяния (КР) применяют приборы серии RAOS совместно с лазерным источником. Излучение лазера рассеивается исследуемым объектом, спектр рассеянного излучения позволяет судить о химическом составе исследуемого образца.
Рис.2. Принципиальная оптическая схема
рамановского АО спектрометра с двойным монохроматором.
| А – исследуемый образец; В – волоконно-оптический зонд; С – объектив-переходник; D – оптический блок; E – двойной акустооптический монохроматор; F – объектив лазера; G – лазер. | 1 – линзы; 2 – диафрагмы; 3 – обрезающий фильтр; 4 – поляризаторы; 5 – акустооптические ячейки; 6 – Фотоприемник (ФЭУ) 7 – удвоитель частоты; 8 – твердотельный лазер; 9 – диодная накачка. |
Акустооптические приборы для мониторинга состояния ат мосферы. Спектральные АО-устройства применяются в качестве мобильных многофункциональных (перенастраиваемых) спектральных детекторов для получения гиперспектральной информации и быстрой (в реальном времени) избирательной регистрации любой спектральной выборки с высоким пространственным разрешением. В качестве информативных величин могут использоваться линии поглощения атмосферных газов (H2O, CO2, O3), а также контролируемых газов — загрязнителей атмосферы. Для контроля воздуха на промышленных предприятиях разработан газоаналитический АО-спектрометр, позволяющий определять наличие различных загрязнителей на уровне предельно допустимых концентраций для жилой зоны. К особенностям спектрометра относятся: одновременное измерение различных загрязнителей, возможность расширения списка регистрируемых веществ программными средствами, оптимизированный скоростной режим измерений, компактность системы.
Рис. 3. Принципиальная схема спектрально-оптического газоанализатора ГАОС.
1 - осветитель; 2 - кюветное отделение; 3 - акустооптический фильтр; 4 - ФЭУ;
5 - юстировочный столик фотоголовки; 6 - мобильная платформа оптического блока;
7 - исследуемый газообразный объект на оптической трассе; 8 - многоэлементный отражатель; 9 - блок питания лампы; 10 - компьютер; 11 - блок управления.
Акустооптические приборы для мониторинга со стояния вод Мирового океана.
Спектральные методы являются чувствительными и информативными методами изучения вод Мирового океана, принцип работы которых основан на различных физических эффектах, таких как абсорбция, комбинационное рассеяние, флуоресценция. Спектр поглощения водной среды позволяет определить тип вод и оценить содержание взвеси и растворенного органического вещества в воде. На основании этих данных делают вывод о гидрологии исследуемого участка океана, его биохимии и биопродуктивности.
Для задач определения состава растворенных веществ и загрязнений в воде более информативными являются методы регистрации рассеяния света.
Для исследований растворенных неорганических солей и газов интерес представляет спектроскопия КР. С помощью КР-спектрометра можно определять содержание основных анионов (карбонатных, сульфатных, фосфатных), а также основных газов (кислорода, азота, сероводорода). Спектры флуоресценции позволяют исследовать распределение и динамику флуоресцирующей компоненты растворенного органического вещества, а также обнаружить наличие в воде органических загрязнений, в частности углеводородов. Интерес представляет диапазон, который отвечает длинам волн излучения 200...740 нм, т. е. УФ- и видимой (400...740 нм) областям спектра. ИК-излучение сильно поглощается водой, и поэтому свечение тел в ИК-области не представляет интерес при изучении оптических явлений в Мировом океане.
Спектрометрический комплекс для регистрации спектров люминесценции и комбинационного рассеяния включает в себя лазерный источник, программируемый светосильный высокочувствительный спектрометр, средства управления комплексом и обработки результатов измерений. Комплекс располагается в герметичном корпусе, погружаемом на глубину до 20 метров.
Для регистрации оптических спектров используется спектрометр на основе перестраиваемого акустооптического монохроматора (рис.4). Такой спектрометр является светосильным, причем его входная апертура на один-два порядка превосходит апертуру современных дифракционных мини-спектрометров используемых, в том числе и для морских и подводных исследований. Спектрометр является программноуправляемым, причем режим работ может меняться и оптимизироваться непосредственно в ходе эксплуатации комплекса без изменения аппаратной части прибора. Для повышения чувствительности комплекса в спектрометре применен двойной акустооптический фильтр.
В качестве лазерного источника использован компактный твердотельный лазер (532 нм). Излучение лазера с помощью оптической системы направляется в среду, рассеянное излучение собирается приемным объективом, а затем фильтруется акустооптическим монохроматором и регистрируется фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Сигнал с ФЭУ оцифровывается с помощью аналогово-цифрового преобразователя и анализируется с помощью компьютера.
Комплекс монтируется в специальном водонепроницаемом контейнере, имеющем необходимые герметичные интерфейсные разъемы для подключения внешних устройств и связи, а также герметичный иллюминатор для прохождения анализируемого и зондирующего излучения. Специализированное программное обеспечение позволяет управлять работой лазеров и высокочастотного драйвера акустооптических фильтров.
Излучение лазера с помощью объектива направляется в среду, где рассеивается. Рассеянное излучение собирается приемным объективом и, пройдя через акустооптический монохроматор, попадает на ФЭУ, сигнал которого оцифровывается с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и направляется в компьютер для обработки и анализа.
Рис.4. Функциональная схема измерительного комплекса
(1 - АЦП, 2 - Блок питания элементов комплекса, 3 - Блоки питания и управления лазером, 4 - Излучающий блок лазера, 5 - Акустооптический монохроматор, 6 - Высокочастотный драйвер, 7 - ФЭУ, 8 - Система охлаждения ФЭУ, 9 - Выходное излучение, 10 - Приемный объектив)
Спектрометрический комплекс для мониторинга водной поверхности с борта судна (рис.5) включает двухканальный АО- спектрометр, мини-спектрометр, пирометр и GPS-приемник. С его помощью в автоматическом режиме регистрировалась спектральная информация о восходящем от поверхности воды излучении. Спектрометр разработан на новой элементной базе с расширенными возможностями. Так, совмещение в нем адаптивного двухкристального АО-спектрометра с мини-спектрометром, дающим грубый спектр, но в реальном масштабе времени, и дистанционным измерителем температуры позволяет существенно увеличить эффективность и достоверность получаемых данных.
Данный комплекс предназначен для измерения с борта судна или самолета спектральной плотности энергетической яркости восходящего от поверхности моря потока излучения в видимом диапазоне спектра и имеет следующие особенности: в качестве спектральных элементов применены двойные АО-монохроматоры; управляющие устройства обеспечивают произвольную спектральную адресацию с точностью до долей полосы пропускания, что позволяет точно прописывать контуры спектральных линий. Дистанционный измеритель температуры и GPS-приемник дополняют спектры сопутствующей информацией: температурой и пространственной привязкой. Мини-спектрометр на основе дифракционной решетки и линейки фотодетекторов обеспечивает регистрацию всего спектра в режиме реального времени. Он работает непрерывно, получая «мгновенную» информацию о спектре с «грубым» разрешением. При регистрации мини-спектрометром исследуемых участков в спектре восходящего излучения включается АО-спек- трометр для более детального измерения выделенных участков.
Рис.1. Спектрометрический комплекс на борту судна и схема измерений и
калибровки.
Технические характеристики комплекса:
Спектральный диапазон 440 - 780 нм
Спектральное разрешение 1 нм
Диапазон измерения температуры -30 +50 °С