Слайд 1 - Всероссийская школа

Москва
В.Э.Пожар
Акустооптическая спектрометрия
XIV Всероссийская школа-семинар
«Волновые явления в неоднородных средах»
(Красновидово,
28 мая 2014 г. )
1
Содержание доклада
Анализ особенностей измерения спектров с
использованием перестраиваемых АО фильтров
Цель доклада
АО спектрометрия – отдельный вид спектрометрии,
требующий специфических подходов
2
Основные типы спектрометров
Дифракционные
Угловая дисперсия
(класс. дифракционные решетки,
призмы)
(последовательное
сканирование или
параллельная
регистрация)
Интерференционные
Селективная модуляция
(фурье-спектрометры, СИСАМы)
(регистрация
интерферограммы
+ вычисление спектра)
Фильтрующие
(акустооптические фильтры,
жидкокристаллические
перестраиваемые фильтры,
наборы светофильтров)
Селективное пропускание
3
(последовательная выборка)
Достоинства АО спектрометров
v.2
V.I.Pustovoit, V.E.Pozhar. Photonics and optoelectronics, 1994, v.2, No 2, p.53-69.
Collinear diffraction of light by sound waves in crystals: devices, applications, new ideas
В.Э.Пожар, В.И.Пустовойт . XIV Межд. конф. по гиромагнитной электронике и электродинамике.
(Москва, Фирсановка, 13-16.11.1998). Труды конф., т.2, с.346-364 . Акустооптические спектрометры
 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
 Фильтрация изображений
(Real-time computer control)
(Spectral Imaging)
4
Физические принципы
акустооптической фильтрации
АО кристалл
Падающий свет
Прошедший свет
Объемная
Фазовая
,
динамическая
решета
T
T
f
P
ультразвук


   Pac  sin  2 f ac  t  x  
v ac  


f
1

 
f ac
n v ac

5
Структура доклада
I. Измерение линейчатых спектров с
использованием перестраиваемых АО фильтров
II. Измерение сплошных гладких спектров с
использованием перестраиваемых АО фильтров
6
I
Измерение линейчатых спектров с
использованием перестраиваемых АО
фильтров
7
Спектры металлокомплексов гематопорфиринов
response
12
Raman spectrum of hematoporphyrine-Pt
metallocomplex
(He-Ne laser 633 nm, 10 mW)
6
0
1300
1500
1700
1900
2100
frequency shift, 1/cm
2300
Линейчатый спектр
2500
8
Методы АО спектрометрии
на основе произвольного спектрального доступа
Измеряемый спектр

Сканирующий спектрометр
T
время

АО спектрометр
Алгоритм перестройки
при измерении спектра
время
t
t
Выигрыш в быстродействии обеспечивается за счет :
СС
изм
АОС
изм
T

T

K
СС
СС
нак
T
K
 ( max

 min ) T
CC

АОС
АОС
Tнак
 ( K  1) Tпер
АОС

1. Меньшего числа измеряемых
точек : KАОС< K СС
2. Меньшего времени перестройки:
(K-1)·Tпер < (T/λ)·(max-min)
3. Меньшего времени накопления :
TАОС < T СС
9
Методы АО спектрометрии
на основе произвольного спектрального доступа
Измеряемый спектр

T
Выборочные измерения
время
t
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
10
1.1
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]
(Np - погрешности определения концентраций веществ)
например,
F[N] = (Np / Np0)2
(Np0 -ПДК веществ)
* 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
11
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА АКУСТООПТИЧЕСКОГО
СПЕКТРОМЕТРА-ГАЗОАНАЛИЗАТОРА
6
10
1
4 2
объект
8
9
3
12
5
В-во
Бензол
Содержание
7
0,0 мг/кв.см
11
1. осветитель;
2. объектив фотоголовки;
3. фотоголовка, содержащая АО
фильтр;
4. ВЧ-усилители;
5. юстировочный столик фотоголовки;
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
s k  s (k )   h(k ,  )  ( ) d 
(1)
() - регистрируемый спектр,
h( , ') - аппаратная функция спектрометра
 P

 ( )   0 ( ) exp    p ( ) n p L 
 p 1

(2)
0() - спектр источника излучения,
p() - сечение поглощения молекулы p-го вещества,
np - концентрация этого вещества,
L - длина пути излучения в пределах образца.
i
P


