есть - МФТИ

Лабораторная работа № 9.
СПЕКТРОМЕТР БЛИЖНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА НА АКУСТООПТИЧЕСКОМ ПЕРЕСТРАИВАЕМОМ ФИЛЬТРЕ(АОПФ)
Преподаватели: Киселев Александр Владимирович, Афанасенко Тарас Сергеевич
(МФТИ)
Цель работы: изучение принципа действия ИК спектрометра на акусто-оптическом
перестраиваемом фильтре (АОПФ), определение дисперсии, разрешения и аппаратной
функции.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКУСТООПТИЧЕСКИХ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ФИЛЬТРОВ
АОПФ представляет собой электрически перестраиваемый фильтр, работающий на
принципе объемной (брегговской) дифракции светового пучка на неоднородностях
показателя преломления. Такие неоднородности возникают при возбуждении в
двулучепреломляющих кристаллах ультразвуковой акустической волны. При
анизотропной дифракции в одноосных кристаллах существует минимальная частота
ультразвука, при которой углы падения и дифракции совпадают, и происходит так
называемое
коллинеарное
акустооптическое
взаимодействие.
Анизотропное
акустооптическое взаимодействие было впервые реализовано экспериментально на
кристаллическом кварце, затем – в ниобате лития и молибдате кальция [6, 7].
Коллинеарные акустооптические фильтры на этих материалах обладают простой
геометрией, однако выбор материалов, в которых возможно такое взаимодействие,
относительно невелик, так как необходимо наличие специфических констант
взаимодействия. Рассмотрев обобщенную задачу, Chang [8] показал, что возможны другие
конфигурации акустооптических фильтров, в которых звук и свет распространяются под
углом друг к другу, как в дефлекторах лазерного излучения (неколлинеарный
акустооптический фильтр). При этом удалось сильно расширить класс используемых для
фильтрации материалов.
Основным условием акустооптического фильтра с широкой угловой апертурой
считается равенство нулю производной df/dα=0, где f- частота ультразвука вблизи
оптимального угла падения света при фиксированной длине волны падающего излучения.
Физический смысл этого выражения – независимость параметров дифракции от угла в
первом порядке малости. Надо отметить, что это условие выполняется и в коллинеарных
фильтрах.
С точки зрения классической оптики широкоапертурный акустооптический фильтр
представляет собой последовательность тонких (полуволновых) интерферометров ФабриПеро. Такая последовательность обладает единственной полосой пропускания и большой
допустимой угловой апертурой, так как в отличие от дифракционной решетки разность
хода интерферирующих лучей зависит от угла падения только во втором порядке малости.
В ИК канале использована конфигурация с еще более широкой угловой апертурой, в
которой зависимость от угла появляется только в третьем порядке малости. Приведем
подборку формул, по которым можно оценить основные параметры в любой конструкции
АОПФ: коэффициент передачи на резонансной длине волны η, полосу пропускания Δλ, и
угловую апертуру ΔΩ:
η=
M 2 L2 Pac
,
Sλ2
Δλ =
ΔΩ ≈
λ2
bL
(1)
(2)
λL
(3)
a
где M, a, b- параметры материала, L- длина взаимодействия света и звука, Pac- мощность
акустического потока, S- площадь входного светового пучка, λ− длина волны света.
Акустическая волна в кристалле возбуждается при помощи пьезоэлектрического
преобразователя, на который подается перестраиваемый сигнал высокой частоты (порядка
10-200 МГц, при мощности как правило, не превышающей нескольких ватт). Рабочие
характеристики фильтров можно найти во многих литературных источниках, например, в
работах [21-23]. Акустооптические фильтры применяются для анализа изображений и
спектроскопии в научных исследованиях и системах промышленного контроля. Хотя
производство широкоугольных фильтров сравнительно небольшое, их технологическая
база очень развита, так как те же технологии используются при массовом производстве
дефлекторов лазерного излучения и в узкоапертурных фильтрах для телекоммуникаций. В
качестве материала фильтра часто используется кристаллическая двуокись теллура
(парателлурит TeO2). Это тетрагональный кристалл группы 422 белого цвета, прозрачный
в диапазоне 0.35-5 мкм, отличается высокими акустооптическими характеристиками:
рекордно низкой скоростью сдвиговой волны – 617 м/с, что дает очень высокий
коэффициент оптического качества, в 600-800 раз больше, чем, например, у плавленого
кварца. Это означает, что для 100% отклонения или модуляции падающего излучения
достаточны мощности возбуждения, измеряемые милливаттами. Низкая скорость
распространения ультразвука несколько уменьшает быстродействие акустооптических
приборов на основе TeO2, однако этот недостаток окупается высокой эффективностью
материала.
Ряд акустооптических устройств для анализа изображений был разработан в
годдардовском космическом центре НАСА для астрономических наблюдений [1].
Применение акустооптических фильтров для спектроскопии дает возможность создания
малогабаритных высоконадежных устройств с большим временем жизни при
относительно высоком спектральном разрешении и возможности фильтрации
изображений. Поэтому применение таких устройств в космосе обещает большие
преимущества по сравнению с классическими спектральными схемами. Работы по
космическим применениям АОПФ велись и у нас в стране (в частности, изображающие
акустооптические спектрометры применялись на спутниках серии Океан) и за рубежом,
однако в литературных источниках сведений о результатах таких разработок мало [2]. О
разработке спектрометров на основе акустооптических фильтров для НАСА сообщалось в
работах [3-5] в JPL при разработке аэрокосмического фильтра для анализа поверхности
успешно провели испытания АОПФ на радиационную стойкость. Спектрометр для КА
Марс-Экспресс является первым опытом использования АОПФ в космических
исследованиях других планет.
