Разработка и создание Фурье-спектрометров непрерывного сканирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, доктор технических наук Балашов, Анатолий Александрович

• Балашов, Анатолий Александрович
• доктор технических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор технических наук Балашов, Анатолий Александрович

Введение.

Глава 1. Разработка Фурье-спектрометра сверхвысокого разрешения и определение его характеристик.

§1.1. Отражатели типа «Кошачий глаз» и способ их юстировки.

§ 1.2. Фотоэлектрический метод оценки точности поступательного перемещения зеркала интерферометра Майкельсона.

§1.3. Оптико-механическая часть Фурье-спектрометра УФС-02.

§ 1.4. Оптическая схема интерферометра для Фурье-спектрометра

УФС-02.

§ 1.5. Опорный канал Фурье-спектрометра УФС-02.

§ 1.6. Определение разрешающей силы Фурье-спектрометра УФС-02.

Глава 2. Изучение с помощью Фурье-спектрометра сверхвысокого разрешения спектров паров атомарных металлов и спектров редкоземельных ионов в кристаллах.

§2.1. Возмущение запрещенных переходов в атомах таллия и туллия при столкновении с атомами инертных газов.

§ 2.2. Спектры высокого разрешения в области переходов I15/2 I13/2 для кристалла иттрий алюминиевого граната, активированного эрбием.

§ 2.3. Преимущества Фурье-спектрометра высокого разрешения при исследовании спектров редкоземельных ионов в кристаллах.

Глава 3. Разработка быстросканирующих Фурье-спектрометров для средней и дальней ИК области и определение их характеристик.

§3.1. Принцип непрерывного (быстрого) сканирования.

§ 3.2. Метод накопления интерферограмм.

§3.3. Устройство перемещения подвижного отражателя.

§ 3.4. Фурье-спектрометр ФС-01.

§ 3.5. Исследование спектральных характеристик Фурье-спектрометра

§ 3.6. Автоматизированный фотоэлектрический Фурье-спектрометр

АФС-01.

§ 3.7. Некоторые экспериментальные результаты, полученные на

Фурье-спектрометре АФС-01.

§ З.В. Лабораторный субмиллиметровый Фурье-спектрометр

ЛСФС-01.

Глава 4. Фурье-спектрометры специального назначения.

§ 4.1. Быстросканирующий Фурье-спектрорадиометр БФС-01.

§ 4.2. Двухканальный Фурье-спектрометр ФС-02.

§ 4.3. Экспериментальные результаты, полученные на Фурьеспектрометре ФС-02.

§ 4.4. Фурье-спектрометр комбинационного рассеяния света инфракрасного диапазона.

Глава 5. Фурье-спектрометр широкого применения и его использование.

§ 5.1. Аналитический Фурье-спектрометр АФ-1.

§ 5.2. Методика измерений основных параметров Фурье-спектрометров широкого применения.

§ 5.3. Автоматизированная система идентификации и контроля качества горючего на основе Фурье-спектрометра АФ-1.

§ 5.4. Фурье-спектрометр ближнего ИК диапазона и его использование для изучения спектров комбинационного рассеяния света.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и создание Фурье-спектрометров непрерывного сканирования»

Современные задачи спектроскопии в инфракрасной области спектра требуют создания приборов с высокими спектроскопическими характеристиками. Требования к спектральному прибору значительно возрастают, когда необходимо зарегистрировать спектры источников слабого свечения при ограниченном времени измерений в широком диапазоне длин волн. Необходимо отметить, что до недавнего времени эти трудности в случаях, требующих еще и высокого разрешения в спектре, оказывались просто непреодолимыми. Сегодня, в связи с развитием и прогрессом вычислительной техники, открылись пути совершенствования спектральной техники. Блестящим примером такого развития является Фурье-спектроскопия, которая в настоящее время переживает бурное развитие.

Сущность метода Фурье-спектроскопии основана на использовании двухлучевого интерферометра с последующим преобразованием Фурье. Еще в конце прошлого века Майкельсон показал Л/, что интенсивность света, регистрируемая на выходе двухлучевого интерферометра с изменяемой оптической разностью хода, является косинусным Фурье-преобразованием спектра исследуемого излучения. Соответственно, в силу обратимости операции Фурье-преобразования, для восстановления искомого спектра достаточно выполнить, косинусное преобразование интерферо-граммы, описывающее изменение интенсивности сигнала на фотоприемнике в зависимости от оптической разности хода между двумя интерферирующими пучками.

Исследуемый спектр всегда ограничен либо природой излучения, либо прозрачностью материалов оптических элементов интерферометра, либо чувствительностью приемника. Именно это обстоятельство и позволяет производить преобразование Фурье по дискретным значениям интер-ферограммы, используя современные быстродействующие ЭВМ.

В настоящее время преимущества Фурье-спектроскопии общеизвестны/2,3,4/ и к ним в первую очередь следует отнести:

1. Выигрыш Фелжета /5/. Фактор мультиплексности, заключающийся в одновременной регистрации всего исследуемого спектрального диапазона.

2. Преимущество Жакино /6,7,8/. Большой геометрический фактор -выигрыш в светосиле, обусловленный осевой симметрией интерферометра и значительными размерами входной диафрагмы. В классических (дифракционных) спектрометрах геометрический фактор (инвариант Лаг-ранжа-Гельмгольца) определяется произведением площади щели на телесный угол, задаваемый коллиматором. В Фурье-спектрометрах площадь круглой входной диафрагмы значительно превышает площадь щели классического спектрометра при одинаковом разрешении и фокусных расстояниях коллиматоров.

