PL220104B1

PL220104B1 - Dual-band Fourier spectrometer

Info

Publication number: PL220104B1
Application number: PL393118A
Authority: PL
Inventors: Romuald Jóźwiński; Leszek Wawrzyniuk; Mirosław Rataj
Original assignee: Ct Badań Kosm Pan; Politechnika Warszawska
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2015-08-31
Also published as: PL393118A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest dwupasmowy spektrometr fourierowski mający zastosowanie do wykrywania zagrożeń biologicznych i chemicznych w atmosferze na podstawie widm generowanych przez składniki wchodzące w skład badanej atmosfery.The subject of the invention is a two-band Fourier spectrometer applicable to the detection of biological and chemical hazards in the atmosphere on the basis of spectra generated by components included in the tested atmosphere.

Spektrometr fourierowski bazuje na interferometrze Michelsona. Wiązka światła doprowadzana do interferometru pada na dzielnik wiązki i po podziale tworzą się dwie wiązki padające oddzielnie na dwa zwierciadła płaskie, stałe i ruchome. Wiązki po odbiciu od zwierciadeł padają ponownie na dzielnik, dzięki czemu łączą się ze sobą i propagują w kierunku detektora. Detektor rejestruje wynik interferencji obu podzielonych wiązek. Zwierciadło ruchome służy do zmiany długości drogi optycznej wiązki od niego odbitej. Pomiędzy dzielnikiem, a detektorem mogą być umieszczone dodatkowe zwierciadła płaskie zmieniające kierunek wiązki lub zwierciadło paraboliczne kierujące wiązkę na odpowiednio ustawiony detektor.The Fourier spectrometer is based on the Michelson interferometer. The light beam fed to the interferometer falls on the beam splitter and, after splitting, two beams are formed which fall separately on two flat mirrors, fixed and movable. The beams reflected from the mirrors fall back on the divider, thanks to which they connect with each other and propagate towards the detector. The detector records the result of the interference of both split beams. A movable mirror is used to change the optical path length of the beam reflected from it. Between the divider and the detector there can be placed additional flat mirrors changing the direction of the beam or a parabolic mirror directing the beam to a properly set detector.

Widmo wiązki padającej ustalane jest za pomocą transformacji Fouriera interferogramu będącego zbiorem wyników interferencji dla różnych położeń zwierciadła ruchomego. Konieczność rejestracji oddzielnie widma dwóch pasm wynika z transmitancji atmosfery tylko w różnych częściach widma fal elektromagnetycznych. Różne części widma wymagają zastosowania różnych materiałów i do wyznaczania widma w różnych pasmach stosowane są dwa interferometry Michelsona.The incident beam spectrum is determined by the Fourier transform of the interferogram which is a set of interference results for different positions of the moving mirror. The need to record the spectrum of two bands separately is due to the transmittance of the atmosphere only in different parts of the spectrum of electromagnetic waves. Different parts of the spectrum require different materials and two Michelson interferometers are used to determine the spectrum in different bands.

Znane są także rozwiązania dotyczące spektrometrów dwupasmowych. Spektrometr opisany w zgłoszeniu patentowym US 4183669 wykorzystuje kątową rozbieżność dwóch wchodzących wiązek do późniejszego ich rozdzielenia na specjalnie zaprojektowanym układzie optycznym, przeznaczonym tylko do tego typu spektrometru. Spektrometr przedstawiony w opisie patentowym US 5561521 wykorzystuje dodatkowy element dichroiczny dla wydzielenia dwóch wiązek. Spektrometr przedstawiony w opisie patentowym DE 4212143, przeznaczony do układów z układem zwierciadeł pendulum, wykorzystuje dla realizacji dwupasmowego spektrometru zwierciadła odchylające. Inne rozwiązanie, przedstawione w opisie patentowym FR 2876793 dotyczy spektrometrów statycznych, czyli innej kategorii spektrometrów fourierowskich. Tej samej kategorii spektrometrów dotyczy zgłoszenie patentowe US 5777736.There are also known solutions for two-band spectrometers. The spectrometer described in the patent application US 4183669 uses the angular divergence of two incoming beams for their subsequent separation on a specially designed optical system, intended only for this type of spectrometer. The spectrometer disclosed in US 5,561,521 uses an additional dichroic element to separate the two beams. The spectrometer described in DE 4212143, intended for systems with a pendulum mirror system, uses deflection mirrors for the implementation of a two-band spectrometer. Another solution, presented in the patent description FR 2,876,793, concerns static spectrometers, i.e. a different category of Fourier spectrometers. Patent application US 5,777,736 relates to the same category of spectrometers.

