Методы коррекции аппаратных искажений акустооптических спектрометров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЦЕНТР УНИКАЛЬНОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи УДК 535.33/.34 534::621.382 534::535

Лопухов Николай Вячеславович

МЕТОДЫ КОРРЕКЦИИ АППАРАТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ АКУСТООПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОМЕТРОВ

01.04.0! - приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2005

Работа выполнена в НТЦ Уникального приборостроения РАН

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

к.ф-м.н, В.Э. Пожар

к.ф-м.н, доцент В.Б. Волошинов

к.ф-м.н, М.М. Мазур

Ведущая организация:

ГОУ ВПО Московский Государственный Институт Стали и Сплавов (технический университет)

Защита диссертации состоится «23» ноября 2005г. в Ц час.00 мин. на заседании Диссертационного Совета Д 002.135.01 НТЦ Уникального приборостроения РАН по адресу 117342 г. Москва, ул. Бутлерова, д. 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НТЦ Уникального приборостроения РАН.

Автореферат разослан «19» октября 2005г.

Ученый секретарь диссертационного о к.ф-м.н

. ОтЗган

■диванчик

!9Ш

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Основной задачей спектральных приборов является регистрация спектральной зависимости поступающего на вход излучения. При этом, в процессе измерения, любой реальный прибор вносит определенные систематические искажения в регистрируемую зависимость (спектрограмму), так что последняя не точно совпадает со спектром падающего излучения. Поэтому важной задачей является коррекция аппаратных искажений вносимых спектрометрами.

Применительно к спектрометрам, на основе перестраиваемых акустооптических фильтров, задача коррекции формулируется следующим образом. В процессе измерения спектра с помощью акустооптических спектрометров регистрируется зависимость выходного сигнала прибора от длины волны настройки фильтра. Эта функция, нормированная на чувствительность прибора, обычно интерпретируется как спектр объекта. Однако, она имеет определенные отличия от спектра оптического излучения, поступающего на вход спектрометра. Задача коррекции аппаратных искажений состоит в восстановлении (реставрации) спектральной зависимости падающего на спектрометр излучения.

Искажения регистрируемых АО спектрометром спектров особенно заметны для линейчатых спектров (эмиссионных и абсорбционных), а также для любых спектров, имеющих крутые склоны (рис.1). Для сплошных гладких спектров искажения обычно не меняют качественный вид спектра, но могут существенно сказываться на точности расчета производных параметров, таких как цветовые координаты, индекс цвета объекта, температура нагретого тела.

т А

к А

' !

У,,УПУП... V

спектр излучения

аппаратная функция спектрограмма (перестраиваемое спектральное окно)

Рис. 1 Искажение спектра в процессе регистрации

Систематические искажения, вызываются различными факторами. Например, крылья аппаратной функции, состоящие из множества боковых окон, амплитуда которых медленно спадает по закону 1/у2, приводят к сглаживанию регистрируемых спектров (рис.2а). Этот вид искажений проявляется в спектрограммах любого АО спектрометра, поскольку сами крылья, спадающие по степенному закону, являются неотъемлемой частью функции пропускания АО фильтра.

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ! БИБЛИОТЕКА :

Другой тип искажений связан с отличием формы аппаратной функции спектрометра от «идеальной» (рис.26). Под «идеальной» аппаратной функцией везде далее будет подразумеваться функция, которая соответствует расчетному спектральному коэффициенту пропускания «идеального» АО фильтра, т.е. фильтра, содержащего единственную и ничем не искаженную дифракционную решетку.

А основное ' окно

а)

боковые окна

Л'ЛI ж!

Рис2 а) форма «идеальной» аппаратной функции АО спектрометра б) вид аппаратной функции реального АО спектрометра

Реальные АО фильтры редко полностью соответствуют критерию «идеальности». В частности, реальный фильтр содержит вспомогательные акустические пучки, например, пучки, вводящие звук в область взаимодействия. Также часто в реальных фильтрах присутствуют разного рода отраженные акустические пучки. Дифракция света на вспомогательных и «паразитных» пучках приводит к появлению дополнительных окон функции пропускания.

Наряду с пространственным многообразием акустических пучков, присутствующих в реальном АО фильтре причиной появления дополнительных окон может быть наличие «паразитных» частотных составляющих. Хотя на управляющий вход АО фильтра подается одночастотный сигнал, нелинейность отдельных элементов высокочастотного тракта может приводить к возникновению гармоник управляющего сигнала, подаваемого на АО фильтр. В этом случае аппаратная функция содержит дополнительные окна, соответствующие всем частотным составляющим. Несмотря на используемые методы подавления гармоник, их влияние не всегда удается исключить полностью и, следовательно, необходимо учитывать.

В целом, анализ искажающих факторов показывает, что результат измерения спектра оказывается всегда, в определенной степени, искажен. Причем для реальных АО спектрометров, эти искажения носят индивидуальный характер. Это означает, в частности, что результаты, полученные на разных спектрометрах, могут быть корректно сопоставлены лишь после устранения аппаратных искажений.

Приведенный анализ позволяет сформулировать несколько классов задач, для которых коррекция аппаратных искажений важна.

1. Обширный класс задач состоит в сопоставлении спектров, измеренных разными АО спектрометрами. Чрезвычайно важным примером таких задач является сопоставление спектрограмм, полученных одним и тем же спектрометром, но при разной мощности акустической волны, образующей решетку. Необходимость коррекции связана с тем, что при повышении мощности звука величина боковых окон растет нелинейно, т.е. форма функции пропускания меняется.

2. Другой важный класс задач, связан с использованием АО спектрометров, работающих в скоростном режиме. Если характерное время изменения характеристик АО фильтра меньше времени пробега звука через АО фильтр, то акустическая волна в светозвукопроводе становится неоднородной и форма окна пропускания АО фильтра существенно меняется. В качестве иллюстрации можно привести примеры дифракции света в кристалле на нескольких акустических волнах различных частот [7,8,17,18], на линейно-частотно-модулированных [9,10], на фазово-модулированных [11,12], на стоячих акустических волнах [10,13], а также дифракцию в условиях расходимости [14], затухания [10,15] или нарастания [16] акустической волны В этих случаях отличие регистрируемых спектрограмм от исходных спектров может быть весьма значительным и целью коррекции является приведение спектрограмм к виду, который давал бы «идеальный» АО фильтр.

3. Коррекция спектра имеет большое значение также для задач, требующих достаточно высокой точности определения спектральных характеристик, например, коэффициентов пропускания, оптической плотности, индекса цвета. В этих задачах аппаратные искажения приводят к дополнительной погрешности определения физических характеристик таких как, температура, цветовые координаты, содержание компонент в смесях и другие.

Таким образом, существует ряд практически важных задач, в которых используются АО спектрометры и для которых коррекция аппаратных искажений является крайне важной и даже необходимой.

Поэтому данная работа посвящена теоретическому и экспериментальному изучению аппаратных искажений АО спектрометров и разработке методов их коррекции.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов коррекции аппаратных искажений акустооптических спектрометров. В работе были поставлены следующие задачи:

• классифицировать типы возникающих в акустооптических спектрограммах аппаратных искажений;

• предложить и обосновать методы восстановления спектров по данным акустооптических спектрометров;

• испытать предложенные методы на типовых спектральных задачах, в частности используя следующие спектры: линии поглощения, линии испускания и спектры с резким спадом;

• исходя из разработанных методов, подготовить практические рекомендации по обработке спектрограмм АО спектрометров.

Научная новизна работы

1. Впервые систематически исследовано отличие между спектрограммой исследуемого излучения, полученной с помощью акустооптического спектрометра, и спектром регистрируемого излучения;

2. Разработано два новых метода коррекции аппаратных искажений:

• метод коррекции аппаратных искажений, обусловленных присутствием второй гармоники управляющего сигнала

• метод коррекции аппаратных искажений, вызванных влиянием крыльев функции пропускания АО фильтра.

Практическая значимость работы

Полученные результаты могут быть использованы при проектировании спектральных приборов на основе АО фильтров.

Разработанная методика, позволяет производить коррекцию получаемых прибором спектрограмм путем численного пересчета. Тем самым снижаются требования к аппаратной функции АО спектрометра и погрешность спектральных характеристик, измеренных с помощью АО спектрометров, может быть существенно уменьшена. Снижение требований к аппаратной части спектрометра позволяет использовать более разнообразные схемы АО фильтров.

Разработанный подход к устранению влияния паразитного окна, вызванного второй гармоникой, может быть использован и для устранения окон, вызванных другими «паразитными» акустическими волнами и пучками.

Процедура коррекции влияния второй гармоники, позволяет снять некоторые технические ограничения, накладываемые на АО спектрометр, в частности на рабочий диапазон. На основе разработанного метода создается программное обеспечение, позволяющее автоматически производить коррекцию спектрограмм получаемых АО спектрометром.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанный метод коррекции аппаратных искажений, обусловленных присутствием второй гармоники управляющего сигнала, позволяет уменьшить величину ложно пика в спектрограммах в 10 раз.