3. Преимущество Конна /9/. Высокая точность определения волновых чисел в спектре. Она обеспечивается точным измерением оптической разности хода интерферирующих световых пучков в интерферометре, обусловленным применением в качестве стандарта частоты стабилизированного He-Ne лазера. Эта особенность Фурье-спектрометра гарантирует точность измерения волновых чисел, по меньшей мере, на порядок большую, чем в классических спектрометрах.

4. Постоянное во всем исследуемом спектральном диапазоне разрешение 5а, которое определяется только величиной предельной оптической разности хода Lmax, обеспеченной в интерферометре, 5а = 1/Lmax.

5. Широкий диапазон исследуемого спектра. Спектральный диапазон, регистрируемый за один скан, ограничивается только областью пропускания светоделителя и областью спектральной чувствительности приемника. Так, например, спектр пропускания в области от 2 до 25 мкм может быть зарегистрирован с одним источником, одним светоделителем и одним приемником излучения.

6. Практическое отсутствие рассеянного излучения /10/, которое является основным источником фотометрической погрешности в классической спектроскопии.

7. Высокая степень автоматизации спектральных исследований. Она обуславливается самой природой метода Фурье-спектроскопии, требующей численного восстановления спектра из интерферограммы. В связи с этим все Фурье-спектрометры содержат в своем составе ЭВМ, что в свою очередь создает дополнительные преимущества. Имеется возможность накопления, запоминания и сравнения спектров и последующей обработки спектральной информации. ЭВМ обеспечивает контроль основных параметров спектрометра, управление прибором и процессом сканирования, расчет искомого спектра и его документирование /11, 70/.

Перечисленные преимущества фурье-спектрометров позволяют получать спектральную информацию сразу в очень широком диапазоне длин волн за время одного эксперимента. Поэтому изучение спектральных свойств веществ в газообразном, жидком и твёрдом состоянии с помощью Фурье-спектрометров обеспечивает высокое качество научной информации.

Цель работы - разработка и изготовление нового класса спектральных приборов, а именно Фурье-спектрометров непрерывного сканирования и использование их для изучения широкодиапазонных спектров излучения и поглощения в ИК области спектра.

Основные задачи диссертации, определяемые поставленной целью, состоят в следующем:

1. Разработка и изготовление Фурье-спектрометра сверхвысокого разрешения, исследование его основных элементов и экспериментальное определение его предельных характеристик.

2. Проведение комплекса измерений широкодиапазонных спектров поглощения паров металлов и спектров поглощения редкоземельных ионов в кристаллах при низких температурах с разрешением на уровне 0,005 см"1.

3. Разработка и изготовление ряда быстросканирующих Фурье-спектрометров высокого разрешения и экспериментальное определение их спектральных характеристик.

4. Разработка и изготовление ряда Фурье-спектрометров специального назначения.

5. Разработка и изготовление Фурье-спектрометра широкого назначения, и его применение для задач контроля качества.

Научная новизна.

Комплексные исследования отдельных элементов, механических устройств перемещения и оптических схем Фурье-спектрометров позволили впервые в СССР, а позднее - и в России, создать ряд быстросканирующих Фурье-спектрометров для инфракрасной области спектра.

Рассмотрена и исследована оптическая схема интерферометра типа Майкельсона с улучшенной компенсацией фазовых искажений в светоделителе, что позволило резко снизить требования к материалу светоделителя и повысить в два раза спектральное разрешение.

На Фурье-спектрометре сверхвысокого разрешения с высокой точностью (0,005 см"1) в широком диапазоне длин волн измерены положения штарковских компонента уровней 115/2, 13/2, 11/2 иона Ег3+ в кристаллах иттрий алюминиевого граната.

С помощью Фурье-спектрометра сверхвысокого разрешения впервые в мире была обнаружена и исследована ядерная сверхтонкая структура в оптическом спектре кристалла фторида лития-иттрия активированного гольмием.

Разработана оптическая схема интерферометра для Фурье-спектрометра, которая позволила реализовать в одном приборе одновременно высокое спектральное и высокое временное разрешение.

Разработана оптическая схема двухканального Фурье-спектрометра, которая позволяет одновременно проводить измерение эталона и образца.

С помощью ИК Фурье-спектроскопии реализован на практике экспресс-метод анализа горюче-смазочных материалов.

Практическая ценность.

На основании проведенных исследований разработаны и выпущены в мелкосерийном производстве в НТЦ УП РАН ряд быстросканирующих Фурье-спектрометров различного назначения:

1. Фурье-спектрометр УФС-02 с рабочей областью спектра от 1 мкм до 100 мкм и разрешением до 0,005 см"1;

2. Фурье-спектрометр ФС-01 с рабочей областью спектра от 2 мкм до 100 мм и разрешением до 0,1 см'1. Фурье-спектрометр ФС-01 внедрен в серийное производство на Опытно-производственном предприятии НТО АН СССР г. Минска;

3. Автоматизированный фотоэлектрический спектрометр АФС-01 с рабочей область спектра от 2 мкм до 400 мкм и разрешением до 0,1 см"1;

4. Лабораторный субмиллиметровый Фурье-спектрометр ЛСФС-01 с рабочей областью спектра от 100 мкм до 3000 мкм и разрешением до 0,05 см'1.

5. Быстросканирующий Фурье-спектрорадиометр БФС-01 с рабочей областью спектра от 100 мкм до 5000 мкм с разрешением 0,1 см"1 и временным разрешением 5 мс.

6. Двухканальный фурье-спектрометр ФС-02 с рабочей областью спектра от 2 до 25 мкм и разрешением 0,5 см'1.

7. Фурье-спектрометр широкого применения с рабочей областью спектра от 2 до 25 мкм и разрешением 1 см"1.

8. Автоматизированная система контроля качества горюче-смазочных материалов АСИ ККГ.

9. Действующий макет инфракрасного Фурье-Раман спектрометра.

