Курс: Методы оптико-спектральной диагностики комплексной плазмы. Лабораторная работа. Спектрометр изображения на основе интерферометра Фабри – Перо.

Кафедра информационно-измерительных
систем и физической электроники










Курс: Методы оптико-спектральной диагностики комплексной плазмы






Лабораторная работа

Спектрометр изображения
на основе интерферометра Фабри – Перо














Петрозаводск, 2015








Введение

При исследовании пространственно-неоднородной плазмы прибор должен обладать не только спектральным, но и пространственным разрешением. Нужно получить распределение спектральной энергетической яркости по поверхности объекта. Затем, используя методы плазменной томографии [1], можно перейти к объемному распределению параметров плазмы. Задача решается относительно просто, если интересоваться только одним сечением осесимметричного объекта.
Приборы, которые позволяют регистрировать пространственное распределение спектральной энергетической яркости по поверхности объекта без использования механизмов пространственного сканирования (как это сделано в установке «Свет» [2]) называют « спектрометрами изображения».
В данной работе предлагается ознакомиться с принципом построения и структурой разработанного на кафедре спектрометр изображения на основе интерферометра Фабри – Перо, научиться работать на нем и использовать его для определения радиального распределения температуры в газоразрядном источнике.
Объектом исследования является торроидальная высокочастотная неоновая лампа. Исследуется распределение параметров по сечению тора; диаметр трубки – 3 см , а диаметр тора – 25 см , поэтому распределение по сечению трубки можно считать аксиально-симметрично. «Спектрометр изображения», основанный на дифракционном спектрографе, позволяет получить на фотоприемной линейке одновременно изображение сечения источника и изображение интерференционных колец, формируемых интерферометром Фабри – Перо (ИФП) [1], [2].

Интерферометр Фабри-Перо

Интерферометр Фабри-Перо (ИФП) – классический спектральный прибор высокого разрешения, представляющий собой два параллельных зеркала, между которыми находится прозрачная среда, в нашем случае – воздух. Работа ИФП основана на многолучевой интерференции. При многократном отражении образуется ряд параллельных световых пучков. Разность хода между соседними пучками составляет
13 EMBED Equation.3 1415 (1) где d – расстояние между зеркалами, n – показатель преломления среды (для воздуха можно принять равным единице),
· – угол между лучом и нормалью к поверхности зеркал
Пропускание идеального ИФП зависит от длины волны излучения
· и угла
·, под которым падают лучи. Оно определяется по формуле Эри:
13 EMBED Equation.3 1415 (2)
R – коэффициент отражения зеркал, T – коэффициент пропускания, 13 EMBED Equation.3 1415. Видно, что пропускание интерферометра максимально, если
· (доля порядка интерференции) равна целому числу и минимально, если полуцелому.
Разница между двумя ближайшими длинами волн, при которых наблюдается максимум пропускания, называется постоянной интерферометра
·
·:
13 EMBED Equation.3 1415 (3)
Поскольку постоянная интерферометра мала, необходимо использовать монохроматор, чтобы избежать наложения контуров различных спектральных линий.
Пропускание интерферометра (2) является его аппаратным контуром. Для идеального ИФП отношение ширины аппаратного контура к его постоянной зависит только от коэффициента отражения зеркал:
13 EMBED Equation.3 1415 (4)
.
Аппаратную функцию, определяемую только коэффициентом отражения зеркал можно представить дисперсионной функцией (рисунок 1.4):
13 EMBED Equation.3 1415, (5)
где
·
·a – аппаратная функция, определяемая только коэффициентом отражения зеркал;
·0 – длина волны для центра линии
После интерферометра ставится фокусирующая линза, в фокусе которой рисуются интерференционные кольца. Разные расстояния (r) от центра колец соответствуют разным углам
·.
13 EMBED Equation.3 1415, (6) где F – фокусное расстояние рисующей линзы.
Рассмотрим случай, когда
·
· 0, для длины волны
·, максимума порядка m: 2dcos
· = m
·. Полагая m = 2d/
· и sin
·
·
·, получаем:
13 EMBED Equation.3 1415 (7)
Т.е. чем дальше кольцо от центра интерференционной картины, тем сильнее влияние конечного углового размера сканирующей диафрагмы
Аппаратная функция спектрометра изображений на основе интерферометра Фабри-Перо представляет собой свертку дисперсионных функций вида (5) и ширинами (4) и (7)., т.е. дисперсионную функцию с шириной
·
·s
·
·
·
·
·
·
·
·