2. Разработанный метод коррекции аппаратных искажений, вызванных влиянием крыльев функции пропускания АО фильтра, позволяет снизить погрешность определения численных характеристик спектров, а именно

а) для линий излучения, имеющих ширину большую или равную ширине окна пропускания АО фильтра, погрешность определения интенсивности пика излучения снижается в 13 раз по ширине и ! О раз по высоте;

б) для аналогичных линий поглощения погрешность определения величины абсорбции снижается более чем в 20 раз.

Апробация работы

Результаты произведенных исследований были представлены на следующих конференциях:

"Оптика 2002" (Санкт-Петербург, 2002 г.),

"IX Всероссийская школа семинар физика и применение микроволн" (Звенигород, Московская область, 2003 г.),

"International conference Spectroscopy in special applications" (Киев, Украьна, 2003

г.),

"Ill международная конференция Оптика 2003" (Санкт Петербург, 2003 г.), "X Всероссийская конференция Волны 2004" (Звенигород, Московской области, 2004 г.),

"VI Международная конференция Прикладная оптике. 2004" (Санкт Петербург, 2004 г.).

"International Congress on Optics and Optoelectronics" (Poland, Warsaw. ¿8 August-2 September, 2005)

Конференция по измерительной технике и инновационным разработкам для современных технологий, в рамках выставки "Информационно-измерительная техника: инновационные разработки" (ЭлектроТехноЭкспо) (Москва, ВИЦ, 19-22 октября 2004 г.)

Кроме того, результаты исследований обсуждались на научных семинарах лаборатории акустооптической спектрометрии НТЦ УГ1 РАН.

Публикации результатов работ

По результатам выполненных исследований опубликовано 10 работ, в том i челе 4 статьи и 6 тезисов докладов на различных конференциях.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из 4 глав, а также введения и заключения. Общий объем работы составляет 110 страниц.

Диссертация включает 65 рисунков и 2 таблицы в приложениях. Библиография содержит 90 наименований.

Содержание работы

Во введении показана актуальность задачи коррекции аппаратны; искажений акустооптических спектрометров, излагаются цели работы, описаны основные положения, выдвигаемые на защиту, приводится краткое содержание

диссертации, отмечается новизна и практическая значимость проведенных исследований, а также сведения об апробации работы.

Первая глава посвящена формулировке задачи коррекции аппаратных искажений. Уравнение, описывающее измерение спектра, имеет вид свертки спектра измеряемого излучения S°(v) с аппаратной функцией прибора h(v)\

S0')= JsV)A(v-v)-dv' (1)

В результате регистрируется спектрограмма 5( v), которая имеет отличия от самого спектра v). Задача коррекции заключается в нахождении по спектрограмме такой функции, которая имела бы возможно меньшие отличия от спектра анализируемого излучения. Найденную функцию Sc( v) будем называть скорректированной спектрограммой. Процедура коррекции спектрограмм строится на использовании информации о форме аппаратной функции h(v) конкретного АО спектрометра. Однако, как показано в работе [Е.Г.Ананьев, В.Э.Пожар, В.И.Пустовойт, Акустооптические методы измерения спектров оптического излучения. Оптика и спектроскопия, 1987, т.62, в.1, с.159-165.}, даже точное знание этой аппаратной функции не позволяет получить полную информацию о спектре падающего оптического излучения. Это возможно видеть, если в уравнении (1) перейти к фурье-образам (ФО) функций (обозначены тильдой):

S(T) = S*(t)-K(T) (2)

и принять во внимание, что ФО аппаратной функции имеет финитный носитель. К(т)~ о при т>|тр|. Соответственно, компоненты ФО спектра 5"' за пределами интервала (-тр; тр) «обрезаются». Границы этого интервала определяются длиной АО фильтра: тр = L/vac, где L - длина области акустооптического взаимодействия в направлении распространения света, vac - скорость звука. Таким образом, аппаратная функция любого АО спектрометра имеет необратимо сглаживающие свойства, т.е. информация о мелкомасштабной структуре измеряемых спектров полностью теряется в ходе измерений. Поэтому, для восстановления формы измеряемых спектров, необходимо привлекать априорную информацию об этих спектрах. В отсутствии такой информации возможна лишь частичная коррекция спектра, которая также важна для практики, например, для повышения точности измерения спектральных характеристик.

Анализ физических причин возникновения искажений позволил выделить два типа искажающих факторов. Первая группа связана с «неидеальностью» АО спектрометра, т.е. отличием формы аппаратной функции от «идеальной», которая имеет вид h^v) = (sinav / av/. Примером таких факторов, являются паразитные окна аппаратной функции. Вторая причина систематических искажений спектрограммы — медленно спадающие крылья аппаратной функции, которые присутствуют даже в «идеальной» аппаратной функции. В соответствии с этим, задачи коррекции можно условно разделить на два типа. Задачи, целью которых является устранение влияния на спектрограммы отличия аппаратной функции АО

спектрометра от «идеальной», будем в дальнейшем называть задачами коррекции первого типа. Задачи коррекции спектрограмм, полученных АО спектрометром с «идеальной» аппаратной функцией будем называть задачами коррекции второго типа. В общем случае, таким образом, любая задача коррекции может быть сведена к двум последовательным шагам: первый из них заключается в устранении искажений, связанных с наличием паразитного окна пропускания, а второй шаг состоит в решении соответствующей задачи восстановления спектра. Показано, что множество задач, связанных с определением отдельных параметров спектра, можно разделить на две группы по критерию наличия априорной информации о спектре объекта. Задачи первого типа могут быть поставлены корректно, тогда как задачи второго типа являются некорректными и требуют привлечения априорной информации.

Вторая глава посвящена методам и средствам измерения спектра, использованным в работе. В работе с помощью АО спектрометров регистрировались спектрограммы разных источников, и эти спектрограммы использовались для обработки и проверки разработанных методов коррекции. Также в работе проводились измерения формы аппаратной функции АО спектрометров. Кроме того, разработана методика экспериментального определения спектральной зависимости коэффициента генерации второй гармоники (амплитуды паразитного окна). В данной главе описаны схемы и методики измерения спектров, использованные приборы и устройства.

Третья глава посвящена задачам коррекции аппаратных искажений, вызванных паразитными окнами пропускания акустооптического фильтра.

В §3.1 проведен анализ влияния паразитных окон на получаемую спектрограмму. Найдено выражение для аппаратной функции, для случая, когда в управляющем сигнале присутствуют дополнительная частотная составляющая, в виде второй гармоники основного управляющего сигнала. Аппаратная функция в этом случае представляется в виде:

МУ;^) = Р1(/)-Ьд(1'-У/) + Р2(/) Н0(1'-У2/) , (3)

где оптическая частота ц соответствует центру основного окна пропускания и связана с частотой / управляющего (ультразвукового) сигнала соотношением сФ'/у называемым перестроечной характеристикой, Р\ф, РгФ - мощность полезного и паразитного акустического сигнала. В целом спектрограмма представляет собой сумму интенсивностей световых волн, дифрагирующих на каждой звуковой волне, причем второе слагаемое описывает паразитный вклад второй гармоники.

В §3.2 продемонстрировано влияние паразитных окон на примере измеренных спектрограмм различных источников света: светодиодов, лазера, ртутной лампы, излучения лампы накаливания, проходящего через перестраиваемый монохроматор на основе дифракционных решеток. Для ртутной лампы величина паразитных пиков составляет около 10% от основной линии, дпя синего и зеленого светодиодов эта величина составляет порядка 17%, для

перестраиваемого источника, на основе дифракционного монохроматора, искажения имеют величину 20% (рис.3).

Рис.3. Спектрограммы узкополосного излучения, выделяемого перестраиваемым решетчатым монохроматором. Пять спектрограмм соответствуют настройке монохроматора на различные длины волн. Слева - полосы излучения прошедшего через монохроматор, справа - соответствующие паразитные полосы, уровень которых составляет до 20%

Параграф §3.3 описывает разработанную методику коррекции искажений, вызванных паразитными окнами пропускания. Поскольку регистрируемая спектрограмма представляет собой сумму двух функций: первая - спектр, который регистрировал бы АО спектрометр с «идеальным» АО фильтром, второй (паразитный) — этот же спектр смещенный, растянутый по спектральной координате и уменьшенный по амплитуде, то для устранения искажений необходимо полученную спектрограмму пересчитать с использованием перестроечной характеристики в область длин волн, соответствующую второй гармонике управляющего ВЧ сигнала, уменьшить по амплитуде, в соответствии с коэффициентом генерации второй гармоники и полученный спектр вычесть из измеренной спектрограммы. Эта процедура описывается формулой

= Ф/ с-(2/)/с(/))- И)

Отсюда следует, что качество коррекции спектрограммы определяется тем, насколько хорошо измерены перестроечная характеристика с(/), а также коэффициент I енерации второй гармоники /УЛ-

Параграф §3.4 посвящен проверке разработанного метода коррекции на практике. Разработана методика измерения коэффициента генерации второй гармоники, коюрый используется при коррекции спектрограмм. Эффективность метода коррекции проверялась на следующих спектральных зависимостях: линия лазерного излучения и линии ртутной лампы (как представители линейчатых спектров), синяя и зеленые диодные лампы (как широкополосные спектральные зависимости), а также спектры перестраиваемого монохроматора (как источник,

перестраиваемый как по частоте, так и по ширине спектра излучения). Для широкополосных источников, таких как голубой и зеленый светодиоды, удается снизить величину паразитного пика до 5% от основного пика, а для узкополосного перестраиваемого дифракционного монохроматора до 2% -в 3-10раз (рис.4). Для спектров излучения лазера и ртутной лампы высота паразитного пика была сведена до 0,2% и 1% соответственно, что приемлемо для многих задач

сиопр источник!