Схема дифракции света на ультразвуке
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Glenar D.A., Hillman J.J., Saiff B., Bergstralh J. Acouto-optic imaging spectropolarimery for
remote sensing //Appl. Opt. 1994. V.33. P.7412-7424.
2. Gupta N., Fell Jr N.F. A compact collinear AOTF Raman spectrometer // Talanta 45, 279284, 1997.
3. Zhang H.; Wang X. L.; Soos J. I.; Crisp J. A. Design of a miniature solid state NIR
spectrometer // Proc. SPIE. 1995. V.2475. P.376-383.
4. Lambert J., Chao T., Yu J., Cheng L. Acousto-optic tunable filter (AOTF) for imaging
spectrometer for NASA applications: breadboard demonstration // Proc. SPIE 1990. V.1347.
P. 655-664.
5. Yu J., Chao T., Cheng L. Acousto-optic tunable filter (AOTF) for imaging spectrometer for
NASA applications: system issues // Proc. SPIE 1990. V.1347. P. 644-654.
6. Dixon R.W. Acoustic diffraction of light in anisotropic media // IEEE J. Quant. Electr. 1967.
V.3. P.85-93.
7. Harris S.E., Wallace R.W. Acousto optic tunable filter // J. Opt. Soc. Am. 1969. V.59. P.744747.
8. Chang I.C. Noncollinear acousto-optic filter with large angular aperture // Appl. Phys. Lett.
1974. V.25. N.7. P.370-372.
9. В.М.Левин,Р.Г.Маев,В. В. Проклов ,Свет и звук взаимодействие в среде //
М,«Знание»1981.
10. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Пер. с англ. М., 1970
11. Физическая акустика. Т. 7. Под ред. У. Мэзона и Р. Терстона,Пер. с англ. М„ 1974
12. Такеρ Дж., Ρэмπτон В. Гиперзвук в физике твердоготела. М., 1975.
13. В.И. Балакший, В.Н. Парыгин, Л.И. Чирков, Физические основы акустооптики.
14. Епихин В.M., Визен Ф.Л., Пустовойт В.И. Акустооптический фильтр // Авторское
свидетельство. Бюлл. Открытия, изобретения и открытия. 1984. 22.X. №1247816.
ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ИК-СПЕКТРОМЕТРА
В приборе использован акустооптический фильтр на основе кристалла
парателлурита в особой неколлинеарной конфигурации [14], обеспечивающий высокую
разрешающую силу в относительно широком угловом пучке. Для разделения падающего и
дифрагировавшего излучения в данной конструкции использовано изменения
направления распространения излучения при дифракции. Диафрагма поля ограничивает
угловую апертуру света, и в падающем на акустооптическую ячейку пучке отсутствуют
лучи с отклонением от оптической оси >2.5°. Угол дифракции составляет 7.5° и слабо
зависит от длины волны. Все излучение с длинами волн, отличными от резонансной не
дифрагирует и не меняет направления распространения. Две поляризации разводятся в
разные стороны симметрично от направления падающего излучения. Такая
кристаллографическая конфигурация, в которой одновременно формируются узкие
полосы с практически совпадающей длиной волны пропускания, является единственной
для TeO2. Расчетные параметры ячейки приведены Табл 2. Эффективная длина
взаимодействия свет-звук 23 мм, а рабочий размер светового пучка в кристалле 4×6 мм.
После акустооптической ячейки световые пучки расходятся в угле 5° (Рис1). Линза,
установленная после ячейки, формирует перетяжки, в которых сосредоточены потоки
полихроматического
и
монохроматического
отфильтрованного
излучения.
Полихроматическое (недифрагировавшее) излучение улавливается ловушкой. Если
акустическая волна выключена, весь световой поток проходит через кристалл и попадает в
ловушку. Когда включается сигнал высокой частоты, возникают два слабых полезных
монохроматических пучка, собираемых на двух фотоприемниках при помощи
дополнительных короткофокусных линз. Таким образом, если не подана мощность
возбуждения, свет на фотоприемник не попадает, что используется в приборе для
модуляции сигнала.
В качестве фотоприемников использованы InGaAs фотодиоды G5832-11
(производства фирмы Hamamatsu); диаметр чувствительной области 1 мм, охлаждаемые
при помощи интегрированного однокаскадного охладителя Пельтье на Δt°≈25°.
Детекторы с короткофокусными линзами и предусилители собраны в экранированный
блок детекторов; на нем же укреплена ловушка «белого» света.
Калибровка ИК-спектрометра
Соответствие длины волны фильтрации и частоты возбуждения АОПФ
установлено при помощи источников линейчатого спектра: HgAr лампа и HeNe лазер.