Результаты по исследованиям и разработкам Фурье-спектрометров внедрены в Научно-технологическом центре Уникального приборостроения РАН, Институте спектроскопии РАН, Физическом институте РАН, Институте химической физики РАН, Институте космических исследований РАН, Институте физики металлов СО РАН, 25 ГОСНИИ МО РФ, Филиале Института ядерных исследований им. И.В. Курчатова, а также в ряде вузов и отраслевых НИИ.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 39 работах, в том числе в 22 центральных научно-технических периодических изданиях и сборниках научных трудов, в описаниях 6 патентов на изобретения, в 3 препринтах Института спектроскопии РАН, а также в 8 тезисах докладов на международных и отечественных научных конференциях. Ниже приведен список публикаций, выполненных с участием соискателя:

1. Букреев B.C., Балашов А.А., Вагин В.А. Отражатели для интерферометра Фурье-спектрометра высокого разрешения // ПТЭ, 1974. - № 4. -с.175-177.

2. Балашов А.А., Букреев B.C., Жижин Г.Н. Фурье-спектрометр высокого разрешения // Тезисы докладов 2-го Всесоюзного симпозиума по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения. Г.Томск, 1974 г.

3. Balashov А.А., Bukreev V.S., Zhizhin G.N. High resolution infrared spectroscopy // Abstracts of papers, Liblice near Prague, 1974.

4. Балашов A.A., Букреев B.C., Вагин В.А., ЖижинТ.Н., Культепин Н.Г., Нестерук И.Н., Перминов Е.Б. Фурье-спектрометр высокого разрешения (0,01 см"1) для спектральной области 0,6-100 мкм // Препринт ИСАН, 1976. - № 10/130. - 52 с.

5. Balashov А.А., Bukreev V.S., Vagin V.A., Kultepin N.G., Nesteruk I.N., Zhizhin G.N. Fourier-transform spectrometer for 0.6 - 100 fim with resolution 0.01 - 0.005 cm "1 // IV-th International seminar on high resolution infrared spectroscopy. Abstracts of papers, Liblice near Prague, 1976.

6. Balashov A.A., Bukreev V.S., Vagin V.A., Perminov E.B., Zhizhin G.N.

Л I

Infrared luminescence studied of Dy - doped CaF2 at helium temperature on high resolution Fourier spectrometer // IV-th International seminar on high resolution infrared spectroscopy. Abstracts of papers, Liblice near Prague, 1976.

7. Балашов А.А., Букреев B.C., Жижин Т.Н. Фотоэлектрический метод контроля непрямолинейности поступательного движения // Измерительная техника, 1976. - № 1. - с.49-50.

8. Балашов А.А., Букреев B.C., Вагин В.А., Жижин Г.Н. Интерферометр с улучшенной компенсацией фазовых искажений в светоделителе // ПТЭ, 1977. - № 2. - с.191-193.

9. Балашов А.А., Багданскис Н.И., Букреев B.C., Вагин В.А., Жижин Г.Н., Культепин Н.Г., Нестерук И.Н. Инфракрасный измерительный комплекс высокого разрешения института спектроскопии АН СССР // XVIII съезд по спектроскопии, Тезисы докладов, г.Горький, 1977.

10. Балашов А.А, Букреев B.C., Вагин В.А., Жижин Г.Н., Культепин Н.Г., Нестерук И.Н. Фурье-спектрометр высокого разрешения УФС-01 // ПТЭ, 1978. - № 2. - с.268.

11. Балашов А.А., Букреев B.C., Нестерук И.Н., Филиппов O.K. О выборе источника излучения для инфракрасного Фурье-спектрометра // ЖПС, 1978. - Т.29. - № 3. - с.559-561.

12. Balashov A., Bukreev V., Nesteruk I., Perminov E., Vagin V., Zhizhin G. High resolution Fourier transform spectrometer (0.005 cm*1) - for the 0.6-100 fim spectral range // Applied Optics, 1978. - V.17. - No.l 1. - p. 1716-1722.

13. Балашов A.A., Букреев B.C., Вагин B.A., Жижин Т.Н., Культепин Н.Г., Нестерук И.Н. Фурье-спектрометры высокого разрешения. Приборы для научных исследований // Сб. докл. Изд. СЭВ, т.1, Москва, 1980. - с.76-80.

14. Балашов А.А., Букреев B.C., Вагин В.А., Дроздов В.Н., Культепин НТ. и

Комплекс Фурье-спектрометра высокого разрешения УФС-02 // ПТЭ, 1983. - № 3. - С.239.

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

16. Агладзе Н.И., Балашов А.А., Жижин Т.Н., Попова М.Н. Спектры высокого разрешения в области переходов 4I i5/2- 4113/2, \ т для кристаллов иттрий-алюминиевого граната, активированного эрбием // Оптика и спектроскопия, 1984. - Т. 57. - № 3. - с. 379-381.

17. Agladze N.I., Balashov A.A., Bukreev V.S., Kultepin N.G., Popova M.N., Vagin V.A., Vinogradov E.A., Zhizhin G.N. New high resolution infrared Fourier-transform spectrometer and the first results in atomic, molecular and crystal spectroscopy // In: 1985 Int. Conf. on Fourier and Computerized IR Spectroscopy, ed. J.Grasselli & D.Cameron, SPIE, 1985. - p.452-453.

18. Агладзе Н.И., Балашов А.А., Веденин В.Д., Кулясов В.Н. Возмущение запрещенных переходов в атомах галлия и тулия при столкновениях с атомами инертных газов // Оптика и спектроскопия, 1987. - Т.63. - №1. -с.12-15.

19. Балашов А.А., Вагин В.А., Челноков А.И. Сканирующее устройство для получения разности хода в двухлучевом интерферометре // Автор, свид. № 1300294, 1987.