X

540 600

«60 720 780

длина ВОЛНЫ. ИМ

Рис.4 Скорректированная спектрограмма для спектров, представленных на рис.3.

Величина паразитных пиков составляет порядка 2% от интенсивности

спектра (по сравнению с 20% для исходной спектрограммы)

В заключение к третьей главе содержатся кратко сформулированные основные результаты данной главы.

Четвертая глава посвящена изучению проблемы коррекции аппаратных искажений, вызванных влиянием крыльев функции пропускания акустооптического фильтра.

В §4.1 проведен анализ влияния крыльев функции пропускания на регистрируемые спектрограммы. Крылья аппаратной функции АО спектрометра у) имеют осциллирующий вид с огибающей, спадающей по закону 1/у2. Они вызывают сглаживание регистрируемых спектров. Так при регистрации линейчатых спектров крылья, возникающие вокруг сильных линий, могут маскировать слабые соседние линии. При регистрации спектров, имеющих резкий перепад, возникают искажения в переходной области, вызванные влиянием более интенсивной части спектра. Особенно большие проблемы возникают при регистрации узких линий поглощения в сплошном спектре, поскольку глубина провала существенно искажается благодаря «захвату» фильтром излучения из соседних областей спектра. При регистрации гладких спектров, хотя качественный вид спектра воспроизводится, но возникать погрешности при вычислении характеристик спектра.

Сглаживающие свойства боковых крыльев аппаратной функции, демонстрируются следующим примером. Допустим, что измеряется спектральный коэффициент пропускания отрезающего светофильтра с границей пропускания V

=усф (рис.5) и при этом спектр источника излучения ограничен (у <у„). Тогда спектрограммы источника света 5И( V) и излучения, прошедшего через светофильтр 5сф( V) имеют вид ступеней с длинными «хвостами», описывающихся функциями

5И( V) ~ 1 /(ууи),

Коэффициент пропускания светофильтра = ^сф(</У^и(К), вычисленный по

этим спектрограммам, в области у <уи качественно воспроизводит спектр пропускания светофильтра ТСф°( у). Однако за пределами этой области этот вычисленный коэффициент определяется отношением «хвостов» спектрограмм

Тсф(у)~(у-У„)/{ У- Ус*) = 1 - (К - ПФ)/( I' - ^сф)

и стремится не к 0, а к I. Следовательно, эффект сглаживания может приводить к качественно неверным результатам.

Рис.5. Вычисление спектральных характеристик спектрограммам. (Модельные спектры). 5°и( V), 5йСф( у),- спектры источника света и излучения, прошедшего через светофильтр, 5„( V), 5сф( V) - их спектрограммы, ТСф°( у) - коэффициент пропускания светофильтра, ГСф( у) - коэффициент пропускания, вычисленный из спектрограмм.

В §4.2 влияние этого эффекта было продемонстрировано непосредственно на спектрограммах, полученных с использованием АО спектрометров и реальных источников света. Для этого были проведены измерения коэффициентов пропускания нескольких различных стеклянных светофильтров. На примере светофильтра ОСИ показано, что в области пониженной яркости источника возникает заметный рост коэффициента пропускания, причем, минимальное значение не достигает нуля, а составляет около 1,5% (рис.6).

г ?

х

е

1600

300000

200000

Рис.6. Вычисление спектральных характеристик спектрограммам. (Реальные спектры). 1- спектрограмма источника излучения (лампы); 2 -спектрограмма излучения, прошедшего через светофильтр ОСИ; 3 -вычисленный коэффициент пропускания светофильтра.

В дополнение к экспериментальным исследованиям проведено численное моделирование эффекта. Для этого модельный спектр источника сравнивался с рассчитанной спектрограммой. Для линейчатых спектров излучения моделирование дало следующие результаты. Даже когда ширина линии заметно превышает ширину окна пропускания АО фильтра, пик регистрируемой спектрограммы оказывается на 13% ниже исходной линии и на 10% шире. В случае же, когда линия излучения равна по ширине аппаратной функции прибора, избыточная ширина пика спектрограммы составляет уже 30%, а высота пика спектрограммы ниже пика спектра на 27%. Таким образом, численное отличие спектральных характеристик в спектрограммах линий испускания может быть довольно велико.

Для линий поглощения модельные расчеты дали следующие результаты. Когда ширина линии заметно больше ширины окна пропускания АО фильтра, а оптическая плотность мала (ц<>1<1), регистрируемая спектрограмма дает погрешность 13-16% по величине абсорбции. При увеличении оптической плотности влияние сглаживания возрастает, и погрешность определения абсорбции из спектрограммы возрастает. В случае, когда ширина линии сравнима с шириной аппаратной функции АО фильтра, в диапазоне оптической плотности объекта до ^<>¿=4, погрешность спектрограммы дает значения 30-50%. Такая погрешность может оказаться существенной для задач, связанных с количественным определением содержания поглощающего вещества по глубине его линии поглощения в спектре

В §4.3 предложен метод коррекции искажений, вызванных боковыми крыльями. Алгоритм коррекции основан на следующих рассуждениях. Оценим отличие спектрограммы от исходного спектра и скорректируем спектрограмму на эту величину. Поскольку, не зная спектра, указанное отличие можно оценить

только приближенно, то скорректированная спектрограмма будет, как и исходная, иметь отличия от спектра. Это отличие, которое, как можно ожидать, будет уже меньшим, также можно оценить и вновь скорректировать спектрограмму. Таким образом, была построена итерационная процедура, которая дает ряд скорректированных спектрограмм:

5„+1 = £„ + Д5„', где Д5„' = Л*(5о-5„),

где знак «*» обозначает операцию свертки, Ьо — исходным спектр излучения , Л., — и-ый член ряда скорректированных спектрограмм. В результате отличие и-го члена ряда от истинного спектра составляет

где индекс «и» обозначает «-кратное проведение операции свертки. В частности для двух первых членов последовательности получаются следующие выражения

& = -/7*5",, ^ = 3-5, -3 И*3\ + . Эти выражения могут быть использованы для частичной коррекции спектрограмм.

В §4.4 проведена проверка этого метода коррекции искажений, вызванных боковыми крыльями. Проверка применимости алгоритма к задачам коррекции линейчатых спектров проводилась следующим образом. Спектр падающего излучения был принят в виде отдельной линии, имеющей гауссову форму. Путем свертки этого спектра с аппаратной функцией были вычислены спектрограммы для разной ширины этой линии. Затем по формулам коррекции были вычислены скорректированные спектральные функции первого и второго порядка 5т.

Расчеты показали, что в случае, когда ширина линии была заметно больше ширины окна пропускания АО фильтра (Дуис>2,4 АуЛ()ф), алгоритм дает вполне удовлетворительные результаты (рис.7). В частности, тогда как пик регистрируемой спектрограммы на 13% ниже исходной линии и на 10% шире, то уже после первой итерации отличие скорректированного спектра, как по высоте, так и по ширине составляет 3%, а после второй итерации - менее 1%. В случае, когда линия излучения равна по ширине аппаратной функции прибора (Дуис=:Дуаоф), избыточная ширина пика спектрограммы в 30% снижается до 15% и до 11 % после первой и второй итераций. Соответственно высота спектрограммы от начальных 73% возрастает до 88% и 93% соответственно. Возникает, однако, область отрицательных значений скорректированной функции, но эти значения не превышают 1%.

В случае спектров абсорбции модельный спектр содержал линию поглощения с коэффициентом поглощения ц(у). Проверка показала, что наблюдается зависимость характеристик спектрограммы от оптической плотности среды цо£.

На рис.8 приведены зависимости погрешности определения величины пика абсорбции по регистрируемой спектрограмме и по первым двум скорректированным спектрограммам, для случая, когда ширина линии превышает ширину окна АО спектрометра.

а—т^ /V Л о« 02 Л АФ

р 1 3 5 1/ 9 41 13 1

Рис.7. Частичная коррекция измеренной спектрограммы в случае, когда ширина линии излучения сравнима с шириной аппаратной функции АО спектрометра. АФ - аппаратная функция АО спектрометра; ИС - исходный спектр; Сг - спектрограмма; 1,2- скорректированные спектрограммы, полученные после одной и двух итераций соответственно. На нижнем графике в увеличенном масштабе показаны отклонения спектрограмм от исходного спектра.

