Интерференционный спектрометр

 

Изобретение относится к технической физике, связанной с разработкой спектральной аппаратуры, предназначенной для регистрации спектров оптического диапазона длин волн сильнопоглощающих веществ и объектов любой протяженности. Сущность изобретения: двухлучевой интерферометр прибора выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения, состоящей из двух полупризм, каждая из которых представляет собой четырехгранник, у которого два угла прямые, а острый равен 45^oC, склеенных по светоделительной грани таким образом, что острые углы в сумме составляют прямой угол, при этом относительный показатель преломления каждой из призм определяется соотношением nSin0^-1u, где u - угол между нормалью к грани полного внутреннего отражения интерферометра и прямой, с которой совпадает осевой луч пучка, отраженного от грани полного внутреннего отражения. Кроме того, в интерференционный спектрометр вводится дополнительное кюветное отделение, в котором рабочие полости направляющих образца совмещены с гранями полного внутреннего отражения. 1 ил.

Изобретение относится к технической физике, связанной с оптическим спектральным приборостроением, а именно, к интерференционным спектральным приборам, работающим в режимах пропускания и нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). Оно может быть использовано в качестве фурье-спектрофотометра для исследования спектров и спектральных характеристик сильнопоглощающих веществ и объектов в оптическом диапазоне спектра.

Известны интерференционные спектральные приборы, формирующие спектр исследуемого объекта путем преобразования фурье-функции автокорреляции входного излучения с помощью двухлучевых интерферометров. Такие приборы имеют отделения источника с формирующей оптикой, интерфометра, а также кюветное отделение для установки образцов при измерениях в режиме пропускания, а кроме того, отделение приемника с формирующей оптикой и отделение сбора, обработки и получения спектральной информации (см. Р.Белл. Введение в фурье-спектроскопию. М. Мир, 1975, с.285-305). Однако диапазон оптических плотностей, в пределах которых возможно приведение измерений пропускания на этих приборах, обусловленных как оптическими свойствами материала, так формой и размерами объекта (образца) исследования, сравнительно узок.

Указанный недостаток устранен в приборах этой группы, оснащенных специальными устройствами для работы в режиме НПВО.

Известен интерференционный спектрометр (см. SHIMADZU. Catalog Fourier Transform Infrared Spectophotometer FTIR-8101/8101 М: Printed by Japan 3010-10122-30 ATD, 14 p.) являющийся наиболее близким к предлагаемому решению, содержащий отделение источника, отделение интерферометра с интерферометром Майкельсона, состоящем из светоделителя и двух зеркал внешнего отражения, кюветное отделение с промежуточным изображением источника, отделение приемника и отделение сбора, обработки и получения спектральной информации. Настройка прибора для работы в режиме НПВО достигается путем установки в кюветное отделение приставки НПВО, имеющей оптический элемент НПВО, причем образец устанавливается в ней таким образом, что обеспечивается его физический контакт с гранью полного внутреннего отражения.

Однако недостатки этого прибора при работе в режиме НПВО проявляются, с одной стороны, усложнением оптической системы за счет введения в нее не менее чем одного дополнительного оптического элемента, с другой уменьшением светосилы за счет потерь на отражение от граней (поверхностей) дополнительных оптических элементов и обусловленного ими диафрагмирования (виньетирования) светового пучка.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно упрощение оптической системы интерференционного спектрометра и повышение его светосилы при работе в режиме НПВО.

Эта задача решается за счет того, что в известном интерференционном спектральном приборе, содержащем отделение источника, отделение интерферометра с двухлучевым интерферометром, кюветное отделение, отделение приемника и отделение сбора, обработки и получения спектральной информации, двухлучевой интерферометр выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения, состоящей из двух полупризм, каждая из которых представляет собой четырехгранник, у которого два угла прямые, а острый равен 45^oC, склеенных по светоделительной грани таким образом, что острые углы в сумме составляют прямой угол, при этом относительный показатель преломления каждой из полупризм определяется соотношением n sin^-1 u, где u угол между нормалью к грани полного внутреннего отражения интерферометра и прямой, с которой совпадает осевой луч пучка, отраженного от грани полного внутреннего отражения, при этом прибор содержит дополнительное кюветное отделение с рабочими плоскостями направляющих образца, совмещенными с гранями полного внутреннего отражения интерферометра.

