ONE-DIMENSIONAL LIGHT BEAM WIDENING USING PRISMS FOR INCREASE OF SPECTROMETER SPECTRAL RESOLUTION AND ANGULAR DISPERSION

The increase of angular dispersion and slit resolution limit of grating spectrometers by means of variation of grating parameters is limited by its period and allowable order of diffraction. The special solutions (echelle, holographic, immersion gratings) are acceptable in a limited parameter range and are technologically complex in fabrication, thus hardly applicable to instruments of mass production. We propose to decrease slit resolution limit by one-dimensional beam widening in dispersion plane by means of passing it through oblique prism before incidence onto diffraction grating. The increase of angular dispersion can be achieved by narrowing of dispersed beams after grating while passing through other oblique prism. We prove that slit resolution limit in such a system changes approximately as multiplied by angular magnification of the first prism (that is less than 1 times). Also angular dispersion changed approximately as multiplied by angular magnification of the second prism. The Fresnel reflection from the faces of prisms is analyzed. Accounting for that factor gives the increase of resolution about 1,4–1,6 times without loss of light (and can be 2 and more times while using anti-reflective coating). The proposed method is different from the similar ones first of all by its simplicity because it uses simple optical elements – plane reflective grating and thin prisms. It can be applied to amend the analytical characteristics of dispersive spectrometers, first of all the small-sized ones

Повышение спектрального разрешения многощелевого спектрометра с дифракционной решеткой для спектроскопии с пространственным разрешением

Registration of non-stationary processes, namely snapshot hyperspectral imaging that allows to capture data cube I(x,y,λ) in one measurement act, is of interest for imaging spectroscopy.The purpose of the work is increasing of spectral resolution of imaging spectrometers with spatial filtering of object image using multislit mask, where a diffractive grating is used as disperser (providing almost constant dispersion in working spectral range), and the data cube is projected on a detector as a set of local spectra from object fragments.An image is formed on detector by a two-objective telecentric system composed from two lenses focused on infinity so that their front focuses are matched. A diaphragm in the match point allows passing only for beams of needed diffraction order, so along with a bandpass filter near the system entrance they solve a typical problem of diffractive systems – elimination of beams of all orders but a needed one. The approach is implemented in two proposed designs of spectrometers: in the first a telecentric system is based on two multi-lens imaging objectives, in the second – is based on two reflective off-axis parabolic objectives.In this paper we proposed variants for optical design optimization: normalization of beam incidence on a mask and field curvature compensation; they allow to increase system resolution and to extend application area of multislit dispersive spectrometers; also a design being a synthesis of these two approaches is analyzed. According to simulation results, width on half-maximum in dispersion direction Δl ≤ 10 µm, only for limited field points set Δl ≤ 15 µm, that stands for spectral resolutioДля спектроскопии с пространственным разрешением представляет интерес регистрация нестационарных процессов, в частности мгновенная гиперспектроскопия, позволяющая получать куб данных I(x,y,λ) в одном акте измерения. Целью работы являлось повышение спектрального разрешения в приборах для спектроскопии с пространственным разрешением, в которых пространственная фильтрация изображения объекта осуществляется многощелевой маской, в качестве диспергирующего элемента используется дифракционная решетка (что обеспечивает практически неизменную дисперсию в рабочем спектральном диапазоне), а проекция куба данных представляется в виде совокупности локальных спектров от отдельных фрагментов объекта.Изображение на детекторе формируется телецентрической системой из двух объективов, настроенных на бесконечность и расположенных так, что их передние фокусы совпадают. Размещенная в точке совпадения фокусов диафрагма пропускает лишь пучки нужного порядка, что в совокупности с полосовыми светофильтрами на входе устраняет типичную для систем с дифракционной решеткой проблему отсечения всех порядков дифракции кроме рабочего. Предложенный подход реализован в двух разработанных схемных решениях спектрометров: в первом телецентрическая система построена на основе двух многолинзовых изображающих объективов, во втором – на основе внеосевых параболических зеркал.В рамках данной работы предложены варианты оптимизации схемных решений, предусматривающие обеспечение нормального падения световых пучков на маску, а также компенсацию кривизны поля изображения, что позволяет повысить разрешение системы и расширить область применения рассмотренных схемных решений многощелевых дисперсионных спектрометров; рассмотрено схемное решение, представляющее собой синтез обоих подходов. Согласно результатам моделирования, полуширина пятен рассеяния в направлении дисперсии Δl ≤ 10 мкм, лишь в отдельных точках поля Δl ≤ 15 мкм, что соответствует пределу спектрального разрешения δλ ≤ 10 нм на диапазоне 450–750 нм