Описание установки

Схема установки представлена на рисунке 13 REF р_imgs_scheme \h \* MERGEFORMAT 14115. Свет от исследуемого источника (рис. 13 REF р_imgs_scheme \h \* MERGEFORMAT 14115, поз. 1), расположенного в фокусе линзы (рис. 13 REF р_imgs_scheme \h \* MERGEFORMAT 14115, поз. 2), проходит через ИФП (рис. 13 REF р_imgs_scheme \h \* MERGEFORMAT 14115, поз. 3) и получившаяся интерференционная картина рисуется объективом ( поз. 4) на входной щели спектрографа ДФС-8 (поз 5). Между линзой 4 и входной щелью спектрометра установлена призма полного внутреннего отражения (поз 8)., которая и обеспечивает освещение щели спектрометра изображением источника , промодулированное интерференционной картиной
Таким образом, на входной щели спектрометра получается изображение источника света с наложенной на него интерференционной картиной от интерферометра (рис. 13 REF р_imgs_щель \h \* MERGEFORMAT 14215). Радиальное распределение интенсивности излучения регистрируется ПЗС-линейкой, установленной вдоль выходной щели (рис. 13 REF р_imgs_scheme \h \* MERGEFORMAT 14115, поз. 6). ПЗС-линейка представляет собой набор из 3648 регистрирующих элементов шириной 8 мкм, выстроенных в ряд длиной 30 мм. Рабочая область линейки, обусловленная конструкцией выходного блока спектрометра, содержит 2000 элементов
Сигнал с ПЗС-линейки передается для обработки на компьютер через устройство сопряжения МОРС-1/3648/С/Д с интерфейсом PCI.
Регистрация спектра происходит в двух режимах: «Спектр» и «Серия». Режим «Спектр» предназначен для регистрации спектра с накоплением сигналов от одного или нескольких кадров. Программное обеспечение производит суммирование электрических сигналов, вырабатываемых отдельными фоточувствительными элементами ПЗС в процессе регистрации всех кадров, полученных за время экспозиции, формируя один интегральный (по времени экспозиции) спектр. Режим «Спектр» в данной работе используется при настройке системы.
Режим «Серия» предназначен для исследования динамики спектров. Программное обеспечение регистрирует и сохраняет в памяти компьютера для дальнейшей обработки каждый кадр экспозиции, формируя упорядоченную последовательность кадров (серию); каждый кадр представляет собой отдельный спектр.
В данной работе предполагается регистрировать спектры в различных точках источника , что достигается путем изменения давления в барокамере с ИФП.. Поэтому должна быть записана «Серия», распределения отсчетов по линейке, соответствующих различным моментам времени , т.е. различным оптическим толщинам интерферометра.
Порядок подготовки и проведения эксперимента
Настроить оптическую систему установки:
- установить источник в фокусе линзы 2 (рис. 13 REF р_imgs_scheme \h \* MERGEFORMAT 14115);

Рисунок 13 SEQ Рисунок \* ARABIC \s 1 14115 – Схема спектрометра изображения (1 – источник; 2, 4 – линзы; 3 – ИФП; 5 – дифракционный спектрограф ДФС-8; 6 – ПЗС-линейка с PCI-контроллером; 7 – компьютер), 8- призма полного внутреннего отражения.
- разместить барокамеру с ИФП на оптической оси системы;
- установить рисующую линзу 4 так, чтобы входная щель спектрографа была в фокусе линзы.
- если изображение центра источника не совпадает с центром входной щели,
небольшими перемещениями линзы 2 и призмы 8 добиться совпадения
- если центр интерференционной картины не совпадает с центром изображения (а(0) источника и (или) смещен относительно входной щели, устранить эти несовпадения вращением винтов барокамеры.
- установить на выходную щель спектрометра выбранную длину волны. Для этого сначала установить эту длину волны по делениям барабана спектрометра.
Более точная установка достигается в программе.
- включить компьютер и в меню мультизагрузчика выбрать операционную систему MS Windows 98;
- запустить программу SPDAp (ярлык на рабочем столе);
В меню программы выбрать «Спектр» , включить кнопку «Циклический запуск»
(две стрелочки) и нажать «Старт»
Слегка поворачивать барабан спектрометра, добиваясь максимальных отсчетов на экране. Если система настроена хорошо и центр интерференционной картины совпадает с центром изображения источника и центром щели на экране появится симметричная интерференционная картина типа представленной на рис.2
Затем нажать «стоп»

Рис.2 Типичная картина на экране при правильной настройке
оптической системы..
2. Сохранить зарегистрированную картину в файле. Нажать «стоп». В меню «Файл» выбрать «Сохранить спектр как» и сохранить текстовый файл с расширением(.dat), указав в имени его длину волны и свое имя или часть фамилии.
3. На экране имеется вертикальная линия, которую можно перемещать движением мыши. Вверху экрана имеется строка , в которой указан номер пиксела, соответствующего положению линии. Запишите номера пикселов, соответствующих трем максимумам симметрично слева и справа от центра картины и вычислите номер пиксела, соответствующего центру картины. (n0).
3. Подготовить к запуску систему сканирования интерференционной картины путем изменения давления в барокамере с ИФП Сиcтема откачки и напуска воздуха представлена на рис.3




Рисунок 3. Схема откачивающей системы: 1 – манометр; 2 – барокамера; 3 – насос, К1; К2 – краны, 4 – натекатель









