Здесь мы попытаемся ввести типизацию интерференционных приборов, применяемых для получения интерференционной модуляции в Фурье-спектрометрии, основанную на способе получения непрерывного изменения разности хода. Кроме этого, рассмотрим еще ряд других прикладных вопросов.

a. Интерференционные спектральные приборы, в которых разность хода создаётся перемещением зеркала

Такие приборы применяются как в ближней, так и в дальней И.К. областях спектра, при этом в зависимости от выбранной спектральной области конструктивное выполнение приборов меняется. В ближней И.К. 1-10 мкм интерферометр, представляющий собой модификации интерферометра Майкельсона (добавлены коллиматоры) со стеклянной

При таком монтаже, как отмечает Ж.Конн /18/, необходимо, чтобы обе пластинки были склеены веществом, имеющим тот же показатель преломления, что и стекло, а толщина, образованного слоя была бы очень малой. Если эти условия не будут соблюдены, то из-за воздушного зазора между пластинками возникнет дисперсия фазы и интерферограмма не будет симметричной относительно d =0. Необходимо особое внимание уделить выбору покрытия для светоделителя.

Если фазовая характеристика окажется нелинейной, то при регистрации интерферограмм нулевая разность хода не будет достигаться одновременно для всех длин волн, что приводит к асимметрии интерферограммы вблизи d =0. В этом случае для применения преобразования Фурье к интерферограмме необходимо учитывать фазовую характеристику.

3) Стилл в статье /17/, посвящённой интерферометрам без коллиматоров в Фурье-спектрометрии, сравнивает интерферометр без объективов, а только с одними ограничительными диафрагмами с интерферометром Тваймана-Грина. Он показал, что полуширина аппаратной функции в исследуемом случае значительно шире при одинаковых апертурах. Такой интерферометр может быть полезным, в дальней И.К., где приходится применять достаточно сложную зеркальную оптику для фокусирования лучей.

В дальней И.К. от 100 мкм и дальше применяется для светоделителя мембрана из полиэтилена, покрытая слоем германия /19/, а также металлическая решётка из проволоки. Так, в области 25-100 см^-1 в качестве светоделителя использовалась проволочная сетка с постоянной решётки 50 мкм и диаметром проволоки 7.5 мкм /20/. В работе /21/ было указано, что в этой области целесообразно применять для светоделителя полиэтилен или специальный пластик, покрытый в вакууме слоем германия, теллура или теллуристым висмутом, а также используется плёнка из майлара (mylar). Ряд новых исследований в этом вопросе можно найти у П.Ричардса /24/. В качестве светоделителя было предложено также применять отражательную дифракционную решётку с симметричным профилем штрихов /22, 37/.

Такой модулятор был предложен Стронгом и Ванассом /23/, в дальней И.К. он состоит из стопы плоскопараллельных пластинок, установленных неподвижно, между которыми вставляется другая стопа, перемещаемая в обойме. Такой модулятор является аналогом дифракционной решётки с переменной глубиной штрихов.

Однако величина угловой апертуры при применении такого модулятора ниже, чем в интерферометре Тваймана-Грина, так как здесь нарушается круговая симметрия. П.Ричардс /24/ приводит достаточно

Пластинчатый модулятор нашёл применение в качестве дополнительной приставки к обычным спектрометрам и дифракционными решётками для подавления "паразитных" порядков дифракционной решётки /25/ 4).

В работах Гречушникова и др. /30-33/ в поляризационном интерферометре поляризатор состоит из одного кварцевого клина и другого стеклянного, образующих вместе плоскопараллельную пластинку с изменяемой толщиной. Этот поляризатор помещается между двумя поляроидами, и, кроме того, применяется специальная подложка к поляризатору для регулирования положения нулевой разности хода 5).

Действительно, в кристалле оба луча, обыкновенный и необыкновенный, распространяются В одном направлении, следовательно, не возникает перекосов волновых фронтов из-за колебаний зеркал и других оптических элементов, имеющих место в интерферометрах типа Майкельсона. Кроме этого, в поляризационном интерферометре не возникают фазовые искажения, ибо разделение света достигается без применения светодателя. Отсюда можно сделать вывод, что поляризационный Фурье-спектрометр с успехом монет конкурировать с Фурье-спектрометром типа Майкельсона в качестве спектрометра со средним разрешением (нелинейность хода дисперсии от l ограничивает разрешение) 6).

