close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY9787

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2007.10.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 9787
(13) C1
(19)
G 01J 3/30
G 01J 3/12
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИНЫ ВОЛНЫ
СПЕКТРАЛЬНОЙ ЛИНИИ
(21) Номер заявки: a 20030441
(22) 2003.05.20
(43) 2004.12.30
(71) Заявитель: Закрытое акционерное
общество "Солар ЛС" (BY)
(72) Авторы: Спицын Игорь Гаврилович;
Семченков Сергей Алексеевич; Калитухо Ирина Николаевна (BY)
(73) Патентообладатель: Закрытое акционерное общество "Солар ЛС" (BY)
(56) SU 1603202 A1, 1990.
RU 2119649 C1, 1998.
SU 1827550 A1, 1993.
JP 59135331 A, 1984.
BY 9787 C1 2007.10.30
(57)
Способ определения длины волны спектральной линии, включающий ее регистрацию
многоэлементным детектором, сопоставление ее положения на элементах указанного детектора с положением реперных спектральных линий, зарегистрированных ранее тем же
детектором, и определение искомой длины волны исследуемой спектральной линии на
основании результатов указанного сопоставления, отличающийся тем, что зарегистрированным реперным линиям присваивают коэффициенты порядка, численно равные произведению номера порядка их спектра на соответствующую длину волны, строят функцию
распределения коэффициентов порядка реперных линий по номерам чувствительных элементов детектора, затем путем подстановки каждого номера чувствительного элемента
детектора, соответствующего зарегистрированному им положению одного из максимумов
исследуемой линии, в указанную функцию распределения находят n коэффициентов порядка исследуемой линии, где n - число ее спектральных порядков, n ≥ 2, значение каждого
Фиг. 1
BY 9787 C1 2007.10.30
коэффициента порядка исследуемой линии делят на разность между ее же коэффициентами порядка, соответствующими двум любым рядом расположенным порядкам спектра,
все результаты деления округляют до целых чисел, получая тем самым n номеров порядка
спектра исследуемой линии, и далее находят n приближенных значений искомой длины
волны путем деления каждого из коэффициентов порядка исследуемой линии на соответствующий ему определенный номер порядка спектра, а определение искомой длины волны производят путем усреднения всех ее указанных приближенных значений.
Изобретение относится к области спектрального анализа и может быть использовано в
спектральных приборах с многоэлементными детекторами, предназначенных для эмиссионных измерений и, в частности, для измерения длины волны лазерного излучения.
Известен способ определения длины волны спектральной линии [1], при котором
спектры высоких порядков реперных и определяемых спектральных линий раскладываются в ряд строк, т.е. результирующая спектрограмма является двухкоординатной, каждой
строке соответствует свой порядок спектра, а расстояние между каждой определяемой
спектральной линией и реперной спектральной линией служит в качестве исходной величины для определения длины волны спектральной линии.
Способ имеет ряд недостатков, а именно, может быть реализован только при использовании, кроме эшелле, второго диспергирующего устройства для разделения порядков
спектра. Это значительно усложняет конструкцию прибора; требует использования двухкоординатных матричных детекторов излучения, что в сравнении с однокоординатными
является экономически невыгодным, алгоритм определения длины волны предполагает
решение уравнения, содержащего многочлен с экспериментально определяемыми коэффициентами, и является громоздким и сложным. Кроме того, непостоянное по полю зрения увеличение устройства разделения порядков вносит искажения в пространство
изображения, превращая линии одного номера порядка в семейство кривых. Необходимость компенсации этих искажений в процессе обработки данных приводит к дальнейшему усложнению алгоритма и снижению точности определения длины волны.
