PL220104B1 - Dwupasmowy spektrometr fourierowski - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Korzystnym jest, jeżeli przesuwny układ zwierciadeł zbudowany jest z dwóch płaskich zwierciadeł.

Korzystnym jest także, jeżeli przesuwny układ zwierciadeł zbudowany jest z dwóch pryzmatów trójzwierciadlanych.

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.

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.

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,

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (4)

1. 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, znamienny tym, że ruchome elementy optyczne odbijające wiązkę tworzą wspólny, przesuwny układ zwierciadeł (3), usytuowany między dwoma dzielnikami (1, 6), stanowiącymi części odpowiednich dwóch interferometrów Michelsona.

2. Dwupasmowy spektrometr według zastrz. 1, znamienny tym, że na wejściu układu obu interferometrów Michelsona znajduje się dichroiczny dzielnik (11) transmitujący wiązkę do drugiego spektrometru oraz zwierciadło (10) doprowadzające wiązkę odbitą od dichroicznego dzielnika (11) do pierwszego spektrometru.

3. Dwupasmowy spektrometr według zastrz. 1, znamienny tym, że przesuwny układ zwierciadeł (3) zbudowany jest z dwóch płaskich zwierciadeł (12) i (13).

4. Dwupasmowy spektrometr według zastrz. 1, znamienny tym, że przesuwny układ zwierciadeł (3) zbudowany jest z dwóch pryzmatów trójzwierciadlanych (14) i (15).