Большой интерес представляет метод получения интерферограмм, разработанный Гречушниковым и Петровым /33, 34/. в новом методе свет после поляризационного модулятора, описанного выше, не фокусируется коллиматором на приёмник, а проектируется на фотопластинку. Интерференционная картина, наблюдаемая в виде параллельных цветных полос, затем фотометрируется. В результате получается кривая распределения освещённости, близкая по свойствам к обычной интерферограмме. Аналогичная идея только для целей проверки качества дифракционных решёток была ранее высказана Строуком /35/.

Г. Интерференционные спектральные приборы основанные на изменении разности хода поворотом плоскопараллельной пластинки

Идею принципа работы интерференционного модулятора проще всего понять, если обратиться к схеме интерферометре Майкельсона, в котором светоделитель и компенсирующая пластинка разделены (рис.1). Если в таком приборе из начального положения, когда обе пластинки параллельны, начать поворачивать компенсирующую вокруг оси, перпендикулярной потоку, то между лучами возникает разность хода. Такой модулятор нашел применение в приборах с селективной амплитудной модуляцией, где он используется для создания интерференционной модуляции монохроматических пучков. Обычно это достигается покачиванием плоскопараллельной пластинки вблизи нулевой разности хода /7, 36, 37/. Практическое внедрение такого типа модулятора в метод Фурье-спектрометрии связано с трудностями получения больших разностей хода, ибо при повороте пластинки на большие углы возникают нелинейные эффекты, а также трудно подобрать материал для пластинки с показателем, мало меняющимся от длины волны.

7) Для этих же целей возможно также рассмотреть схему шеринг-интерферометра Монтгомери, созданную для измерения частотно-контрастных характеристик. Ее описание даётся в обзоре Мурата /41/.

Исследование в направлении практического применения такого типа модулятора следует вести как в направлении получения ахроматических пластинок, так к в направлении разработки новых методов анализа интерферограмм, учитывающих нелинейный закон изменения разности хода 8). Возможное решение последней проблемы можно найти в работах /44-46/, где решались различные задачи учёта нелинейного изменения разности хода.

В интерференционной спектрометрии приводные механизмы служат для изменения разности хода в конечных пределах в периодическом или апериодическом режимах /42/.

Механизмы, работающие в периодическом режиме, применяются, например, в системах 9) /36-38/, в спектрометрах с интерференционной модуляцией, предназначенной для фильтрации порядков дифракционной решётки /42, 43/ в интерференционной спектрометрии с применением частотных анализаторов /29, 47-49/.

При таком режиме интерферограмма иного раз повторяется в результате многократного изменения разности хода: -D £ d £ D . Выбор режима работы приводных механизмов зависит от способа анализа интерферограммы.

8) Качание плоскопараллельной пластинки может быть использовано как средство подавления "паразитных" порядков дифракционной решётки в ближней И.K., аналогично, как это уже применяется, способом перемещения зеркала /42, 43/ или пластинчатого модулятора /25/ (см. раздел В).

9) СИСАМ-спектрометр с интерференционной селективной амплитудной модуляцией.

приборов - быстродействие, обеспечиваемое большой светосилой интерференционных приборов, и выигрыш во времени за счёт одновременности регистрации всех частот спектра при малом весе и простоте конструкции. Эти приборы могут работать совместно с наземной аппаратурой и автономно.

Во втором - интерферограммы регистрируются в периодическом режиме применения частотных анализаторов, в которых частота гетеродина непрерывно меняется.

В этих приборах изменение разности хода, как правило, получается при применении электромагнитов. Возможно также для этих целей применение кулачковых механизмов, однако требования при этом на точность изготовления кулачка с заданным профилем оказываются очень высокими. Исследование кулачкового механизма, применяемого в сисаме, выполнено в работе Архипова и Паршина /52/.

Дальнейшее усовершенствование механических приводов, применяемых для получения больших разностей хода, состоит в прерывистом перемещении каретки с зеркалом в соответствии с дискретным снятием точек с интерферограммы ("ступенчатый режим" изменения d ). Такое усовершенствование было осуществлено П. и Ж.Конн /53/ и Т.Ричардом и др. /54/.

заданной длины волны настройки l ₀, то для того, чтобы не потерять в величине сигнала, достаточно потребовать, чтобы n, где n - целое число 10).

Регистрация интерферограмм в апериодическом режиме применяется как в случае непосредственной обработки интерферограммы по методу Фурье, так и при применении частотных анализаторов, а также анализаторов других типов /29, 55-58/ 11).

Фогель и Генцель /21/ обратили внимание на тот факт, что при регистрации в апериодическом режиме и применении частотных анализаторов в процессе регистрации интерферограмма умножается на , где начальная фаза гетеродина a никак не согласована с соответствующей начальной фазой колебания в интерферограмме для исследуемой модуляционной частоты ¦ . Это может вызвать значительные искажения аппаратной функции. Чтобы этого избежать, Фогель и Генцель предлагают референтный сигнал, используемый в частотном анализаторе, получать с помощью растрового устройства, контролирующего перемещение каретки с зеркалом.

Общее в перечисленных выше методах анализа интерферограмм при апериодическом режиме - это обработка записи интерферограммы или дискретных её значений после эксперимента. Для этого необходимо применять записывающие или запоминающие устройства. Возможно, конечно, обойтись и без запоминающего устройства, но для этого надо проводить анализ G(t) одновременно по многим каналам /59, 60/.

11) Под анализаторами других типов имеются в виду прежде всего выполнение преобразования Фурье с помощью растровой оптики, а также применение голограмметрии. При рассмотрении этих вопросов полезно ознакомиться с методами получения частотно-контрастных характеристик /41/.

В этом случае разность хода изменяется от 0 до D для косинусного преобразования Фурье либо в интервале -D £ d £ D для полного преобразования Фурье /61/.

При интерференционном контроле свет от монохроматического источника, например от изотопной лампы Pb-198, проходит в интерферометре по тем же элементам оптической схемы, что и основной сигнал, но в конце регистрируется отдельным приёмником (рис.2). Для исследуемого спектра применяется свой приёмник.

Однако такая коррекция требует большого ручного труда, поэтому в большинстве случаев при интерференционном контроле сигнал от референтного приёмника с длиной волны l ₀ используют для принудительного запуска цифрового вольтметра, который печатает интерферограмму основного сигнала при изменении разности хода на l ₀/2 или l ₀.

Для целей удобства ввода числовых данных в ЦВМ целесообразно интерферограмму печатать на перфокартах, перфоленте или магнитной ленте в двоичном коде. Кроме интерференционного, применяется растровый метод контроля, который давно уже применяется для контроля перемещения алмазного резца при нарезке дифракционных решёток. В Фурье-спектрометрии в дальней И.К. этот метод впервые применил Гебби /10/, который в дальнейшее практически освоил метод Фурье-спектрометрии в дальней И.К. /66, 76, 77/.

этого, система дополняется источником освещения, двумя объективами и приёмниками. При перемещении каретки в отражённом свете возникают муаровые полосы, перемещение которых используется для контроля движения каретки. Подробное исследование свойств интерференционных муаровых полос выполнено Рассудовой /63/.

Такой метод контроля достаточно прост в реализации и не требует специальных источников излучения для референтного сигнала 12). Его применение весьма перспективно в дальней И.K., где требуются большие изменения разности хода.

Фурье-спектрометры, устанавливаемые на спутниках и шарах и работающие в апериодическом режиме, снабжены такие интерференционным или растровым методами контроля /64/.

Для скоростной Фурье-спектрометрии может найти применение метод контроля под названием метода "математической коррекции" /44/. Сущность метода состоит в математической реализации рассмотренных выше методов.

Предположим, что отступление от линейного изменения d во времени определяется функцией погрешности e (t), заранее изученной и всегда воспроизводимой; эта функция такие может находиться в процессе записи интерферограммы. Тогда d = d (t) = 2t + e (t).

Кроме этого, предположим, что интерферограмма зарегистрирована либо непрерывно, либо в достаточно большом числе точек. В этом случае при дискретном (численном) преобразовании Фурье можно потребовать, чтобы ЦВМ сама бы по определённой программе выбирала точки на интерферограмме в соответствии с ходом изменения e (t).

Требования к точности оптических и механических деталей в интерференционной спектрометрии во многом зависят от спектральной области регистрации, вида спектра, метода регистрации и способа интерпретации. Для Фурье-спектрометрии эти требовании нельзя вывести безотносительно к способу численного преобразования интерферограммы /45/.

Исследования в этом направлении были предприняты Коломийцевым /65/, Ж.Конн /18/ и совсем недавно в работе Кэтти и Зинга /70/, но их результаты не были доведены до трансформации ошибок из интерферограммы в спектрограмму.

Пока что при сборке интерференционной спектральной установки руководствуются такими же требованиями к точностям, как и в обычных интерферометрах, предназначенных для метрологии или же даже ожесточают эти требования. Так, например, для ближней И.К. в работе Ж. и П.Конн /53/ светоделительная пластинка обрабатывалась с точностью до одной четверти полосы видимого света.

