Радиостроение. 2017; : 27-38
Фурье-спектрометр видимого и ближнего ИК диапазона
https://doi.org/10.24108/rdeng.0617.0000124Аннотация
В работе описывается неразьюстируемый динамический фурье-спектрометр, разработанный в НТЦ УП РАН, для регистрации спектров излучения видимого и ближнего ИК диапазона с высоким спектральным разрешением.
Для обеспечения надежности работы спектрометра при долговременных измерениях в конструкции интерферометра основного канала в качестве зеркал используются уголковые отражатели. Они позволяют обеспечить секундную точность отклонения между падающим и отраженным лучами.
В Фурье-спектрометре реализована система референтного канала, которая позволяет при том же перемещении подвижного зеркала основного канала увеличить измеряемую разность хода в два раз и производить уже измерения разности хода с шагом λ/4, что в дальнейшем приводит к увеличению сигнал/шум в измеряемом канале в 21/2 и расширению спектрального диапазона работы. Это осуществляется за счет использования в интерферометре референтного канала дополнительной системы из отражателей.
С использованием разработанного спектрометра были проведены экспериментальные исследования по возможности регистрации интерферограмм и восстановлению спектров излучения от тестового источника. В качестве тестового источника использовался неоновый источник, спектр излучения которого представляет собой набор узких линий, лежащих в видимой и ближней ИК области. Зарегистрированная интерферограмма неонового источника и восстановленный из нее спектр излучения позволял оценить качество работы спектрометра. Полученная интерферограмма имеет симметричный вид, что позволяет сделать заключение об отсутствии смещения нулевой разности ходя для длин волн видимого и ближнего ИК диапазона. Спектральное разрешение для спектра неоновой лампы равняется 2 см-1 и соответствует установленному при регистрации.
Реализация канала белого света, совмещенного с основным каналом, в дальнейшем позволит проводить накопление интерферограмм и правильное суммирование при регистрации слабого сигнала.
На базе описанного макета Фурье-спектрометра может быть разработан рамановский спектрометр, который позволял бы регистрировать и проводить анализ слабого сигнала.
Список литературы
1. Белл Р.Дж. Введение в Фурье-спектроскопию: пер с англ. М.: Мир, 1975. 380 с. [Bell R.J. Introductory Fourier transform spectroscopy. N.Y.: Academic Press, 1972. 382 p.].
2. Вагин В.А. ИК Фурье-спектрометры для научных исследований и прикладных применений: дис. … докт. техн. наук. М., 2009. 239 с.
3. Балашов А.А., Вагин В.А., Висковатых А.В., Жижин Г.Н., Пустовойт В.И., Хорохорин А.И. Аналитический Фурье-спектрометр АФ-1 широкого применения // Приборы и техника эксперимента. 2003. Т. 46. № 2. С. 87-89.
4. Egorova L.V., Anufriev A.S. An imaging dynamic shearing Fourier spectrometer // J. of Optical Technology. 2013. Vol. 80. No. 11. Pp. 703-705. DOI: 10.1364/JOT.80.000703
5. Meindl P., Monte C., Wähmer M. Adaptation of a Fourier transform spectrometer as a reference instrument for solar UV irradiance measurements // AIP conf. proc. 2013. Vol. 1531. Iss. 1. Pp. 829-832. DOI: 10.1063/1.4804898
6. Винтайкин И.Б., Васильев Н.С., Голяк И.С., Голяк И.С., Морозов А.Н., Есаков А.А., Светличный С.И., Табалин С.Е., Фуфурин И.Л. Рамановский спектрометр на основе статического интерферометра Майкельсона // Изв. РАН. Энергетика. 2016. № 6. С. 144-152.
7. Васильев Н.С., Винтайкин И.Б., Голяк И.С., Голяк И.С., Кочиков И.В., Фуфурин И.Л. Восстановление и анализ спектров комбинационного рассеяния света, получаемых со статического Фурье-спектрометра // Компьютерная оптика. 2017. Т. 41. № 5. С. 626-635. DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-5-626-635
8. Морозов А.Н., Светличный С.И. Основы Фурье-спектрорадиометрии. 2-е изд. М.: Наука, 2014. 455 с.
9. Griffiths P.R., De Haseth J.A. Fourier transform infrared spectrometry. 2nd ed. Hoboken: Wiley-Interscience, 2007. 529 p.