20. Балашов А.А., Болдырев Н.Ю., Бурлаков В.М. и другие. Спектроскопия ИК-отражения высокотемпературных сверхпроводящих керамик на основе лантана и иттрия // Письма в ЖЭТФ, 1987. - Т.46 (Приложения). -с.43-46.

21. Балашов А.А., Болдырев Н.Ю., Бурлаков В.М. и другие. Спектроскопия высокотемпературных сверхпроводящих керамик. - Препринт ИСАИ, 1987.-№2.-34 с.

22. Агладзе Н.И., Балашов А.А., Букреев B.C., Вагин В.А., Виноградов

Е.А., ЖижинТ.Н., Культепин Н.Г., Попова М.Н. Инфракрасный Фу* , рье-спектрометр быстрого сканирования с разрешением 0,005 см //

Сборник "Фурье-спектроскопия и современные проблемы физики и химии поверхности", Научный совет по проблеме "Спектроскопия атомов и молекул АН СССР", Москва, 1988. - с.83-114.

23. Балашов А.А., Букреев B.C., Вагин В.А., Висковатых А.В. Инфракрасный Фурье-спектрометр быстрого сканирования ФС-01 // Сборник "Фурье-спектроскопия и современные проблемы физики и химии поверхности", Москва, Научный совет по проблеме "Спектроскопия атомов и молекул" АН СССР, 1988. - с. 128-147.

24. Балашов А.А. Фурье-спектрометры среднего разрешения ФС-01, АФС-01, ЛСФС-01 // Препринт ИСАН, 1988. - № 3. - 33с.

25. Арзамасцев В.И., Балашов А.А. Устройство для юстировки Фурье-спектрометра на основе поляризационного интерферометра Майкельсона на поляризационных решетках // Автор, свид. № 1414089, 1988.

26. Балашов А.А., Вагин В.А., Челноков А.И. Фурье-спектрометр // Автор. свид. № 1492890,1989.

27. Балашов А.А., Вагин В.А. Разработка Фурье-спектрометров в ЦКБ Уникального приборостроения АН СССР // Компьютерная оптика, 1989. - Вып.4. - с.89-103.

28. Балашов А.А., Вагин В.А., Жижин Т.Н. Современные Фурье-спектрометры - новая ветвь компьютеризированной техники // Компьютерная оптика, 1989. - Вып.4. - с. 78-89.

29. Балашов А.А., Вагин В.А., Челноков А.И. Быстросканирующий Фурье-спектрорадиометр БФС-01 // Компьютерная оптика, 1989. - Вып.6. -с.72-80.

30. Балашов А.А., Вагин В.А., Висковатых А.В., Станский Л.И. Двухлу-чевой Фурье-спектрометр //Автор, свид. №1649892, 1991. 4

31.Balashov A.A., Zhizhin G.N., Chelnokov A.I., Vagin V.A. Fast-scanning Fourie-spectroradiometr BFS-1 I I 7-th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy, SPIE, 1989. - V. 1145. - p.395-396.

32. Balashov A.A., Zhizhin G.N., Vagin V.A. Modern Fourier-spectrometers -a new branch of computerized optical instrumentation // Computer Optics, 1990. - V.2. - №2. - p. 173-180.

33. Balashov A.A., Vagin V.A. Development of Fourier-spectrometers in the Soviet Union // Computer Optics, 1990. - V.2. - №2. - p. 181-190.

34. Митягин Ю.А., Мурзин B.H., Стеклицкий C.A., Чеботарев А.П., Трофимов И.Е., Балашов А.А., Блох М.А. Перестраиваемый полупроводниковый лазер субмиллиметрового диапазона // Автор, свидетельство № 1597071,1990 г.

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

36. Чечкенев И.В., Сизов А.Б., Балашов А.А., Вагин B.A., Григорьев В.Г., Наметкин О.П., Лазарев Е.С., Калинин Л.Л., Михайлов А.М. Автоматизированный способ идентификации и определения кондиционности нефтепродуктов // Патент России, № 2075062, 1997.

37. Алаторцев Е.И., Балашов А.А., Вагин В.А., Висковатых А.В., Калинин Л.Л., Хорохорин А.И., Чечкенев И.В. Автоматизированная система идентификации и контроля качества горючего на основе Фурье-спектрометра АФ-1 // Оптический журнал, 1999. - №10. - с. 113-114.

38. 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 // ПТЭ, 2003. - №2. - с.87-89.

39. Alatortsev E.I., Balashov A.A., Pustovoit V.I., Khorokhorin A.I.,Vagin V.A., Viskovatich А.V., Zhizhin G.N. Application of Fourier-transform spectrometer AF-1 for automation system of identification and quality control of fuels // Intern. Conference "Spectroscopy in Special Application". Abstracts of Papers, Kyiv, Ukraine, 2003.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав заключения и приложения. Основная часть диссертации содержит 203 страницы машинописного текста, в том числе 65 рисунка, 8 таблиц и список литературы из 101 наименования.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Балашов, Анатолий Александрович

Основные результаты настоящей диссертационной работы могут быть разделены на две группы и заключаются в следующем:

