Принцип работы

5.1. Схема спектрометра показана на рис.1. Она состоит из блока управления и оптической головки. Последняя содержит ключевой элемент акустооптического спектрометра - акустооптический перестраиваемый фильтр, который осуществляет спектральную выборку излучения, и элементы управления фильтром. Блок управления содержит электронные элементы, осуществляющие функции контроля и обработки.

 

 

Рис.1. Принципиальная схема спектрометра:

ПК-1 – одноплатный (приборный) компьютер

ПК-2 – основной (пользовательский) компьютер

 

Основным элементом фильтра является кристалл кварца (SiO₂), в котором фазовая дифракционная решетка образуется благодаря упругооптическому эффекту путем распространения ультразвуковой волны, возбуждаемой пьезопреобразователем (рис.2). При дифракции на такой решетке падающее линейно поляризованное излучение «перекачивается» в другую моду, имеющую ортогональную поляризацию. Дифракция на объемной (распределенной) решетке носит накапливающийся характер лишь для одной спектральной компоненты входного излучения - той, длина волны которой находятся в определенном соотношении (синхронизме) с периодом решетки. Для других спектральных составляющих падающего излучения эта дифракция ввиду низкой ее эффективности и отсутствия эффекта накопления пренебрежимо мала. Таким образом, решетка в комбинации со скрещенными входным и выходным поляризаторами, осуществляет выделение из падающего широкополосного светового излучения узкого спектрального интервала, спектральное положение которого определяется периодом дифракционной решетки. Изменение ультразвуковой частоты приводит к сдвигу полосы пропускания фильтра по спектру. Соотношение между длиной волны l прошедшего света и ультразвуковой частотой f дается формулой

 

l = (n_e - n_o) v / f

где n_o и n_e - показатели преломления соответственно обыкновенной и необыкновенной волны, v - скорость ультразвуковой волны.

 

Рис.2. Квазиколлинеарный AOTФ.

 

6.2. Акустооптический фильтр содержит два канала, один из которых выделяет излучение видимого диапазона, а другой – ультрафиолетового. Каждый из каналов имеет отдельный акустический излучатель (пьезопреобразователь), который согласован на соответствующий диапазон частот. Каналы разнесены по пространству, и каждый из них использует половину входного зрачка объектива.

6.3. Оптическая головка содержит акустооптический фильтр, размещенный внутри светонепроницаемой коробки, ВЧ устройства управления фильтром, и входной объектив. Оптический блок состоит из акустооптического фильтра и фотоумножителя с предварительным усилителем.

Световое излучение от объекта выделяется входным объективом. Заданная спектральная составляющая выбирается акустооптическим фильтром и детектируется фотоумножителем. Фототок усиливается и передается в БУ по экранированному кабелю. Управление анодным напряжением фотоумножителя, вырабатываемым встроенным преобразователем напряжения, осуществляется с платы управления и передается на ОГ по многожильному проводу. Акустооптический фильтр питается высокочастотным сигналом, вырабатываемым ВЧ синтезатором и усиливаемым ВЧ усилителем. Сигнал управления ВЧ элементами передается из БУ по кабелю.

Основой БУ является системный блок IBM-совместимого компьютера. Этот блок содержит два компьютера и некоторые дополнительные электронные элементы (рис.1) Первый компьютер (ПК-1) содержит материнскую плату, жесткий диск, видеокарту и специальные платы: плату управления, плату аналого-цифрового преобразования (АЦП) и коллекторную плату. ПК-1 является фактически частью спектрометра, которая осуществляет контроль за его работой и обрабатывает его выходные сигналы. Он работает в режиме DOS. Контроль устройств управления фильтром (ВЧ синтезатором и ВЧ усилителем) осуществляется в цифровой форме. Второй компьютер (ПК-2) содержит материнскую плату, жесткий диск, видеокарту, дисковод гибкого диска и гнезда для подключения внешних устройств: монитора, клавиатуры, манипулятора-мыши. ПК-2 работает в среде Windows. Он служит в качестве приборного интерфейса.

Цветной монитор, клавиатура и мышь необходимы для управления прибором и вывода результатов.

6.4. Полезный сигнал АОС пропорционален спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) источника входного излучения на рабочей длине волны. Коэффициент пропорциональности, называемый спектральной чувствительностью, зависит от характеристик акустооптической ячейки и ВЧ усилителя АОС. Таким образом, для вычисления СПЭЯ источника (т.е. в единицах Вт/(см²´срад´нм)) следует разделить измеряемый спектр (отклик) на кривую спектральной чувствительности (см. Руководство пользователя), которая измерена заранее при помощи калиброванного источника и хранится в памяти прибора.

6.5. Полный сигнал АОС кроме полезной составляющей включает в себя добавочные компоненты сигнала. Первая из них, называемая засветкой, связана с проникновением на фотоприемник излучения в выключенном состоянии АОФ, что обусловлено конечным контрастом поляризаторов. Эта компонента исключается автоматически путем взаимного вычитания сигналов, накапливаемых в периоды включения и выключения АОФ (см. рис.3).

Другая компонента сигнала («темновой» сигнал) проявляется в том, что даже при отсутствии излучения на входе АОС сигнал фотоприемника отличен от нуля. Это минимальное отличие может быть обусловлено, наводками, детектированием шумов и другими факторами. Для исключения этой компоненты она должна быть измерена при закрытом объективе АОС и соответствующий режим (вычитания темнового тока) должен использоваться при измерениях (см. Руководство пользователя).

Шумовая компонента сигнала носит случайный характер и подавляется многократным измерением и усреднением сигнала. Другой способ повышения чувствительности АОС и увеличения отношения сигнал/шум заключается в повышении напряжения на ФЭУ.

6.6. Сигналы АОС синхронизируются так, как показано на рис.3. Высокочастотный сигнал, поданный на акустооптическую ячейку, представляет собой серию прямоугольных импульсов с продолжительностью 2 мс и паузой 2 мс. Каждая серия состоит из 8 импульсов, за которой следует пауза такой же длительности (32 мс). Плата АЦП, осуществляющая выборку с периодом 50 мкс, интегрирует сигнал в течение импульса и вычитает сигнал, интегрированный в паузе между импульсами (для устранения влияния постоянной засветки). Результирующий сигнал, накопленный в течении одной серии, и считается результатом измерения отклика в данной спектральной точке. Он отображается на мониторе в форме таблицы и (или) графика «сигнал - длина волны».

6.7. Для синхронизации внешних устройств со спектрометром следует использовать синхроимпульсы, подающиеся на выходной разъем синхронизации (см. рис.5). Поскольку эти импульсы совпадают с импульсами, подаваемыми на ВЧ усилитель, синхронизуемое устройство следует запускать с задержкой в 40 мкс, чтобы передний фронт возбуждаемой акустической волны успел распространиться по всей АО ячейке.

АОС также может работать с использованием внешней синхронизации (рис.4). Для этого периодическая серия синхронизирующих импульсов должна подаваться на разъем внешней синхронизации спектрометра (см. рис.5). В этом режиме АОС автоматически определяет период следования импульсов и генерирует серию внутренних синхронизирующих импульсов, которая сдвинута по отношению к внешним импульсам на величину пробега звука через кристалл (для обеспечения заполнения акустооптической ячейки ультразвуком).

 

Рис.3. Хронограмма работы АОС в режиме внутренней синхронизации.

 

6.7. Измерительный цикл АОС протекает следующим образом:

· пользователь задает на пользовательском компьютере параметры измерения (диапазон, количество точек, число накоплений, напряжение ФЭУ и т.п.);

· это задание интерпретируется пользовательской программой, расположенной на ПК-2, и переводится в последовательность элементарных измерений, которая транслируется в ПК-1;

· программа, работающая на ПК-2, организует процедуру измерения: генерирует цифровой код для управления соответствующими элементами спектрометра (ВЧ блоками, ФЭУ, платой АЦП) и для каждого элементарного измерения формирует задание, которое передается на плату управления;

· последняя вырабатывает управляющие сигналы для соответствующих элементов спектрометра;

· управляющие сигналы через плату коллектора поступают на ВЧ синтезатор, который вырабатывает частоту, соответствующую заданной длине волны фильтрации, и на ВЧ усилитель, который генерирует серию импульсов;

· в соответствии с этими импульсами акустооптический фильтр периодически пропускает излучение на заданной длине волны;

· фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) регистрирует это излучение и выдает серию импульсов фототока;

· эти импульсы, усиленные в предусилителе, поступают через плату коллектора на плату АЦП, представляющую собой программируемый аналого-цифровой преобразователь L-305, которая оцифровывает, демодулирует и интегрирует этот сигнал;

· результирующее значение сигнала обрабатывается в ПК-1 и передается на ПК-2 в качестве результата отдельного замера;

· полученное значение, обрабатывается в соответствии с требованиями, заданными пользователем (нормировка, вычитание фона и т.д.), запоминается и усредняется по серии измерений (которая идет до исчерпания заданной последовательности операций);

· спектр, содержащий усредненные значения, отражается на мониторе и может быть записан пользователем на магнитный носитель (жесткий диск-2 или гибкий диск).

Рис.4. Хронограмма работы АОС в режиме внешней синхронизации.