10. Balashov A.A., Vaguine V.A., Zhizhin G.N., Chelnokov A.I. Fast-scanning Fourier-spectroradiometer BPS-01 // Proc. of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 1989. Vol. 1145. Pp. 395-396. DOI: 10.1117/12.969518
11. Балашов А.А., Вагин В.А., Голяк Ил. С., Морозов А.Н., Хорохорин А.И. Многоканальный динамический ИК-Фурье-спектрометр // Журнал прикладной спектроскопии. 2017. Т. 84. № 4. С. 643-647.
12. Jianping Li, Chan R.K.Y. Toward a UV–visible–near-infrared hyperspectral imaging platform for fast multiplex reflection spectroscopy // Optics Letters. 2010. Vol. 35. No. 20. Pp. 3330-3332. DOI: 10.1364/OL.35.003330
13. Морозов А.Н., Балашов А.А., Вагин В.А., Хорохорин А.И., Голяк И.С. Система регистрации и суммирования слабых сигналов в Фурье-спектрометре // Радиостроение. 2016. № 4. С. 1-13. DOI: 10.7463/rdopt.0416.0847752
14. Морозов А.Н., Балашов А.А., Вагин В.А., Хорохорин А.И., Голяк И.С. Особенности работы с многоканальным ИК Фурье-спектрометром // Радиостроение. 2016. № 6. С. 75-81. DOI: 10.7463/rdopt.0616.0851915
15. Dzsaber S., Negyedi M., Bernath B., Gyure B., Feher T., Kramberger C., Pichler T., Simon F. A Fourier transform Raman spectrometer with visible laser excitation // J. of Raman Spectroscopy. 2015. Vol. 46. No. 3. Pp. 327-332. DOI: 10.1002/jrs.4641
16. Oxley J., Smith J., Brady J., Dubnikova F., Kosloff R., Zeiri L., Zeiri Y. Raman and infrared fingerprint spectroscopy of peroxide-based explosives // Applied Spectroscopy. 2008. Vol. 62. No. 8. Pp. 906-915.
17. McCreery R.L. Raman spectroscopy for chemical analysis. N.Y.: Wiley, 2005. 420 p. DOI: 10.1002/0471721646
Radio Engineering. 2017; : 27-38
Fourier Spectrometer of Visible and Near Infrared Range
https://doi.org/10.24108/rdeng.0617.0000124Abstract
The paper describes a highly stable dynamic Fourier spectrometer, developed in the Scientific and Technological Center of Unique Instrumentation of the Russian Academy of Sciences, for recording the spectra of visible and near-IR radiation with a high spectral resolution.
To ensure the spectrometer operation reliability in the long-term measurements, the interferometer construction of the main channel uses the corner reflectors, as mirrors. They allow us to ensure a second accuracy of deviation between the incident and reflected rays.
In the Fourier spectrometer is implemented a reference channel system, which, with the same displacement of the movable mirror of the main channel, allows us to have a twice increasing measured difference of path and already to measure the path difference with the step of λ/4, which further results in increasing the signal/noise ratio in the measurement channel by 21/2 and expanding the spectral range of performance. This is reached through the reference channel of an additional system of reflectors used in the interferometer.
The developed spectrometer was used to carry out experimentation on the feasibility to record interferograms and recover emission spectra from a test source. As a test source was used the neon one, a radiation spectrum of which is a set of narrow lines lying in the visible and near infrared region.
The recorded interferogram of the neon source and its recovering radiation spectrum allow evaluating the performance spectrometer quality. The resulting interferogram is symmetrical, which allows us to draw conclusion that there is no displacement of the zero difference for the wavelengths of the visible and near IR bands. The spectral resolution for the neon lamp spectrum is 2cm-1 and corresponds to that of found when recording.
The implemented white light channel combined with the main channel will further allow cumulating interferograms and appropriate summing when detecting a weak signal.
Based on the described layout of the Fourier spectrometer, a Raman spectrometer can be developed to allow detection and analysis of a weak signal.
References
1. Bell R.Dzh. Vvedenie v Fur'e-spektroskopiyu: per s angl. M.: Mir, 1975. 380 s. [Bell R.J. Introductory Fourier transform spectroscopy. N.Y.: Academic Press, 1972. 382 p.].