В этом случае, алгоритм коррекции дает вполне удовлетворительные результаты. В частности, при малых значениях оптической плотности (ц<>£<1) в то время как регистрируемая спектрограмма дает погрешность 13-16%, уже после первой итерации погрешность составляет менее 3%, а после второй итерации -менее 0,75%. При увеличении оптической плотности влияние сглаживания увеличивается, и погрешность определения оптической плотности непосредственно из спектрограммы возрастает.

Рис.8 Погрешность определения величины пика абсорбции в зависимости от

оптической плотности образца. Ширина линии превышает ширину окна АО спектрометра (Дуис/ДуАОф « 2,4): Сг - спектрограмма; 1,2-скорректированные спектрограммы после одной и двух итераций соответственно.

В диапазоне оптической плотности объекта до до1=3 вторая скорректированная спектрограмма 53 обеспечивает погрешность менее 1 %. Первая скорректированная спектрограмма 5, обеспечивает погрешность менее 3% в диапазоне оптической плотности объекта вплоть до Следует отметить, что

обычно наиболее важным является диапазон регистрации малых поглощений, который и определяет порог чувствительности прибора. В этом диапазоне точность определения поглощения при использовании второй итераций метода коррекции возрастает не менее чем в 15 раз.

В случае, когда ширина линии сравнима с шириной аппаратной функции АО фильтра, алгоритм коррекции позволяет обеспечить погрешность менее 10% в диапазоне оптической плотности объекта до цо¿=4 притом, что погрешность, в полученной спектрограмме дает значения 30-50%.

Результаты, приведенные в данном параграфе, подтверждают применимость метода к задачам численного определения спектральных характеристик. В §4.5 кратко изложены результаты полученные в четвертой главе.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Показано, что в зависимости от конечной цели можно выделить два принципиально разных типа задач коррекции спектрограмм, регистрируемых АО спектрометром: а) в задачах коррекции первого типа целью является приведение спектрограммы к некоторому стандартному виду для возможности корректного сопоставления спектральных данных; б) в задачах коррекции второго типа целью является восстановление вида исходного спектра для получения абсолютных данных о спектре регистрируемого излучения

2. Предложен и опробован метод коррекции задач первого типа, на примере искажений вызванных паразитным окном пропускания АО фильтра,

порождаемым присутствием второй гармоники управляющего сигнала. Показана его работоспособность. В частности в спектрах излучения лазера и ртутной лампы высота паразитного пика была сведена до 0,2% и 1% соответственно от интенсивности линий. Для широкополосных источников, таких как голубой и зеленый светодиоды и перестраиваемый дифракционный монохроматор, удалось снизить отношение амплитуды паразитного пика к основному до 5%, 5,5% и 1% соответственно (по сравнению с исходным значением - 17%).

3. Проведенный анализ позволяет сделать вывод о том, что для широкополосных источников при использовании метода коррекции основной составляющей погрешности является погрешность определения спектрального пересчетного коэффициента, тогда как для линейчатых спектров более важна точность измерения перестроечной характеристики. Поскольку последняя зависит от температуры, удается сформулировать требования на точность определения температуры внутри АО фильтра в области распространения акустической волны.

4 Разработана методика измерения коэффициента генерации второй гармоники, необходимого для использования метода коррекции. Результаты представлены в виде графика.

5. Опробован метод частичной коррекции аппаратных искажений, вызванных влиянием крыльев функции пропускания АО фильтра. Показано, что этот метод позволяет значительно улучшить точность определения таких характеристик спектров, как высота пиков линий излучения и поглощения, коэффициента пропускания. В частности, если пик регистрируемой спектрограммы на 13% ниже исходной линии и на 10% шире, то уже после первой итерации отличие скорректированного спектра, как по высоте, так и по ширине составляет 3%, а после второй итерации - менее 1%. В случае с линиями поглощения, при малых значениях оптической плотности (ц»£<1), в то время как регистрируемой спектрограммы дает погрешность 13-16%, уже после первой итерации погрешность составляет менее 3%, а после второй итерации - менее 0,75%.

6. Для спектрометров, использующих АО фильтры с одинаковой областью взаимодействия, существует способ пересчета спектрограмм одного спектрометра в спектрограммы другого спектрометра. Важным условием, позволяющим выполнять все эти действия, является достаточно точное знание аппаратной функции АО спектрометра.

Список публикаций по теме диссертации:

1. Н.В. Лопухов, В.Э. Пожар. Коррекция спектрограмм отрезающих фильтров. Известия Российской академии наук. Серия физическая, 2005, т.69, в.2, с.279-281.

2. В.Э.Пожар, Н.В.Лопухов. Алгоритм коррекции линейчатых спектрограмм, регистрируемых акустооптическими спектрометрами. В кн.: «Акустооптические, акустические и рентгеноспектральные методы и средства измерений в науке и технике», ВНИИФТРИ, 2005, с.58-63.

3. В.Э.Пожар, Н.В.Лопухов. Алгоритмы коррекции аппаратных искажений спектров, регистрируемых акустооптическими спектрометрами. Электромагнитные волны и электронные системы, т.10, в. 8

4. V.E.Pozhar, N.V.Lopukhov, V.l.Pustovoit. Spectrogram correction problem in AOTF-spectroscopy, International Congress on Optics and Optoelectronics (28 August-2 September 2005 Warsaw, Poland), Proc.SPIE, v.5923, p.261 -265.

5. H.Лопухов, В.Пожар Коррекция аппаратных искажений акустооптического спектрометра. II научная молодежная школа «Оптика 2002» (14-17 октября 2002 г, Санкт-Петербург). Сб. трудов, с.5 8.

6. В.Э.Пожар, Н.В.Лопухов. Коррекция аппаратных искажений акустооптического спектрометра Труды IX Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн» (Звенигород, 26-30 мая 2003), с. 118.

7. N.V.Lopukhov, V.E.Pozhar. AOTF spectrometer instrument function correction procedure. Abstr. Int. conf. "Spectroscopy in special applications" (Kyiv, June 18 -21,2003), p.171.

8 Пожар В.Э , Лопухов H.B. Анализ проблемы коррекции аппаратных искажений акустооптического спектрометра III Международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2003» (20 - 24 октября 2003, Санкт-Петербург).

9 Н.В. Лопухов, В.Э. Пожар. Коррекция аппаратных искажений акустооптического спектрометра. IX Всероссийская школа - семинар "Волновые явления в неоднородных средах". (Красновидово, Моск. обл., 2429 мая 2004 г.).

10.Н.В.Лопухов, В.Э.Пожар. Алгоритм коррекции спектрограмм, регистрируемых акустооптическими спектрометрами. Шестая международная конференция Фундаментальные проблемы оптики - 2004 (18-21 октября 2004 г., Санкт-Петербург), с.309-310.

Отпечатано в ООО «0ргсервис-2000» Подписано в печать №Ю.гоаЬ<*ьем Ц п.л.

Формат60x90/16. Тираж /00 экз- Заказ№ ^¡Ю- ^Т, 115419, Москва, Орджоникидзе, 3

«M962J

РНБ Русский фонд

2006-4 19813

Введение.

Глава 1. Проблема аппаратных искажении, вызываемых акустооптнческнм спектрометром.

- Формулировка задачи.

- Классификация задач.

- Задачи первого типа.

- Задачи второго типа.

Глава 2. Методы н средства измерения спектра.

§2.1 Средства измерения спектра.

- Описание схемы измерений.

- Описание экспериментальной установки.

§2.2 Метод (процедура) измерения.

- Регистрация спектрограмм.

- Измерение спектральных характеристик коррекции, необходимых для реализации методики коррекции. х - Процедура измерений для задач первого и второго типа.

Глава 3. Коррекция аппаратных искажении, вызванных паразнтнымн окнами пропускания акустооптического фильтра.

§3.1. Анализ влияния паразитных окон пропускания на регистрируемые спектрограммы.

§3.2. Экспериментальное исследование влияния паразитных окон.

§3.3. Метод коррекции искажений, вызванных паразитными I окнами.

- Описание метода коррекции.

§3.4. Проверка метода коррекции аппаратных искажении вызванных паразитными окнами аппаратной функции.

- Параметры коррекции необходимые для реализации предложенной методики.

-Использование метода коррекции.

Область нсследовашш

Оптическое излучение несет в себе информацию о свойствах источника излучения, среды, через которую оно распространялось, или объектов с которыми оно взаимодействовало. Многочисленные методы анализа позволяют извлекать эту информацию путем анализа спеюра излучения. Для регистрации распределения энергии излучения по спектру служат спектральные приборы.

Со времени создания Кирхгофом н Бунзеном первого спеюрографа (1859г.) идет постоянное развитие спектральной аппаратуры. В настоящее время широко используются спеюрометры на основе дифракционных решеток и фурье-спектрометры на основе интерферометров. Применяются также другие спектральные приборы: наборов светофильтров, модуляционные, корреляционные и другие типы спектрометров.

Отдельное семейство оптических спектральных приборов представляют собой акустооптические (АО) спектрометры [1], основанные на электронно-перестраиваемых акустооптическнх фильтрах. В основе работы АО спектрометра лежит дифракция света на объемной решетке [2], создаваемой в кристалле бегущей акустической волной. При этом длина волны дифрагированного излучения определяется периодом решетки, что позволяет менять ее путем изменения частоты звука и таким образом перестраивать АО спектрометр по спектру.

АО спектрометры работают в ультрафиолетовой [3], видимой и инфракрасной областях спектра [4-6]. Благодаря своим особенностям, таким как способность быстро перестраиваться в произвольную точку спектра, высокой светосиле [7], возможности управления нх характеристиками [8], они существенно отличаются от классических спектрометров (на основе решеток и интерферометров). Конструктивные особенности АО фильтров заключаются в отсутствии, как подвижных элементов, так и элементов с большой пространственной базой, в высокой управляющей частоте, большой пространственной и угловой апертурах. Эти свойства обеспечивают нечувствительность к тряске и вибрациям, устойчивость по отношению к воздействию окружающей среды, простоту обслуживания и малые размеры спектрометров. Это делает такие приборы перспективными для многих прикладных областей, особенно для внелабораторных измерений.

Диссертация посвящена задачам спектрометрии с использованием АО спектрометров.

Постановка задачи

Основной задачей спектральных приборов является регистрация спектральной зависимости поступающего на вход излучения. При этом в процессе измерения любой реальный спектрометр регистрирует спектр падающего излучения с определенными искажениями.

Эти искажения носят как случайный, так и систематический характер. В то время как для снижения случайных искажений (шумов) можно использовать стандартные методы, например, накопления и усреднение, задача коррекции систематических (аппаратных) искажений требует учета индивидуальных свойств используемого спектрометра.

Применительно к акустооптическим спектрометрам задача коррекции формулируется следующим образом. В процессе измерения спектра с помощью спектрометров на основе перестраиваемых фильтров регистрируется зависимость выходного сигнала прибора от длины волны настройки фильтра. Эта функция, нормированная на чувствительность прибора, обычно интерпретируется как спектр объекта. Но, она имеет определенные отличия от спектра оптического излучения, поступающего на вход спектрометра, н, чтобы подчеркнуть этот факт будем называть регистрируемую спектральную зависимость спектрограммой. Задача коррекции аппаратных искажении состоит в восстановлении (реставрации) спектральной зависимости падающего на спектрометр излучения. При восстановлении может использоваться как информация о самом приборе, так и априорная информация о спектре падающего излучения.

Процедура корректировки полученной спектральной зависимости характерна для многих спектральных средств измерений. Для классических дифракционных спектрометров эта процедура может заключаться в устранении «духов» [9] и других артефактов. Для многих спектральных приборов этап пересчета измеренных спектральных зависимостей является неотъемлемым, в частности для фурье-спектрометров, для спектрометров, использующих преобразование Адамара [10,11] где, как и в фурье-спектроскопнн для получения обычного спектра производится декодирование измеренных данных по определенным алгоритмам.

Для акустооптнческого спектрометра, регистрирующего излучение с помощью узкого подвижного окна пропускания, процедура пересчета не является обязательной, поскольку регистрируемые спектрограммы довольно близки к истинному спектру излучения [12-14]. Тем не менее, как показано в данной работе, такая процедура может быть весьма полезной и даже необходимой в тех случаях, когда аппаратная функция АО спектрометра отличается от своей теоретически рассчитанной («идеальной») формы, например, имеет «паразитные» окна пропускания [15,16]. Более того, и для спектрометра на основе идеального АО фильтра такая процедура имеет смысл, поскольку и в этом случае в спектрограмме возникают искажения, вызванные наличием у аппаратной функции медленно спадающих «крыльев», проявляющиеся, например, в ненулевых значениях спектрограммы в тех областях спектра, где излучение априори отсутствует. Таким образом, проблема устранения аппаратных искажений существует и для АО спектрометров, причем для этих приборов она имеет свою специфику.

Актуальность проблемы

Искажения спектрограмм АО спектрометром особенно заметны для линейчатых спектров (эмиссионных и абсорбционных), а также для любых спектров, имеющих крутые склоны. Для сплошных гладких спектров искажения обычно не меняют качественный вид спектра, но могут существенно сказываться на точности расчета производных параметров, таких как цветовые координаты, индекс цвета объекта, температура нагретого тела.

Аппаратные искажения у АО спектрометров вызываются двумя обстоятельствами: а) искажения, связанные с влиянием крыльев аппаратной функции, присутствуют в любом АО спектрометре, поскольку сами крылья, спадающие по степенному закону, являются неотъемлемой частью функции пропускания АО фильтра. Таким образом, влияние этого фактора присутствует всегда; б) другой вид искажений связан с отличием аппаратной функции спектрометра от «идеальной». Под идеальной аппаратной функцией при этом будем подразумевать функцию вида (Бт(х)/х), которая соответствует расчетному коэффициенту пропускания «идеального» АО фильтра, а именно, фильтра, содержащего единственную, однородную, ограниченную в одном направлении, ничем не искаженную дифракционную решетку.

Аппаратная функция реальных АО спектрометров редко полностью соответствуют критерию «идеальности». В частности, реальные фильтры часто содержат вспомогательные акустические пучки, например, пучки, вводящие звук в область взаимодействия и отводящие его (см. например, схему квазнколлннеарной геометрии дифракции [25]). Также часто в реальных фильтрах присутствуют разного рода отраженные и другие (паразитные) акустические пучки. Дифракция света на вспомогательных и «паразитных» пучках приводит к появлению дополнительных окон функции пропускания.

Наряду с пространственным многообразием акустических пучков, присутствующих в реальном АО фильтре причиной появления дополнительных окон может быть наличие «паразитных» частотных составляющих. Хотя на управляющий вход АО фильтра подается одночастотный сигнал, нелинейность отдельных элементов высокочастотного тракта может приводить к возникновению гармоник управляющего сигнала, подаваемого на АО фильтр. В этом случае аппаратная функция содержит дополнительные окна, соответствующие всем частотным составляющим. Несмотря на используемые методы подавления гармоник, их влияние не всегда удается исключить полностью и, следовательно, необходимо учитывать.

В целом, анализ искажающих факторов показывает, что результат измерения спектра оказывается всегда, в определенной степени, искажен. Причем для реальных АО спектрометров, эти искажения носят индивидуальный характер. Это означает, в частности, что результаты, полученные на разных спектрометрах, могут быть корректно сопоставлены лишь после устранения аппаратных искажений.

Приведенный анализ позволяет сформулировать несколько классов задач, для которых коррекция аппаратных искажений важна.

1. Обширный класс задач состоит в сопоставлении спектров, измеренных разными АО спектрометрами. Чрезвычайно важным примером таких задач является сопоставление спектрограмм, полученных одним и тем же спектрометром, но при разной мощности акустической волны, образующей решетку. Необходимость коррекции связана с тем, что при повышении мощности звука величина боковых окон растет нелинейно, т.е. форма функции пропускания меняется.

2. Другой важный класс задач, связан с использованием АО спектрометров, работающих в скоростном режиме. Если характерное время изменения характеристик АО фильтра меньше времени пробега звука через АО фильтр, то акустическая волна в светозвукопроводе становится неоднородной и форма окна пропускания АО фильтра существенно меняется. В качестве иллюстрации можно привести примеры дифракции света в кристалле на нескольких акустических волнах различных частот [26,27,28,29], на линейно-частотно-модулированных [30,31], на фазово-модулнрованных [32,33], на стоячих акустических волнах [31,34], а также дифракцию в условиях расходимости [35], затухания [31,36] или нарастания [37] акустической волны. В этих случаях отличие регистрируемых спектрограмм от исходных спектров может быть весьма значительным и целью коррекции является приведение спектрограмм к виду, который давал бы идеальный АО фильтр.

3. Коррекция спектра имеет большое значение также для задач, требующих достаточно высокой точности определения спектральных характеристик, например, коэффициентов пропускания, оптической плотности, индекса цвета. В этих задачах аппаратные искажения приводят к дополнительной погрешности определения физических характеристик таких как, температура, цветовые координаты, содержание компонент в смесях и другие.

Таким образом, существует ряд практически важных задач, в которых используются АО спектрометры и для которых коррекция аппаратных искажении является крайне важной и даже необходимой.

Современное состояние проблемы

Задачи коррекции аппаратных искажений встречаются в том или ином виде для всех типов измерительных приборов. В спеюрометрии эти задачи рассматривались неоднократно. Например, для дифракционных спектрометров [38], для фурье-спектрометров [39], Адамар-спеюроскопи [40] и другие.

