Методы повышения фотометрической точности измерения ИК спектров с использованием специализированных Фурье-спектрометров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ СПЕКТРОСКОПИИ

на правах рукописи УДК:630.182, 530.182

БОЛДЫРЕВ НИКОЛАИ ЮРЬЕВИЧ

ШЮДЫ ПОВЫШЕНИЯ ФОТШЕТРКЧЕСКОЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ИИ СПЕКТРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ФУРЬЕ-СПЕКТРСШТРОВ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискашто ученой степош кандидата физико-иатоматкчзских наук

специальность 01 .СМ.05 - оптика

МОСКВА -1994

Работа выполнена в Институте спектроскопии РАН

Научный руководитель:

доктор $ эико-математических наук В.Ы.Бурлаков

Официалыше О1шоно:гш:

доктор физико-математических наук М.Н.Попова кандидат физико-натоматичоских наук О.Д.Цатяпш

Ведущая организация: Центральное конструкторское бюро уникального приборостроения Российской Академии Наук.

Защита состоится "(С * июнь_ 1994 г. в 10 часов па

заседании Специализированного Сопато Д.002.28.01 при Институте спектроскопии АН России по адресу: 142092, г.Троюдк Московской области

С диссертацией мокыо ознакомиться в библиотека Института Спектроскопии РАН

Автореферат разослан _1994г. '

Учений секретарь Спеикализированного Совета

доктор физико-математических наук У.И.Сафрояова

I.Общая характеристика работа.

Данная работа посвтцона разработка, создана» и испытании двух спэциалииировашшх фурье-споктрокетров спектрометра шагового сканирования с высоким разрешением для гааовой спектроскоптш длинноволнового бистро ска ¡мруидого фурьо-спектрокетра для исследования оптических характеристик тиердах тол при низкой температуре, а также использовании этого спектрометра для изучения ВТСП.

Актуальность теми обусловлена, с одной стороны,том,что разнообразие требований. предъявляемых к Ж спектрометрам для научннх исследования, слишком велико, чтобы им удовлетворять, используя толы«) с.ориЯю випускаемуи аппаратуру, и с другой сторош, необходимость» строгого ¡изучения и учета погрешностей ик фурье-сноктрофэтометров, примеяемих в научном эксперимент». Несштря на большую номенклатуру промииленно випускзе>лнх фурье-снектромотров. регулярно появляется информация об их ст}ючтел1>стве в научных лабораториях. Как правило, эта спектрометры принципиально отличаются от серияпых -это либо ¡.шлошушицие ( криоготшо) спектрометры. либо работайте в определенном . рогямо(сверхбистрив). приборы говишоиноЛ фотометрической точности. например даухлучеше, повшешюЯ светосилы, полотою и многие другие. Фурье-спектрометры достаточно сложны о работа и. как правило, именно в ияучпих лабораториях производится анализ точности их работа. Этим ка проблема« посвящашса регулярно проводимые меадгннроднно конференции по фурьо-спвктроскопиа. Особой проблемой фурье-сиектросконии являотся проблема фотометрической точности. Гоаультатом работа оптического блока фурьо-спектрометра лвляотся Ш1терсК1ро1*рамма, обратное фурье-преобразование которой производится в ЭВМ и является искомым спектром.Инторфорогромма, кок правило, обладает огромным динамическим диапазоном(106-108), что практически исшзл'авт о о адекватную регистрацию. Принципиально неустранимые ошибки квантования и другие погрешности приемно-регисгрнрукщого тракта фурье-спектрометра

приводит к появлению в спектре систематических ошибок, завксяауа от вида спектра и но обнаруживаемых повторенном эксперимента. !¡о этому для получения гьрштированноа фотометрической точности необходим строгий теоротичогасий анализ влияния погрешностей всех узлов фурье-споктромотра на репулътирукхций спектр. Снизить даналвгсеский диапазон ш ¡те рфоро грамм; можно применением двухлучевых схем интерферометра или ограничением исследуемого спектрально*« диапазона. Так как точность работы аналого-цифровых преобразователей возрастает с понижением скорости преобразования, имеет а.асл переходить на гошешшшо скорости сканирования, используя фазовую модуляцию и накопление- сигнала аналоговым способом. В этом случав становыится виго;упгм применение метода шагового сканирования, который и реализован в одном из приборов, описанном в настоящей диссертации.

