ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШИРОКОПОЛОСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ МИНИ-СПЕКТРОМЕТРОВ

Измерения параметров широкополосного излучения представляют важность для определения спектральных характеристик контуров излучения гетеродиодов и полос пропускания интерференционных фильтров. Эти измерения могут выполняться с помощью недорогих мини-спектрометров серии МС [1, 2] и специализированной программы обработки сигнала. В статье описан аппаратнопрограммный комплекс для таких исследований и приведены примеры его использования. Возможность получения спектров пропускания интерференционных фильтров по этой методике позволяет заменить дорогостоящие специализированные спектрофотометры типа Specord и Cary. Измерения параметров отдельных полос в спектрах поглощения важны в классических спектральных измерениях (например, спектры поглощения широкого класса полиароматических соединений, в частности лазерных красителей) и также могут выполняться на созданной аппаратуре.

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС

Схема комплекса аналогична ранее использованной в работе [3], но вместо полупрозрачного зеркала применен волоконно-оптический разветвитель (изготовитель — ООО "НТЦ волоконнооптических устройств", [4]), более удобный для подвода излучения к входной щели миниспектрографа. Измеряемое излучение поступает на входной торец одного из каналов двухканального волоконно-оптического разветвителя, по второму каналу попеременно передается излучение либо от Ar-Ne-газоразрядной лампы, либо от эталонной cвeтоизмeрительной лaмпы типа СИРШ 8.5-200 [5]. Спектр в фокальной плоскости мини-спектрографа регистрируется фоточувстви-тельным линейным детектором типа TCD1304DG.

По спектру Ar-Ne газоразрядного источника линейчатого спектра программой строится рабочая спектральная шкала, которая в дальнейшем при необходимости только корректируется непосредственно перед рабочим измерением. Также перед рабочим измерением регистрируется отклик на излучение эталонной лампы накаливания СИРШ. Цветовая температура рабочего тела лампы СИРШ составляла 3000 К при рабочем токе 20 А, питание осуществлялось от стабилизированного источника тока типа SP-240-75 Mean Well. В программу введена формула Планка для расчета спектральной плотности излучения I ( λ ) абсолютно черного тела в диапазоне 350–1100 нм при заданной цветовой температуре с поправкой на коэффициент серости [6]. По этим данным строится скорректированная функция спектрографа "амплитудный отклик – длина волны", используемая в дальнейшем для нормировки амплитуды спектрального контура измеряемого излучения. На следующем этапе обработки данных выполняется определение параметров контура излучения. Такими параметрами являются положение максимума полосы излучения, центр ее тяжести и полуширина. Результаты измерения выводятся на информационное табло.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

На рис. 1 показаны спектры при измерении параметров контура излучения экспериментального гетеродиода мини-спектрографом МС-120 в области 691–842 нм: линейчатый спектр газоразрядной лампы Ne–Ar (рис. 1, а), по которому

Рис. 1. Измерение параметров контура излучения гетеродиода.

а) спектр Ne–Ar лампы на шкале, откалиброванной с помощью линий нормалей в диапазоне 689– 842 нм;

б) спектр эталонной лампы СИРШ 8.5-200 в том же диапазоне длин волн;

в) откорректированный спектр излучения гетеродиода.

На информационном табло отображены значения максимума контура излучения и его полуширины:

осуществлялась калибровка шкалы длин волн; спектр излучения эталонной лампы накаливания СИРШ 8.5-200 с цветовой температурой 3000 К (рис. 1, б); спектр излучения гетеродиода на откалиброванной шкале с коррекцией амплитудного отклика (рис. 1, в). На информационном табло отображается длина волны максимума или центра тяжести полосы излучения (по выбору), а также полуширина контура излучения.

В программе заложены возможность выполнения процедуры предварительного сглаживания контура и возможность получать значения его параметров с учетом и без учета искажающей функции спектрографа. Например, положение максимума контура излучения гетеродиода с коррекцией и без коррекции определяется как 764.485 и 762.791 нм соответственно, т.е. разница в значениях достаточно существенна.

На рис. 2 показаны контуры излучения скорректированного и без коррекции типового красного светодиода типа АП112А(Г). Регистрация спектра велась в диапазоне 638–680 нм перестраиваемого по длинам волн мини-спектрометра МС-300 [1].

Рис. 2. Контур полосы излучения светодиода АП112А(Г), зарегистрированный с помощью спектрографа МС-300.

а) откорректированный на искажающую функцию спектрографа максимум полосы излучения 659.465 нм;

б) без коррекции, максимум полосы определяется на длине волны 658.809 нм

Калибровка спектрального участка осуществлялась по линиям нормалей Ne лампы с полым катодом (ЛПК) Fe-Ne, отклик на излучение лампы СИРШ измерялся в этом же диапазоне.

Из данных по измерению положения максимума полосы излучения гетеродиода и светодиода типа АП112А(Г) очевидно, что коррекция формы контура является необходимой процедурой, т.к. разница достигает единиц нанометров.

Наличие второго канала, который по своему основному предназначению используется для целей калибровки спектрографа, открывает дополнительные возможности, а именно регистрацию спектров пропускания (поглощения) в области 350–1000 нм, т.к. спектрограф в совокупности с эталонной лампой СИРШ 8.5-200 (источник света непрерывного спектра) представляет собой спектрофотометр.

Рис. 3. Спектр интерференционного фильтра с таблицей параметров

Рис. 4. Спектр поглощения тетрафенилпорфина в матрице полиметил- метакрилата

В качестве примера такого применения прибора на рис. 3 показан результат измерения спектра пропускания узкополосного интерференционного светофильтра BPF_SL 727\10 производства ООО "Фотооптик" [7] на спектрометре МС-120 в диапазоне 640–810 нм. Полученные результаты сравнивались с паспортными характеристиками фильтра. По паспортным данным максимум полосы пропускания фильтра 81% достигается на длине волны 727 нм, ширина полосы на полувысоте составляет 12 нм. Наше измерение демонстрирует хорошее совпадение с паспортными значениями: максимум пропускания фильтра 79% на длине волны 727.10 нм, полуширина полосы пропускания — 12.66 нм.

В качестве еще одного примера применения прибора на рис. 4 приведен участок 570–740 нм спектра поглощения тетрафенилпорфина в матрице полиметилметакрилата (толщина образца — 1.5 мм, концентрация 10–3 моль/л), спектр снят на мини-спектрографе МС-120, значение максимума полосы 645–658 нм составляет 653.6 нм.

ВЫВОДЫ

С помощью мини-спектрометров, лампы СИРШ с известной цветовой температурой и источников света с линиями нормалей для точной калибровки шкалы длин волн можно создать недорогой комплекс для измерения параметров излучения широкополосных светодиодов, интерференционных фильтров и классических спектров поглощения в области 350–1000 нм.