2. Vagin V.A. IK Fur'e-spektrometry dlya nauchnykh issledovanii i prikladnykh primenenii: dis. … dokt. tekhn. nauk. M., 2009. 239 s.
3. Balashov A.A., Vagin V.A., Viskovatykh A.V., Zhizhin G.N., Pustovoit V.I., Khorokhorin A.I. Analiticheskii Fur'e-spektrometr AF-1 shirokogo primeneniya // Pribory i tekhnika eksperimenta. 2003. T. 46. № 2. S. 87-89.
4. Egorova L.V., Anufriev A.S. An imaging dynamic shearing Fourier spectrometer // J. of Optical Technology. 2013. Vol. 80. No. 11. Pp. 703-705. DOI: 10.1364/JOT.80.000703
5. Meindl P., Monte C., Wähmer M. Adaptation of a Fourier transform spectrometer as a reference instrument for solar UV irradiance measurements // AIP conf. proc. 2013. Vol. 1531. Iss. 1. Pp. 829-832. DOI: 10.1063/1.4804898
6. Vintaikin I.B., Vasil'ev N.S., Golyak I.S., Golyak I.S., Morozov A.N., Esakov A.A., Svetlichnyi S.I., Tabalin S.E., Fufurin I.L. Ramanovskii spektrometr na osnove staticheskogo interferometra Maikel'sona // Izv. RAN. Energetika. 2016. № 6. S. 144-152.
7. Vasil'ev N.S., Vintaikin I.B., Golyak I.S., Golyak I.S., Kochikov I.V., Fufurin I.L. Vosstanovlenie i analiz spektrov kombinatsionnogo rasseyaniya sveta, poluchaemykh so staticheskogo Fur'e-spektrometra // Komp'yuternaya optika. 2017. T. 41. № 5. S. 626-635. DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-5-626-635
8. Morozov A.N., Svetlichnyi S.I. Osnovy Fur'e-spektroradiometrii. 2-e izd. M.: Nauka, 2014. 455 s.
9. Griffiths P.R., De Haseth J.A. Fourier transform infrared spectrometry. 2nd ed. Hoboken: Wiley-Interscience, 2007. 529 p.
10. Balashov A.A., Vaguine V.A., Zhizhin G.N., Chelnokov A.I. Fast-scanning Fourier-spectroradiometer BPS-01 // Proc. of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 1989. Vol. 1145. Pp. 395-396. DOI: 10.1117/12.969518
11. Balashov A.A., Vagin V.A., Golyak Il. S., Morozov A.N., Khorokhorin A.I. Mnogokanal'nyi dinamicheskii IK-Fur'e-spektrometr // Zhurnal prikladnoi spektroskopii. 2017. T. 84. № 4. S. 643-647.
12. Jianping Li, Chan R.K.Y. Toward a UV–visible–near-infrared hyperspectral imaging platform for fast multiplex reflection spectroscopy // Optics Letters. 2010. Vol. 35. No. 20. Pp. 3330-3332. DOI: 10.1364/OL.35.003330
13. Morozov A.N., Balashov A.A., Vagin V.A., Khorokhorin A.I., Golyak I.S. Sistema registratsii i summirovaniya slabykh signalov v Fur'e-spektrometre // Radiostroenie. 2016. № 4. S. 1-13. DOI: 10.7463/rdopt.0416.0847752
14. Morozov A.N., Balashov A.A., Vagin V.A., Khorokhorin A.I., Golyak I.S. Osobennosti raboty s mnogokanal'nym IK Fur'e-spektrometrom // Radiostroenie. 2016. № 6. S. 75-81. DOI: 10.7463/rdopt.0616.0851915
15. Dzsaber S., Negyedi M., Bernath B., Gyure B., Feher T., Kramberger C., Pichler T., Simon F. A Fourier transform Raman spectrometer with visible laser excitation // J. of Raman Spectroscopy. 2015. Vol. 46. No. 3. Pp. 327-332. DOI: 10.1002/jrs.4641
16. Oxley J., Smith J., Brady J., Dubnikova F., Kosloff R., Zeiri L., Zeiri Y. Raman and infrared fingerprint spectroscopy of peroxide-based explosives // Applied Spectroscopy. 2008. Vol. 62. No. 8. Pp. 906-915.
17. McCreery R.L. Raman spectroscopy for chemical analysis. N.Y.: Wiley, 2005. 420 p. DOI: 10.1002/0471721646