Так как фурье-спелтрокогр является спектралиши прибором с внутренней (селективной) модуляцией, то он модулирует не только шток излучения, идущий от источника, но и все излучение,цоиадащоо в прибор. При изучении • образцов с температурой .отличной от теьяератури приемника, это приводит к появлению ошибок в слекрах, особенно заметных в дальней ИК области, где эффективность источников излучешм надает. Анализ показывает что ошибки такого рода могут достигать десятков процентов. Одним из способов регистрации спектров в этих условиях является прямая регистрация собственного излучения (поглощения) изучаемого объекта холодным(соответственно теплым) приемником. Этот метод подробно рассмотрен в диссертации, где показано, что он становится особенно шгоднам при регистрации спектров сильно отражающих объектов, когда надо регистрировать мално изменения коэффициоята отражения ив фоне большой средней величины.Именно такими объектами пилятся сверхпроводники. Поэтому для изучения ЙТСП бил изготовлен специализированной спектрометр основанный на описанном выше принципе. Основываясь на измерениях коэЗд1яциента отражения в дальней ИК области спектра в зависимости от температуры , был сделан вывод о наличии нормальных носителей на1>яду со сверхпроводящим конденсатом при температурах много шшэ

То, а так-гш обнаружено возрастанию с яла осциллятора колебания аксиального кислорода в УЕаСиОх пря поикгдшм тькпоратури.

___работу.

Теоретический анализ погрешостой интерферометра и пршмто-рогастрарующого блока Фурье-спектрометра. Разработка и создание фурье-спектрсмвтра шаговое скадарования высокого разрешил (0,01 см-1). Разработка метода регистрации кали измэненз.! коэффициента отражепня твердотельных объектов при низких тегглоратурах (190-5°К). Разработка и создание спощшлкгггровашюго фурьэ-спектромотра доя исследования ВТОП. Изучение пярягщтров сверхпроводящей вода в ВТСП»

диссертационной работа

аощютаотсл в следующем:

- проводом тоорспгчэсгагй анализ требований к иптерфорометру, системе стабилизации разности хода ц пряомго-рогистрлруздему тракту Фурье-споктромотрз.

показено, что прзвалируищм талон ошибки современного шсскокачестввппого фурьз-спвктромзтра является систематическая сгшбкэ, шзвгпшвя ноидвалыюстьэ прнсмно-рогастрирущего тракта и зависящая от пила регистрируемого спектра.

- показано, что абсолютная точность рэгастравди спектра на современных шпрокодаапазопшх фурье-спектрометрах кок правило на прэвашаэт 1-5%, несмотря па то,что.. воспроизводимость спектров штат бить иа порядок лучше.

показаш! альтерпативю;о пути увеличения абсолютной фотометрической точпоотл . фурье-спзктро?детров:сухшш>

спектрального диапазона,пароход к двухлучеш^ схема, примоцвнко метода шагового сканирования.

- построен пэрвий в России фурье-спектрометр высокого разрешения с изтошм сканированием.

- рассмотрен отдельный класс фотометрических ошибок, возшшаудах в спектрометрах с селективной модуляцией при. изучении объектоп с температурой,отличпой от температуря интерфорожтра или

с

- б -

приемника, предложены мэтодц компенсации этих ошибок, один из хоторих раадазор 'Л на практике.

- построен лзтомэтш'лроватшй свэтосяльвий бигтроскашгрукидШ Фурье-спектрометр работащмй в так называемом решаю "обратим свэтових истоков", т.е.прибор, кзмзрявдий шшсродственяо коэффициент поглощения охлажденного образца. Описал класс экспериментов, когда такой розгам шгодеее класс.пеской отрахятальной сп&ктроскопиа.

шерпие мотодом обратных сватовых потоков изкэреш спектры поглощения керамик и оркентиропашшх пленок УВагСазОг. Указано на отсуствш в ИК спектрах характерной для модели ЕКШ ¡долевой особенности н интервале частот 100 - 600 см-'.

шэрсые обиарухош возрастание сиди осциллятора колебахгай аксиального кислорода в ТО^Си^О^ пр;: погашшш томяератури. Предложено объяснение этого з^'фокта, основанное на взаимодействии указанного колебания с фшетуациямя зарядовой плотности в плоскостях СаОр и слоях ПаО. Этот механизм болоо детально бил изучен впоследствии на шнокристаллах УВа^С^О^.

Апробации работы:

Основный материалы, вклачошшэ в дассортацкэ, доклад,вались и обсуздались на семинарах отдела спектроскопии твердого тол Института Сшктроскопки РАЯ, • па Всосошной школо-со.'.г.шоре "Лазерное и оптическое нржьростровиш" (Минск, 1987), 1 Всесоизцом сошцатш но высокотекпературной сверхпроводимости (Харьков, 1983), 1 Международной конференции по фурьо-спектроскопии (Фэрфакс, 1989), Мездународаом конгрессе по молекулярной спектроскопии (Дрезден, 1389), Всесоюзном совещании но онтико шеокотешератургшх сверхпроводников (Москва, 1907; Черноголовка, 1589), 1 Совдтско-западаогерманском ссмдалро по спектроскопии ВТСП ('Галлии, 1989).

Публикации-

Основнпе положения и результаты диссертации опубжковапн л 11 ийчотпмх работах, перечисленных п конце реферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения,пяти глав и списка лаЧ-сратурн

89 наименований. Работа изложена на 115 страницах, содержит 80 рисунков и 5 таблиц.

И.СОДЕРШУИК РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность шбранной темы, сформулирована цель рябоtu, во научная новизна и практическая ценность,описана структура диссертации и кратко изложено ее содержании,

В первой 1\П8пе 1фатко рассмотрены основы фурье-спектроскопиа. определена ее связь с более широким понятием-корреляцношшм методом спектрального анализа. Далее в данной главе рассмотрев ошшшшо типы Фурье-спектрометров: бнстрого сканирования, вагового сканирования с амплитудной модуляцией и шагового сканирования с иитерфоронциогаюй модуляцией. При анализе ногрегаюстей фурье-спектрометра разделены ошибки, возникающие при измерении ИК сигнала и при измерения разности ходя в интерферометра. Указано на существование осбого класса ошибок, проявляющихся п спектрометрах с селективной модуляцией и преимущественно в дальней Ш1 области спектра при измерении образцов с температурой отличной от температура шггор1юрометра или приемника. Так как почти всо погрешности в работе узлов Фурье-спектрометра приводят к оэкбкам.которие распространяются навесь спектр и, более того, зависят от вида регистрируемого спектра, произведен анализ тдяичшх проявлений в спектре разл:ггных дефектов зарегистрированной шггерфэрограммы.

Далее в.этой главо рассмотрены особенности Фурье-спектрометров патового сканирования, определены условия, вра которых применение этих спектрометров предпочтительно перед бистросканирущима. Показано, что при изучении узган: спектральных интервалов, повиаошшх требованиях к фэтоуитрическоа точности, шдулящгопкнх аксноржентох, о так-же в споктроскотшя повторяющихся быстрых процессов использование фурьэ-спектро.*этров шагового сканирования кмео? с продело шше преимущества.

Вторая глава посвящена исследовании необходим?«.

парзметровстаОнлизированшго интерферометра шагового сканирования и разработка технического решения такого интерферометра. Рассмотрены требования к точности стабилизации разности хода Фурье-спектрометра и показано, что эта точность определяется нэ только величиной, но и статистическими параметрами{» частности, радиусом автокорреляции) ошибок разности хода и связана с соотношением сигнал/шум в шггерферограмме. Результатом анализа являются конкретные рекомендации . которые необходимо учитывать upa конструировании любого фурье-спектрометра. Далео во второй главе описано техническое решение интерфоромотра, учитывавшее вшзенриведевныо результаты. Отдельно рассмотрены вопроси расчета и конструирования оптимальной системы автоматического регулирования разности хода в фурьо-споктроматро шагового сканирования с фазовой модуляцией. Показано,что наилучших результатов можно добиться применением комбинированной системы стабилизации~с упралешем по возмущению и по ошибке регулируемого параметра.

Третья глава посвящена приемно-регистрирувдему тртсту фурье-сяектроматра. Показано,что в отличие от классических спектрометров 'в фурьо-снекгроскотш аппаратная функция аналого-цифрового преобразователя приводят к систематическим ошибкам, которые могут в десятки раз превышать случайный шум в спектре. Причина такого явлония состоит в огромной величине дшге\г,гчоского диапазона интерферограмми (106-Ю°) . которая практически исключает ее безошибочную регистрацию. Произведено матеггаткческое моделирование различных режимов работы спектрометра,подученные результаты использованы для конструирования

приошю-регистрируицого тракта. Далео в третьей главе подробно описана конструкция приемно-рогистрируюцего тракта Фурье-спектрометра - от фотолриемняка до выходного цж|1ророгистр1фущ9го устройства, рассмотрены конкретные технические реиения, позволяющие повысить точность измерения. Надо отметить, что результаты этой главы полезны не только изготовителям фурье-спектрометров, но и рядовым пользователям,так

как существует ряд неочевидных шгодов, гаю«, как выделение интересующей области споктря оптическими фильтрами, работа с пониженной интенсивность» осветителя. добавление случайного "белого" шума в регистрирующий канал спектрометра, позволяющих увеличить фотометрическую точность, которую ни в коем случае нельзя путать с воспроизводимостью и отношением сигнал/ ¡дум в спектре.

Четвертая главе посвящена описанию специализированной установки па осново бнстроскашгрундого фурье-спектромотра для изучения спектров высокоотражапцях ногтрозрячгшх объектов в дальней ЙК области спектра п[гл низких температурах. В первой главе настоящей диссертации было показано существование ошибок при спектральных измеретях охлаздснного образца, вызванных паразитным излучением от топлого приемшка и/или интерферометра. В случае високоотражакиугх объектов ситуация ослозяяектся тем, что приходится измерять малое изменение коэффициента отражения па фоне большой средней величины. В четвертой главе показано,что в данном случае выгоднее измерять непосредственное поглоцегшо КК излучения образцом, используя в качестве излучателя приемник , находящийся при комнатной температура. Тщательный анализ возможностей этого метода показал необходимость использования спе ци я л 13 и [юти того кр иостага и модернизации фурье-спектрометра с целью минимизации его собствошшх погрешностей. В данной главе показано, как уменьшить влияние нестабильности скорости сканировать на спектр с помощь» оптимальной фильтрации референтного канала, согласованной с фильтрацией приемного канала. Описана конструкция прибора и автоматизированной измерительной система,л составе которой он работает.

Пятая глава посвяи-она ксштапиа работа приборов и проведению экспериментов с высокотемпературными сверхпроводниками.

Приведены участки спектров и 11^0 , зарегистрированные в коротковолновой части . ИК спектра на спектрометре УФС-01. Сравнетт с дашшми, приведенными другими исследователями и тео1«тяческими расчета?« показало,что точность измеропня волновых

чисел составляет 10~3см-1, ври фотометрической точности не хуже О.Ь 55.В данной главе приведены записи инторферограмш, иллюстрирующие процесс работы прибора -. поиск нулевой разности хода, поточечную регистрацию, управление коэффициентом усиления тракта в цроцессо сканирования.

Установка с Оистроскашрующим фурьо-спектромэтрш использовалась для изучения высокотемпературных сшрхлроводников. В пятой главе коротко приведет основы теории поглощения волн дальнего инфракрасного диапазона сверхпроводящими образцами, приведены результаты аналогичных измерений для классических сверхпроводников и построена модель для аппроксимации 1АК спектров в случае высокотемпературной сверхпорводимости. В результате интерпретации получешшх результатов было определено, что оптические свойотва сверхпроводящего состояния в дальней ИК области спектра не могут быть описаны в рамках традиционной модели БКШ с четко определенной величиной 2Л. Для адекватного описания необходимо допустить существование нормальных носителей вплоть до довольно низких температур (ТО К ) наряду с конденсатом , либо считать сверхпроводящую щель сильно неоднородной по образцу. Необходимо отметать .что последующие исследования подтаерздают первый вывод. Было так-жа обнаружено взаимодействие аксиалыых оптических фононов с флвктуациямн зарядовой плотности, результатом чего является возрастание сила осциллятора некоторых колебаний с вонахешеы температура.

0£а2ВШё_ШЗ№тату_работы:

1.Выполнен анализ ошибок фурье-спектрометра. Определено, что кроме ошибок в измерении разности хода на качество спектра оказывают большое влиянио систематические погровиости в регистрации иятерфорогряммы . Рассмотронытак-ао ошибки,

характерные для дальней ИК области спектра, связанные с регистрацией собственного излучения приемника и образца.

2.Проанализированы Vработала к точности стабилизации разности хода в Фурье-спектрометрах шагового сканирования. Разработана н изготовлена система активной стабилизации

интерферометра,отьечащая поставленным требованиям.

3.Проанализированы требования к приешю-рвгастрируюцему тракту Фурьэ-спектрометра. На осповэ даппых анализа разработана и изготовлена прецизионная система регистрации штерферограмм и записи данных на магнитную ленту.

4.Построен фурьо-спектрометр высокого разрешения шагового скишрования на область спектра от 1 до 100 ккм. с разрешением

0.005 см Получены спектра поглощения газов N20 и DaО в области 1 -3 мкм с разрешимом 0.00Т см-1.

5.Разработана изготовлена установка па основе фурье-спектрометра быстрого сканирования для изучения спектров впысокоотражанхщн объектов в дальней шфпкрасной области при низках температурах.Проаиалкзлровапа работа фурье-споктромэтра в решме "отрицатс/йьша" световых потоков. Показано преимущество опмснваегюго мотода при изучегвга объектов с низким поглощением.

6.Проведено исследование сперхпроводгопсоп па основе кера«лики и ориентированных пленок YBa Cu 0 в области спектра 400 - 100 см-1. Показано, что экспериментальные дашмо невозмошо объястшть простой одныцодевдй моделью сверхпроводника .Для адекватного описания спектров предположено' существовать нормальных носителей при низких температурах («.То ) наряду со сверхпроводящим конденсатом. Обнаружено возрастание с:т.';а осциллятора колебаний «ксйальпого кислорода в YKaCuOr при понотзгам температуры .

, Предложено объяснен;» этого зЭДюкта, основанное иа взаимодействии итого колебании с фяштуяцияш зарядовой плотности в плоскостях СиОг и слоях ИаО.

Основное содерзаниэ диссертации отражено о слудущих публикациях:

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДШЖРТЛ1Ш

1. Болдырев H.a., Виноградов Е.Л., Иульга C.B. Прецизионный Фурье-спектромэтр шагового сканирования с дипамической подстройкой разности хода. Фурье-спектроскопия и совртменмнп проблемы физики и химии поверхности. Сборник статей, М., 1988. стр. 146.

2. Болдарев Н.Ю. Система активной стабилизации оптической разности хода интерферометра фурье-спектрогдотра с ваговиы сканированном. Лазерное оптическое ц спектральное приборостроение. Материалы Все сошной школы-семинара, Минск, 1986, стр. 229.

3. Бслдцров Н.Ю. Система реверсивного счета пнгерферошцюнши полос интерферометра фурьа-спектромотра. ПТЭ, 1J2, с. 171, 1989.

4. Болдарев H.H. Система стабилизации и перестройки разности хода интерферометра Майкельсона. ПТЭ, 1J5, стр.201, 1939.

5. Болдырев Н.Ю., Бурлаков В.Ы., Шульга С.В. Установка для изучешш оптических свойств поглоцаидас объектов в ДИК дианазоно. ПТЭ, N5, стр.204, 1989.

6. Балашов A.A., Болдырев Н..Ю., Бурлаков В.М. и др. Письма в ЖЭТФ. 46, приложение, 43, 1987.

I. Болдарев Н.Ю., Бурлаков В.Н.. Головаштш Л.И., J&eeej Г.Н. и др. Спектроскопия отрицательно свэтових потоков ориеш-ировашшх пленок. Писька в Ю№, 48, вшьб, с.354-356, 1988.

U. Boidyrev N.Yu., Burlakov V.U., Zhizhin G.K. et.ul. Spectroscopy oi Energy Gap in Ceramics and Oriented Films ol Yßa2Ca30vin the lieglme or Negative Light Fluxea. Solid State Comm., V.69, N4, p.373-377, 1989.

9. Boldyrev N.Y. Burlakov V.U.. Zhlahin G.N., Sirnlga S.V2. Negative Light PLuz Spectroscopy ol High 3?osuperconductor3. 7-th International Conference on Fourier Pranaform Spectroscopy. George Kason University, Palrfox. Virginia, p.452, 1989.

10. Бурлаков В.М., БолРиреа И.О., Васковатих A.B., Ыитько А.Г. п др. Влшишв дефицита кислорода на ннфракрасшй спектр YBa2Cu30x. Сверхпроводимость: Физика, Химия, Техника, 2, N 10, с.125, 1989.

II.Бурлаков В.М., Болдарев H.D, .Гайдук И., Крайская К.В., Уитько А.Г. О микроскопической природе злектрон-фоношюго взаимодействия в ВТСП. Письма "в КЭТФ. том 52, вал.2, стр 733-736, 1S89.

>а