Особое внимании надо уделить к точностям перемещения движущихся элементов прибора и особенно к защите всей установки от вибраций и помех. При изменении разности хода главную опасность представляют два рода ошибок: неравномерность перемещения каретки с зеркалом и боковые перекосы зеркал, вызванные вибрациями и трением.

Для снижения первого рода ошибок прежде всей заботятся о гладкой отшлифованности поверхностей направляющих, по которым движется каретка. Обычно их изготовляют из стекла. В работе Гебби с сотрудниками /66/ можно найти подробное описание конструкций интерферометров для дальней и ближней И.К. и, в частности, указание, что в их приборе стеклянные направляющие обрабатывались до одной полосы зелёной линии ртути.

Вообще говоря, в силу того обстоятельстве, что в Фурье-спектрометрии интерферограмма подвергается преобразованию Фурье, важно научить, как местные ошибки в интерферограмме трансформируются в спектр.

В связи с этим в работе /45/ была рассмотрена методика анализа неравномерности изменения разности хода, которая может быть обусловлена как шероховатостью поверхности, трением, так и недостаточной вибрационной защитой интерференционной установки.

Наконец, не малое значение в конструкции имеет способ установки каретки на направляющие.

При регистрации интерферограмм с небольшим изменением разности хода применяется пружинный механизм, выполненный в виде параллелограмма на плоских пружинах /66/ Для выбора оптимальных конструкций таких пружин можно воспользоваться исследованиями Валединского /68/, а также Джонса и Юнга /82/ 13).

Такая система в Фурье-спектрометрии, по-видимому, впервые была осуществлена Ранделем /69/, а также описана Стиллом /40/ и Мертцем /29/. Эта система обладает тем свойством, что лучи света, падающие на триэдр параллельно оптической оси, всегда будут выходить из неё также в параллельном направлении независимо от пространственной ориентации триэдра. Ж. и П.Конн /53/ для тех же целей применили систему "кошачий глаз". Подробное исследование оптических свойств этой системы выполнено в работе Бира и Марьянеми /71/.

Сделаем теперь несколько замечаний, касающихся работы приёмно-регистрирующего тракта.

В Фурье-спектрометрии должны предъявляться значительно более повышенные требования к стабильности и помехоустойчивости работы электронной части аппаратуры, чем в приборах с последовательным методом регистрации (дисперсионные приборы). Это вызвано тем обстоятельством, что местные ошибки в интерферограмме будут трансформироваться в спектрограмму по всем частотам, причём их искажающее влияние трудно заметить. Поэтому при испытании аппаратуры необходимо проводить оценку стабильности работы её электронной части с учётом возможной длительности регистрации интерферограмм. Такую оценку иногда можно получить в результате наблюдения фигур Лиссажу, вызванных стандартным электрическим колебанием и модуляционным, полученным при освещении Фурье-спектрометра монохроматическим светом.

Для смещения модуляционных частот в область "нулевых", с целью уменьшения уровня шума в интерферограмме и, соответственно, в спектрограмме за счёт сужения полосы электрического фильтра, применяется метод Мертца /29, 62/, известный также под названием "гетеродинная спектроскопия".

Некоторые особые предосторожности (это отчасти касается и обычных методов спектроскопии) необходимо соблюдать при регистрации очень слабых источников в отношении защиты интерферограммы основного канала от спектра излучения нагретых частей прибора. Так, в своей работе Ж.Конн /18/ учитывала спектр испускания модулятора. Иногда охлаждается не только приёмник, но также и диафрагма.

Для трансформации светового потока от выходного отверстия прибора до охлаждаемого приёмника и образца применяется световод /24/. Наконец, важно термостатировать прибор, и при регистрации в И.К. весь интерферометр помещать в вакуумный танк /54/.

Что же касается требований, предъявляемых к приёмникам, то здесь в целом они остаются такие же как обычно, но возникают ещё дополнительные.

Во-первых, в Фурье-спектрометрии шум приёмника не должен зависеть от величины светового потока и спектрального состава, причём это требование должно достаточно строго выполняться, ибо постоянная составляющая в (1) может достигать значительной величины.

Во-вторых, так как в интерференционных приборах угловая апертура значительно больше, чем в дисперсионных, то размеры приёмной площадки приёмников оказываются достаточно большими. Поэтому необходимы приемники с большой приёмной площадью при слабой зависимости собственного шума от её размеров.