Разработка и исследование аналитических Фурье-спектрометров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Висковатых, Александр Владимирович

• Висковатых, Александр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Висковатых, Александр Владимирович

Общая характеристика работы

Введение

1. Разработка и исследование аналитического Фурье -спектрометра ФС

1.1 Исследование требований, предъявляемых к интерферометрам ИК Фурье - спектрометров. Разработка интерферометра

ИК Фурье - спектрометра ФС

1.2 Исследование требований к сканирующему устройству. Выбор типа сканирующего устройства, расчёт параметров, определение технических характеристик и разработка методики контроля

1.3 Исследование требований к юстировочным устройствам. Расчёт параметров, определение технических характеристик и разработка методик контроля

1.4 Оптическая схема ИК Фурье - спектрометра ФС

1.5 Конструкция ИК Фурье - спектрометра ФС

1.6 Разработка методик контроля основных характеристик

Фурье — спектрометра ФС-01 и аттестация

1.7 Исследование спектральных характеристик

Фурье - спектрометра ФС

2. Разработка и исследование двухканального Фурье спектрометра ФС

2.1 Исследование особенностей одноканальных и двухканальных спектрометров и разработка концепции двухканальных спектрометров

2.2 Разработка двухканального Фурье - спектрометра ФС

2.3 Экспериментальные результаты, полученные на

Фурье - спектрометре ФС

2.3.1 Исследование структуры ретиналя бактериорадопсина

2.3 2 Исследование оптических свойств сверхтонких металлических плёнок

3. Разработка Фурье - спектрометра АФ

3.1 Анализ особенностей современных Фурье - спектрометров широкого применения

3.2 Анализ чувствительности ЮС Фурье - спектрометров и факторов влияющих на неё. Разработка методики энергетического и габаритного расчёта. Разработка концепции Фурье - спектрометров широкого применения

3.3 Конструкция Фурье - спектрометра АФ

3.4 Исследование спектральных характеристик Фурье-спектрометра АФ

3.5 Автоматизированная система идентификации и контроля качества горючего на основе Фурье - спектрометра АФ

3.6 Разработка и испытания Фурье-спектрометра АФ-ЗБ на ближнюю ИК область

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование аналитических Фурье-спектрометров»

Актуальность темы.

Фундаментальные аспекты методик измерения в Фурье спектроскопии могут сегодня рассматриваться как достигшие уровня зрелости и широко применяемые для спектральных измерений от дальней ИК области до ультрафиолета. В настоящее время приборы, основанные на преобразовании Фурье [1-11], повсеместно вытеснили дифракционные приборы в средней ИК области, и всё более широко применяются в ближней ИК области и в более коротковолновом спектральном диапазоне. Многие из этих приборов применяются в исследованиях, аналитических измерениях и измерениях контроля качества.

Столь широкое применение Фурье - спектрометров в значительной степени обусловлено преимуществами мультиплексности и светосилы, которые, в общем, дают существенно меньший уровень случайных погрешностей по шкале ординат (часто меньше 0,1% пропускания или отражения) и тем самым обеспечивают большую чувствительность. По своему принципу действия, Фурье - спектрометрия является простой и элегантной методикой для спектрального анализа. Она основывается на простой оптической схеме и непосредственном математическом преобразовании. Преимущество Фурье - спектрометров в светосиле перед другими типами спектральных приборов таково, что даже значительные потери, обусловленные невысоким уровнем качества разработки и изготовления оптико-механических устройств, электронных устройств и программного обеспечения, оставляют ещё запас по чувствительности. Можно получать достаточно высокого качества спектры на Фурье — спектрометрах среднего уровня. Разного уровня спектрометры создавали и специализированные фирмы, и исследовательские группы, испытывающие по тем или иным причинам трудности в приобретении Фурье спектрометров нужной конфигурации. Однако высокого уровня спектры, на пределе обнаружительной способности метода Фурье - спектрометрии (например, КР спектры), можно получить только на Фурье - спектрометре высокого качества[12-17]. Получение высокого уровня количественных данных и в, частности, для формирования спектральных баз требует, помимо высокого уровня качества разработки и изготовления, ещё и высокий уровень точности по шкале интенсивностей, достижение, которого осложняется большим количеством потенциальных источников систематических погрешностей измерений. Высокий уровень качества Фурье - спектрометров зависит от многих факторов, но в первую очередь от качества разработки и изготовления оптико-механических устройств. Именно они определяют качество формирования двух изображений источника излучения, которые даёт интерферометр, совмещения их на приёмной площадке детектора и стабильного удержания в исходном положении в процессе измерения. В конечном итоге именно они определяют всю величину интерферометрически модулированного светового потока, доступного для спектральных измерений до того, как могут рассматриваться все остальные факторы, влияющие на качество спектрометра. Погрешности плоскостности оптических поверхностей деталей интерферометра приводят к интерференции деформированных волновых фронтов. Аберрации, вносимые коллимирующим зеркалом интерферометра, приводят к возрастанию количества наклонных лучей и увеличению погрешностей по шкале волновых чисел и по шкале ординат. Погрешности механических узлов приводят к интерференции непараллельных интерферирующих пучков лучей, не стабильных во времени[18]. Погрешности в интерферограмме, обусловленные качеством оптико-механических устройств, представляют собой наиболее фундаментальные искажения, которые переводят процесс измерения спектра, выраженного действительными числами в измерение комплексных величин.