Лампа ртуть-аргон низкого давления (Oriel Instruments) имеет несколько сильных линий
достаточно удачно расположенных в спектральном диапазоне ИК-спектрометра: 1128.3,
1356.7, 1367.1 и 1529.3 нм. Дисперсия кристалла АОПФ заметно зависит от температуры,
и калибровка прибора на основе АОПФ по длине волны будет меняться при изменении
температуры кристалла из-за прогрева в процессе работы или при изменении внешних
условий (относительное изменение длины волны ~10-5 град-1). Калибровки каждой модели
АОПФ спектрометра по длине волны проводились в климатической камере с
использованием лампы HgAr в температурном диапазоне –20…+40°C. Акустооптическая
ячейка снабжена температурным датчиком, и с учетом температурного дрейфа.
Дисперсионная кривая АОПФ в общем случае описывается функцией:
a
λ = + b,
(4)
f
где a и b зависят от температуры. Эта зависимость аппроксимируется полиномами,
коэффициенты которых для каждого канала находятся отдельно. Для второго канала
зависимость длины волны от частоты была найдена именно в таком виде. Коэффициенты
равны:
a = –3.6228649 t2+2464.6217 t+13690971
b = –5.4920304 10-6 t2+0.0044824233 t+71.220396,
Точность такой калибровки получилась не хуже ± 0.2-0.3 нм в диапазоне 1100 –
1600 нм. Кроме того, калибровки были откорректированы и постоянно контролировались
по положению солнечных линий и полос газового поглощения в измеренных спектрах на
орбите Марса.
Аппаратная функция прибора измерена также с использованием линий лампы
HgAr, которые можно считать узкими. Теоретически, аппаратная функция АОПФ
описывается функцией (sinx/x)2, а спектральное разрешение, выраженное в обратных
сантиметрах в первом приближении постоянно в пределах спектрального диапазона.
Истинная аппаратная функция несколько асимметрична (Рис.4); зависимость
спектрального разрешения (точнее полуширины или ширины на половине высоты) от
длины волны приведена в табл. 3. Таким образом, разрешающая сила АОПФ
спектрометра в важном для измерения водяного пара диапазоне 1.38 мкм составляет
λ/Δλ≈1800, а в диапазоне около 1 нм разрешающая сила превышает 2300.
Таблица 1 Основные характеристики ИК канала прибора СПИКАМ
Спектральный диапазон
1.0-1.7 мкм
Спектральное разрешение
0.5 нм на 1.0 мкм
1.2 нм на 1.7 мкм, или менее 4 см-1
Поле зрения
1,1º круглое
Телескоп
Линзовый, Ø30 мм; фокусное расстояние 40 мм
АОПФ
TeO2
Эффективность в поляризованном свете ~70%
Апертура 4×6 мм2, ±2.5º;
Диапазон частот и мощность 85-150 МГц, 0.5-2.5 Вт
возбуждения
Детектор
Два фотодиода InGaAs (Hamamatsu G5832-11)
Размер Ø1 мм
Охлаждение 1 каскад Пельтье (–15ºC)
D*≈3·1013 Вт-1см Гц-1/2
Пропускание оптики
20%
Пороговая чувствительность ~ 3⋅10-5 Вт м-2 ср-1
Регулировка усиления
4 предустановленных значения усиления
Число измеряемых точек
2 спектра различных поляризаций; каждый длиной 330
точек
Динамический диапазон
216, округляемый до 212
Потребление
5 Вт (средн.)
Объем данных:
надир
1.05 кбайт за измерение
просвечивание
3.1 кбайт за измерение
Размеры
220×85×65 мм (не включая DC/DC и интерфейс )
Масса ИК канала
700 г
Таблица 2 Результаты расчетов акустооптического фильтра
Материал
Pac, Вт
S, см2
λ, нм
Δλ, нм
Двуокись
1100
0.5
0.4
0.24
теллура TeO2 1700
1.2
1.4
0.24
ΔΩ, град
5
5
Таблица 3 Зависимость полуширины аппаратной функции от длины волны для двух
каналов ИК-СПИКАМ (температура -20°C)
Длина волны, нм
1529.4
1367.27
1128.62
Канал 1, полуширина в нм
0.777
0.588
0.455
Канал 2, полуширина в нм
0.837
0.628
0.506
Рис. 4. Измеренная форма аппаратной функции прибора для двух каналов.
sin x 2
) . Сплошная линия –
Теоретическая аппаратная функция прибора описывается как (
x
первый канал, пунктир – второй канал ИК-спектрометра.
Техническое описание
стенда акустооптического спектрометра
БЛОК-СХЕМА ПРИБОРА
Интерфейс
RS422 к блоку
электроники
ИК излучение
Питание
+5В, ±15В,
+12В
Управление мощностью
АОПФ
Управление частотой
КОНТРОЛЛЕР
ВЧ on/off
Дифрагировавшие лучи
ДЕТЕКТОР 0
Управление
усилением
ДЕТЕКТОР 1
1 нА/Вт
УСИЛИТЕЛЬ 1
УСИЛИТЕЛЬ 0
Температурные
датчики детекторов
Температурные
датчики АОПФ и
основания
8 каналов
12 бит
шкала ±5В
- 0.1 мА· Rt
10 мВ/K
Датчик ВЧ мощности
Питание
АЦП
~1 В
~1 В
Рис. 2 Блок-схема электроники ИК-спектрометра
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА АОПФ СПЕКТРОМЕТРА
Блок-схема измерительной системы ИК-спектрометра СПИКАМ приведена на Рис.