Dwupasmowy spektrometr fourierowski zawierający dwa interferometry Michelsona, z których każdy jest złożony z dzielnika wiązki na wejściu interferometru, detektora na wyjściu interferometru, nieruchomego zwierciadła płaskiego, ruchomego elementu optycznego odbijającego wiązkę, i zwierciadła parabolicznego usytuowanego na drodze interferujących wiązek do detektora, według wynalazku charakteryzuje się tym, że ruchome elementy optyczne odbijające wiązkę tworzą wspólny, przesuwny układ zwierciadeł, usytuowany między dwoma dzielnikami stanowiącymi części odpowiednich dwóch interferometrów Michelsona.A two-band Fourier spectrometer comprising two Michelson interferometers, each consisting of a beam splitter at the input of the interferometer, a detector at the output of the interferometer, a stationary plane mirror, a moving optical element reflecting the beam, and a parabolic mirror located in the path of the interfering beams to the detector, according to the invention in that the movable optical elements reflecting the beam form a common, sliding system of mirrors, situated between the two dividers constituting parts of the respective two Michelson interferometers.

Korzystnym jest, jeżeli na wejściu układu obu interferometrów Michelsona znajduje się dichroiczny dzielnik transmitujący wiązkę do drugiego spektrometru oraz zwierciadło doprowadzające wiązkę odbitą od dichroicznego dzielnika do pierwszego spektrometru.Preferably, at the input of the system of both Michelson interferometers there is a dichroic splitter transmitting the beam to the second spectrometer and a mirror for supplying the beam reflected from the dichroic splitter to the first spectrometer.

Korzystnym jest, jeżeli przesuwny układ zwierciadeł zbudowany jest z dwóch płaskich zwierciadeł.It is advantageous if the sliding mirror system is composed of two plane mirrors.

Korzystnym jest także, jeżeli przesuwny układ zwierciadeł zbudowany jest z dwóch pryzmatów trójzwierciadlanych.It is also advantageous if the sliding mirror system is composed of two three-mirror prisms.

Zaletą dwupasmowego spektrometru według wynalazku jest znacznie wyższa czułość w porównaniu ze znanymi spektrometrami, dzięki możliwości niezależnego zoptymalizowania detektorów i dzielników wiązki dla dwóch różnych pasm widmowych promieniowania. Pozwala to na ustalenie rodzaju substancji rozpylanej w atmosferze na podstawie sumy widm generowanych przez wszystkie składniki wchodzące w skład badanej atmosfery. Zastosowanie wspólnego układu ruchomych zwierciadeł dla dwóch interferometrów pozwala na zastosowanie jednego napędu zwierciadeł dla obu interferometrów i uzyskanie bardziej zwartej budowy.The advantage of the double-band spectrometer according to the invention is a much higher sensitivity compared to known spectrometers, thanks to the possibility of independently optimizing the detectors and beam splitters for two different spectral radiation bands. This allows to determine the type of substance sprayed in the atmosphere on the basis of the sum of spectra generated by all components of the atmosphere under study. The use of a common set of movable mirrors for two interferometers allows the use of one mirror drive for both interferometers and a more compact structure.

Wynalazek jest objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia dwupasmowy spektrometr z ruchomym układem zwierciadeł, fig. 2 przedstawia ten sam spektrometr z dodatkowym dzielnikiem dichroicznym, fig. 3 pokazuje przesuwny układ zwierciadeł, zaś fig. 4 przedstawia układ pryzmatów trójzwierciadlanych.The invention is explained in an embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a two-band spectrometer with a moving mirror system, Fig. 2 shows the same spectrometer with an additional dichroic divider, Fig. 3 shows a sliding mirror system, and Fig. 4 shows a three-mirror prism system. .

Dwupasmowy spektrometr fourierowski przedstawiony na fig. 1 składa się z dwóch połączonych interferometrów Michelsona ze wspólnym przesuwnym układem zwierciadeł 3. Pierwszy interferometr Michelsona składa się z dzielnika 1, nieruchomego zwierciadła 2, przesuwnego układu zwierciadeł 3, zwierciadła, parabolicznego 4 i detektora 5. Drugi interferometr Michelsona składa się z dzielnika 6,The two-band Fourier spectrometer shown in Fig. 1 consists of two connected Michelson interferometers with a common shifting mirror array 3. The first Michelson interferometer consists of a divider 1, a fixed mirror 2, a shifting mirror array 3, a mirror, a parabolic array 4 and a detector 5. The second interferometer Michelson consists of a divisor of 6,

PL 220 104 B1 nieruchomego zwierciadła 7, przesuwnego układu zwierciadeł 3, zwierciadła parabolicznego 8 i detektora 9. Badane promieniowanie generowane przez zagrożenia biologiczne i chemiczne jest kierowane niezależnie do obu interferometrów Michelsona.From a fixed mirror 7, a sliding mirror system 3, a parabolic mirror 8 and a detector 9. The radiation under investigation generated by biological and chemical hazards is independently directed to both Michelson interferometers.

Jak przedstawiono na fig. 2, w przypadku źródła emitującego promieniowanie w wąskim kącie bryłowymi, do układu z fig. 1. dodany jest dzielnik dichroiczny 11 i dodatkowe zwierciadło 10.As shown in Fig. 2, in the case of a narrow solid-angle source, a dichroic divider 11 and an additional mirror 10 are added to the arrangement of Fig. 1.

W pierwszym interferometrze promieniowanie po odbiciu od dzielnika 1, układu zwierciadeł 3 i transmisji przez dzielnik 1 interferuje z promieniowaniem transmitowanym przez dzielnik 1 i odbijanym przez zwierciadło 2 oraz dzielnik 1. Interferujące części promieniowania są ogniskowane przez paraboliczne zwierciadło 4 i wynik interferencji jest rejestrowany przez detektor 5.In the first interferometer, the radiation reflected from the divider 1, the mirror system 3 and transmission through the divider 1 interferes with the radiation transmitted by the divider 1 and reflected by the mirror 2 and divider 1. The interfering parts of the radiation are focused by a parabolic mirror 4 and the result of the interference is recorded by the detector 5.

W drugim interferometrze Michelsona promieniowanie po odbiciu od dzielnika 6, układu zwierciadeł 3, i transmisji przez dzielnik 6, interferuje z promieniowaniem transmitowanym przez dzielnik 6 i odbijanym przez zwierciadło 7 oraz dzielnik 6. Interferujące części promieniowania są ogniskowane przez paraboliczne zwierciadło 8 i wynik tej interferencji jest rejestrowany przez detektor 9.In the second Michelson interferometer, the radiation, after reflection from the divider 6, mirror system 3, and transmission through the divider 6, interferes with the radiation transmitted by the divider 6 and reflected by the mirror 7 and divider 6. Interfering parts of the radiation are focused by a parabolic mirror 8 and the result of this interference is registered by detector 9.

W przypadku źródła emitującego promieniowanie w wąskim kacie bryłowym, promieniowanie odbite przez dzielnik 11 i zwierciadło 10 jest analizowane w pierwszym interferometrze Michelsona złożonym z elementów 1, 2, 3, 4 i 5, a promieniowanie transmitowane przez dzielnik 11 jest analizowane przez drugi interferometr Michelsona złożony z elementów 3, 6, 7, 8 i 9.In the case of a source emitting radiation in a narrow solid angle, the radiation reflected by the divider 11 and the mirror 10 is analyzed in a first Michelson interferometer composed of elements 1, 2, 3, 4 and 5, and the radiation transmitted through the divider 11 is analyzed by a second Michelson interferometer composed of from items 3, 6, 7, 8 and 9.

Układ przesuwnych zwierciadeł 3 może być wyposażony w różne typy zwierciadeł. Na fig. 3 przedstawione jest rozwiązanie ze zwierciadłami płaskimi 12 i 13 napylonymi na płytce płaskorównoległej. W układzie na fig. 4 wykorzystano dwa pryzmaty trójzwierciadlane 14, 15, które są często wykorzystywane w spektrometrii fourierowskiej jako retroreflektory. Zaletą pierwszego rozwiązania jest mała masa układu przesuwnego, ale wymagany jest precyzyjny system przesuwu zwierciadła. Rozwiązanie to może być zastosowane do spektrometrów o małych i średnich spektralnych zdolnościach rozdzielczych. Rozwiązanie z fig. 4 nie jest czułe na błędy przesuwu, takie jak zmiany pozycji kątowej układu podczas ruchu, i może być wykorzystywane w szerokim zakresie rozdzielczości spektralnych.The sliding mirror system 3 can be equipped with different types of mirrors. Fig. 3 shows a solution with plane mirrors 12 and 13 sputtered on a plane parallel plate. The arrangement in Fig. 4 employs two trirelter prisms 14, 15, which are often used in Fourier spectrometry as retroreflectors. The advantage of the first solution is the low weight of the sliding system, but a precise mirror sliding system is required. This solution can be applied to spectrometers with small and medium spectral resolution abilities. The solution of Fig. 4 is not sensitive to shift errors, such as changes in angular position of the system during motion, and can be used over a wide range of spectral resolutions.

Claims

1.A two-band Fourier spectrometer comprising two Michelson interferometers, each consisting of a beam splitter at the input of the interferometer, a detector at the output of the interferometer, a stationary plane mirror, a moving optical element reflecting the beam, and a parabolic mirror located in the path of the interfering beams to the detector, characterized by that the moving optical elements reflecting the beam form a common, sliding system of mirrors (3), located between two dividers (1, 6), constituting parts of the respective two Michelson interferometers.

2. The dual-band spectrometer according to claim 1, The method of claim 1, characterized in that at the input of the system of both Michelson interferometers there is a dichroic splitter (11) transmitting the beam to the second spectrometer and a mirror (10) supplying the beam reflected from the dichroic splitter (11) to the first spectrometer.

3. The two-band spectrometer according to claim 1, A device as claimed in claim 1, characterized in that the sliding mirror system (3) consists of two plane mirrors (12) and (13).

4. The two-band spectrometer according to claim 1, A device as claimed in claim 1, characterized in that the sliding mirror system (3) consists of two tri-mirror prisms (14) and (15).