Рассмотрим преимущества Фурье-спектрометров, которые по существу, вытекают из двух основных понятий, известных как «выигрыши» Фелжета и Жакино.
В интерферометре за каждый малый интервал времени сканирования получается информация сразу обо всем спектральном диапазоне, в то время как в обычном дифракционном спектрометре за то же время получается информация только об узком спектральном интервале, который попадает на выходную щель прибора. Таким образом, в интерферометре информация обо всем спектральном диапазоне получается за все время сканирования, в случае же дифракционного прибора в каждый определенный момент времени будет получена информация только об узкой спектральной полосе. Фелжет назвал это свойство мультиплекс-фактором.
На входе интерферометра может быть размещен источник с большим диаметром, т. е. входная апертура прибора несильно ограничивает разрешение. В интерферометре можно также использовать большие телесные углы как у источника, так и у приемника. Следует заметить, что разрешение дифракционных спектрометров является линейной функцией ширины щели прибора, а энергия, попадающая на приемник, пропорциональна квадрату площади двух одинаковых щелей. Дифракционный спектрометр имеет длинные, но узкие щели, что не позволяет получить площадь щелей такой же, как площадь входных диафрагм у интерферометра при одной и той же разрешающей силе. Кроме того, при реализации высокого разрешения в спектрометре необходимо использовать коллиматорные зеркала больших радиусов кривизны, а это условие в свою очередь ограничивает величины телесных углов. Способность интерферометров пропускать большое количество энергии при высоком разрешении была количественно выражена П. Жакино, и это свойство известно под названием «выигрыша» Жакино.
Перечислим основные дополнительные преимущества, вытекающие из выигрышей Фелжета и Жакино:
1. Высокая разрешающая сила.
2. Высокая точность определения волновых чисел.
3. Значительно упрощается проблема устранения рассеянного или паразитного света.
4. Быстрота сканирования, которая повышает вероятность успешного завершения эксперимента.
5. Возможность исследования широкой спектральной области за время одного скана.
6. Возможность регистрации слабых шумов.
7. Измерение в амплитудной спектроскопии комплексных коэффициентов отражения и пропускания.
8. Малые габариты и вес интерферометра
Высокая разрешающая сила интерферометра является результатом выигрышей Фелжета и Жакино и линейно зависит от величины относительного перемещения подвижного зеркала прибора. В некоторых интерферометрах может быть достигнута величина перемещения порядка 2 м. Такое перемещение позволяет наблюдать слабые линии с разрешающей силой порядка 105 или выше.
Высокая точность определения волновых чисел и малая доля рассеянного света являются следствием явления интерференции, лежащего в основе принципа действия прибора. Точность контроля перемещения каретки подвижного зеркала интерферометра обеспечивает тонкое изменение интерференционной картины, что в свою очередь ведет к высокой точности измерения волновых чисел в вычисленном спектре. Нежелательные (паразитные) волны имеют определенные длины волн; они попадают на приемник излучения и принимают участие в формировании суммарной интерферограммы, но после вычисления спектра могут быть легко идентифицированы. В итоге при измерениях пропускания часто может быть достигнута точность не хуже 0.3%.
Быстродействие (иногда время сканирования меньше 1 с), большая спектральная область (иногда минимальное и максимальное значения волнового числа отличаются на порядок) и возможность выполнять измерения в миллиметровой области длин волн, даже в случае очень слабых источников, — все это оказалось возможным благодаря выигрышам Фелжета и Жакино. Этим же обусловлена и возможность использовать для измерений образцы малых размеров.
Комплексные коэффициенты отражения или пропускания могут быть непосредственно измерены методом амплитудной спектроскопии, т. е. при размещении образца в одном плече интерферометра. Амплитуду и фазовые углы комплексных коэффициентов отражения или пропускания можно получить без сложных расчетов, таких, например, которые требуются в анализе методом Крамерса — Кронига. Таким образом, комплексные показатели преломления можно определить экспериментально. Более того, точные вычисления потока можно выполнить даже тогда, когда прошедший (отраженный) поток составляет меньше 0.01% от падающего. Могут быть также выделены эффекты границ раздела сред в образце.
Недостатки интерферометров немногочисленны, но и они быстро сводятся к минимуму. Например, когда выполняются измерения пропускания или отражения, то результаты могут быть получены с ошибкой до 5% от абсолютного значения. Они могут быть обусловлены флуктуациями в интерферограмме, т. е. в зарегистрированной зависимости сигнала от оптической разности хода. Если ошибка носит случайный характер, то повторным экспериментом можно уменьшить ее. На некоторых коммерческих приборах, которые имеют время сканирования менее чем 1 с и управляются ПК, в лабораторных условиях могут быть произведены сотни повторных экспериментов за минуты, а затем усреднены в вычислительной машине.
Оптический карилятор.
Одно из важнейших преимуществ Фурье-спектроскопии было описано Питером Фелгеттом (англ. P. B. Fellgett) в его диссертации 1949 года. Преимущество Фелгетта заключается в том, что если при традиционном измерении спектра (например, в сканирующем монохроматоре) шум измерения в первую очередь определяется шумом детектора, то в Фурье-спектрометре имеется возможность снизить шум посредством накопления и улучшить тем самым отношение сигнал/шум, которое пропорционально квадратному корню из m — количество отсчётов в интерферограмме.
Однако, если в шуме детектора преобладает дробовой шум (имеющий равномерную спектральную плотность в пределах спектра), то выигрыш от широкополосности Фурье-спектроскопии в точности компенсируется увеличением шума в широкой полосе спектра. Этим обусловлено то, что Фурье-спектроскопия намного менее применима при измерениях в видимой и ультрафиолетовой областях оптического излучения.
Несмотря на свою высокую технологическую сложность, по сравнению с традиционными спектрометрами, обусловленную прецизионной механикой, Фурье-спектрометры имеют ряд других преимуществ, в том числе:
● Возможность одновременной регистрации всего спектра.
● Непосредственное измерение длин волн.
● Не требуют применения узких щелей для повышения разрешения, как в призменных и дифракционных спектрографах, что увеличивает светосилу и позволяет при прочих равных измерять спектры слабых источников света.
Особенно большое распространение получили ИК Фурье-спектрометры, предназначенные для быстрого получения колебательных спектров различных веществ в инфракрасной области излучения. Наряду с ЯМР-спектроскопией ИК спектры позволяют установить химическую структуру изучаемого вещества.