I. Создание аппаратуры и методик

1. Впервые в СССР разработан ряд быстросканирующих Фурье-спектрометров для ИК-области спектра: а) Фурье-спектрометр (УФС-02) с рабочей областью спектра от 1 до 100 мкм и разрешением до 0,005 см"1; б) Фурье-спектрометр (ФС-01) с рабочей областью спектра от 2 до 100 мкм и разрешением до 0,1 см"1 (Фурье-спектрометр ФС-01 внедрен в серийное производство на Опытном производственном предприятии НТО АН СССР г. Минска); в) Автоматизированный фотоэлектрический спектрометр (АФС-01) с рабочей областью спектра от 2 до 400 мкм и разрешением до 0,1 см"1; г) Лабораторный субмиллиметровый Фурье-спектрометр (ЛСФС-01) с рабочей областью спектра от 100 до 3000 мкм и с разрешением до 0,05 см'1; д) Быстродействующий Фурье-спектрометр (БФС-01) с рабочей областью спектра от 100 мкм до 5000 мкм, со спектральным разрешением 0,1 см"1 и временным разрешением 0,005 см"1; е) Двухканальный Фурье-спектрометр (ФС-02) с рабочей областью спектра от 2 до 25 мкм и разрешением 0,5 см"1; ж) Действующий макет Фурье-Рамаи-спектрометра инфракрасного диапазона со спектральным разрешением 2 см"1; з) Аналитический Фурье-спектрометр (АФ-1) с рабочей областью спектра от 2 до 25 мкм и разрешением 1 см"1 (Фурье-спектрометр АФ-1 внедрен в мелкосерийное производство НТЦ УП РАН).

2. Разработана оптическая схема, обеспечивающая возможность измерения значения и знака угла наклона отражателя при его поступательном перемещении и определение участка, где наблюдаются отклонения поступательного перемещения от заданного. С помощью данной схемы осуществлены измерения точности перемещения подвижного зеркала Фурье-спектрометра для различных устройств перемещения подвижного зеркала.

3. Разработана и исследована оптическая схема двухлучевого интерферометра с улучшенной компенсацией фазовых искажений в светоделителе. Рассмотрены требования, накладываемые на изготовление и юстировку отдельных его элементов (светоделителя и ретрорефлекторов). Показано, что такой интерферометр может успешно работать во всем ИК-диапазоне и реально обеспечивать разрешение до 0,005 см"1.

4. Разработана и исследована оптическая схема для быстродействующего Фурье-спектрорадиометра на двухгранных уголковых отражателях.

5. Разработана и исследована оптическая схема Фурье-Раман-спектро-метра инфракрасного диапазона на трехгранных уголковых отражателях.

6. Разработана простая методика определения фотометрических характеристик Фурье-спектрометра со спектральным разрешением на уровне 1 см"1.

7. На базе Фурье-спекгрометра АФ-1 разработана автоматизированная система идентификации и контроля качества горючего (АСИККГ).

АСИККГ сертифицирована как средство измерения военного назначения горюче-смазочных материалов (сертификат RM.C.31.018.B№ 3362).

На основе системы АСИККГ выпущен ГОСТ РВ 51560-2000 «Топливо жидкие. Экспресс-метод идентификации и контроля качества».

II. Результаты спектральных исследований

1. На Фурье-спектрометре УФС-02 исследованы спектры поглощения запрещенных линий атомов таллия (1,28 мкм) и тулия (1,14 мкм) в окружении атомов инертных газов. Экспериментально определены сдвиги запрещенных линий атомов таллия и тулия и определены величины ушире-ния этих линий в зависимости от давления инертного газа.

2. На Фурье-спектрометре УФС-02 измерены спектры поглощения кристаллов иттрий-алюминиевого граната с примесью эрбия (ИАГ-Er) при 4,2 К и при 300 К в области переходов 4115/2 4113/2 с разрешением 0,03 см"1 и точностью привязки по частоте 0,003 см"1. Проведены измерения положений штарковских компонент уровней 4115/2,13/2,11/2 иона Ег3+ в кристаллах ИАГ-Er эффективного материала для лазеров трех и полуторамикронного диапазонов.

3. С помощью Фурье-спектрометра УФС-02 была обнаружена и исследована ядерная сверхтонкая структура в оптическом спектре кристалла двойного фторида лития-иттрия активированного гольмием при низких температурах. Показано, что линии гольмия в кристаллической решетке LiYF4 при низких температурах не шире, чем в спектре атомарного гольмия, вопреки распространенному представлению.

4. С помощью прибора АФС-01 был исследован спектр фотопроводимости сплава Hgo^Cdo^Te, материала используемого для ИК-приемника. Определен температурный коэффициент ширины запрещенной зоны.

5. С помощью прибора ФС-02 были исследованы дифференциальные спектры оптической плотности бактериородопсина в инфракрасной области спектра. Обнаружена фото-индуцированная перестройка углеводородного фрагмента молекулы ретиналя бактериородопсина.

В заключение выражаю глубокую признательность члену-корреспонденту РАН В.И. Пустовойту, профессору Г.Н. Жижину, профессору В.И. Виноградову, профессору М.Н. Поповой за постоянную поддержку и веру в успех исследований.

Выражаю благодарность всем сотрудникам отдела инфракрасной спектроскопии НТЦ УП РАН, внесшим большой вклад в решение поставленных задач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе рассмотрены принципы построения и функционирования Фурье-спектрометров непрерывного сканирования таких, как УФС-02, ФС-01, АФС-01, ЛСФС-01, БФС-01, ФС-02, АФ-1, и проведены исследования их отдельных систем и узлов.

С помощью приборов был проведен ряд спектральных измерений, в ходе которых были подтверждены характеристики созданных приборов, а в ряде случаев получены и новые научные результаты.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Балашов, Анатолий Александрович, 2005 год

1. Майкельсон А.А. Исследования по оптике // M.-JL: Госиздат, 1937. — 199 с.

2. Мерц JL 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. Jacquinoi P. 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. ЖакиноП. Достижения интерференционной спектроскопии // УФН, 1962. Т.78. - с.123-166.

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

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

11. Балашов A.A., Вагин В.А., Жижин Г.Н. Современные Фурье-спектрометры — новая ветвь компьютеризированной техники // Компьютерная оптика, 1989. Вып.4. - с.78-89.

12. Балашов А.А., Букрев B.C., Вагин В.А., Жижин Г.Н., Культепин Н.Г., Нестерук И.Н. Фурье-спектрометр высокого разрешения У ФС-01 // ПТЭ, 1978.-№2.-с. 268.

13. Балашов А.А., Букреев B.C., Вагин В.А., Жижин Г.Н., Культепин Н.Г., Нестерук И.Н., Перминов Е.Б. Фурье-спектрометр высокого разрешения (0,01 см'1) для спектральной области 0,6-г100 мкм // Препринт ИСАИ, 1976. № 10/130. - 52 с.

14. Балашов А.А., Букреев B.C., Вагин В.А., Дроздов В.Н., Культепин Н.Г. Комплекс Фурье-спектрометра высокого разрешения УФС-02 // ПТЭ, 1983. № 3. - с.239.

15. Букреев B.C., Балашов А. А., Вагин В .А. Отражатели для интерферометра Фурье-спектрометра высокого разрешения // ПТЭ, 1974. № 4. -с.175-177.

16. Beer R., Marjaniemi D. Wave fronts and construction tolerances for a cats -eye retroreflection // Applied Optics, 1966. V.5. - No. 7. - p. 1191-1197.

17. Cuisenier M., Pinard J. Fourier spectrometer with a cats eye retroreflectors // J. de Physique, 1967. - V.28. - Colloq.C2. - Suppl.3-4. - p.97-103.

18. Sanderson R.B., Scott H.E. High resolution far infrared interferometer // Applied Optics, 1971. V.10. -No. 5. - p.1097-1102.

19. Балашов A.A., Букреев B.C., Жижин Г.Н. Фотоэлектрический метод контроля непрямолинейности поступательного движения // Измерительная техника, 1976. № 1. - с.49-50.

20. Коронкевич В.П., Ленкова Г.А. Лазерный интерферометр для измерения длины // Автометрия, 1971. № 1. - с.4-9.

21. Букреев B.C., Вагин В.А. Выбор световых диафрагм предварительногомонохроматора Фурье-спектрометра высокого разрешения УФС-02 // ЖПС, 1979. Т.31. - № 1. - с.30-34.

22. Букреев B.C., Вагин В.А., Жижин Г.Н. // Автор, свид. № 508665, 1976.

23. Балашов А.А., Букреев B.C., Вагин В.А., Жижин Г.Н. Интерферометр с улучшенной компенсацией фазовых искажений в светоделителе // ПТЭ, 1977. -№ 2. с.191-193.

24. Balashov A., Bukreev V., Nesteruk 1., Perminov Е., Vagin V., Zhizhin G. High resolution Fourier transform spectrometer (0,005 cm'1) for the 0,6100 \im spectral range//Appl. Opt., 1978. - V.17. - No. 11. - p.1716-1722.

25. Хургин Я.Л., Яковлев В.П. Методы теории целых функций в радиофизике, теории связи и оптике // М.: Физ.-матлит, 1962. 220 с.

26. Букреев B.C., Вагин В.А., Культепин Н.Г. Интерференционный измеритель перемещения // Измерит, техника, 1980. № 7. - с.16-18.

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

28. Агладзе Н.И., Балашов А.А., Веденин В.Д., Кулясов В.Н. Возмущение запрещенных переходов в атомах галлия и тулия при столкновениях с атомами инертных газов // Опт. и спектр., 1987. Т.63. - № 1. - с.12-15.

29. Александров Е.Б., Веденин В.Д., Кулясов В.Н. Уширение и сдвиг резонансных линий тулия гелием // Опт. и спектр., 1984. Т.56. - №.4. -с.596-600.

30. Василевский К.П., Котылев В.Н., Кулясов В.Н. Уширение линий поглощения Ml перехода таллия инертными газами // Опт. и спектр., 1982. Т.52. - №.1. - с.161-163.

31. Зверев Г.М., Гармаш В.М., Онищенко A.M., Пашков В.А., Семенов А.А., Колбацков Ю.М., Смирнов А.И. Индуцированное излучение трехвалентных ионов эрбия в кристаллах иттриево-алюминиевого граната // ЖПС, 1974. Т. 21. - № 5. - с. 820-823.

32. Каминский А. А. Лазерные кристаллы // М., 1975. 256 с.

33. Арсеньев П.А., Кустов Е.Ф. Элементы квантовой электроники. ч.1 // М., 1973.- 147 с.

34. Агладзе Н.И., Балашов А.А., Жижин Г.Н., Попова М.Н. Спектры высокого разрешения в области переходов 4Ii5/2—> 4Ii3/2,11/2 Для кристаллов иттрий-алюминиевого граната, активированного эрбием // Оптика и спектр., 1984. Т. 57. - № 3. - с. 379-381.

35. Агладзе Н.И., Мельник Н.Н., Попова М.Н., Антонов В. А., Махмудов И.Т. Спектроскопические исследования монокристаллов гексаалюми-натов // Препринт ИСАИ, 1984. №11. - 43с.

36. Agladze N.I., Popova M.N. Hyperfine structure in optical spectra of Li YF4 -Ho // Solid State Comm., 1985. V.55. - No. 12. - p. 1097-1100.

37. Агладзе Н.И., Виноградов E.A., Попова М.Н. Исследование сверхтонких взаимодействий в кристалле LiYF4 Но // Препринт ИСАН, 1986. - № 9. - с.51.

38. Агладзе Н.И., Виноградов Е.А., Попова М.Н. Проявление квадруполь-ного сверхтонкого взаимодействия и взаимодействия между уровнями в оптическом спектре кристалла LiYF4-Ho // ЖЭТФ, 1986. Т.91. -с.1210-1218.