Поэтому становится актуальной задача разработки новых, более совершенных измерительных спектральных систем, в которых минимизированы потери глубины модуляции интерферирующих пучков и погрешности по шкале волновых чисел и по шкале ординат, а также методов их расчёта, учитывающих основные искажающие факторы, в том числе и J качество изготовления основных оптико-механических устройств.

Целью диссертации является исследование особенностей современных зарубежных Фурье - спектрометров, анализ факторов влияющих на их качество, разработка концепции высококачественных отечественных Фурье -спектрометров, поиск конструктивно-технологических решений, обеспечивающих достижение их предельных характеристик. Отдельно выделены аналитические Фурье - спектрометры, необходимые для прикладных исследований в широкой области спектра ИК диапазона с высокой фотометрической точностью.

Объектами исследований являлись Фурье - спектрометры, оптико-механические устройства, входящие в состав Фурье - спектрометров: интерферометры, сканирующие, котировочные, коллимирующие устройства и устройства, формирующие оптические изображения; а также спектральные характеристики созданных аналитических Фурье - спектрометров и исследовательские и прикладные задачи, решаемые с помощью этих приборов.

Основные задачи работы:

• проведение исследований особенностей оптических схем и конструктивных решений Фурье - спектрометров;

• проведение теоретических и экспериментальных исследований оптико-механических устройств Фурье - спектрометров;

• предложение новых конструкций оптико-механических устройств;

• исследование и разработка новых технологических приёмов изготовления, сборки и контроля оптико-механических устройств Фурье - спектрометров;

• разработка методики контроля спектральных характеристик Фурье -спектрометров.

Научная новизна и основные результаты работы ^ Научная новизна и основные результаты работы состоят в следующих положениях, которые выносятся на защиту:

• методика расчёта и технология изготовления прямолинейных цилиндрических направляющих с газовой смазкой, позволившая более чем в 10 раз повысить точность прямолинейных направляющих и создать сканирующее устройство интерферометра Майкельсона, работающее с плоскими зеркалами вплоть до ультрафиолетовой области;

• концепция двухканальных Фурье — спектрометров, применение которой ^ позволило создать оригинальную двухканальную исследовательскую спектральную установку ФС-02;

• концепция Фурье - спектрометров широкого применения, применение которой позволило уменьшить габариты, повысить долговременную стабильность, снизить стоимость и повысить чувствительность Фурье -спектрометра АФ-1.

Практическая ценность работы Практическая ценность работы состоит в разработке и внедрении в мелкосерийное производство: вЬ • спектрометров ФС-01, ФС-02, АФ-1;

• новых конструкций, методов расчёта и изготовления прямолинейных направляющих с газовой смазкой;

• новой технологии изготовления клиновых котировочных устройств;

• методик габаритного и энергетического расчёта Фурье - спектрометров;

• новой технологии изготовления асферических зеркал. Ф Апробация работы.

Основные результаты работы опубликованы в 9 научно — технических периодических изданиях и в сборниках научных трудов, в описаниях 2 патентов на изобретения, а также в тезисах докладов международных конференций: 8-th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy (Lübeck, Travemünde, FRG, 1991), 22-nd European Congress on Molecular Spectroscopy (Essen, Germany, 1994), Spectroscopy m Special Application (Kiev, Ukraine, 2003).

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка использованных источников.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Висковатых, Александр Владимирович, 2005 год

1. Майкельсон А.А. Исследования по оптике //M.-J1. Госиздат, 1937.-199 с.

2. Мерц JI Интегральные преобразования в оптике // М Мир, 1969. -181 с.

3. Инфракрасная спектроскопия высокого разрешения. Сб. статей // М. Мир, 1972. 352 с

4. Белл Р. Введение в Фурье-спектроскопию // М.: Мир, 1975 384 с

5. Паршин П Ф Отношение сигнал/шум в спектрах, полученных методом Фурье-спектрометрии // Опт и спектр , 1964. Т. 16. - Вып.З. - с 507-512

6. Jacquinot Р New developments in interference spectroscopy // Rep Progr. Phys., 1960. V.23. -p.267-312

7. Girard A., Jacquinot P Principles of instrumental methods in spectroscopy // Advanced Optical Techniques. Amsterdam, 1967 678 p.

8. Жакино П. Достижения интерференционной спектроскопии // УФЫ, 1962 Т 78 - с. 123-166

9. Connes J., Connes Р Near infrared planetary by Fourier -spectroscopy I. Instruments and results // J Opt. Soc. Amer, 1969. - V.56 - No. 7. - p 896-910

10. Пинар Ж Фурье-слектрометр высокого разрешения // В сб. Инфракрасная спектроскопия высокого разрешения, М.: Мир, 1972 -с.57-127

11. Конн Ж., Делуи Э , Конн П, Гелашвили Г , Майар Ж.-П., Мишель Г Фурье-спектроскопия с использованием миллиона точек интерферограммы. В сб., "Инфракрасная спектроскопия высокого разрешения" под ред. Жижина Г Н. // М : Мир, 1972 - с. 19-56

12. Long D A. Raman Spectroscopy // London- McGraw-Hill, 1977 326 p

13. Стерин XE, Алексанян ВТ, Жижин ГН Каталог спектров комбинационного рассеяния углеводородов //М. Наука, 1976 157 с.

14. Kuptsov A.N, Trofimov VI. //J Biomol Struct. Dynamics, 1985 V 3.р 185-196

15. Архипов В В Системы сканирования быстродействующих фурье-спектрометров // ИКА. вып. 6

16. Балашов А А Фурье-спектрометры среднего разрешения ФС-01, АФС-01, ЛСФС-01 //ПрепринтИСАИ, 1988. -№3 -33 с.

17. Balashov А.А., Vagin V.A. Development of Fourier-spectrometers in the Soviet Umon // Computer Optics, 1990 Y.2. - No 2 - p. 181-190.

18. Вагин В.А Инфракрасная Фурье-спектроскопия на основе непрерывно сканирующего интерферометра. Автореферат диссертации к ф -м.н., М, 1985.-24 с.

19. Вагин В А. // Журнал прикладной спектроскопии, 1984. Т 41 - № 4. -с 165

20. Griffith Р R., de Haseth Y A. Fourier Transform Infrared Spectroscopy //NY. Wiley (Interscience), 1986. 617 p.

21. Gebbie H.A. Fourier transform versus grating spectroscopy // Appl. Opt.,1969 -V.8 -No. 3 -p 501-504

22. Williams C. S Mirror misalignment in Founer spectroscopy using Michelson interferometer with circular aperture //Appl Opt, 1966 v 5 - №6 -p 1084-1085.

23. АнгоА Математика для электро- и радиоинженеров /Пер с франц. Подред ШифринаК С -М. Наука, 1965 -780 с.