Выполнение интерферометра в виде призмы полного внутреннего отражения, имеющей относительно образца показатель преломления n sin^-1 u, и введение указанного дополнительного кюветного отделения позволяет отказаться от оптических элементов, содержащихся в известных устройствах в приставке НПВО, поскольку функции элемента НПВО выполняет сам интерферометр, а необходимость в согласовании оптических систем прибора, работающих в режиме пропускания или НПВО, отпадает. Кроме того выполнение интерферометра в виде указанной призмы позволяет повысить светосилу прибора в режиме НПВО, поскольку отказ от дополнительных оптических элементов устраняет и потери света, обусловленные отражением от их поверхностей и вносимым ими диафрагмированием (виньетированием).

На чертеже изображена общая схема предложенного интерференционного спектрометра.

Прибор имеет отделение источника излучения 1, кюветное отделение для работы прибора в режиме измерения пропускания 2, отделение интерферометра 3 с интерферометром в виде призмы полного внутреннего отражения 4, кюветное отделение для работы прибора в режиме НПВО 5 с направляющими образца 6, имеющими рабочие плоскости 7, отделение приемника 8 и отделение сбора, обработки и получения спектральной информации 9.

Прибор работает следующим образом. В режиме измерения НПВО излучение из отделения источника 1 поступает в отделение интерферометра 3, где подает последовательно на грани полного внутреннего отражения призмы 4, совпадающие с рабочими плоскостями 7 направляющих 6 кюветного отделения 5, в которые устанавливается образец.

После отражения от рабочих плоскостей излучение интерферирует на светоделительной грани призмы НПВО и направляется на приемник в отделение 8, откуда электрический сигнал, пропорциональный пространственной функции автокорреляции мощности прошедшего излучения, поступает в отделение сбора, обработки и получения спектральной информации 9, где с помощью ЭВМ осуществляется обработка данных, преобразование Фурье поступившего сигнала и регистрации выходного спектра.

При работе прибора в режиме измерения пропускания образец устанавливается своей поверхностью в рабочей плоскости направляющих кюветного отделения 2.

Использование интерферометра в виде призмы НПВО и наличие дополнительного кюветного отделения позволяет не менее чем на 10% снизить себестоимость прибора, примерно в 5 раз повысить его светосилу, существенно упростить настройку и эксплуатацию, а также открывает перспективу создания на его основе новых приборов датчиков контроля изделий и материалов, обладающих большой оптической плотностью, по их спектральным характеристикам, в том числе в процессе их производства.

Формула изобретения

Интерференционный спектральный прибор, содержащий отделение источника, кюветное отделение, отделение интерферометра с двухлучевым интерферометром, отделение приемника, а также отделение сбора, обработки и получения спектральной информации, отличающийся тем, что двухлучевой интерферометр выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения, состоящей из двух полупризм, каждая из которых представляет собой четырехгранник, у которого два угла прямые, а острый равен 45^o, склеенных по светоделительной грани так, что острые углы в сумме составляют прямой угол, при этом относительный показатель преломления каждой из полупризм определяется соотношением n sin^-1u, где u угол между нормалью к граням полного внутреннего отражения полупризм и прямой, с которой совпадает осевой луч пучка, отраженного от граней полного внутреннего отражения, при этом прибор содержит дополнительное кюветное отделение, рабочие плоскости направляющих образца которого совмещены с гранями полного внутреннего отражения полупризм.

РИСУНКИ

Рисунок 1