Для АО спектрометров проблема коррекции аппаратных искажений реконструкции спектра по измеренной спектрограмме впервые была сформулирована в работе [26,41]. Там было доказано, что эта задача относится к классу некорректно поставленных задач, и была предложена процедура частичного восстановления спектра.

В дальнейшем эта проблема исследовалась в работах автора [15а-24а], где рассматривались как общие подходы [18а-20а], так и частные случаи [15а-17аД1а-24а].

Другой подход, связанный с проблемой аппаратных искажений АО фильтров и спектрометров, заключается в целенаправленном изменении формы функции пропускания АО фильтра. Этот подход в основном направлен на то, чтобы спеюрограмма не содержала пиков-сателлитов [42] и осцилляции, связанных с наличием многочисленных боковых окон в аппаратной функщш АО спектрометра [43-45]. Сглаживания формы аппаратной функции можно добиться разными способами. В неколлинеарном АО фильтре - с помощью апподнзации акустического поля в АО фильтре, основанном на разбиешш пьезопреобразователя на части и задания специального профиля распределения напряжения по акустическому излучателю [46]. В коллинеарном АО фильтре - путем использования коротких акустических импульсов заданной, например, гауссовой, формы [47]. Кроме того, уровень боковых окон удается уменьшить при использовании двойного АО фильтра [48,49-53]. Данный подход сопряжен с заметным техническим усложнением АО спектрометра. И, хотя он оказывается, безусловно, полезен в некоторых задачах, но в целом он не решает проблемы аппаратных искажений. Более того, сравнение спектрограмм, полученных спектрометрами с такими модифицированными аппаратными функциями, требует их приведения к единому сопоставимому виду, то есть осуществления процедуры коррекции.

В данной работе проведен систематический анализ проблемы и выработаны различные подходы к ее решению.

Цель работы

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов коррекции аппаратных искажений акустооптических спектрометров. В работе поставлены следующие задачи:

• классифицировать типы возникающих в спектрограммах аппаратных искажений;

• предложить и обосновать методы восстановления спектров по спектрограммам АО спектрометра;

• испытать предложенные методы на типовых спектральных задачах, в частности используя следующие спектры: линии поглощения, линии испускания и спектры с резким спадом;

• исходя из разработанных методов, подготовить практические рекомендации по обработке спектрограмм АО спектрометров.

Содержание диссертационной работы

Работа состоит из 4 глав, введения и заключения. Во введении содержится обоснование актуальности проводимых исследовании, рассматриваются задачи, в которых необходима коррекция искажении измеряемых спектрограмм, и суммированы основные результаты работы.

В первой главе сформулирована проблема аппаратных искажении, вызываемых акустооптическнм спектрометром, и рассмотрены различные типы искажении, возникающие в спектрометрах. Показано, что сглаживающие характеристики аппаратной функции АО спектрометра таковы, что при записи спектрограмм информация о быстроосциллирующнх составляющих полностью теряется, и это делает задачу восстановления вида исходного спектра некорректной. Проведен детальный анализ проблемы и на этой основе дана классификация задач коррекции.

Вторая глава посвящена описанию средств и методов, использованных в работе при экспериментальных исследованиях. В ней приведены схемы измерения спектров, устройство и технические характеристики АО спектрометров и их отдельных элементов.

В третьей главе рассмотрена задача коррекции аппаратных искажений, вызванных паразитными окнами пропускания акустооптического фильтра. Проведен теоретический анализ влияния паразитных окон пропускания на регистрируемые спектрограммы. Выполнены измерения спектров с помощью АО спектрометров, демонстрирующие вносимые данным фактором искажения. Предложен и экспериментально проверен метод коррекции искажении, позволяющий существенно снижать искажения спектрограмм. Сделаны выводы об основных факторах, определяющих погрешность методов коррекции. Построена методика измерения спектрального коэффициента генерации второй гармоники, необходимая для осуществления процедуры коррекции.

В четвертой главе исследована проблема коррекции аппаратных искажений, вызванных влиянием крыльев функции пропускания акустооптического фильтра. Проведен теоретический анализ влияния крыльев функции пропускания на регистрируемые спектрограммы. Выполнено экспериментальное исследование, которое качественно и количественно подтвердило результаты этого анализа. Разработан метод коррекции искажений, вызванных боковыми крыльями. Проведено моделирование работы метода, показывающее его работоспособность, как для коррекции спектрограмм линий поглощения, так и для линий излучения, а также для спектров отрезающих фильтров. Сделаны выводы о том, что важным условием, позволяющим выполнять все эти действия, является достаточно точное знание аппаратной функции АО спектрометра.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе.

Список литературы, использованной в работе, содержит 90 наименований.

Вспомогательные данные приведены в приложении 1. Приложение 1 содержит данные о спектральных характеристиках исследуемых источников излучения, измеренных на спектрометре РАОС-3.

Основные результаты работы

В работе получены следующие результаты.

1. Показано, что в зависимости от конечной цели можно выделить два принципиально разных типа задач коррекции спектрограмм, регистрируемых АО спектрометром: а) в задачах коррекции первого типа целью является приведение спектрограммы к некоторому стандартному виду для возможности корректного сопоставления спектральных данных; б) в задачах коррекции второго типа целью является восстановление вида исходного спектра для получения абсолютных данных о спектре регистрируемого излучения

2. Предложен и опробован метод коррекции аппаратных искажений, вызванных паразитным окном пропускания АО фильтра, порождаемым присутствием второй гармоники управляющего сигнала. Показана его работоспособность.

3. Опробован метод частичной коррекции аппаратных искажений, вызванных влиянием крыльев функции пропускания АО фильтра. Показано, что этот метод позволяет знач1ггелыю улучшить точность определения таких хараю-ернстик спектров, как высота пиков линий излучения и поглощения, коэффициента пропускания.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработанный метод коррекции аппаратных искажений, обусловленных присутствием второй гармоники управляющего сигнала, позволяет уменьшить величину ложного пика в спектрограммах в 10 раз.

2. Разработанный метод коррекции аппаратных искажений, вызванных влиянием крыльев функции пропускания АО фильтра, позволяет снизить погрешность определения численных характеристик спектров, а именно а) для линий излучения, имеющих ширину большую или равную ширине окна пропускания АО фильтра, погрешность определения интенсивности пика излучения снижается в 13 раз по ширине и 10 раз по высоте; б) для аналогичных линий поглощения погрешность определения величины абсорбции снижается более чем в 20 раз.

Научная ношгша результатов

1. Впервые систематически исследовано отличие между спектрограммой исследуемого излучения, полученной с помощью АО спектрометра, и спектром регистрируемого излучения;

2. Разработано два новых метода коррекции аппаратных искажений:

• метод коррекции аппаратных искажений, обусловленных присутствием второй гармоники управляющего сигнала;

• метод коррекции аппаратных искажений, вызванных влиянием крыльев функции пропускания АО фильтра.

Практическая значимость работы:

Полученные результаты могут быть использованы прн проектировании спектральных приборов на основе АО фильтров.

Разработанная методика, позволяет производить коррекцию получаемых прибором спектрограмм путем численного пересчета. Тем самым снижаются требования к аппаратной функции АО спектрометра и погрешность спектральных характеристик, измеренных с помощью АО спектрометров, может быть существенно уменьшена. Снижение требований к аппаратной части спектрометра позволяет использовать более разнообразные схемы АО фильтров.

Разработанный подход к устранению влияния паразитного окна, вызванного второй гармоникой, может быть использован и для устранения окон, вызванных другими «паразитными» акустическими волнами и пучками.

Процедура коррекции влияния второй гармоники, позволяет снять некоторые технические ограничения, накладываемые на АО спектрометр, в частности на рабочий диапазон. На основе разработанного метода создается программное обеспечение, позволяющее автоматически производить коррекцию спектрограмм получаемых АО спектрометром.

Апробация работы

Результаты произведенных исследований были представлены на следующих конференциях:

Оптика 2002» (Санкт-Петербург, 2002 г.),

IX Всероссийская школа семинар физика и применение микроволн» (Звенигород, Московская область, 2003 г.),

International conference Spectroscopy in special applications" (Киев, Украина 2003 г.),

III международная конференция Оптика 2003» (Санкт Петербург, 2003 г.),

X Всероссийская конференция Волны 2004» (Звенигород, Московская область 2004 г.),

VI Международная конференция Прикладная оптика 2004" (Саню-Петербург 2004 г.).

International Congress on Optics and Optoelectronics (Poland, Warsaw, 28 August-2 September 2005)

Конференция по измерительной технике и инновационным разработкам для современных технологий, в рамках выставки «Информационно-измерительная техника: инновационные разработки» (ЭлектроТехноЭкспо) (Москва, ВВЦ, 19-22 октября 2004 г.)

Кроме того, результаты исследований обсуждались на научном семинаре лаборатории акустооптической спектрометрии НТЦ УП РАН. Для удобства читателя, все ссылки на работы автора имеют кроме номера индекс «а»[15а- 24а].