24. Gerald L Auth Multiplex interferometer //Patent USA № 3,936,193-1976

25. David R. Strait Moving mirror tilt adjust mechanism in an mterferometer // Patent USA № 4,991,961 1991

26. Справочник конструктора точного приборостроения// Под ред. ЛитвинаФ JI. -Л. Машиностроение, 1964.-944с.

27. Haycock R Static and dynamic characteristics of a precision gas-lubricated interferometer slide // The 7th International Gas Bearing Symposium, Cambridge, England, Book of Abstracts, 1976 -p. cl-cl6

28. Подшипники с газовой смазкой // Под ред. Грэссема Н. С и Пауэлла Дж У, пер. с анг. Под ред. Харламова С. А., М . Мир, 1966. 423с.

29. Пинегин С В Табачников Ю. Б. Сипенко И. Е. Статические и динамические характеристики газостатических опор // М. : Наука, 1982 265 с.

30. Лойцянский Л Г Механика жидкости и газа // 5-е изд. М. Наука, 1978.- 736 с

31. Балашов A.A., Букреев В.С , Жижин Г Н Фотоэлектрический методф} контроля непрямолинейности поступательного движения //Измерительная техника, 1976 №1 - с.49-50

32. Коломийдов Ю В. Интерферометры //- Л. Машиностроение, 1976 -296 с

33. Hansen F. Justierung // 2.Aufl., Berlin • VEB Verlag Technik, 1976 S. 46 -154-155

34. Андреев В С , Балашов А А, Букреев В С., Вагин В.А., Висковатых А В , Давыдов А Е , Капустин С А , Культепин Н.Г , Руренко A.A. Инфракрасный Фурье-спектрометр ФС-01 //ПТЭ, 1983 № 5 - с.229-230

35. Балашов А.А, Болдырев Н.Ю, Бурлаков В.М. и др. Спектроскопиявысокотемпературных сверхпроводящих керамик // Препринт ИСАН, 1988 -№2.-34 с

36. Genzel L., Kuhl Y. // Infrared Phys., 1978. V 18 - p.ll3-120.G. J. Kemeny, P R. Griffiths Improved Sensitivity in Dual-Beam Fourier Transform Infrared Spectroscopy //Appl Spectrosc. 1980 - V 34. - p. 95-97.

37. Балашов А.А, Вагин B.A., Висковатых А.В., Станский Л.И. Двухлучевой Фурье-спектрометр // Автор свид. № 1649892, 1991

38. Balashov А.А, Vagin VA, Viskovatich A.V, Grishkovski В., Lasarev YA, Terpugov E.L. Two-channel Fourier Spectrometer for biophysical studies // 8-th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy, SPIE, 1991 -V.1575 -p.182-183.

39. Смолкин ИК, Федорова ЕП., Чуракова Р.С Малогабаритный высокостабильный инфракрасный источник излучения // ОМП, 1972- № 12 с 69

40. Braiman М, Nathies R //Proc Natl Acad. Sci. USA 1982 -V79 -p 403407

41. Smith S.O., Pardoen Y A, Mulder P P. Y, Curry В., Lugtenburg Y, Mathiss R. //Biochemistry, 1983 -V22.-p 6141-6148.

42. Rothsild K.Y, Zadaeski M, Cantore W.A // Biochim Biophys. Research Communs. 1981 -V 103. -p 483-489.

43. Smith S.O., Lugtenburg Y., Mathies R. // Membrane Biol. 1985 V 85 -p 95-109.

44. Marcus MA., Lewis A. // Biochemistry, 1978. V 17. - No.22. - p.47224733

45. Terpugov E L., Degtjareva O.V , Viskovatich A.V Studies of dehydration affects on the bacteriorhodopsin and its photoproducts by FTIR Spectroscopy // 22-nd European Congress on Molecular Spectroscopy, Essen, Germany, Book of Abstracts, 1994, p. 431

46. Терпугов Е.Л, Висковатых A.B., Дегтярева O.B, Фесенко ЕЕ // Биофизика, 1998. -Т.43 -Вып 6. с. 1002-1011.

47. Braiman М, Mathiss R // Biochemistry, 1980. V. 19 - р.5421-542

48. Pande Y., Callendar R.H., Ebrey T G. // Proc Natl Acad Sci. USA, 1981 -Y.78 -p. 7379-7382

49. Алиева E В., Кузик Л. А., Пудонин Ф А., Яковлев В. А. Оптические свойства тонких пленок ниобия в ИК области //Оптика и спектроскопия, 1994 Т 77 - №3.-с. 484-489

50. Алиева Е В , Кузик Л. А, Пудонин Ф А , Яковлев В АРаспространение поверхностных электромагнитных волн по кварцу со сверхтонкими пленками ниобия // Физика твердого тела, 1990 -Т 32 -№12 с.3550-3554

51. Васильев А Ф , Висковатых А.В., Волков Л.В , Гушанская Н Ю., ЖижинГ Н, Яковлев В А Приставка к спектрометру для получения ИК-спектров тонких пленок на поверхности плоских образцов // Автор св СССР, №1485073, Бюл № 21от 07.06 1989г

52. Hanssen M. and Kaplan S G Mfrared diffuse reflectance instrumentationand standards at NIST // Anal. Chim. Acta, 1999 V.380.- p 289-302.

53. Hanssen M and Kaplan S G Infrared regular reflectance andtransmittance instrumentation and standards at NIST// Anal. Chim. Acta, 1999-V 380-p 303-310.

54. Zhang Z. M., Hanssen L M., Hsia J. J., Dalta R. U., Zhu C., Griffiths PR// Mikrochim. Acta (Suppl), 1997.- V 14 p 315.

55. Dunmore F J. and Hanssen L.M. Miniature Fourier Transform Spectrometer for Radiometric Temperature Measurement //in Proc 11th International Conference of Fourier Transform Spectroscopy, ed. by J. A. de Haseth (AIP, Woodbury, NY), 1998. p. 415-418.

56. Zhang Z M and Hanssen L M. A Computer Simulation of the Nonlinearity Effect on FT-IR Measurements // Mikrochirmca Acta (Suppl.), 1997.- V14-p 317-319.

57. Zhu C and Hanssen L M. Absorption line evaluation methods for wavelength standards //Proc. SPIE, 1998 V 3425 - p. 111-118.

58. Zhang Z.M., Hanssen LM. and Datla R.U High-optical-density Out-of-band Spectral Transmittance Measurements of Bandpass Filters //Opt. Lett., 1995 -V 20(9).-p 103

59. Capter III R О The Determination of S/N in an FT-IR Experiment and theOptimization of a Broad-Band HgCdTe Detector //Appl. Spect., 1986 V 40.-№2.- p. 272-273.

60. Hirschfeld T Ideal FT-IR Spectrometers and the Efficiency of Real Instruments //Appl. Spect, 1986.-V.40 -№8 -p 1239-1240.

61. Matson D. R. Sensitivity of Fourier Transform Infrared Spectrometer // Appl. Spect, 1978.-V 32.-№>4.- p. 335-338.

62. Криксунов JI. 3. Справочник по основам инфракрасной техники // М. Сов. Радио, 1978 -400 с

63. Sternberg R S, James J F A new type of Michelson interference spectrometer//J Sci Instrum 1964.- V. 41 p. 225-226

64. Балашов A.A., Вагин В A, Висковатых A.B., Жижин Г Н., Пустовойт В.И, Хорохорин А И Аналитический Фурье-спектрометр АФ-1 широкого применения // ПТЭ, 2003 № 2 - с. 87-89

65. Kitaeva G.K, Kuznetsov К.A., Morozova V.F , Naumova I.I, Penin A.N, Shepelev A.Y, Viskovatich A.V, Zhigunov D M Reduction-induced polarons and response of Mg-doped LiNb03 crystals // Appl. Phys. B, 2004V 76.-№6 -p. 759-764.

66. Воробьев В.Г, Никитин B.A // Оптико-механическая промышленность, 1974. № 5. - с. 60-61

67. Казицина Л А , Куплетская Н Б. Применение УФ, ИК, и ЯМР-спектро-скопии в органической химии // М.: Высшая школа, 1971.-320с.