Наиболее близким по технической сущности является способ определения длины волны спектральных линий [2], при котором излучение источника с определяемыми спектральными линиями раскладывают в спектр, регистрируют определяемые спектральные
линии многоэлементным детектором, сопоставляют их положения на элементах указанного детектора с положением реперных спектральных линий, зарегистрированных ранее тем
же детектором. Зная координату определяемой спектральной линии на многоэлементном
детекторе и среднее значение обратной линейной дисперсии спектрального устройства,
находят длину волны определяемой спектральной линии λi из соотношения:
λi = λреп + xi(dλ / dl),
(1)
где λреп - длина волны реперной спектральной линии, xi - разница координат реперной и
определяемой спектральной линии на многоэлементном детекторе в направлении дисперсии, dλ / dl - среднее значение обратной линейной дисперсии на заданном одновременно
регистрируемом спектральном интервале.
Указанный способ может быть успешно реализован в малогабаритных быстродействующих спектральных приборах, работающих в низких порядках спектра, где линейная
дисперсия невелика и в пределах заданного одновременно регистрируемого спектрального интервала изменяется незначительно. Однако невысокая дисперсия при условии
сохранения широкого и одновременно регистрируемого спектрального интервала обуславливает низкие значения разрешающей способности и, в свою очередь, точности определения длины волны [3].
2
BY 9787 C1 2007.10.30
Необходимость повышения спектрального разрешения малогабаритных широкодиапазонных быстродействующих приборов обусловлена интенсивным развитием и распространением лазеров, способных к генерации излучения с узкой спектральной шириной (до
единиц пикометров), перестраиваемого в широкой области спектра - от ИК до вакуумного
УФ. Благодаря возможности точной настройки на узкие максимумы спектральных линий
перестраиваемые лазеры нашли широкое применение в линейной и нелинейной лазерной
спектроскопии, лазерном зондировании атмосферы (методы резонансной флуоресценции
и поглощения для определения состава атмосферы), при обнаружении загрязняющих
примесей и их концентрации, лазерном разделении изотопов и др. Требуемая точность
определения длины волны излучения достигает 106 и ограничивается шириной линии генерации лазеров [4]. Обеспечение такой точности при условии сохранения широкого одновременно регистрируемого спектрального интервала, ограниченного диапазоном
спектральной чувствительности выбираемого детектора [5], требует высокой дисперсии,
которая достигается путем использования дифракционых решеток типа эшелле, работающих с большими углами дифракции, в высоких порядках спектра [3].
Реализация указанного способа [2] в спектральных приборах, работающих в высоких
порядках спектра, не обеспечивает требуемой точности из-за значительных погрешностей,
связанных с сильным изменением по спектру величины линейной дисперсии [6, 7]. Кроме
того, указанный способ определения длины волны не предполагает определения порядка
спектра, а при работе в высоких порядках спектра линии разных длин волн в различных
порядках спектра могут накладываться друг на друга, и предварительное определение порядка спектра становится необходимым.
Технической задачей изобретения является повышение точности определения длин
волн спектральных линий при использовании малогабаритных спектральных приборов,
позволяющих проводить экспрессные измерения длины волны в широком спектральном
диапазоне.
Это достигается тем, что в способе определения длины волны спектральных линий,
включающем ее регистрацию многоэлементным детектором, сопоставление ее положения на элементах указанного детектора с положением реперных спектральных линий,
зарегистрированных ранее тем же детектором, и определение искомой длины волны определяемой спектральной линии на основании результатов указанного сопоставления, зарегистрированным реперным линиям присваивают коэффициенты порядка, численно
равные произведению номера порядка их спектра на соответствующую длину волны,
строят функцию распределения коэффициентов порядка реперных линий по номерам чувствительных элементов детектора, затем путем подстановки каждого номера чувствительного элемента детектора, соответствующего зарегистрированному им положению одного
из максимумов определяемой линии, в указанную функцию распределения находят n коэффициентов порядка исследуемой линии, где n - число ее спектральных порядков, n ≥ 2,
значение каждого коэффициента порядка исследуемой линии делят на разность между ее
же коэффициентами порядка, соответствующими двум любым рядом расположенным порядкам спектра, все результаты деления округляют до целых чисел, получая тем самым n
номеров порядка спектра исследуемой линии, и далее находят n приближенных значений
искомой длины волны путем деления каждого из коэффициентов порядка исследуемой
линии на соответствующий ему определенный номер порядка спектра, а вычисление искомой длины волны производят путем усреднения всех ее указанных приближенных значений.
Способ реализуется следующим образом. При наладке устройства излучение известных длин волн раскладывают в спектр и фокусируют на многоэлементном детекторе в
различных порядках спектра. Таким образом, на многоэлементном детекторе получают
набор спектральных линий известных длин волн в различных порядках спектра, которые
наблюдают вдоль координаты x, соответствующей направлению дисперсии, причем по
3
BY 9787 C1 2007.10.30
оси y откладывается интенсивность излучения. Зная параметры оптической схемы, рассчитывают для каждой реперной длины волны коэффициент порядка, численно равный
произведению номера порядка спектра на длину волны спектральной линии, из соотношения:
К = kλ,
(2)
где λ - реперная длина волны, k - порядок спектра реперной длины волны. Каждую спектральную линию аппроксимируют функцией Гаусса (или Лоренца), положение ее пика
отличается номером элемента детектора с точностью до десятых долей и значением коэффициента порядка. Рассчитывают зависимость между положением спектральной линии на
многоэлементном детекторе и значением ее коэффициента порядка. При определении
длины волны исследуемой спектральной линии (или узкого спектрального интервала,
свободного от наложения других порядков спектра) спектральные линии различных порядков спектра, не менее двух, регистрируют на многоэлементном детекторе, определяют
их положение с точностью до долей элемента детектора, присваивают определяемым
спектральным линиям соответствующие значения коэффициентов порядка и вычисляют
длину волны определяемой спектральной линии, причем номера порядков спектра определяют двумя вариантами: либо каждый коэффициент порядка делят на разность между
коэффициентами порядка двух любых рядом расположенных порядков определяемой линии, либо каждый коэффициент порядка делят на разность между наибольшим и наименьшим из них и умножают на (n-1), результат в обоих случаях подлежит округлению до
целого числа. Второй вариант определения номера порядка спектра является более предпочтительным, так как позволяет исключить ошибки, которые могут возникнуть при регистрации коротковолнового излучения, когда расстояние между центрами спектральных
линий различных порядков может быть сравнимо с размером элемента детектора.
Существенным отличительным признаком настоящего способа определения длины
волны спектральной линии является предварительное определение номера порядка спектральной линии, значение которого рассчитывают исходя из положения на многоэлементном детекторе различных порядков определяемой спектральной линии, не менее двух.
Определенный таким образом номер порядка спектра позволяет определить длину волны
исследуемого излучения. Реализация указанного способа при работе в высоких порядках
спектра благодаря высокой дисперсии обеспечивает высокую точность определения длины волны.
Пример конкретного выполнения формулы изобретения. На фиг. 1 представлено устройство для осуществления способа определения длины волны спектральных линий,
представляющее собой спектрометр, который содержит световод 1, входную щель 2, поворотное зеркало 3, коллиматорный объектив 4, дифракционную решетку 5 типа эшелле,
камерный объектив 6, поворотное зеркало 7, многоэлементный детектор 8 в виде линейки,
компьютер с программным обеспечением (на фиг. 1 не показан).
Устройство работает следующим образом. Излучение через световод 1, входную щель
2, поворотное зеркало 3 направляется на коллиматорный объектив 4, который от каждой
точки входной щели 2 направляет параллельные пучки лучей на эшелле 5. В зависимости
от длины волны излучения λ и порядка спектра k эшелле 5 отклоняет лучи на различные
углы, превращая параллельный пучок от каждой точки входной щели 2 в веер монохроматических параллельных пучков. Камерный объектив 6 через поворотное зеркало 7 создает
на многоэлементной линейке 8 монохроматические изображения входной щели 2, совокупность которых образует спектр.
В спектрометре с фокусным расстоянием 150 мм используется дифракционная решетка Эшелле размером 20×10 мм. Угол поля зрения камерного объектива, равный ~11°, выбирался из условия размещения как минимум 2-х порядков спектра для любой линии из
4
BY 9787 C1 2007.10.30
спектрального диапазона 200-1100 нм на детекторной линейке TCD1304AP (Toshiba, Япония), содержащей 3648 чувствительных элементов, каждый из них размером 0,008 мм по
направлению дисперсии; таким образом, общая длина линейки составляет ~29 мм.
При наладке спектрометра записывали поочередно известные линии в известных порядках спектра. Каждой линии присваивали коэффициент порядка, равный произведению
порядка спектра на значение длины волны. Была построена функция распределения коэффициентов порядка по номерам чувствительных элементов детектора. При испытаниях в
спектрометр запускали излучение с длиной волны 435,8328 нм Hg (справочное значение)
[8]. На детекторе было зарегистрировано 7 спектральных порядков спектральной линии,
максимумы которых находились на чувствительных элементах детектора с определенными номерами (фиг. 2 и таблица), каждому из которых ранее был присвоен определенный
коэффициент порядка, выбранный из функции распределения коэффициентов порядка. Из
наибольшего по значению вычитался наименьший коэффициент порядка, результат делился на 6. Так было получено приближенное значение длины волны - 435,7398 нм.
Каждый коэффициент порядка делили на приближенное значение длины волны, результат округляли до целого числа, что позволило получить 7 значений номеров порядка
спектра. Посредством деления каждого из коэффициентов порядка на соответствующий
номер порядка получили 7 значений длины волны, а после их усреднения - одно результирующее значение 435,8325 нм. Это значение отличается oт табличного на 0,0003 нм, т.е.
на 0,3 пикометра. Данные приведены в таблице.
№ эле№
мента деп.п
тектора
1
2
3
4
5
6
7
48,5
487,7
949,9
1439,9
1964,2
2531,5
3155,6
ПриблиНомер поЗначение Усредненное Ошибка опЗначение ко- женное знарядка спек- длины волны значение
ределения
эффициента
чение
тра после для каждого длины вол- длины волпорядка kλ длины волокругления порядка, нм
ны, нм
ны, пм
ны, нм
75834,987
174
435,8332
76270,920
175
435,8338
76706,594
176
435,8329
77142,394
435,73983
177
435,8327
435,8325
0,3
77578,148
178
435,8322
78014,058
179
435,8327
78449,426
180
435,8301
При определении описанным способом длины волны 253,652 нм Hg ошибка относительно справочного значения составила 0,3 пм, а для длины волны 1089,532 нм Xe ошибка
составила 0,9 пм.
Реализация вышеизложенного способа в малогабаритных портативных спектральных
приборах без подвижных оптических элементов позволит значительно повысить точность
определения длины волны при сохранении широкого одновременно регистрируемого
спектрального интервала, что обеспечивает проведение экспрессных измерений длин волн
узких спектральных линий с высокой точностью и в широком спектральном диапазоне, в
частности, длин волн излучения узкополосных перестраиваемых лазеров в процессе перестройки длины волны излучения.
Источники информации:
1. Frank L. Moore, Jr., Benjamin Furst. Echelle Calibration and Wavelength Calculation //
Journal of the Optical Society of America, 1972, 62. - № 6. - P. 762-764.
2. A.c. SU 1603202 Al, СССР, МКИ G 01J 3/12, опубл. 30.10.90 г. // Бюл. № 40.
3. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. - Л.: Машиностроение, 1975. С. 312.
5
BY 9787 C1 2007.10.30
4. Под ред. А.Ф. Котюка и Б.M. Степанова. Измерение спектрально-частотных и корреляционных параметров и характеристик лазерного излучения. - Москва: Радио и связь,
1982. - С. 190.
5. Image Sensor. Hamamatsu Photonics K.K., Cat. No. KMPD0002E01, Mar. 2001 DN
http://www.hamamatsu.com.
6. Плотников B.C., Журавлева В.П. Особенности расчета спектральных характеристик
малогабаритных светосильных дифракционных полихроматоров с решетками типа эшелле // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. - 1984. - № 2. С. 99-106.
7. Скоков И.В. и др. Проектирование дифракционных спектрографов. - M.: Машиностроение, 1991. - С. 128.
8. http://www.cvispectralproducts.com.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
156 Кб
Теги
by9787, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа