傅里葉光譜儀

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 2Abstract 3\o"CurrentDocument"第一章引言 41.1FTIR的發(fā)展歷程 4\o"CurrentDocument"第二章FTIR的基本原理 5\o"CurrentDocument"1傅里葉光譜儀的光學(xué)原理 5\o"CurrentDocument"2傅里葉光譜儀的計(jì)算原理 5\o"CurrentDocument"第三章傅里葉變換光譜儀的優(yōu)點(diǎn) 7\o"CurrentDocument"1很高的分辨能力 7\o"CurrentDocument"2訊噪比高 7\o"CurrentDocument"3極快的掃描速度 8\o"CurrentDocument"3.4能量輸出大 8\o"CurrentDocument"3.5極高的波數(shù)精度 8\o"CurrentDocument"6寬的光譜范圍 9\o"CurrentDocument"第四章傅里葉變換光譜法的應(yīng)用 10\o"CurrentDocument"1測(cè)量瞬間光譜變化 10\o"CurrentDocument"2差示光譜技術(shù) 10\o"CurrentDocument"3低能光譜的測(cè)量 10\o"CurrentDocument"第五章微型傅里葉光譜儀 11\o"CurrentDocument"5.1微型光學(xué)儀器的發(fā)展 11\o"CurrentDocument"2微型傅里葉光譜儀器的原理 11\o"CurrentDocument"5.3未來展望 11\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 12摘要本文簡(jiǎn)要敘述了傅里葉變換光譜儀的基本原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用。通過與色散型紅外光譜儀相比較，突出了傅里葉變換光譜儀的幾大特點(diǎn)，介紹了傅里葉變換光譜儀的特殊應(yīng)用。AbstractThisarticledescribetheFTIR第一章引言1.1FTIR的發(fā)展歷程紅外光譜儀的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段：第一階段是棱鏡式紅外分光光度計(jì)，它是基于棱鏡對(duì)紅外輻射的色散而實(shí)現(xiàn)分光的，其缺點(diǎn)是光學(xué)材料制造麻煩，分辨本領(lǐng)較低，而且儀器要求嚴(yán)格的恒溫降濕；第二階段是光柵式紅外分光光度計(jì),它是基于光柵的衍射而實(shí)現(xiàn)分光的，與第一代相比，分辨能力大大提高，且能量較高，價(jià)格便宜，對(duì)恒溫、恒濕要求不高，是紅外分光光度計(jì)發(fā)展的方向；第三階段是基于干涉調(diào)頻分光的傅里葉變換光譜儀，它的出現(xiàn)為紅外光譜的應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域。傅里葉變換光譜儀是最新一代的紅外光譜儀。它克服了色散型光譜儀分辨能力低、光能量輸出小、光譜范圍窄、測(cè)量時(shí)間長的缺點(diǎn)。它不僅可以測(cè)量各種氣味、固體、液體樣品的吸收、反射光譜等，而且可用于短時(shí)間化學(xué)反應(yīng)測(cè)量。目前，紅外光譜儀在電子、化工、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。第二章FTIR的基本原理傅里葉光譜儀主要由光學(xué)測(cè)量部分和計(jì)算機(jī)部分組成。其光學(xué)測(cè)量部分目前大多是邁克爾遜干涉儀組成。干涉儀將由光源來的信號(hào)以干涉圖的形式送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換的數(shù)學(xué)處理，最后將干涉圖還原成光譜圖。2.1傅里葉光譜儀的光學(xué)原理圖1為邁克爾遜干涉儀的示意圖。它由互成直角的兩塊平面反射鏡Mi、M2以及與M】、M2分別成45度角的劈光器B和補(bǔ)償器C所構(gòu)成。其中平面鏡Mi可以沿箭頭方向等速移動(dòng)，而M2為固定平鏡。由光源S來的光被劈光器B分為相等的兩部分，光束1和光束1【。光束I按實(shí)線所表示的路徑反射到可移動(dòng)的反射鏡Mi上，然后乂反射回來穿過劈光器B和補(bǔ)償器C到達(dá)探測(cè)器D。另一光束【【則以虛線表示，它穿過劈光器B和補(bǔ)償器C射到固定反射鏡M2上，然后由M2反射回來，在劈光器B上再反射一次，最后在探測(cè)器D處與光束1會(huì)合。補(bǔ)償器C的作用是使兩束光在到達(dá)探測(cè)器D時(shí)，各自都分別以相同的次數(shù)(4次)通過光學(xué)材料B和C(B和C是用同一光學(xué)材料制成)。當(dāng)兩束光到達(dá)D時(shí)，其光程差將隨可移動(dòng)反射鏡Mi的往復(fù)運(yùn)動(dòng)而周期性變化?；诠獾南喔稍?，在探測(cè)器D處得到的是一個(gè)強(qiáng)度變化為余弦形式的信號(hào)。在連續(xù)改變光程差的同時(shí)，記錄下中央干涉條紋的光強(qiáng)變化，就得到干涉圖，作出此干涉圖函數(shù)的傅里葉余弦變換，就得到了光譜。'匚仁毋反射技時(shí)光?SRMi時(shí)光?SR固定反射飩M,圖1邁克爾遜干涉儀示意圖2.2傅里葉光譜儀的計(jì)算原理對(duì)于雙光束干涉儀，設(shè)入射的單色光，波數(shù)為。。，光強(qiáng)為S(b°),則在干涉圖的某一點(diǎn)的光強(qiáng)為：I0(x)=4S(q)cos(兀辱3E或1[g洞jX其中x為二相干光束的光程差。如果入射為多色光，并且在光譜間隔(b0,CT+db)內(nèi)的光強(qiáng)為S(b)dCT，則在干涉圖某點(diǎn)處(b,b+db)間隔內(nèi)的光強(qiáng)為：ctt(b,x)=2S(<t)db[l+cos(2^ax)]在干涉圖某點(diǎn)的總光強(qiáng)為：I(x)= S(cr)dcr+￡°2S(<7)cos(2^r<7x)d<7當(dāng)光程差x=0時(shí)，總光強(qiáng)為1(0)=亦S(o)do+2j：S(o)do=4j；s(b)d<7所以(2)式可以寫成：f(X)=I(X)一；I(0)= S(b)COS(京CTX)d<7即干涉圖函反f(x)是光源光譜分布函數(shù)S(b)的傅里葉余弦變換。它表明，當(dāng)光程差X按時(shí)間作勻速改變時(shí)，多色光的干涉圖是與光源光譜相對(duì)應(yīng)的不同強(qiáng)度的頻率的余弦曲線的總和，而不同的光譜元將得到具有不同頻率的干涉圖函數(shù)是這一干涉調(diào)頻過程的特點(diǎn)。f(x)對(duì)的值可正可負(fù)，如果在批個(gè)頻率范圍考慮f(x)為偶函數(shù)，則可寫出如下傅里葉變換對(duì)：f(x)= S(a)cos(27rax)doJ-cos(b)=『f(x)COS(27TCTX)dx由上式可知，記錄下干涉圖f(x)=I(x)—理并作傅里葉余弦變換，就可得到任何波數(shù)處的光強(qiáng)S(b)o圖2傅里葉變換光譜儀工作原理圖2為傅里葉變換光譜儀工作原理示意圖。由邁克耳遜干涉儀出來的干涉強(qiáng)度信號(hào)為實(shí)數(shù)偶函數(shù)，利用傅里葉變換的對(duì)稱性可得譜函數(shù)，其運(yùn)算通過電子計(jì)算機(jī)完成，它由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D),傅里葉余弦變換運(yùn)算器，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(D/A)組成，最后直接顯示出光譜圖。第三章傅里葉變換光譜儀的優(yōu)點(diǎn)與棱鏡和光柵光譜儀相比，傅里葉變換光譜儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：3.1很高的分辨能力傅里葉變換紅外光譜儀的分辯能力主要取決于反射鏡的最大移動(dòng)行程L和移動(dòng)質(zhì)量，移動(dòng)行程越大，分辨能力就越高，一般可移動(dòng)距離在兒十厘米左右,也有長達(dá)二米的。這樣傅里葉變換紅外光譜儀可以做到很高的分辨率。而光柵型光譜儀，光柵的刻痕密度受到色散的要求不可能過密，若要達(dá)到與傅里葉變換光譜儀同等的分辨率，光柵的尺寸將要長達(dá)米數(shù)量級(jí)，這給設(shè)備和小型化都帶來很大的不便。一般棱鏡光譜儀的分辨能力達(dá)到1厘米己很不容易，光柵光譜儀也只是在個(gè)別光譜范圍（1000厘米」）能達(dá)到0.2厘米％但傅里葉光譜儀在全紅外光譜范圍內(nèi)達(dá)到o.i厘米-1并不困難。3.2訊噪比高任何訊號(hào)測(cè)量不可避免地有各種“噪聲”干擾，而測(cè)量系統(tǒng)的信噪比是衡量系統(tǒng)測(cè)量靈敏度的一個(gè)重要性能指標(biāo)。設(shè)一次測(cè)量時(shí)間為t,一定信號(hào)的累積量為s,對(duì)光強(qiáng)信號(hào)來說，其時(shí)間累積量就是光能量，由噪聲帶來的方均根偏差記為△,定義訊噪比=§/△統(tǒng)計(jì)理論證明，噪聲是隨機(jī)分布，它相對(duì)于訊號(hào)具有統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性時(shí)，有:Soot,△ooVt故訊噪比=?△圖3工作波段與光譜元這表明對(duì)一定頻率訊號(hào)的測(cè)量時(shí)間越長，訊噪比越高，就光譜分析而言，不論那一種測(cè)量方法，最終總是將波段范圍。2：分割為許多光譜元b +Ab來顯示全部光譜曲線，如圖3所示。設(shè)光譜單元總數(shù)為N=2）/Aa，此處取值應(yīng)當(dāng)與系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)相匹配。對(duì)色散型光譜儀來說，每個(gè)光譜元（每種訊號(hào)）分配到的測(cè)量時(shí)間為t/N,而對(duì)變換型光譜儀來說，每個(gè)光譜元的測(cè)量時(shí)間均為t,故兩者的訊噪比分別為：任）色散8$ ；任）變換“兩者之比為：（9變換就是說，傅里葉光譜儀比色散型光譜儀訊噪比提高了N倍。3.3極快的掃描速度傅里葉變換紅外分光光度計(jì)能在不到一秒鐘的時(shí)間里掃描一張質(zhì)量很好的紅外譜圖，而且進(jìn)行多次快速掃描，光譜的重復(fù)性也較好。圖4示出的聚苯乙烯的兩個(gè)重疊帶說明了這種能力，在該例中，每一光譜的測(cè)量時(shí)間不足1秒（未計(jì)入計(jì)算與描繪時(shí)問）。而在一般色散型尤譜儀中，一秒鐘時(shí)間僅能測(cè)鼠一兩個(gè)分辨單元。圖4聚苯乙烯薄膜的兩個(gè)疊加光譜3.4能量輸出大在色散型光譜儀中，其單色器包含有入射和出射狹縫，所以輻射能最有相當(dāng)大的部分被狹縫擋住不能到達(dá)探測(cè)器。干涉儀沒有狹縫裝置，可以得到相當(dāng)大的輸出能量，所以傅里葉光譜儀特別適合于測(cè)墩微弱信號(hào)光譜。3.5極高的波數(shù)精度在傅里葉光譜儀中可動(dòng)鏡的位置是用激光器準(zhǔn)確測(cè)定的，所以光程差可以測(cè)得非常精確，從而使計(jì)算的光波譜數(shù)精確度達(dá)0.01厘米％3.6寬的光譜范圍使用棱鏡紅外分光光度計(jì)研究：4000至400厘米-1的光潛要使用LiF、NaCI和KBr三個(gè)棱鏡，使用光柵式光譜儀也至少得用兩塊光柵和若干濾光片。要研究400至10厘米［的遠(yuǎn)紅外光源，就需要另外添置一臺(tái)遠(yuǎn)紅外光譜儀。而傅里葉紅外光譜儀只要改變分束器和光源，就可研究整個(gè)紅外區(qū)loooo厘米-1至10厘米」的光譜。第四章傅里葉變換光譜法的應(yīng)用傅里葉變換紅外光譜儀除了用于一般性光譜測(cè)量外，還具有下列特殊應(yīng)用：4.1測(cè)量瞬間光譜變化使用傅里葉變換紅外光譜儀在不到1秒鐘的時(shí)間內(nèi)就能掃描一張質(zhì)堆很好的紅外譜圖，儀器的這種特性使其可以測(cè)量瞬間的光譜變化，研究快速的化學(xué)反應(yīng)。更重要的是可以和其他分析用儀器如氣體色譜，液體色譜以及凝膠透過色譜等連用，而不需要先搜集樣品后再測(cè)繪紅外譜圖。4.2差示光譜技術(shù)傅里葉變換光譜儀可以把被測(cè)樣品和參考樣品的紅外譜圖經(jīng)模一數(shù)轉(zhuǎn)換后儲(chǔ)存到電子計(jì)算機(jī)里，并把徹個(gè)光譜按特定的比例進(jìn)行吸光度相減，然后再經(jīng)過數(shù)一模轉(zhuǎn)換就可以記錄下我們所需要的差示光譜，被減的組分在兩光譜中的強(qiáng)度可以是任意的。如果得到的光譜信號(hào)很弱，為了提高信噪比，可以使用縱坐標(biāo)擴(kuò)展，并進(jìn)行平滑處理，或進(jìn)行多次掃描，通過光譜平均累加，使信號(hào)增強(qiáng)。差示光譜技術(shù)可以不經(jīng)物理分離而直接鑒定混合物的組分甚至是微髦的組分。如高聚物中的雜質(zhì)、添加劑、氧化降解產(chǎn)物等，在表面的研充中，同樣可以通過差示光譜技術(shù)，扣除本體物質(zhì)的光譜，研究表面物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化。4.3低能光譜的測(cè)量由于傅里葉變換紅外光譜儀的輸出能量大，還可以在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)樣品多次掃描進(jìn)行光譜平均累加，這兩者結(jié)合起來使其可以測(cè)量許多透射比極低的樣品。例如在水溶液中的樣品過去很難進(jìn)行紅外測(cè)量，這是因?yàn)樗肿釉诩t外區(qū)吸收很強(qiáng)，即使在1550一950厘米I的能透過紅外區(qū)域，50微米厚水?dāng)D液的透射比不會(huì)超過4%o而很多生物高分子在水中的和在其他狀態(tài)的結(jié)構(gòu)相比較有很大的不同，必須在水溶液中進(jìn)行測(cè)量。使用傅里葉變換紅外光譜法就可以克服水吸收的有關(guān)問題。第五章微型傅里葉光譜儀5.1微型光學(xué)儀器的發(fā)展傅里葉光譜儀有它的不足，由于使用高精度的掃描鏡機(jī)構(gòu)，使得儀器成本和體積都大大增加，正因?yàn)槿绱?，大多?shù)高精度傅里葉光譜儀僅僅局限于實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中的應(yīng)用。為了克服傅里葉光譜儀體積大成本高的缺陷，很多人都致力于傅里葉光譜儀微小型化的研充。傅里葉光譜儀的微小型趨勢(shì)可以追溯到20世紀(jì)90年代初期，盡管第一臺(tái)光譜儀誕生于200多年前，但是只是在近10年的時(shí)間里，光譜儀器才擺脫實(shí)驗(yàn)室的局限，這得益于其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。光纖的大批量生產(chǎn)，高效低廉的光學(xué)元件及線性陣列檢測(cè)器件的出現(xiàn)，個(gè)人計(jì)算機(jī)的發(fā)展，MEMS及其他微制造技術(shù)的發(fā)展，使得光譜技術(shù)的應(yīng)用延展到實(shí)驗(yàn)室之外更加廣闊的領(lǐng)域。5.2微型傅里葉光譜儀器的原理圖1為基于邁克爾遜干涉儀的靜態(tài)傅里葉變換光譜儀，由傾斜鏡產(chǎn)生的干涉模式被線陣CCD（PDA】）記錄，線陣CCD的位置可以沿軸移動(dòng)。為了達(dá)到給定的最大光程差5max或最小可達(dá)到的波數(shù)入max，傾斜鏡的傾斜角可以設(shè)定為所需要的角度。條紋的質(zhì)量（未校準(zhǔn)導(dǎo)致垂直性和最后的畸變）可以通過二維面陣CCD（PDA2）檢驗(yàn)。本文根據(jù)圖1中靜態(tài)傅里葉變換光譜儀的結(jié)構(gòu)，計(jì)算了表征干涉儀系統(tǒng)產(chǎn)生的條紋質(zhì)量的對(duì)比度。為了保證對(duì)比度大于50%,光譜儀參數(shù)之間應(yīng)該遵從下面的關(guān)系式1A/1.67Z-2ha式中：h-光源的側(cè)面長度，e-發(fā)散角，a-鏡子的傾斜角，A-波長（確定最大接收角時(shí)，A取最小值），I-光源與校準(zhǔn)鏡的距離，z-干涉面與探測(cè)器的距離，根據(jù)計(jì)算光源的側(cè)面尺寸h必須小于371umo5.3未來展望微型光譜儀與普通的光譜儀相比具有很大的優(yōu)點(diǎn)，它除了具有微小型、低成本、易于實(shí)現(xiàn)模塊化，還具有耐用、緊湊、易于校準(zhǔn)、抗震動(dòng)、抗環(huán)境溫度壓力變化影響等。但目前國