2. Цифровой синтезатор частоты и усилитель мощности с системой согласования
импеданса размещены в экранированном блоке АОПФ в непосредственной близости от
акустического преобразователя. Синтезатор состоит из широкополосного генератора,
управляемого напряжением, стабилизированного через фазовую обратную связь.
Генератор перестраивается в диапазоне 860-1450 МГц; затем частота делится на 10.
Усилитель мощности позволяет изменять мощность, приложенную к акустическому
преобразователю. Таким образом, управляемыми параметрами являются частота и
мощность ВЧ, а также статус ON/OFF ВЧ. Номинальный диапазон частот синтезатора от
87 до 140 МГц определяет длину волны настройки АОПФ. Когда статус ON/OFF=1, к
кристаллу прикладывается акустическая мощность и возникает дифракция. Когда
ON/OFF=0, мощность выключена и эффективность дифракции равна нулю. В это время
можно менять частоту АОПФ. Во время измерения, АОПФ включен 50% времени и
выключен в течение других 50%. Измерительная схема не пропускает постоянный ток, в
результате детектирующая система регистрирует только полезный (модулированный)
сигнал и нечувствительна к посторонним засветкам. Период модуляции АОПФ (или время
измерения одной спектральной точки) может быть 1.4, 2.8, 5.6 и 11.2 мс.
Предусилители фотоприемников расположены в экранированном блоке
детекторов. Каждый из фотоприемников снабжен преобразователем ток-напряжение
(фототок 1 нА дает 10 мВ на выходе). Далее сигнал усиливается программируемым
усилителем с относительными значениями усиления 1, 3, 8.25 и 26. В результате полный
коэффициент передачи усилителей изменяется от 2.1*109 до 5.46*1010 В/А, а полоса
пропускания по уровню –3dB составляет 1.6-560 Гц. Такая полоса является
компромиссной с точки зрения уменьшения шума с одной стороны, и искажения сигнала
– с другой. Программируемый усилитель, АЦП и контроллер прибора размещены на
общей плате контроллера. Обработка модулированного сигнала (синхронное
детектирование) производится в цифровой форме. В течение каждого полупериода
производится 16 равномерно распределенных измерений. Результаты суммируются, и из
суммы 16 измерений в течение активного полупериода вычитается сумма 16 измерений в
течение неактивного полупериода. Результат округляется, и 12 старших бит считаются
измеренной точкой спектра. Таким образом, в приборе реализована классическая схема
синхронной модуляции, хотя синхронный детектор в обычном понимании отсутствует.
«Мертвое время» спектрометра составляет около 120 мкс в течение каждого полупериода,
что составляет <4% для 2.8 мс и еще меньше для периода 5.6 или 12 мс. Задержка
необходима для исключения переходных процессов после включения или выключения
акустической волны в АОПФ. Частота возбуждения АОПФ может быть изменена при
каждом измерении, и, следовательно, элементарное измерение (одна точка спектра)
состоит из одного периода модуляции. Новое измерение начинается с установки новой
частоты возбуждения во время неактивного полупериода предыдущего измерения, так что
все переходные процессы заканчиваются к началу активного полупериода.
Обработка сигналов и общее управление работой прибора и синхронизация
процессов измерения проводится с помощью микроконтроллера, который получает
команды и пересылает измеренные данные в блок электроники, общий для всего прибора
СПИКАМ Лайт. Помимо сигналов с двух фотодетекторов передается информация от
нескольких дополнительных источников, индикатора ВЧ мощности, датчиков
температуры и т.д.
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ БЛОКА ЭЛЕКТРОНИКИ
УПРАВЛЕНИЕ АОПФ. АОПФ управляется через последовательный цифровой
интерфейс. Контролируются следующие параметры: частота радиочастотного сигнала,
мощность радиочастотного сигнала, подаваемого на АОПФ, и состояние АОПФ
(вкл/выкл). Значение частоты как правило находится в пределах 80-140 МГц и определяет
длину волны ИК излучения, на которую настраивается АОПФ. Параметр мощности РЧ
(DAC) – 12-битное значение, которое может варьироваться от 0 до 4095 и которая
определяет эффективность дифракции АОПФ в состоянии «включено». Если АОПФ
находится в состоянии «выключено», эффективность дифракции равна нулю. АОПФ
переключается между состояниями «вкл.» и «выкл.» при помощи подаваемого по
соответствующему каналу меандра, так что половину периода он находится в в состоянии
«вкл.» а половину – в состоянии «выкл.». Период прерывания может быть установлен в
1.4, 2.8, 5.6 и 11.2 мс.
ФОТОДИОДЫ. Интенсивность дифрагированного пучка ИК-излучения на выходе
АОПФ регистрируется с помощью двух диодов Hamamatsu G5832-11. Типичная
чувствительность фотодиодов 1 А/Вт. Когда АОПФ находится в состоянии «выкл.»,
фотодиоды генерируют темновой ток, в состоянии «вкл.» ток фотодиодов представляет
собой сумму темнового тока и фототока, пропорционального интенсивности входящего
пучка.. Таким образом переключение АОПФ между состояниями «вкл.» и «выкл.»
вызывает изменение тока фотодиодов, которое и представляет собой полезный сигнал
прибора.