Заключение

В диссертационной работе исследована проблема коррекции аппаратных искажении спектрограмм измеряемых с помощью АО спектрометров. Основные результаты работы сводятся к следующему.

1. Показано, что в зависимости от конечной цели можно выделить два принципиально разных типа задач коррекции спеюрограмм, регистрируемых АО спектрометром: а) в задачах коррекции первого типа целью является приведение спеюрограммы к некоторому стандартному виду для возможности корректного сопоставления спектральных данных; б) в задачах коррекции второго типа целью является восстановление вида исходного спектра для получения абсолютных данных о спектре регистрируемого излучения.

2. Предложен и опробован метод коррекции задач первого типа, на примере искажений вызванных паразитным окном пропускания АО фильтра, порождаемым присутствием второй гармоники управляющего сигнала. Показана работоспособность метода. В частности для широкополосных источников, таких как голубой и зеленый светодиоды и перестраиваемый дифракционный монохроматор, удалось снизить отношение амплитуды паразитного пика к основному, от исходного значения 17%, до 5%, 5,5% и 1% соответственно. В спектрах излучения лазера и ртутной лампы высота паразитного пика была сведена до 0,2% и 1%, соответственно, от исходной интенсивности линии.

3. Проведенный в работе анализ позволяет сделать вывод о том, что для широкополосных источников при использовании метода коррекции основной составляющей погрешности является погрешность определения спектрального пересчстного коэффициента, тогда как для линейчатых спектров более важна точность измерения перестроечной характеристики. Поскольку последняя зависит от температуры, то удается сформулировать требования на точность определения температуры внутри АО фильтра (в области распространения акустической волны).

4. Разработана методика измерения коэффициента генерации второй гармоники, используемого в методе коррекции. Результаты представлены в виде графика.

5. Опробован метод частичной коррекции аппаратных искажений, вызванных влиянием крыльев функции пропускания АО фильтра. Показано, что этот метод позволяет значительно улучшить точность определения таких характеристик спектров, как коэффициент пропускания светофильтра, а также высота пиков линий излучения и поглощения. В частности, если пик регистрируемой спектрограммы на 13% ниже исходной линии и на 10% шире, то уже после первой итерации отличие скорректированного спектра, как по высоте, так и по ширине составляет 3%, а после второй итерации - менее 1%. В случае с линиями поглощения, при малых значениях оптической плотности (цо£<1), если регистрируемая спектрограмма дает погрешность 13-16%, то уже после первой итерации погрешность составляет менее 3%, а после второй итерации - менее 0,75%.

6. Для спектрометров, использующих АО фильтры с одинаковой областью взаимодействия, существует способ пересчета спектрограмм одного спектрометра в спектрограммы другого спектрометра. Важным условием, позволяющим выполнять все эти действия, является достаточно точное знание аппаратной функции АО спектрометра.

В заключение хочу искренне и от всего сердца поблагодарить научного руководителя Витольда Эдуардовича Пожара, за неоценимую помощь на протяжении всей работы в аспирантуре, мудрое и тщательное руководство, постоянную поддержку и веру в успех работы. Особенная благодарность Владиславу Ивановичу Пустовойту, который проявлял постоянный интерес к работе, давал ценные советы и рекомендации и стимулировал активную работу. А также благодарю Сергея Викторовича Боритко и Игорю Борисовича Кутузу за постоянную помощь в работе н ценные советы при написании диссертации, а также всех других сотрудников НТЦ УП РАН, способствовавших выполнению этой работы.

Приложснис1. Спектральными характеристиками истинной и паразитной частей спектра для исследуемых источников излучения, измеренных на спектрометре РАОС-3. источник Тип пика Длина волны (X), им Волн, число (у) см'1. Амплитуда, ед. Ширина линии (АХ), им /(у) см"1 {Я/АХ}

Голубой диод Истинный 555/18018 300000 29/941 {19,1}

Паразитный 846/11820 50000 43/601 {19,7}

Соотношение пиков разность Уист/Угар Отношение отношение

291 1,52 7,5 1,57

Зеленый диод Истинный 570/17544 37200 16/492 {35,6}

Паразитный 854/11710 5740 24/329 {35,6}

Соотношение пиков разность отношение Отношение отношение

284 1,50 6,4 1,50

Лазер Истинный 532/18797 173000 0,2

Паразитный 785,2 4000 0,31

Соотношение пиков разнос ть отношен ие Отношение отношение

253 1,48 1,075 1,5

Ртутная линия 1-й Истинный 546/18315 366000 0,18

Паразитный 811/12330 52400 0,4

Соотношение пиков разность отношение Отношение

265 1,49 7

2-й Истинный 576,8/ 536000 0,27

Паразитный 867,3/ 79600 0,4

Соотношение пиков разность отнош. отношение отношение

290,5 1,5 6,7 2,2

3-й Истинный 579 514000 0,27

Паразитный 871 61800 0,38

Соотношение пиков разность отношение отношение отношение

292 1,5 8,3 1,48

1. Пожар В.Э., Пустовойт В.И. «Акустооптические спектрометры». XIV

2. Межд. конф. по гиромагнитной электронике и электродинамике. Микроволновые ферриты. Москва, Фнрсановка, 13-16 ноября 1998. Труды конф., т.2, с.346-364.

3. Корпел А. Акустооптика. М.: Мир, 1993

4. Ponomarev A., Radionov I., Teterin S. //Ргос. SPIE.-1995.-V.2449.-P.200207

5. Молчанов В .Я., Лютый В.М.,Есипов В.Ф., Аникин С.П., Макаров О.Ю.,

6. Солодовников Н.П. // Письма в астрономический журнал, 2002.-Т.28.-№10.-С.788-795

7. Richmond J. // Laser Focus World.June 1997.-P.119-122

8. Tran C.D., Huang G.C. // Opt.Eng.July 1999. V.38.N7.p.l 143-1148

9. V.E.Pozhar, V.I.Pustovoit "Main features of image transmission through acousto-optical filter", Photonics and optoelectronics, 1997, v.4, N.2, p.67-77.

10. В.И.Пустовойт, В.Э.Пожар. Управление характеристиками коллинеарного акустооптического фильтра путем модуляции ультразвука. Радиотехника и электроника, 1998, т.43, в.1, с.121-127.

11. В.И. Малышев Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука, 1979, с.304

12. Ф.Л.Внзен, В.Н.Жогун, В.И.Пустовойт. Авт. свид. 1340395, 1988. Кварцевый акустооптическнй фильтр.

13. Т.Г.Вискун, М.М.Мазур, В.И.Пустовойт и др. Авт. свид. 1406554, 1988. Коллинеарный акустооптическнй фильтр.

14. J.Kusters, D.A.Wilson, D.L.Hammond. Optimum crystal orientation for acoustically tuned optical filter. J. Opt. Soc. Amer., 1974, v.64, No.4, p.434-440.

15. Е.Г.Ананьев, В.Э.Пожар, В.И.Пустовойт. Акустооптические методы измерения спектров оптического излучения. Оптика и спектроскопия, 1987, т.62, в.1, с. 159-165.

16. F.W.Windels, V.I.Pustovoit, O.Leroy. Collinear acousto-optic using two nearby sound frequencies. Ultrasonics, 2000, v.38, p.586-589.

17. J.F.Turner II, P.J.Treado. Near-infrared acousto-optic tunable filter Hadamard transform spectroscopy. Appl. spectroscopy, 1996, v.50, No.2, p.277-284.

18. V.E.Pozhar, V.I.Pustovoit. Collinear diffraction: capabilities and trends. 3rd Int. Conf. "Acoustoelectronicsl87" (Varna, Bulgaria, May 4-8,1987). Proceed., p.73-94.

19. В.И.Пустовойт, В.Э.Пожар. Управление характеристиками коллинеарного акустооптического фильтра путем модуляции ультразвука. Радиотехника и электроника, 1998, т.43, в.1, с.121-127.

20. В.И.Пустовойт, В.В.Тимошенко. Акустооптический фильтр с управляемой полосой пропускания. Радиотехника и электроника, 1998, т.43, в.4, с.461-468.

21. Е.Г.Ананьев, В.Э.Пожар, В.И.Пустовойт. О брэгговскон дифракции света на стоячей звуковой волне. Оптика и спектроскопия, 1987, т.61, в.4, с.885-888.

22. Е.Г.Ананьев. О влиянии расходимости акустического пучка на характеристики коллинеарного акустооптического фильтра. В кн. "Точные измерения в акустооптнке и оптоэлектронике" (ред. В.И.Пустовойт), М.: ВНИИФТРИ, 1985, с.31-35.

23. В.И.Пустовойт. Коллинеарная дифракция света на неоднородной звуковой волне. Доклады Академии наук, 1999, т.365, в.1, с.39-43.

24. Е.Г.Ананьев, В.И.Пустовойт. Коллинеарная дифракция света на усиливающейся звуковой волне/ Физика твердого тела, 1987, т.29, в.4, с.1214-17.

25. В.И. Малышев Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука, 1979, с.87-114

26. А.И.Ефимова, А.И.Белогорохов, П.К.Кашкаров. Интерференционные Фурье-спектрометры, Москва, МГУ, 2003, 68 с.

27. Москалев В.А. Теоретические основы оптико физических исследовании. Ленинград: Машиностроение, 1987, с. 130-135

28. В.Ф.Кравченко, В.И.Пустовойт, В.В.Тимошенко, ДАН, 1996, том 351, №5, с.618-621

29. А.А.Блистанов, Т.Г.Вискун, М.М.Мазур, Л.Л.Пальцев, В.И.Пустовойт, С.И.Чижнков, В.В.Ш1шьднн, В.Н.Шоршь Особенности коллинеарного акустоптнческого взаимодействия в молибдате кальция. Ж.Т.Ф., 1988, т.58, в.1, с. 189-192.

30. Гуляев Ю.В., Курач Т.Н., Плесский В.П.//Пнсьма ЖЭТФ. 1979.Т.5.С.275

31. Григорьевский В.И., Миргородская Е.Н., Котелянскнй И.М., Орлов В.П., Плесский В.Ш/Акуст.ж. 1984, Т.30,С.19245

32. Грнгоревскнй В.И. Распространение волн Рэлея вдоль поверхности твердого тела с периодическим рельефом: Автореферат на соискание канд. фнз.-мат. наук. -Москва, 1986

33. Filatova E.Yu., Parygin V.N., Transmission function of acousto-optik cell with apodized piezotransduser. Pure and applied Optics. 3. 2001.p.40-45.

34. Холостов K.A. Управление арактернстикамнакустооптических коллинеарных ф1шьтров с помощьюкоротких акустических импульсов. МГУ, диссертация, стр.36-41,2000 г.,

35. В.Э.Пожар, В.И.Пустовойт. Повышение спектрального контраста двойных акустооптических фильтров. В кн.: «Акустооптические, акустические и рентгеноспектральные методы и средства измерений в науке и технике», ВНИИФТРИ, 2004, с.45-47.

36. Мазур М.М. и др. Спектрометр с двойным акустооптнческим монохроматором. Оптика и спектроскопия, 1996, т.81, в.З.

37. PustovoitV., Gupta N. IR acousto-optic spectrometer with double monocliromator // EOS Topical Meeting Digest Series.-1999.-V.24.-P.35-36

38. Мазур М.М. и др. Двойной акустооптическнй монохроматор на СаМо04 //Оптика и спектроскопия, 1989, т.67, в.З

39. Rusr U., Hermann Н. Modelling of integrated acoustooptical devices.// EOS Topical Meeting Digest Series.-1999.-V.24.-P.55-56

40. Hermann H. Integrated acoustooptical devices in LiNbOj // EOS Topical Meeting Digest Series-1999.-V.24 .-P. 1-2

41. В.Ф. Турчнн, Л.С. Туровцева, Восстановление оптических спектров и других неотрицательных функций по методу статистической регуляризации, Оптика и спектроскопия, 1974, т.36, вып.2, стр.280-287.

42. Магдич JI.H. Аппаратная функция АО фильтра при перестройке частоты. Оптика и спектроскопия, 1980, т.49, в.2, с. 387-390

43. S.E. Harris, S.T. Nieli, D.K.Winslow. Appl. Phys. Lett., 15,325, 1969

44. S.E. Harris, S.T. Nieli, R.S. Feigelson. Appl. Phys. Lett., 17,223, 1970

45. Harris S.E., Wallace P.W.-JOSA, 1969, v59, n6, p.744-747

46. B.R.Frieden. Restoring with maximum Likelihood and Maximum Entropy. JOSA, v.62, No.4, p.511-518, 1972.

47. Filatova E.Yu., Parygin V.N., Transmission function of acousto-optik cell with apodized piezotransduser. Pure and applied Optics. 3. 2001.p.40-45.

48. Parygin V.N., Molchanov V.Ya, Filatova E.Yu., Novel method of Apparatus Function Side Lobes Suppression, 4th Meeting on Advances in Acousto-Optics, 1999, Florence, Italy, Technical Digest, p.45-46.

49. Парыгин B.H., Вершубский A.B., Холостов K.A. Управление характеристиками коллинеарного акустооптического фильтра на молибдате кальция. ЖТФ, 1999, т.69, №12, стр.76-81.

50. Parygin V.N., Bogomolov D.V., Electronic control of transmission function in tunable acousto-optic filter.Proc. 17th International congress on Acoustics, 2001, Rome, V.l, p.57-58.

51. В.Э.Пожар, В.И.Пустовойт. Повышение спектрального контраста двойных акустооптических фильтров. В кн.: «Акустооптические, акустические и рентгеноспектральные методы и средства измерений в науке и технике», ВНИИФТРИ, 2004, с.45-47.

52. В.Э.Пожар, В.И.Пустовойт, М.М.Мазур, В.Н.Шорнн Двойной акустооптический монохроматор. Патент РФ, №2242779 от 20.12.2004.

53. Москалев В.А. Теоретические основы оптнко физических исследований. Ленинград: Машиностроение, 1987, с. 280

54. В.И.Малышев Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука, 1979, с.95

55. Мазур М.М., Шорин В.Н., Чижиков С.И., Леонов С.Н.// Оптика спектроскопия.-1989.-Т.67.-В.7.-С.736

56. В.И.Балакший, В.Н.Парыпш, Л.Е.Чирков Физические основы акустооптики.-М.:Радио и связь,1985, стр.219-238

57. Мазур М.М., Шорнн В.Н., Абрамов АЛО., Магомедов З.А. Мазур Л.И. // Оптика и спектроскопия.-1996.-Т.81 .-№3. С.521-523

58. Акустооптическин спектрометр «Кварц-4», Квантовая электроника, т. 16,1989, с. 179

59. Москалев В. А. Теоретические основы оптико физических исследовании. Ленинград: Машиностроение, 1987, с. 306

60. V.E.Pozhar, V.I.Pustovoit. Raman AOTF-based spectrometers. XVI European Frequency and Time Forum (St.Peterburg, March, 12-14, 2002). Proceedings, p.198.

61. B.H. Парыгин, A.B. Вершубскин. Подавление комбинационных частот при двухчастотном акустооптическом взаимодействии, Радиотехника и электроника. 2002, т.47, №10 , с.1244-1250

62. В.И. Малышев Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука, 1979, с.87-114

63. Ch.V.Gazarov, V.E.Pozhar, V.N.Zhogun. Optical monitoring of the Environment: CIS Selected Papers, Proc. SPIE, N. N. Belov, E. I. Akopov, Editors 1993, v.2107, p.143-147.

64. М.М.Мазур,В.Э.Пожар, В.Н.Шорнн. Законодательная и прикладная метрология, 1995 N.3, 34-37. Оптические газоанализаторы на основе акустооптических фильтров.

65. V. Е. Pozhar, V. I. Pustovoit. "New DOAS technique based on acousto-optic spectrometer". UV atmospheric and space remote sensing: methods and instrumentation II, G.Rcarruthers, K.F.Dymond, Eds. Proc. SPIE, 3818, p.69-76.

66. V.I.Pustovoit. Int. Symp. For Spectral Sensing Research (June 10-15 2001, Quebec), Abstr.digest, p.30.

67. М.М.Мазур, В.Э.Пожар, В.Н.Шорнн, З.А.Магомедов. Патент РФ 2095788,1996. Газоанализатор

68. W.S. Shipp, J. Biggns, C.W.Wade. Приборы для научного исследования. 1976, №5, стр. 32-37

69. И.Б.Кутуза, Л.Н.Пунтус, В.Ф.Золнн, В.Э.Пожар, В.И.Пустовойт. Определение параметров кристаллического поля иона Европия поспектрам люминесценции, полученным с помощью акустооптического спектрометра. Журн. прикл. спектроскопии, 2003, т.60, в.6, с.774-778

70. М. М. Мазур , В. Н. Шорни, С. А. Леонов. 1-ая Межд. Конф. "Международные и национальные аспекты экологического мониторинга", С.-Петербург, 1997, 25-28 мая. Трассовый акустооптическин спектрофотометр (ТАОС) для газоанализа.

71. ФЛ.Визен, Ю.К.Калинников, Р.С.Микаэлян. Тез. Коорд. Совещ. по акустооптике. М., ВНИИФТРИ: 1975. АО перестраиваемый фильтр на кристалле кварца.

72. Chang I.C. // Opt. Eng. 1981.Vol. 20. № 6. P. 806-845.

73. Магдич Л.Н. Изв. Ан СССР. Сер. Физ. 1980. Т. 44. № 8. с. 16831692.

74. Проклов В.В., Чесноков В.Н. // Физика твердого тела. 1994. Т. 36. №11 с. 3268.

75. Зубринов И.И., Сапожников В.К., Шелопут Д.В. // Ж.Т.Ф. Широкополосный акустооптнческнй фильтр. 1997. Т. 67. № 6