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИЗМЕННОГО ТЕЛЕСКОПИРОВАНИЯ СВЕТОВОГО ПУЧКА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО РАЗРЕШЕНИЯ И УГЛОВОЙ ДИСПЕРСИИ СПЕКТРОМЕТРА

The increase of angular dispersion and slit resolution limit of grating spectrometers by means of variation of grating parameters is limited by its period and allowable order of diffraction. The special solutions (echelle, holographic, immersion gratings) are acceptable in a limited parameter range and are technologically complex in fabrication, thus hardly applicable to instruments of mass production. We propose to decrease slit resolution limit by one-dimensional beam widening in dispersion plane by means of passing it through oblique prism before incidence onto diffraction grating. The increase of angular dispersion can be achieved by narrowing of dispersed beams after grating while passing through other oblique prism. We prove that slit resolution limit in such a system changes approximately as multiplied by angular magnification of the first prism (that is less than 1 times). Also angular dispersion changed approximately as multiplied by angular magnification of the second prism. The Fresnel reflection from the faces of prisms is analyzed. Accounting for that factor gives the increase of resolution about 1,4–1,6 times without loss of light (and can be 2 and more times while using anti-reflective coating). The proposed method is different from the similar ones first of all by its simplicity because it uses simple optical elements – plane reflective grating and thin prisms. It can be applied to amend the analytical characteristics of dispersive spectrometers, first of all the small-sized ones. Повышение угловой дисперсии и «щелевой» разрешающей способности дисперсионных спектрометров на основе дифракционной решетки за счет изменения ее параметров ограничено допустимым порядком дифракции и периодом; решения на основе модифицированных решеток (эшелле, голографических, иммерсионных) приемлемы в ограниченной области параметров и сложны в производстве, поэтому мало пригодны для использования в массовых приборах. В предлагаемом методе уменьшение «щелевого» предела разрешения обеспечивается одномерным расширением светового пучка в плоскости дисперсии посредством прохождения через наклонную призму перед падением на решетку. Увеличение угловой дисперсии обеспечивается сужением диспергированных пучков после решетки при прохождении через вторую наклонную призму. Показано, что «щелевой» предел разрешения в такой системе улучшается (уменьшается) приближенно в число раз, равное угловому увеличению первой призмы (величина меньше единицы); угловая дисперсия увеличивается в число раз, равное угловому увеличению второй призмы. Проанализировано влияние френелевского отражения от граней призм, которое растет с увеличением их наклона относительно пучка, поэтому целесообразное с точки зрения повышения светопропускания системы увеличение разрешающей способности составляет 1,4–1,6 раза (при использовании просветления может достигать 2 и более раз). От аналогов метод отличается технологичностью реализации, поскольку используются простые оптические элементы  – плоская отражательная дифракционная решетка и оптические клинья. Благодаря этому он может применяться для улучшения аналитических характеристик широкого класса дисперсионных спектрометров, в первую очередь малогабаритных.

СПЕКТРАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПОСРЕДСТВОМ ДИСПЕРСИОННЫХ СИСТЕМ

Instruments for spectral filtration of images are an important element of the systems used in remote sensing, medical diagnostics, in-process measurements. The aim of this study is analysis of the functional features and characteristics of the proposed two image monochromator versions which are based on dispersive spectral filtering. The first is based on the use of a dispersive monochromator, where collimating and camera lenses form a telescopic system, the dispersive element of which is within the intermediate image plane. The second version is based on an imaging double monochromator with dispersion subtraction by back propagation. For the telescopic system version, the spectral and spatial resolutions are estimated, the latter being limited by aberrations and diffraction from the entrance slit. The device has been numerically simulated and prototyped. It is shown that for the spectral bandwidth 10 nm (visible spectral range), the aberration-limited spot size is from 10–20 μm at the image center to about 30 μm at the image periphery for the image size 23–27 mm. The monochromator with dispersion subtraction enables one to vary the spectral resolution (up to 1 nm and higher) by changing the intermediate slit width. But the distinctive feature is a significant change in the selected central wavelength over the image field. The considered designs of dispersive image monochromators look very promising due to the particular advantages over the systems based on tunable filters as regards the spectral resolution, fast tuning, and the spectral contrast. The monochromator based on a telescopic system has a simple design and a rather large image field but it also has a limited light throughput due to small aperture size. The monochromator with dispersion subtraction has higher light throughput, can provide high spectral resolution when recording a full data cube in a series of measuring acts for different dispersive element positions. Приборы для спектральной фильтрации изображений являются важным элементом систем дистанционного зондирования, медицинской диагностики и технологического контроля. Цель работы – анализ функциональных особенностей и характеристик двух предлагаемых вариантов монохроматоров изображения, основанных на дисперсионной спектральной фильтрации. Первый вариант основан на использовании дисперсионного монохроматора, в котором коллиматорный и камерный объективы формируют телескопическую систему, в плоскости промежуточного изображения которой размещается дисперсионный элемент. Второй вариант основан на использовании двойного монохроматора с вычитанием дисперсии при обратном прохождении. Для варианта с телескопической системой выполнены оценки спектрального разрешения и пространственного разрешения, определяемого аберрациями и дифракцией на входной щели. Проведено численное моделирование и макетирование прибора. Показано, что при ширине выделяемого спектрального интервала 10 нм в видимой области размеры аберрационно-лимитируемого кружка рассеяния варьируются от 10–20 мкм в центре до 30 мкм на краях изображения с размерами 23–27 мм. Монохроматор с вычитанием дисперсии позволяет варьировать достигаемое в отдельной точке изображения спектральное разрешение (до 1 нм и выше) изменением ширины промежуточной щели, однако особенностью является изменение в значительных пределах выделяемой центральной длины волны по полю изображения. Рассмотренные схемные решения дисперсионных монохроматоров изображения представляются перспективными и обладают преимуществами в сравнении с системами на основе перестраиваемых фильтров по достижимому спектральному разрешению и возможности его оперативного варьирования, спектральному контрасту. Монохроматор на основе телескопической системы характеризуется простотой устройства и достаточно большим полем изображения, однако имеет ограниченное светопропускание из-за малого размера входной апертуры. Монохроматор с вычитанием дисперсии имеет большее светопропускание, позволяет обеспечить высокое спектральное разрешение при условии регистрации полного куба данных в серии установок дисперсионного элемента.

Aquatic Hyphomycete Species Are Screened by the Hyporheic Zone of Woodland Streams

Aquatic hyphomycetes strongly contribute to organic matter dynamics in streams, but their abilities to colonize leaf litter buried in streambed sediments remain unexplored. Here, we conducted field and laboratory experiments (slow-filtration columns and stream-simulating microcosms) to test the following hypotheses: (i) that the hyporheic habitat acting as a physical sieve for spores filters out unsuccessful strategists from a potential species pool, (ii) that decreased pore size in sediments reduces species dispersal efficiency in the interstitial water, and (iii) that the physicochemical conditions prevailing in the hyporheic habitat will influence fungal community structure. Our field study showed that spore abundance and species diversity were consistently re- duced in the interstitial water compared with surface water within three differing streams. Significant differences occurred among aquatic hyphomycetes, with dispersal efficiency of filiform-spore species being much higher than those with compact or branched/tetraradiate spores. This pattern was remarkably consistent with those found in laboratory experiments that tested the influence of sediment pore size on spore dispersal in microcosms. Furthermore, leaves inoculated in a stream and incubated in slow-filtration columns exhibited a fungal assemblage dominated by only two species, while five species were codominant on leaves from the stream-simulating microcosms. Results of this study highlight that the hyporheic zone exerts two types of selec- tion pressure on the aquatic hyphomycete community, a physiological stress and a physical screening of the benthic spore pool, both leading to drastic changes in the structure of fungal community

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ С ПРОГРАММИРУЕМЫМ СПЕКТРОМ НА ОСНОВЕ ДИСПЕРСИОННОЙ СИСТЕМЫ С МИКРОЗЕРКАЛЬНОЙ МАТРИЦЕЙ

The optical design of the apparatus for generation of programmable-spectrum light is proposed. Both wide-band (hundreds of nanometer) and narrow-band (units of nanometer) spectral patterns may be generated by means of the proposed device. The spectral pattern is generated by micromirror array spatial sampling of incoming wide-band light beam, that gives needed spectral components after passing the dispersion system. The designed prototype of the apparatus was tested experimentally.Предложена  схема прибора,  позволяющего  формировать  излучение с  заданным  спектральным составом. При помощи устройства возможно формирование как широкополосных (сотни нанометров), так и узкополосных (единицы нанометров) спектральных контуров. Формирование спектра осуществляется выборкой областей из светового пучка с широким спектром с помощью размещенной на входной апертуре дисперсионного спектрального прибора микрозеркальной матрицы, что позволяет получить на выходе дисперсионной системы требуемые спектральные компоненты. Проведена экспериментальная апробация прототипа прибора

МИНИМИЗАЦИЯ АБЕРРАЦИЙ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОСИЛЬНЫХ КОМПАКТНЫХ ДИСПЕРСИОННЫХ СПЕКТРОМЕТРОВ

Schemes of high-aperture and compact optical spectrometers and giperspectrometer with minimized aberrations are presented. In the first scheme usage of inclined plane-parallel plate allows decreasing of astigmatism. In the second scheme off-axis aberrations are practically removed due to axial propagation of light. For giperspectrometer narrowing of light propagation angle through the object lens and turning the light out of dispersion plane lead to minimizing of picture aberrations.Предложены схемы светосильных компактных спектрометров и гиперспектрометра с минимизированными аберрациями. В первой схеме за счет использования наклонной плоскопараллельной пластинки уменьшен астигматизм. Во второй благодаря осевому прохождению светового пучка внеосевые аберрации практически устранены. В схеме гиперспектрометра аберрационные искажения изображения минимизированы за счет уменьшения углов прохождения светового пучка через объективы и вывода его из плоскости дисперсии

Удаление минеральных и органических веществ из поверхностных вод с использованием нанофильтрационных мембран

Screening investigations of organic and mineral substances’ removal from the different surface water sources by nanofiltration membranes have been carried out. It has been found that degree of water purification from organic substances was high, regardless to their concentration and filtrate conversion. On the contrary, removal degree for dissolved mineral substances depended highly on nanofiltration operating conditions and the water source origin.Проведены скрининговые исследования по удалению минеральных и органических веществ из поверхностных источников при помощи нанофильтрационных (НФ) мембран. В качестве объектов исследования были выбраны образцы поверхностных вод: р. Западная Двина (г. Витебск), р. Полота (г. Полоцк) и р. Свислочь (г. п. Свислочь, ТЭЦ-5). Исследования показали, что использование НФ мембран позволяет достигнуть высокой степени очистки воды от органических загрязнений независимо от степени отбора фильтрата и концентрации органических веществ в исходной воде. Степень удаления растворенных минеральных веществ зависит от рабочих параметров процесса нанофильтрации и источника происхождения воды