УСИЛИТЕЛИ. Каждый фотодиод подключен к предусилителю, преобразующему ток в
напряжение, с внутренним импедансом 10 Мом (фототок в 1 нA дает напряжение на
выходе 10 мВ ). Постоянная времени предусилителя составляет 270 мс, что соответствует
частоте обрезания 590 Гц. Выходное напряжение усиливается трехкаскадным переменным
усилителем мощности. Значения полного коэффициент усиления составляют 210, 630,
1730 и 5460 (относительный коэффициент усиления равен 1, 3, 8.25 и 26, при частоте
обрезания 1.3кГц). Во избежание постоянного сдвига напряжения, индивидуальные
каскады усилителя связаны. Постоянные времени связывающей цепи составляет 0.1 с, что
соответствует низкочастотному обрезанию на уровне 1,6 МГц. В результате полный
импеданс усилителей варьируется от 2.1 109 до 5.46 1010 В/А и –3dB полоса пропускания
усилителей 1.6 –560 Hz. Приведенные значения постоянной времени являются
результатом компромисса между искажениями сигнала и уменьшением уровня шума.
АЦП. Выходные напряжения усилителей и все другие аналоговые сигналы в системе
измеряются 8-канальным 12-разрядным АЦП, работающем в диапазоне +/- 5 В. В этом
интервале реализуется полномасштабный биполярный режим.
ТЕРМОДАТЧИКИ
ФОТОДИОДОВ.
Фотодиоды
Hamamatsu
оснащены
терморезисторами, которые используются для измерения температуры детекторов.
Специальный электронный преобразователь обеспечивает линейное преобразование
сопротивления терморезистора в напряжение: VOUT = Rt * 0.1 mA. Типовые калибровки
зависимости сопротивления от температуры приводится в спецификации детекторов.
ТЕРМОДАТЧИКИ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛИТЫ И АОПФ. Температура оптической
плиты и АОПФ измеряется с помощью термодатчиков AD590 IC фирмы Analog Devices.
Электронный преобразователь обеспечивает линейное выходное напряжение в
зависимости от абсолютной температуры согласно уравнению VOUT = T * 10 мВ/K.
ДАТЧИК МОЩНОСТИ РАДИОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА. Электронный блок
АОПФ включает диодный преобразователь? Измеряющий мощность подаваемого на
АОПФ радиочастотного сигнала. Типовое напряжение на выходе преобразователя около
1В.
ДАТЧИК НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ. Напряжения питания: +5В, +15В и –15В
суммируются с определенными заданными весами, и результирующее напряжение
порядка –1Vизмеряется для контроля источника питания.
ЭЛЕМЕНТЫ ПЕЛЬТЬЕ ФОТОДИОДОВ. Фотодиоды Hamamatsu могут охлаждаться с
помощью встроенных в сборку последовательно соединенных элементов Пельтье. Ток
потребления микрохолодильников Пельтье 0.4 А, поддерживаемая температура на 25К
ниже температуры окружающей среды.
КОНТРОЛЛЕР. Управление АОПФ, усилителями, АЦП, сбор и первичная обработка
данных осуществляется контроллером типа MCU 80c32 с тактовой частотой 30 Мгц,
программной ROM емкостью 32 кбайт и оперативной памятью 32 кбайт. Связь с
управляющим ПК обеспечивает последовательный интерфейс RS422 со скоростью
передачи данных 937.5 кбод.
НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ. Блок электроники потребляет напряжения +5В, +15В, 15В и +12В.
СЧИТЫВАНИЕ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ФОТОДИОДОВ
Процесс измерения происходит в соответствии со следующим алгоритмом. Сначала
устанавливается частота на АОПФ. Информация по частоте посылается на АОПФ в самом
начале временного интервала “ВЫКЛ”, с тем чтобы избежать влияния переходных
процессов на измерение.
Во время интервала “ВЫКЛ” производится последовательность измерений фототока на
каждом фотодетекторе. Измерения равномерно распределены по этому интервалу, каждое
измерение занимает приблизительно 25 мс. Количество измерений зависит от
длительности периода модуляции и меняется в пределах от 8 до 64. Результат измерений
суммируется отдельно для каждого детектора. Результат представляет собой средний
темновой ток детекторов. Аналогичным образом измерения производятся в состоянии
АОПФ “ВКЛ”. Результатом является сумма среднего фототока и темнового тока. Данные
нормируются
пропорционально
разрядности
АЦП
исходя
их
требований
коммуникационного формата (12 бит). Указанная процедура повторяется для каждого
значения частоты АОПФ.
Кроме приведенного выше алгоритма, контроллер допускает три другие конфигурации
измерений. В режиме одиночного канала задействуется только один фотодетектор. В
режиме калибровки детектор 0 используется для спектральных измерений, в то время как
второй канал АЦП используется для измерения мощности РЧ-сигнала. Процесс приема и
обработки данных идентичен приведенному выше.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В ТЕКСТЕ СОКРАЩЕНИЯ
АОПФ– акустооптический перестраиваемый фильтр
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
ИК
– инфракрасный
ПК
– персональный компьютер
РЧ
– радиочастота
ROM – постоянная память, открытая только на чтение (Read Only Memory)
RMS – среднеквадратичный (Root Mean Square)
ПОРЯДОК ПОДГОТОВКИ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ
1. Ознакомится с разделами описания.