39. Агладзе Н.И., Виноградов Е.А., Попова М.Н. Эффект заимствования интенсивности в оптическом спектре кристалла LiYIVHo // Оптика и спектроскопия, 1986. Т.61. - № 1. - с.3-5.

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

41. Dieke G.H. Spectra and Energy of Rare Earth lone in Crystal // Interscience Publishers, 1968.-401 p.

42. Галактионова H.M., Егорова В.Ф., Зубкова B.C., Мак А.А. Спектроскопическое исследование кристаллов CaF2 — Dy // Оптика и спектроскопия, 1967. Т.22. - № 1. - с.68-73.

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

44. Балашов А.А. Фурье-спектрометры среднего разрешения ФС-01, АФС-01, ЛСФС-01 // Препринт ИСАН, 1988. №3. - 33 с.

45. Balashov A.A., Vagin V.A. Development of Fourier-spectrometers in the Soviet Union // Computer Optics, 1990. V.2. - No.2. - p. 181-190.

46. Dunn S.T. Interferometer spectrometer used as an optical chopper // Applied Optics, 1967. — V.6. — No.10. p.1780-1781.

47. Kauppinen I. Double-beam high resolution Fourier spectrometer for the far infrared //Applied Optics, 1975. V.14. -No.8. - p.1987-1992.

48. Connes P., Michel G. Astronomical Fourier spectrometer // Applied Optics, 1975. V. 14. - No.9. - p.2067-2084.

49. Эртуль Д., Мороз В.И., Нопираковский И. и др. Инфракрасный эксперимент на АМС "Венера-15" и "Венера-16" // Космические исследования, 1985. Т.23. - Вып.2. - с.191-205.

50. Spectrometric techniques. Ed. Vanasse G.A., New York, Acad. Press, 1977. -V. 1.- 355 p.

51. Вагин B.A. Инфракрасная Фурье-спектроскопия на основе непрерывно сканирующего интерферометра. Автореферат диссертации к.ф.-м.н., М., 1985.-24 с.

52. Балашов А.А., Букреев B.C., Нестерук И.Н., Филиппов O.K. О выборе источника излучения для инфракрасного Фурье-спектрометра // ЖПС, 1978. Т.29. - №3. - с.559-561.

53. Балашов А.А., Болдырев Н.Ю., Бурлаков В.М. и др. Спектроскопия ИК-отражения высокотемпературных сверхпроводящих керамик на основе лантана и иттрия // Письма в ЖЭТФ, 1987. Т.46. — Приложения. - с.43-46.

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

55. Коган Ш.М., Лифшиц Т.М. Некоторые проблемы фотоэлектрической спектроскопии // Известия Академии наук СССР, 1978. Т.42. - № 6. -с.1122-1130.

56. Jagannath С., Grabowski Z.W., Ramdas А.К. Line widths of the electronic excitation spectra of donors in silicon // Phys. Rev. В., 1981. V.23. - No. 5.- p.2082-2091.

57. Martin D.H., Puplett E. Polarised interferometric spectrometry for the millimeter and submillimeter spectrum // Infrared Physics, 1970. V. 10. - No.2. -p. 105-109.

58. Barton C.H., Yoshiaki Akimoto. A polarizing Michelson interferometer for the far-infrared and millimeter regions // Infrared Physics, 1980. — V.2. -No.2.-p.l 15-120.

59. Арзамасцев В.И., Балашов А.А. Устройство для юстировки Фурье-спектрометра на основе поляризационного интерферометра Майкель-сона на поляризационных решетках // Автор, свид. № 1414089, 1988.

60. Митягин Ю.А., Мурзин В.Н., Стеклицкий С.А., Чеботарев А.П., Трофимов И.Е., Балашов А.А., Блох М.А. Перестраиваемый полупроводниковый лазер субмиллиметрового диапазона//Автор, свид. № 1597071, 1990.

61. Балашов А.А., Вагин В.А., Челноков А.И. Быстросканирующий Фу-рье-спектрорадиометр БФС-01 // Компьютерная оптика, 1989. Вып.6.- с.72-80.

62. Balashov А.А., Zhizhin G.N., Chelnokov A.I., Vagin V.A. Fast-scanning Fourier-spectroradiometer BFS-1 // 7-th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy, SPIE, 1989. V.l 145. - p.395-396.

63. Balashov A.A, Zhizhin G.N., Vagin V.A. Modern Fourier-spectrometers -a new branch of computerized optical instrumentation // Computer Optics, 1990. V.2. -No.2. -p.173-180.

64. Балашов А.А., Вагин В.А., Челноков А.И. Фурье-спектрометр // Автор, свид. № 1492890, 1989.

65. Балашов А.А., Вагин В.А., Челноков А.И. Сканирующее устройство для получения разности хода в двухлучевом интерферометре // Автор, свид. 1300294, 1987.

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

67. Griffith P.R., de Haseth Y.A. Fourier Transform Infrared Spectroscopy // N.Y.: Wiley (Interscience), 1986. 617 p.

68. Niura Т., Thomas G. Introduction to Biophysical Methods for Protein and Nucleic Acid Research. Eds. Y.A. Glased, M.P. Deutcher. // N.Y.: Wiley 1995, p. 293-325.

69. Genzel L., Chandrasekhar H.R., Kuhl Y. // Optics Commun. 1976. -V.18.-p. 381-386.

70. Genzel L., Kuhl Y. // Infrared Phys., 1978. V.18. - p.l 13-120.

71. Балашов A.A., Вагин B.A., Висковатых A.B., Станский Л.И. Двухлу-чевой Фурье-спектрометр // Автор, свид. № 1649892, 1991.

72. Смолкин И.К., Федорова Е.П., Чуракова Р.С. Малогабаритный высокостабильный инфракрасный источник излучения // ОМП, 1972. -№12.-с. 69.

73. Balashov А.А., Vagin V.A., Viskovatich A.V., Grishkovski В., Lasarev Y.A., 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.

74. Braiman M, Nathies R. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1982. V.79. - p. 403407.

75. Smith S.O., Pardoen Y.A., Mulder P.P.Y., Curry В., Lugtenburg Y., Mathiss R. //Biochemistry, 1983. V.22. - p. 6141-6148.

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

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

78. Marcus M.A., Lewis A. // Biochemistry, 1978. V.17. - No.22. - p.4722-4733.

79. Терпугов E.JI., Висковатых A.B., Дегтярева O.B., Фесенко Е.Е. // Биофизика, 1998.-Т.43. Вып.6. - с. 1002-1011.

80. Braiman М., Mathiss R. // Biochemistry, 1980. V.19. - р.5421-5428.

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

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

83. Стерин X.E., Алексанян B.T., Жижин Г.Н. Каталог спектров комбина-^ ционного рассеяния углеводородов // М.: Наука, 1976. — 157 с.

84. Kuptsov A.N., Trofimov V.I. И J. Biomol. Struct. Dynamics, 1985. V.3. -p.185-196.

85. Купцов A.X., Жижин Г.Н. Фурье-КР и Фурье-ИК спектры полимеров // М.: Физматлит, 2001. 582 с.

86. Kauppinen J., Heinonen J., Kauppinen I. // Applied Spectroscopy Reviews, 2004. V.39.-No.l. -p.121-136.

87. Abstreiter G., Classen U., Trankle G. //Solid State Comm.,1982.-V.44.- p.673.

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

89. Воробьев В.Г., Никитин В.А. // Оптико-механическая промышленность, 1974.-№5.-с. 60-61.

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

91. Чечкенев И.В. Научно-методические основы разработки экспресс-методов и приборов оперативного контроля качества топлив в вооруженных силах и нефтепродуктообеспечивающем комплексе Российской Федерации // Автореферат диссертации д.т.н., Москва, 1999.

92. Чечкенев И.В., Сизов А.Б., Балашов А.А., Вагин В.А., Григорьев В.Г. Наметкин О.П., Лазарев Е.С., Калинин Л.Л., Михайлов A.M. Автоматизированный способ идентификации и определения кондиционности нефтепродуктов // Патент России, № 2075062, 1997.

93. На Фурье-спектрометре УФС-02 проведено множество исследований кристаллов с внедренными в них ионами редкоземельных металлов. Получены уникальные результаты, опубликованные в большом количестве научных статей.) Ч\

94. Заведующий сектором Фурье-спектроскопии профессор1. М. Н. Попова/4зждаю»1. Виноградов1. АКТ О ВНЕДРЕНИИ

95. Фурье-спектрометр ФС-01 используется в Институте спектроскопии РАН для изучения физических свойств тонких и сверхтонких пленок.

96. Главный научный сотрудник профессор1. В. А. Яковлев1. АКТ О ВНЕДРЕНИИ

97. Автоматизированный фотоэлектрический спектрометр АФС-01 используется в Институте физики металлов УО АН СССР для изучения физических свойств полупроводниковых материалов.

98. Старший научный сотру К.ф.-м.н.1. Д. ф-м. н., В.Е. Черковец1. АКТ О ВНЕДРЕНИИ

99. Фурье-спекгрорадиометр БФС-01 предназначен для быстрого измерения спектров" излучения высокотемпературной в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне на установке ТСП типа токамак.1. Директор отделения ОФТР1. Э.А. Азизов

100. Ведущий научный сотрудник ОФТРо\ ор.1. Акт о внедрении

101. Старший научный сотрудник ИБК РАНк.ф.-м.н.1. Терпугов E.J1.1. АКТ О ВНЕДРЕНИИ

102. Директор Отделения Физики Твердого Тела Физического Института им. П.Н.Лебедева РАН1. АКТо внедрении

103. Настоящим актом удостоверяется, что фурье-спектрометр АФ-1, разработанный и изготовленный в НТЦ Уникального приборостроения РАН под научным руководством А.А. Балашова, используется в Лаборатории физики неоднородных систем с 2000 года.

104. Можно отметить высокую надежность прибора и возможность получать сигналы с высоким отношением сигнал/шум.

105. Данный акт выдан для предоставления в ВАК РФ.

106. Заведующий лабораторией Физики неоднородных систем Д.ф.-м.н. Сибельдин Н.Н.1. АКТ О ВНЕДРЕНИИ

107. Фурье-спектрометр АФ-1 используется в Институте физики металлов УО РАН для изучения физических свойств полупроводниковых материалов.

108. Старший научный сотрудник К.ф.-м.н.

109. Утверждаю» Директор гедований РАН (респондент РАН Зелёный Л.М. « » 2005 г.1. АКТ о внедрении.

110. Настоящим актом удостоверяется, что Фурье-спектрометр АФ-3, разработанный и изготовленный в НТЦ Уникального приборостроения РАН под научным руководством А.А.Балашова, используется в нашем Институте с 2004 года.

111. Особую ценность для нас представляет возможность работы этого прибора в режиме нарушенного полного внутреннего отражения, что используется нами при изучении свойств мелкодисперсных материалов.

112. РВ 51560-2000 «Топлива жидкие. Экспресс-метод идентификации и контроля качества». •

113. Замначальника ФГУП «25 ГосНИИ Минобороны России» по научной работе доктор технических наук, доцент /Г1. С.Волгин

114. Начальник отдела ФГУП «25 ГосНИИ Минобороны России» кандидат технических наук, старший научный сотрудник1. Е.Алаторцевjr.