 (i )   0 (i )1   p (i ) n p L   i
 p1

- шумы измерительной аппаратуры
Wi 2 
ni2
C 2
(3)
ni2
C
2
, Wi  min i 
(4)
- погрешность определения концентрации
- уровень шумов
МОДЕЛИ РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМА ИЗМЕРЕНИЙ
А. Классическая
Задание
начальных
требований
Формирование
алгоритма
Измерение
Вычисление
и выдача
результатов
БД, точность,
допустимое время
Б. Оптимизированная
Задание начальных
требований, данных
Формирование
динамического
списка линий
БД, точность,
допустимое время
Измерение
Вычисление
Выдача
результата
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА
ПРОГРАММЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ
АКУСТООПТИЧЕСКОГО СПЕКТРОМЕТРАГАЗОАНАЛИЗАТОРА
пользователь
Интерфейс пользователя
• ввод набора
входных параметров
• список
присутствующих в
смеси веществ
• список измеряемых
веществ
• концентрация
веществ в смеси
• уровень шумов
• порог превышения
концентрации
Модуль формирования
спектра поглощения
смеси
•
формирование
спектра поглощения
смеси
БД
Модуль расчета,
Модуль оптимизации набора
характеристических линий
• расчет концентрации
измеряемых веществ
Интерфейс пользователя
• вывод результатов
ПРОГРАММА МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ
АКУСТООПТИЧЕСКОГО СПЕКТРОМЕТРАГАЗОАНАЛИЗАТОРА
{λq}=Ø
нет
{λp}∩{λn}
да
нет
{λq}+={λp}
да
{λq}+={λs}
{λq}+={λk}
{λq}
Быстродействие
( T,  )
Дифракционный
спектрометр
Время
накопления на
одну точку
спектра

Время
получения
спектра
T
Число
спектральных
точек
N
Выигрыш
во времени
 DS  (BDS)-1/2
Фурьеспектрометр
Акустооптический
спектрометр
 FS  (NBFS)-1/2
AOS - us  (BAOS)-1/2
TDS = ND DS
ND  (max-min)/
TFS = NFS + cal
N  ND
TAOS = N AOS
N/ND  1%
N   DS  (max  min )  dT / d   DS
TDS
T 

TAOS
N    AOS  ( N   1)  us
17
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)
18
II
Измерение сплошных гладких спектров
с использованием перестраиваемых
АО фильтров
19
Спектры
авиационного
автомобильного
Comparinson
of differentиbrands
of petrol
бензинов
1,0
0,5
0,0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Сплошной спектр
4000
4500
20
Спектры
авиационного
автомобильного
Comparinson
of differentиbrands
of petrol
бензинов
1,0
0,5
0,0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Сплошной спектр
4000
4500
21
Спектры
авиационного
автомобильного
Comparinson
of differentиbrands
of petrol
бензинов
1,0
0,5
0,0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Сплошной спектр
4000
4500
22
s( f )   b   h   f  d
s( f )   b   h   f  d
Модель измерения и реконструкции спектра
s( f )   bj   h   f  d
b – исходный спектр;
s – спектрограмма
h – аппаратная функция
s  jh
уравнение измерения спектра
~
~
~
S  J h
уравнение для фурье-образов функций
~
~ S
J ~
h
формула восстановления спектра
~
h 0
23
3.1
Фурье-образы
аппаратной функции АО спектрометра
S
h( k )  sin c 2 kL / 2 
L x
0
h ( k )  sin c
2

~
h
L<<1
  ( k / 2 ) L
2
2

1
2
3
h
- p
Аппаратная
функция
0
S

p

~
h
2
S0
p
f2

1
3
- p
0
…

Измеряемый спектр

Спектрограмма
24
3.2
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
sin L k ( )   m
scal ( )   s( m )
L k ( )   m
m  

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.
25
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)
26
Заключение
АО спектрометрия – отдельный вид спектрометрии,
требующий специфических подходов
Методы:
1. ФСР
2. ЕСР
27
Благодарности
Работа выполнена при поддержке РФФИ
28
Спасибо за внимание
29