2. По списку литературы выбрать источник и по нему изучить
физические основы акусто-оптического взаимодействия
(рекомендуется [9] или [13], а так же приложение 3)
3. Ознакомится с методами работы в системе MathCad (для
последующей обработки результатов измерений)
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Ознакомиться с инструкцией по эксплуатации лабораторного
стенда акустооптического спектрометра.
2. Проверить правильность соединений коммуникационных
кабелей и кабелей питания согласно рис 1 и маркировки на кабелях
и разъемах.
3. Включить стенд.
4. Запустить программу Project1.exe.
5. Установить в первом окне начальную частоту 85’000 kHz , шаг
по частоте 1 (т.е 16kHz) и число точек 3652. Установить значения
остальных полей ввода согласно рис.5.
6.Снять измерения при выключенном источнике.
7. Сохранить результат в файл dd-mm-yy-1730-dark1.txt.
8. Включить источник ИК излучения, снять и сохранить измерения
при включенном источнике в файле dd-mm-yy-1730.txt.
9. Выключить источник ИК излучения, повторно снять и сохранить
измерения темнового сигнала (dd-mm-yy-1730-dark2.txt).
10. Повторить пп. 6 – 9 при зачениях DAC = 1000, 3500, 500 и
сохранить результаты соответственно в файлах с именем dd-mmyy-xxxx.txt.(где xxxx – значение DAC).
11.Выключить стенд.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
1.
Найти усредненный уровень темнового сигнала по
данным dd-mm-yy-1730-dark1.txt и dd-mm-yy-1730-dark2.txt.
2.
Вычесть поточечно фоновый сигнал из даных
регистрации эталонного источника.
3.
По полученным данным определить частоты ультразвука
соответствующие центрам трех самых ярких спектральных
линий Hg (1128.3, 1367.1 и 1529.3 нм.), используя их найти
коэффициенты для дисперсионной формулы (4) (т.е.
зависимости длинны волны на выходе АОПФ монохроматора
от поданной частоты ультразвука). Построить дисперсионную
кривую АОПФ.
4.
Определение аппаратной функции и спектрального
разрешения прибора для длин волн соответствующих трем
линиям Hg. (Вычисления этого пункта проводятся для разных
значений DAC)
4.1 Участки спектра отстоящие от центра линий на +/-300 kHz
копируются в отдельные файлы/массивы, независимо
нормируются на 1, сглаживаются, а затем сводятся на один
график (См. рис 4, только не для двух поляризаций а для трех длин волн).
Какие выводы можно сделать из этих графиков?
4.2 Произвести замену переменной для трех профилей апп.
функции полученных в п. 4.1 с частоты ультразвука на длину
волны излучения используя дисперсионную формулу
полученную в п. 3. и затем также свести на один график.
Оценить полуширину апп. функции, построить график
зависимости спектрального разрешения от длинны волны.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ
лабораторного стенда акустооптического спектрометра.
ВВЕДЕНИЕ
Лабораторный стенд на основе акустооптического спектрометра
является высокоточным оптическим прибором и требует бережного
отношения. Особое внимание необходимо уделять оптическим
поверхностям, предохранять их от загрязнения и механического
воздействия.
Порядок включения стенда.
Перед включением стенда необходимо:
2) Провести проверку электрических соединений в соответствии
с рис 1.
3) Проверить заземление всех блоков стенда.
Приведение стенда в готовность для записи ИК спектра:
1) Включить ПК тип IBM PC и, следуя указаниям системы
загрузить ОС.
2) Включить блок питания +5;+15;-15 и +12 Вольт. При подаче
напряжения питания на блок электроники в течение 5с
проходит внутренний авто тест.
3) Запустить на ПК программу управления \PC Soft\Project1.exe
из соответствующей директории.
4) Следуя указаниям прикладной программы проверить
функционирование канала связи RS-422 и микропроцессора
блока электроники.
5) Включить источник питания излучателя типа “A”.
Стенд готов к регистрации ИК спектра.
Порядок выключения стенда.
Выключение стенда производится в обратном порядке.
Особое внимание надо уделить последовательности завершения
работы с программой управления и выключением питания блока
электроники. При выключении питания до завершения работы с
программой возможно «зависание» ПК.
ПК типа
IBM PC
~200V
~200V
RS-422
АОПФ
Блок
интерфейс
электроники
АОПФ
ИСТОЧНИК
ПИТАНИЯ
+5v;+12V;
+15V;-15V
ИСТОЧНИК
ПИТАНИЯ
ИК излучателя
Рис1.
ИСТОЧНИК
ИК излучения
типа "А"
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ОЦЕНКИ УРОВНЯ ШУМА
На представленной ниже диаграмме приведена эквивалентная схема входного каскада
(фотодиод и предусилитель), который определяет шумовые характеристики системы.
Cf
Rf
Cd
Rd
Ef
Vo
Ia
Ed
Ea
Фотодиод представлен своим типовым внутренним сопротивлением Rd = 1500 Мом и
емкостью Cd = 50 пкФ, соединенными параллельно. Соответствующая постоянная
времени равна 0.225 с, поэтому емкостное сопротивление окажется существенным для
частот выше 1Гц. Эквивалентный источник минимального шума в системе (теплового)
представлен генератором шумового напряжения Ed со спектральной плотностью
{Ed}2 = 4kT Rd ,
где K – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура диода.
Шумовой ток фотодиода, генерируемый этим источником и подаваемый на
предусилитель, равен
{Id}2 = 4kT/Rd.
Входной шумовой ток, генерируемый сопротивлением обратной связи с тепловым шумом
Ef равен
{If}2 = 4kT/Rf.
С целью минимизации вклада этого источника шума необходимо увеличить
сопротивление обратной связи до возможно больших значений. Однако его величина
ограничивается наличием ненулевой емкости цепи обратной связи и необходимостью
поддерживать постоянную времени предусилителя RfCf в разумно низких пределах во
избежание заметного искажения сигнала.
Чтобы влиянием входного тока усилителя Ia можно было пренебречь, он не должен
превышать указанные источники шума.
Более серьезную проблему представляет шумовое напряжение на входе усилителя Ea.
Коэффициент усиления равен 1 + Zf/Zd, где Z обозначает полный импеданс цепи обратной
связи и фотодиода. Выше частоты обрезания (1 Гц) этот коэффициент растет линейно с
увеличением частоты вплоть до частоты обрезания цепи обратной связи ( 1/2πRfCf ). На
более высоких частотах коэффициент остается постоянным в пределах полосы
пропускания, в то время как коэффициент усиления других источников шума падает. С
целью минимизации вклада источника шума Ea, в последующих каскадах усиления
осуществляется дополнительная низкочастотная фильтрация, однако этот источник попрежнему серьезно влияет на шумовые характеристики.
Постоянная величине коэффициента усиления Ea определяется отношением емкостей
фотодиода и цепи обратной связи 1 + Cd/Cf . Чтобы уменьшить влияния шума Ea,
предпочтительно увеличить емкость цепи обратной связи Cf, однако это противоречит
требованию увеличения сопротивления цепи обратной связи Rf при сохранении низкого
значения постоянной времени RfCf, как указано выше. Оценка шума с учетом всех
приведенных ограничений предполагает, что сопротивление обратной связи имеет
максиальное допустимое значение, которое можно оценить как
Rf = ( Tf /EaCd)2kT,
где Tf – максимальная постоянная времени обратной связи, допустимая с точки зрения
искажений сигнала.
Для использованного в настоящей схеме в качестве предусилителя операционного
усилителя AD820, имеющего удовлетворительные шумовые характеристики, и для
постоянной времени 300 мс, ограниченной частотой прерывания АОПФ, допустимое
значение сопротивления обратной связи составляет 10 МОм. Тепловой шум этого
резистора преобладает над всеми остальными источниками шума и дает {I}2 = 40 A/(Гц)1/2
для шумового тока предусилителя. Это значение соответствует экспериментально
наблюдаемым флуктуациям темнового тока.
Рассмотрение процедуры усреднения за время измерения фототока дает оценку
флуктуаций тока
Var(I) = {I}2 / tch ,
где tch – период прерывания АОПФ.
Для приведенной величины тока предусилителя при периоде прерывания 6 мс эта оценка
дает Var(I) = 2.5 10-25 А, и среднеквадратичный уровень шума (RMS) на уровне 5 10-13 А =
0.5 пкA. При амплитуде полезного сигнала 1 nA, что соответствует мощности ИКизлучения на детекторе 10-9 Вт, относительная ошибка измерений, вызванная шумом
предусилителя, составит 5 10-13 / 10-9 = 5 10-4 .
Наряду с рассмотренным электрическим шумом, в системе присутствует множество
других факторов, ухудшающих ее характеристики: электрические наводки от других
электронных устройств, управляющего компьютера, источников питания, флуктуации
интенсивности ИК-излучения, попадающее на детектор рассеянное излучение и т.п.
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Acousto-optic effect
Acousto-optic effect, also known in the scientific literature as acousto-optic interaction or
diffraction of light by acoustic waves, was first predicted by Brillouin in 1921 and
experimentally revealed by Lucas, Biquard and Debye, Sears in 1932.
The basis of the acousto-optic interaction is a more general effect of photoelasticity consisting
in the change of the medium permittivity under the action of a mechanical strain a.
Phenomenologically, this effect is described as variations of the optical indicatrix coefficients
caused by the strain
:
(1)
where
is the photoelastic tensor components, i,j = 1,2,…,6.
In case of the acousto-optic effect, the strains are produced by an acoustic wave excited in
a transparent medium. Thus, one can say that the acoustic wave is accompanied by a wave of
refractive index variations. For a plane acoustic wave propagating along the axis z, one can write
that
,
(2)
where n is the undisturbed index of refraction, f and K are the frequency and propagation
constant of the acoustic wave,
is the amplitude variation of the refractive index induced by
the acoustic wave:
.
(3)
For the light, the medium with the refraction index (2) represents a phase grating moving with
the sound velocity v. Passing the medium, the light diffracts on inhomogeneities of the refraction
index, forming in the far field a salient diffraction pattern.
