1 Акустооптическая спектрометрия В.Э.Пожар Москва XIV Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах» (Красновидово, 28 мая 2014 г. )

2 Содержание доклада Анализ особенностей измерения спектров с использованием перестраиваемых АО фильтров Цель доклада АО спектрометрия – отдельный вид спектрометрии, требующий специфических подходов

3 Основные типы спектрометров Дифракционные (класс. дифракционные решетки, призмы) Интерференционные (фурье-спектрометры, СИСАМы) Фильтрующие (акустооптические фильтры, жидкокристаллические перестраиваемые фильтры, наборы светофильтров) Угловая дисперсия (последовательное сканирование или параллельная регистрация) Селективная модуляция (регистрация интерферограммы + вычисление спектра) Селективное пропускание (последовательная выборка)

4 Достоинства АО спектрометров v.2 В.Э.Пожар, В.И.Пустовойт. XIV Межд. конф. по гиромагнитной электронике и электродинамике. (Москва, Фирсановка, ). Труды конф., т.2, с Акустооптические спектрометры V.I.Pustovoit, V.E.Pozhar. Photonics and optoelectronics, 1994, v.2, No 2, p Collinear diffraction of light by sound waves in crystals: devices, applications, new ideas Внелабораторные условия эксплуатации ( industrial and out-of-door environment ) Небольшие габариты, простота «стыковки» Высокая светосила Резкая (произвольная) спектральная адресация (РСА) ( Random Spectral Access - RSA ) Программное управление (Real-time computer control) Фильтрация изображений (Spectral Imaging)

5 Физические принципы акустооптической фильтрацииfP ультразвук Падающий свет Прошедший свет АО кристалл, T, T T Объемная Фазовая динамическая решета f

6 Структура доклада I.Измерение линейчатых спектров с использованием перестраиваемых АО фильтров II.Измерение сплошных гладких спектров с использованием перестраиваемых АО фильтров

7 I Измерение линейчатых спектров с использованием перестраиваемых АО фильтров

8 Линейчатый спектр Спектры металлокомплексов гематопорфиринов

9 Методы АО спектрометрии на основе произвольного спектрального доступа Алгоритм перестройки при измерении спектра Выигрыш в быстродействии обеспечивается за счет : 1. Меньшего числа измеряемых точек : K АОС < K СС 2. Меньшего времени перестройки: (K-1)·T пер < ( T/ λ)·( max - min ) 3. Меньшего времени накопления : T АОС < T СС

10 Методы АО спектрометрии на основе произвольного спектрального доступа T t Измеряемый спектр Выборочные измерения время 1. Уменьшение числа измеряемых точек спектра 2. Изменение порядка опроса длин волн 3. Изменение относительного времени измерений на разных длинах волн 4. Возможность изменения всех этих параметров в ходе измерения

11 Формулировка задачи определения оптимального алгоритма измерений * Дано: сечения поглощения набора веществ pj в диапазоне спектра ( 1, J ) предельное время измерений T Найти: 1) множество контролируемых точек спектра { k } 2) порядок опроса длин волн { k j (k)} (k=1,...,K) 3) относительная длительность регистрации на этих длинах волн k / k Критерий: минимизация функции ошибки F[ N] ( N p - погрешности определения концентраций веществ) например, F[ N] = ( N p / N p 0 ) 2 (N p 0 -ПДК веществ) 1.1 * В.Э.Пожар, В.И.Пустовойт. Об оптимальном алгоритме спектрального химического анализа с помощью акустооптических спектрометров. Электромагнитные волны и электронные системы, 1997, т.2, 4, с.26-30

объект ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА АКУСТООПТИЧЕСКОГО СПЕКТРОМЕТРА-ГАЗОАНАЛИЗАТОРА 1.осветитель; 2. объектив фото головки; 3.фотоголовка, содержащая АО фильтр; 4.ВЧ-усилители; 5. юстировочный столик фото головки; 6. прицел осветителя; 7. платформа приемо-излучательного блока; 8. отражатель на штативе; 9. прицел отражателя; 10. блок питания лампы; 11. компьютеризированный блок управления; 12. портативный компьютер.

ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ( ) - регистрируемый спектр, h(, ') - аппаратная функция спектрометра (1) 0 ( ) - спектр источника излучения, p ( ) - сечение поглощения молекулы p-го вещества, n p - концентрация этого вещества, L - длина пути излучения в пределах образца. (2) (3) (4) - шумы измерительной аппаратуры, - погрешность определения концентрации - уровень шумов

Задание начальных требований Формировани е алгоритма Измерение Вычисление и выдача результатов БД, точность, допустимое время МОДЕЛИ РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМА ИЗМЕРЕНИЙ А. Классическая Задание начальных требований, данных Формирование динамического списка линий Измерение Вычисление Выдача результата БД, точность, допустимое время Б. Оптимизированная

БД пользователь список присутствующих в смеси веществ список измеряемых веществ концентрация веществ в смеси уровень шумов порог превышения концентрации ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ПРОГРАММЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ АКУСТООПТИЧЕСКОГО СПЕКТРОМЕТРА- ГАЗОАНАЛИЗАТОРА

ПРОГРАММА МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ АКУСТООПТИЧЕСКОГО СПЕКТРОМЕТРА- ГАЗОАНАЛИЗАТОРА

17Быстродействие Дифракционный спектрометр Фурье- спектрометр Акустооптический спектрометр ( T, ) DS (B DS ) -1/2 Время накопления на одну точку спектра FS (N B FS ) -1/2 AOS - us (B AOS ) -1/2 Время получения спектра T T DS = N D DS T FS = N FS + cal T AOS = N AOS N /N D 1%N D ( max - min )/ Число спектральных точек N N N D Выигрыш во времени

18 Вывод I Измерение линейчатых спектров с использованием выборочной регистрации линий во много раз быстрее, чем сканирование. Метод Фрагментарной спектральной регистрации (ФСА) (Fragmentary spectral registration - FSA)

19 II Измерение сплошных гладких спектров с использованием перестраиваемых АО фильтров

20 Спектры авиационного и автомобильного бензинов Сплошной спектр

21 Спектры авиационного и автомобильного бензинов Сплошной спектр

22 Спектры авиационного и автомобильного бензинов Сплошной спектр

23 Модель измерения и реконструкции спектра b – исходный спектр; s – спектрограмма h – аппаратная функция формула восстановления спектра уравнение для фурье-образов функций уравнение измерения спектра

24 Фурье-образы аппаратной функции АО спектрометра L

25 Следствия теоремы Фурье-образ получаемой спектрограммы финитен. Следовательно, по теореме Котельникова значение спектрограммы в любой точке может быть вычислено по значениям, измеренным на множестве равноотстоящих точек где для спектрометра на основе коллинеарного АО фильтра k( ) = 2 ( f ) n/c, n разность показателей преломления кристалла фильтра, c – скорость света, m = m /(2L n). Эта формула определяет оптимальный шаг перестройки АО спектрометра по спектру в ходе измерений.

26 Вывод II Сплошной гладкий спектр может быть восстановлен в любой точке измеряемого интервала по измерениям на множестве эквидистантных точек спектра. Метод Единообразной спектральной реконструкции (ЕСР) (Exact spectral reconstruction - ESR)

27Заключение АО спектрометрия – отдельный вид спектрометрии, требующий специфических подходов Методы: 1. ФСР 2.ЕСР

28Благодарности Работа выполнена при поддержке РФФИ

29 Спасибо за внимание