Акустооптическая спектрометрия

Лаборатория акустооптической спектрометрии (ЛАОС) появилась в НТЦ УП РАН в 1998 г.

Основными направлениями ее деятельности являются:

  • разработка акустооптических спектрометров (АОС) и специализированной спектрометрической аппаратуры;
  • разработка методологии измерений, проводимых с помощью АОС.

За это время были разработаны:

  • ряд приборов, среди них спектрометры ИК диапазона (портативный и двухкристальный), видимого и УФ диапазона, а также спектрометр комбинационного рассеяния (КР), спектрально-оптический газоанализатор, спектрометр для подводных измерений;
  • теоретические основы применения АОС;
  • методы управления характеристиками АОС;
  • специализированное программно-методическое обеспечение для измерений и последующего анализа спектральной информации.

В настоящее время ведутся работы над следующими проектами:

  • создание КР спектрометра для подводной обсерватории;
  • создание спектрально-селективного элемента для оптического спектрополяриметра;
  • создание АОС для учебных целей;
  • создание семейства КР спектрометров;
  • моделирование механизмов цветового восприятия с помощью перестраиваемых фильтров.

Перспективными направлениями разработок является создание аппаратуры для:

  • контроля характеристик окружающей среды;
  • контроля технологических процессов;
  • контроля качества продукции;
  • экспресс-анализа на основе эмиссионной, флуоресцентной и КР спектроскопии, в том числе во внелабораторных условиях.

АО спектрометры и их технические характеристики

Акустооптические спектрометры (АОС) представляют собой новое семейство оптических спектральных приборов, не содержащих дифракционных решеток и механических движущихся частей.

Назначение

Акустооптические спектрометры предназначены для регистрации спектров оптического излучения ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов, для определения спектрально-оптических характеристик объектов и связанных с ними физических характеристик.

Семейство АОС включает:

  • многофункциональные спектрометры, спектрофотометры, спектрополяриметры для научных исследований;
  • специализированные приборы для газоанализа, контроля технологических процессов, анализа растворов, медицинских приложений;
  • «бортовую» спектрометрическую аппаратуру для дистанционного зондирования;
  • видеоспектрометры.

Состав

АОС представляет собой компактную оптическую головку, подключенную к управляющему компьютеру или компьютеризированному блоку управления.

В спектрофотометрической конфигурации АОС имеет источник излучения.

Принцип работы

Физической основой функционирования АОС является дифракция оптического излучения на акустических волнах в кристаллах. Соответственно основным элементом спектрометра является перестраиваемый акустооптический фильтр (АОФ). Последний представляет собой кристалл, в котором с помощью ультразвуковой волны создается объемная дифракционная решетка, производящая селекцию заданной спектральной составляющей оптического излучения. В состав АОФ в большинстве схем входят входной и выходной поляризаторы, обеспечивающие выделение указанной спектральной компоненты.

Управление фильтром (перестройка по спектру) осуществляется заданием частоты сигнала, подаваемого на излучатель ультразвука.

Преимущества

По сравнению с классическими спектрометрами (на основе дифракционных решеток и интерферометров) АОС обладает следующими достоинствами.

Во-первых, АОС может перестраиваться по длинам волн в произвольной последовательности. При этом время перестройки спектрометра с одной длины волны на другую произвольную длину волны принципиально ограничено лишь временем пробега звука через кристалл и составляет 10-5 с. Это свойство произвольного спектрального доступа, недоступное аналогичным приборам позволяет качественно по-новому строить алгоритмы измерения и анализа спектров, сделав их наиболее оптимальными. Более того, поскольку эта последовательность может определяться непосредственно в процессе измерения, то АОС позволяет реализовать адаптивные (самонастраивающиеся) режимы измерений.

Во-вторых, основной элемент прибора, АОФ, устойчив в отношении толчков, ударов и вибрации, что делает АОС идеально подходящим спектрометром для полевых или производственных условий эксплуатации.

В-третьих, светосила его во много раз превосходит светосилу спектрометров на дифракционных решетках и равна светосиле Фурье-спектрометров.

В-четвертых, существует возможность управления аппаратной функцией АОС за счет управления характеристиками ультразвуковой волны. Это свойство, не имеющее аналогов, позволяет строить на основе АОС адаптивные системы мониторинга и анализа.

В-пятых, способность АО фильтра передавать изображение, причем с высоким разрешением (до 103×103 точек) и без существенных искажений, позволяет создавать на его основе видеоспектрометры, что также не доступно аналогам.

Спектрометр интегрируется в любую систему через оптически прозрачное окно либо отверстие. Малый вес и размеры фотоголовки позволяют интегрировать ее в уже существующие системы. АОС без проблем выдерживает работу в жестких промышленных условиях.

На основе АОС разработано большое семейство специализированных устройств для определения конкретных параметров анализируемых объектов.

Газоанализаторы предназначены для измерения концентрации газа в пробе или на открытом воздухе.

Трассовые спектрально-оптические газоанализаторы (ГА) позволяют производить измерения на значительном пространстве и без отбора проб. По сравнению с другими оптическими спектроанализаторами газоанализаторы данного типа более приспособлены к эксплуатации в составе мобильной станции экологического мониторинга и санитарного контроля или в производственных условиях. Спектральный диапазон ГА (250-450 нм) обеспечивает регистрацию следующих газов: диоксиды серы и азота, формальдегид, бензол, толуол, три изомера ксилола, фенол, нафталин (по которым приборы метрологически аттестованы), а также многих других поглощающих в данном диапазоне.

Типовой АО ГА содержит приемо-излучающий блок, выносной ретроотражатель, формирующие контролируемую трассу, блоки управления и питания и компьютер. ГА имеют несколько модификаций, соответственно решаемым задачам. Трубный вариант монтируется стационарно на дымоходе и рассчитан на контроль промышленных выбросов. Трассовый ГА может использоваться как в стационарном, так и в мобильном варианте, и позволяет контролировать примеси на уровне ПДК жилой зоны при длине трассы от 20 до 200 м.

Бортовые спектрометры предназначены для задач дистанционного зондирования земной поверхности.

Серия этих приборов включает семейство спектрометров для спектрополяризационных измерений с борта космических аппаратов («Трассер»), судов и авианосителей («Полас»). Спектрометры имеют два канала для регистрации двух взаимно ортогональных поляризаций излучения. Конструктивно он представляет собой герметизированную цилиндрическую оболочку, содержащую два акустооптических фильтра видимого диапазона на кристалле кварца и управляющую электронику. В настоящее время один из спектрометров работает на борту космического аппарата «Океан».

Он имеет три режима работы: ручной, автоматический и программно управляемый с помощью компьютера. Прибор имеет 2000 спектральных каналов в видимом диапазоне при разрешении от 0,1 до 0,25 нм, время одного спектрального отсчета 32 мс, диапазон по величине спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) излучения от 0,25 до 12,5 мкВт/(срд? см2? нм) при погрешности измерений не превышающей 5%. Полная потребляемая мощность не превышает 400 Вт, а вес 30 кг при размерах 0.85м длиной и 0,35м диаметром. Спектрометр позволяет регистрировать излучение в трех конфигурациях: измерительной (поверхность объекта), опорной (матовое стекло, освещаемое солнечным светом) и калибровочной (эталонный внутренний источник), что дает возможность проводить измерения, как в абсолютных, так и в нормированных на солнечное освещение единицах.

Бортовые АО спектрометры позволяют решать следующие задачи: количественное определение содержания хлорофилла, распределения желтого вещества и минеральной взвеси в водах морей и океанов, распознавание видов фитопланктона, оценку степени покрытия водоемов растительностью, распознавание горных пород, картирование почв, определение оптических параметров атмосферы, определение содержание азота в сельскохозяйственных растениях, связанное со степенью зрелости урожая, коэффициент проективного покрытия поверхности растительностью, связанный с урожайностью и стадией вегетации, содержание хлорофилла в растительности, отражающее степень ее угнетения неблагоприятными антропогенными факторами, а также обнаруживать места скопления топляка в реках и места аномального состава воды, связанного обычно со сбросами химических веществ. Приборы космического базирования также позволяют определять профиль вертикального распределения малых газовых компонентов в атмосфере по лимбовым измерениям.

© НТЦ УП РАН, 2008-2017