On examination of light diffraction by a monochromatic acoustic wave, two limiting regimes
are distinguished first of all – the regimes of Raman-Nath and Bragg. The Raman-Nath regime is
observed at relatively low acoustic frequencies f and a small acoustooptic interaction length l
(typically, f < 10MHz and l < 1cm). This type of diffraction takes place at an arbitrary incidence
angle of light (Fig. 1,a). The diffraction pattern can contain many diffraction orders with
symmetrical distribution of light intensity. By contrast, the Bragg regime is observed at high
acoustic frequencies exceeding usually 100MHz. The diffraction pattern, even at a large acoustic
power
, consists, as a rule, of two diffraction maxima of the
zeroth and first orders. However, even these maxima appear only at definite incidence angles
(Fig. 1,b). In this case, the side maximum (Bragg maximum)
near the so-called Bragg angle
is formed as a selective reflection of light from wave fronts of ultrasound. The Bragg angle is
determined by the expression
(4)
,
where is the optical wavelength in vacuum,
and diffracted light, respectively.
and
are the refraction indices for the incident
There is no well-defined boundary between these two diffraction regimes. With increasing the
acoustic frequency the angular selectivity of acousto-optic interaction increases and the number
of observed maxima is gradually reduced. Traditionally, the Raman-Nath and Bragg regimes are
stated by the conditions Q << 1 and Q >> 1 accordingly, where
is the KleinCook parameter. Since only one diffraction maximum is used in acousto-optic devices (the first
order, as a rule), the Bragg regime is more preferable because of smaller light losses. However,
the acousto-optic selectivity peculiar to the Bragg diffraction restricts the frequency range of
acousto-optic interaction and, as a consequence, speed of operation of acousto-optic devices.
and Eq. (4) is simplified to
If the acoustooptic medium is optically isotropic, then
(5)
.
for this case. In an anisotropic medium, two
Curve 1 in Fig. 2 shows the dependence
types of acousto-optic interaction are possible. If the optical mode does not change during the
acousto-optic interaction, then
(
type of scattering) or
(
scattering)
and the Bragg angle is determined by Eq. (5). This type of acousto-optic interaction is known as
isotropic diffraction. In the other case known as anisotropic diffraction, the optical mode is
transformed during the diffraction process (
or
scattering). Therefore,
and the
dependence
becomes much more complicated. Curves 2 and 3 in Fig. 2 demonstrate these
dependencies for a relatively simple variant when the acousto-optic interaction plane is
perpendicular to the optical axis of an uniaxial crystal. From the viewpoint of practical usage, all
advantages of anisotropic diffraction result from these complicated dependences of the Bragg
angle on the acoustic frequency. It has been shown that the best characteristics of acousto-optic
deflectors are achieved in the region where
(point d in Fig.2). Analogously, optimal
areas for modulators and filters are situated close to points m and f, respectively, where
and
.
An analytical solution of the problem of acousto-optic interaction can be obtained only for the
limiting cases of Raman-Nath and Bragg diffraction. In the latter case, assuming additionally that
the optical beam falls on the acousto-optic cell at the Bragg angle, the following expression for
the diffraction efficiency can be derived:
(6)
,
where
is the cross-section of the acoustic beam. The parameter M defined by the expression
,
(7)
where is the medium density, is known as an acousto-optic figure of merit; it is the main
parameter of the acousto-optic medium. The greater the figure of merit, the less the required
acoustic power . Values of the parameter M for basic acousto-optic crystals can be found in
Section "Acousto-optic Materials" of this site together with information on crystal cuts in which
these values are achieved. Examples of optimal calculations of concrete acousto-optic devices,
such as modulators, deflectors and filters are presented in corresponding sections as well.
Filters
The design of acoustooptic tunable filters is one of the most discussed problems in present
acoustooptics because of a very wide area of the application of these devices in quantum
electronics, spectrometry and spectropolarimetry, fluorescence spectroscopy, spectral imaging ,
telecommunication etc.
The principle of operation of the filters is based on the dependence of the diffracted light
wavelength on the acoustic frequency. There are two types of the acoustooptic filters – collinear
and non-collinear filters – depending on geometry of acoustooptic interaction. Here we consider
only non-collinear filters based on the TeO2 single crystal. A basic geometry of the acoustooptic
interaction in the filter is shown in Fig. 1f. The polarization of the incident light can be either
ordinary or extraordinary. For the definition, we assume ordinary polarization. Here the
following system of symbols is used:
is the angle between the acoustic wave vector and the crystallographic axis z of the crystal;
is the wedge angle between the input and output faces of the filter cell (the wedge angle is
necessary for eliminating the angular shift of the diffracted beam caused by frequency changing);
is the angle between the incident light wave vector and [110] axis of the crystal;
is the angle between the input face of the cell and acoustic wave vector;
is the angle between deflected and non-deflected light at the central frequency;
l is the transducer length.
The incidence angle
of equations:
and the central frequency
of the filter is defined by the following set
(1f)
(2f)
Indices of refraction for ordinary ( ) and extraordinary (
with taking into account their dispersive dependence.
The sound velocity v depends on the angle
) polarized beams are determined
(3f)
and
of
are the sound velocities along the axes [110] and [001], correspondingly. The value
is determined by the angles
and
(4f)
The angle between the diffracted and non-diffracted beams defines the view field of the
filter; it can be calculated from the formula
(5f)
Basic parameters of the filter are spectral resolution and spectral tuning band
spectral resolution at 3 dB level is determined from the expression
. The
(6f)
is defines by the frequency band of the transducer. As a rule, the band
The tuning band
does not exceed octave, especially in UV region of the spectrum. Here we present characteristics
of a row of the filters which cover the optical region from UV to IR: 550-900 nm, 900-1800 nm
and 1800-4000 nm.