3.1 Закрыть кран К2, положение ручки вниз.
3.2 Закрыть К1, положение горизонтальное, чтобы масло не попало в систему.
3.3 Включить насос (сначала в сеть переменного тока, 220В, а затем кнопкой включения).
3.4 Открыть кран К1, положение ручки вверх (происходит откачка барокамеры).
3.5 Ждать, пока показаниям манометра перестанут изменяться.
3.6 Закрыть кран К1, горизонтальное положение.
3.7 Выключить насос.
3.8 Открыть кран К2, положение ручки вверх.( напуск воздуха в насос)

4. Регистрация спектра в режиме «Серия»
4.1 Подготовить директорию для регистрации серии. В названии отразить длину волны и свои «признаки» (например, имя).
4.2 Задать параметры серии для этого войти в меню «Измерение» и выбрать опцию «Параметры запуска серии». В результате появится окно с таким же названием (Рис.4).

Рисунок 4. Параметры запуска серии.
Задать следующие параметры:
Длительность одного кадра: 200 мсек.
Длительность экспозиции: 700 кадр.
Способ запуска: внутренний.
Способ синхронизации: внутренняя.
Нажать кнопку «Применить».




4.3 Запустить процесс регистрации серии спектров, нажав кнопку «Старт» или в меню «Измерение» выбрать опцию «Снять серию спектров». Одновременно открыть кран К1 для напуска воздуха в барокамеру через натекатель,(положение ручки вниз)
Окончание регистрации сопровождается звуковым сигналом.
4.4 По окончании сканирования сохранить полученные данные. В меню «Файл», выбрать опцию «Сохранить серию спектров» «в виде папки *.dat файлов», выбрать созданную ранее директорию, имя файла не заполнять.
4.5 Для выхода из программы выбрать в меню «Файл» опцию «Выход».

Преобразование и обработка данных

Полученная серия сохраняется в виде файлов (их количество зависит от выбранных параметров запуска серии) с расширением .dat в выбранной папке. Имя каждого файла это номер пиксела. В файле производится запись двух колонок: первый столбец - номер кадра, т.е момента времени с начала сканирования давлением. , а второй соответ-ствующая ему интенсивность. Для того чтобы в дальнейшем получить контур линии излучения с определенной точки поверхности источника необходимо выбрать значения интенсивностей в зависимости от времени при сканировании давлением для определенного пиксела фотоматрицы.
1 Определить номер n1 одного из внеосевых пикселов, соответствующих указанному преподавателем расстоянию r от центра источника. При этом использовать известные значения : размер пиксела
·r=0.0008см, а фокусное расстояние линзы 4 F=30см, фокусное расстояние линзы 2 измерить.
2. Выбрать из серии нужные файлы. Эту задачу решает программа merge-1.exe, которую надо предварительно разместить в директории с полученной серией файлов. Запустить двойным щелчком программу merge-1.exe и ввести
- количество обрабатываемых файлов, в данном случае 700,
- номер выбранного пиксела,
-желаемое имя файла результата (лучше с расширением .txt), содержащее номер выбранного пиксела



Рисунок 5 Пример интерферограммы для определенного
элемента матрицы
Подученные файлы содержат только один столбец- интенсивность в зависимости от момента времени с начала сканирования давлением.. Для дальнейшей работы удобно скопировать файл в электронную таблицу и создать второй столбец «номер кадра».
Пример полученной интерферограммы для определенного элемента матрицы на рис.5
3. Для дальнейшей обработки используется второй пик интерферограммы, который надо перестроить в функции от доли порядка интерференции
·
·. Между пиками интерферограммы
·
· изменяется на 1 Если для первого максимума номер кадра х1, для второго х2, для третьего х3, то изменению
· на 1 соответствует изменение номера в среднем на [(х2- х1)+( х3- х2) ]/2. Положив, что кадру х2 соответствует значение
·=0, пересчитайте значения х в
· от
·=-0.5 до
·=0.5.С функциями I=f(
·) ведется дальнейшая работа
4. Зная толщину интерферометра и длину волны и определив постоянную интерферометра по формуле 3, вычислить ширину спектральной линии по формуле
13 EMBED Equation.3 1415 , где
·
·- расcтояние по оси
· между точками контура, где I=Imax/2
5. Считая контура доплеровскими оценить температуру на оси источника и на расстоянии r от оси.
Отчет должен содержать краткое описание метода измерений, интерферограммы для указанных точек источника и оценку атомной температуры в этих точках в предположении допплеровского механизма уширения.
Полученные контура I=f(
·) сохранить для использования в работе «Исключение аппаратных искажени



ЛИТЕРАТУРА


1. Луизова Л. А. Оптические методы диагностики плазмы / ПетрГУ. Петрозаводск, 2003. 148 с
2 Екимов К.А., Соловьев А.В. Использование информационно-измерительных комплексов для оптической диагностики низкотемпературной гетерогенной плазмы в лабораторном практикуме. - Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2009. - 64 с.









13PAGE 15


13PAGE 14715






Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 15073009
    Размер файла: 168 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий