Фурье-спектроскопия

фурье-спектрометрия, метод спектроскопии (См. Спектроскопия) оптической, в котором получение спектров происходит в 2 приёма: сначала регистрируется т. н. интерферограмма исследуемого излучения, а затем путём её Фурье преобразования (См. Фурье преобразование) вычисляется спектр.

В Ф.-с. интерферограммы получают с помощью Интерферометра Майкельсона, который настраивается на получение в плоскости выходной диафрагмы (см. рис. 1 в ст. Интерферометр) интерференционных колец равного наклона (см. Полосы равного наклона). При поступательном перемещении одного из зеркал интерферометра изменяется разность хода Δ лучей в плечах интерферометра. В процессе изменения Δ исследуемое излучение модулируется, причём частота модуляции f зависит от скорости v изменения Δ и длины волны излучения λ (волнового числа ν = 1/λ). При Δ = kλ(k = 0, 1, 2,...) имеют место максимумы интенсивности излучения, при Δ = kλ/2 — её минимумы. Если v = const, то f = v/λ = vν, т. е. каждая длина волны исследуемого излучения кодируется определённой f.

Сигнал на приёмнике (интерферограмма) представляет собой совокупность синусоидальных цугов (см.рис.). Каждому спектру соответствует своя интерферограмма. В некоторых случаях спектр может быть определён по ней непосредственно, однако в большинстве случаев для преобразования интерферограммы в спектр необходимо произвести её Гармонический анализ. Для этого она записывается в виде ряда (массива) цифр, соответствующих дискретным значениям интенсивности излучения при изменении разности хода от 0 до Δ_макс (или от —Δ_макс до +Δ_макс) через равные интервалы. Такой массив, имеющий в разных приборах от 10² до 10⁶ значений, вводится в память ЭВМ, которая путём преобразования Фурье вычисляет спектр в течение времени от нескольких сек до нескольких ч в зависимости от сложности спектра и числа значений в массиве.

Комплекс аппаратуры, выполняющий эти операции, называется фурье-спектрометром (ФС); в него, как правило, кроме двухлучевого интерферометра, входят осветитель, приёмник излучения, система отсчёта Δ, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и ЭВМ (встроенная в прибор или установленная в вычислительном центре). Сложность получения спектров на ФС перекрывается его преимуществами над др. спектральными приборами (См. Спектральные приборы). Так, с помощью ФС можно регистрировать одновременно весь спектр. Благодаря тому, что в интерферометре допустимо входное отверстие больших размеров, чем щель спектральных приборов с диспергирующим элементом такого же разрешения, ФС по сравнению с ними имеют выигрыш в светосиле. Это позволяет уменьшить время регистрации спектров, уменьшить отношение сигнал — шум и повысить разрешение, уменьшить габариты прибора. Наличие ЭВМ в приборе позволяет, кроме вычисления спектра, производить др. операции по обработке полученного экспериментального материала, осуществлять управление и контроль за работой самого прибора.

Наибольшее применение Ф.-с. нашла в тех исследованиях, где др. методы малоэффективны или вовсе неприменимы (в основном, в ИК-области спектра). Например, спектры в ближней ИК-области некоторых планет были зарегистрированы в течение нескольких ч, а для регистрации их спектральным прибором с диспергирующим элементом потребовалось бы несколько месяцев. Малогабаритные ФС были использованы при исследовании из космоса околоземного пространства и земной поверхности в средней ИК-области. Лабораторные ФС для дальней ИК-области нашли применение в химии. Построены также фурье-спектрофотометры (см. Спектрофотометр) для всей ИК-области спектра.

Лит.: Белл Р. Дж., Введение в фурье-спектроскопию, пер. с англ., М., 1975; Инфракрасная спектроскопия высокого разрешения. Сб., пер. с франц. и англ., М., 1972; Мерц Л., Интегральные преобразования в оптике, пер. с англ., М., 1969.

Б. А. Киселев.

Интерферограммы, соответствующие: a — спектральной линии, б — спектральному дублету, в — спектральной полосе.

Fourier(-transform) spectroscopy

(фурье-спектрометрия, ФС), метод оптич. спектроскопии, в к-ром спектр получают в результате фурье-преобразования т. наз. интерферограммы исследуемого излучения. Интерферограмма зависит от оптич. разности хода двух лучей и представляет собой Фурье-образ спектра, т. е. ф-ции распределения энергии излучения по частотам.

Прибором для ФС служит фурье-спектрометр (рис.), основная часть к-рого - интерферометр Майкельсона (изобретен А. Майкельсоном в 1880). Интерферометр содержит два взаимно перпендикулярных зеркала - неподвижное 1 и подвижное 2 и полупрозрачную светоделительную пластину 3, расположенную в месте пересечения падающих пучков излучения и пучков, отраженных от обоих зеркал. Пучок излучения от источника 4, попадая на пластину 3, разделяется на два пучка. Один из них направляется на неподвижное зеркало 1, второй - на подвижное зеркало 2; затем оба пучка, отразившись от зеркал, выходят через светоделитель из интерферометра в одном и том же направлении. Далее излучение фокусируется на образце 5 и поступает на детектор излучения 6. Два пучка отличаются друг от друга оптич. разностью хода, величина к-рой меняется в зависимости от положения подвижного зеркала. В результате интерференции пучков интенсивность результирующего потока I(х )периодически меняется (модулируется). Частота модуляции зависит от частоты падающего излучения v и смещения подвижного зеркала х. В результирующей интерферограмме выделяется т. наз. точка нулевой разности хода, или точка белого света. В этой точке для всех частот наблюдается максимум; от нее ведут отсчет смещения подвижного зеркала. Для градуировки перемещений последнего часто используют интерферограмму монохро-матич. излучения от лазера (обычно на основе Не - Ne), введенного в фурье-спектрометр.

Рис. Оптическая схема фурье-спектрометра: 1 - неподвижное зеркало интерферометра; 2 - подвижное зеркало; 3 - светоделительная пластина; 4 - источник излучения; 5 - исследуемый образец; 6 - детектор излучения.

При поглощении образцом излучения с к.-л. частотой наблюдается уменьшение интенсивности интерферограммы, соответствующей этой частоте. После проведения фурье-преобразования в полученном спектре наблюдается полоса поглощения образца. Преобразование Фурье осуществляют на ЭВМ.

Быстрое развитие и широкое применение ФС обусловлены рядом преимуществ фурье-спектрометра по сравнению с дисперсионными приборами. T. наз. выигрыш Фелжета, или мультиплекс-фактор, связан с тем, что любая точка интерферограммы содержит информацию о всей исследуемой спектральной области. На детектор в каждый момент поступают сигналы, соответствующие всем частотам. За одно сканирование (за время t₁) регистрируется спектр с таким же отношением сигнал/шум (S/N)t₁, как и для дисперсионного спектрометра (но за время t₂ на неск. порядков большее, чем t₁). Если для получения спектра на фурье-спектрометре затратить время t₂, то отношение сигнал/шум возрастает во много раз в соответствии с ур-нием . Другое важное преимущество фурье-спектрометра - выигрыш Жакино, или геом. фактор, определяется отсутствием в нем щелей (задерживающих в дисперсионных спектрометрах до 99,9% излучения), что дает значит. выигрыш в светосиле (~ в 100-200 раз). Это позволяет уменьшить время регистрации спектров и отношение сигнал/шум, повысить разрешение и уменьшить габариты прибора. Вследствие того что интерферометр модулирует каждую частоту излучения разл. образом, отсутствует влияние рассеянного излучения, это обеспечивает высокую точность измерений даже высокой оптич. плотности. Любое излучение, исходящее из образца, не модулируется и не детектируется, так что в спектре отсутствуют ложные сигналы.

Наличие ЭВМ позволяет кроме вычисления спектра производить и др. операции по обработке полученных эксперим. данных, осуществлять управление и контроль за работой самого прибора.

Имеются фурье-спектрометры для получения спектров в разл. областях - от неск. см ^-1 до десятков тыс. см ^-1, в т. ч. спектров комбинац. рассеяния. На ИК фурье-спектрометрах достигнуто разрешение до 1,3

Fourier(-transform) spectroscopy