3. Одноканальные Спектральные приборы с селективной модуляцией

  В приборах групп 3 и 4 на рис. 2 вместо пространственного разделения длин волн применяют селективную модуляцию (кодирование) l, разделение l в этих приборах переносится из оптической части в электрическую.

Растровые спектрометры создаются по общей для одноканальных Спектральные приборы блок-схеме (рис. 4), но в сканирующем монохроматоре щели заменяются растрами специальной формы (например, гиперболическими; рис. 8). При работе входного растра попеременно в проходящем и отражённом свете возникает амплитудная модуляция излучения той l , для которой изображение входного растра совпадает с выходным растром. В излучении других l в результате угловой дисперсии изображения смещаются и амплитуда модуляции уменынается. Т. о., ширина АФ dl соответствует полупериоду растра. Растровые спектрометры дают по сравнению с щелевыми спектрометрами выигрыш в потоке (примерно в 100 раз при R » 30000), однако их применение ограничено засветкой приёмника потоком немодулированного излучения, а также сложностью изготовления растров и оптической части системы.

Рис. 8. Гиперболический растр Жерара. Тёмные полосы — зеркальные и растр попеременно работает то в проходящем, то в отражённом свете.

Сисам — спектрометр интерференционный с селективной амплитудной модуляцией — строится на основе двухлучевого интерферометра, в котором концевые зеркала заменены синхронно поворачивающимися дифракционными решётками и введён модулятор по оптической разности хода. В этом случае амплитудная модуляция накладывается только на интервал dl_диф, соответствующий дифракционному пределу в окрестности l, которая удовлетворяет условию максимума дифракции для обеих решёток. Сисам всегда работает на дифракционном пределе: R = R_диф= l / dl_диф, при этом за счёт увеличения входного отверстия поток в ~ 100 раз больше, чем в классических приборах 1 группы, но оптико-механическая часть весьма сложна в изготовлении и настройке.

Спектральные приборы, приборы для исследования спектрального состава по длинам волн электромагнитных излучений в оптическом диапазоне (10^-3—10³мкм; см. Спектры оптические), нахождения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением, а также для спектрального анализа. С. п. различаются методами спектрометрии, приёмниками излучения, исследуемым (рабочим) диапазоном длин волн и др. характеристиками.

  Принцип действия большинства С. п. можно пояснить с помощью имитатора, изображенного на рис. 1. Форма отверстия в равномерно освещенном экране 1 соответствует функции f(l), описывающей исследуемый спектр — распределение энергии излучения по длинам волн l. Отверстие в экране 2 соответствует функции а(l—l'), описывающей способность С. п. выделять из светового потока узкие участки dl в окрестности каждой l’. Эту важнейшую характеристику С. п. называют функцией пропускания, или аппаратной функцией (АФ). Процесс измерения спектра f(l) прибором с АФ а(l—l’) можно имитировать, регистрируя изменения светового потока, проходящего через отверстие, при перемещении (сканировании) экрана 2 относительно экрана 1. Очевидно, чем меньше ширина АФ, тем точнее будет измерена форма контура спектра f(l), тем более тонкая структура может быть в нём обнаружена.

Рис. 1. Результат измерений F(l) исследуемого спектра f(l) прибором с аппаратной функцией а(l—l') описывается интегралом, называемым свёрткой функции f с функцией а. Процесс свёртки можно имитировать изменением площади отверстия при относительном перемещении (сканировании) экранов 1 и 2. Чем меньше ширина dl функции а(l—l'), тем точнее прибор передаёт истинный контур f(l). Тождество F(l)ºf(l) достигается лишь при бесконечно узкой аппаратной функции (dl®0).

  Ширина АФ наряду с рабочим диапазоном l является основной характеристикой С. п.; она определяет спектральное разрешение dl и спектральную разрешающую способность R =l/dl. Чем шире АФ, тем хуже разрешение (и меньше R), но больше поток излучения, пропускаемый прибором, т. е. больше оптический сигнал и М — отношение сигнала к шуму. Шумы (случайные помехи), неизбежные в любых измерительных устройствах, в общем случае пропорциональны  (Df — полоса пропускания приёмного устройства). Чем шире Df, тем выше быстродействие прибора и меньше время измерения, но больше шумы (меньше M). Взаимосвязь величин R, М, (f определяется соотношением:

  . (1)

  Показатели степени a и b принимают различные положительные значения в зависимости от конкретного типа С. п. Константа К, зависящая только от l, определяется конструктивными параметрами данного типа С. п. и накладывает ограничения на величины R, М,Df. Кроме того, возможные значения R ограничиваются дифракцией света, аберрациями оптических систем, а значения Df — инерционностью приёмно-регистрирующей части С. п.

  Рассмотренный с помощью рис. 1 принцип действия С. п. относится к одноканальным методам спектрометрии. Наряду с ними широко распространены многоканальные методы, в которых сканирование не применяется и излучения различных l регистрируются одновременно. Это соответствует наложению на экран 1 неподвижного экрана с вырезанными N контурами АФ для разных l при независимой регистрации потоков от каждого отверстия (канала).

  Общая классификация методов спектрометрии, являющихся основой различных схем и конструкций С. п., представлена на рис. 2. Классификация дана по двум основным признакам — числу каналов и физическим методам выделения l в пространстве или времени. Исторически первыми и наиболее распространёнными являются методы пространственного разделения l (селективной фильтрации), которые называются «классическими» (группы 1 и 2 на рис. 2). В одноканальных С. п. (группа 1) исследуемый поток со спектром f(() посылается на спектрально-селективный фильтр, который выделяет из потока некоторые интервалы dl в окрестности каждой l‘ и может перестраиваться (непрерывно или дискретно), осуществляя сканирование спектра во времени по некоторому закону l’(t) . Выделенные компоненты dl посылаются на приёмник излучения, запись сигналов которого даёт функцию времени F(t). Переход от аргумента t к аргументу l даёт функцию F(l) — наблюдаемый спектр.

Рис. 2. Классификация методов спектрометрии по способам разделения длин волн. Контуры шириной dl символически изображают аппаратные функции (АФ). В «классических» методах (1 и 2) эти контуры описывают способность прибора пространственно разделять длины волн. В «новых» методах (3 и 4) АФ описывают способность прибора электрически разделять длины волн, кодированные различным образом в оптической части. В одноканальных методах (1 и 3) применяется сканирование (символ ®), в многоканальных (2 и 4 ) сканирование отсутствует, и измерение интенсивностей излучения ряда длин волн l', l'',l''',... производится одновременно. Внутри каждой группы указаны краткие названия основных типов спектральных приборов, относящихся к данной группе.

  В многоканальных С. п. (группа 2) информация об исследуемом спектре получается путём одновременной регистрации (без сканирования по l) несколлькими приёмниками потоков излучения разных длин волн (l’, l’’, l’’’, ...). Последние выделяют, например, набором узкополосных фильтров или многощелевыми монохроматорами (полихроматорами). Если расстояние между каналами не превышает dl и число каналов N достаточно велико, то получаемая информация аналогична содержащейся в записи спектра на сканирующем одноканальном приборе (при тех же dl, одинаковых приёмниках и пр. равных условиях), но время измерения может быть сокращено в N раз. Наибольшая многоканальность достигается применением многоэлементных фотоэлектрич. приёмников излучения и фотографических материалов (в спектрографах).

  Принципиальной основой «новых» методов (группы 3 и 4 на рис. 2), получивших развитие с середины 60-х гг., является селективная модуляция, при которой функция разделения l переносится из оптической в электрическую часть прибора.

  В простейшем одноканальном приборе группы 3 исследуемый поток со спектром f(l) посылается на спектрально-селективный модулятор, способный модулировать некоторой частотой f_o = const лишь интервал dl в окрестности l’, оставляя остальной поток немодулированным. Сканирование l’(t) производится перестройкой модулятора таким образом, чтобы различные l последовательно модулировались частотой f_о. Выделяя составляющую f_о в сигнале приёмника с помощью электрического фильтра, получают функцию времени F(t), значения которой пропорциональны соответствующим интенсивностям в спектре f(l).

  Многоканальные системы с селективной модуляцией (группа 4) основаны на операции мультиплексирования (multiplexing) — одновременном приёме излучения от многих спектральных элементов dl в кодированной форме одним приёмником. Это обеспечивается тем, что длины волн l‘, l‘’, l‘’’,... одновременно модулируются разными частотами f’, f’’, f’’’,... и суперпозиция соответствующих потоков в приёмнике излучения даёт сложный сигнал, частотный спектр которого по f несёт информацию об исследуемом спектре по l. При небольшом числе каналов компоненты f’, f’’, f’’’,... выделяются из сигнала с помощью электрических фильтров. По мере увеличения числа каналов гармонический анализ сигнала усложняется. В предельном случае интерференционной модуляции искомый спектр f(l) можно получить Фурье-преобразованием регистрируемой интерферограммы (см. Фурье-спектроскопия). Среди др. возможных способов многоканального кодирования получили практическое применение маски-матрицы Адамара (см. ниже).

  За рамками классификации, приведённой на рис. 2, остаются лишь методы, использующие почти монохроматическое излучение перестраиваемых лазеров (см. Спектроскопия лазерная).

Все рассмотренные группы методов спектрометрии нашли практическое воплощение в конструкциях С. п., но относительная распространённость их различна. Например, спектрометры сисам, относящиеся к группе 3, осуществлены лишь в нескольких лабораторных экспериментальных установках, а классические приборы на основе монохроматоров получили повсеместное распространение как основное средство анализа структуры и состава веществ. Рассмотрим наиболее распространённые типы С. п., следуя приведённой классификации.

1. Одноканальные С. п. с пространственным разделением длин волн
2. Многоканальные С. п. с пространственным разделением длин волн
3. Одноканальные С. п. с селективной модуляцией
4. Многоканальные С. п. с селективной модуляцией