傅里叶光谱仪

傅里叶光谱仪
主讲人 吴琦
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主要内容
• 傅里叶光谱仪简介 • 傅里叶光谱仪的原理 • 傅里叶光谱仪的特点 • 傅里叶光谱仪的应用 • 傅里叶光谱仪的未来展望
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一 傅里叶光谱仪介绍
• 光谱仪
利用色散元件和光学系统将光源发射的复合光按 波长排列，并用适当的接收器接收不同波长的光辐射
的仪器。按分光原理，可分为两大类：色散型和 干涉型。
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宽的光谱范围
• 傅里叶光谱仪只要改变分束器和光源，就 可以研究整个红外区1000cm至10cm的光谱 。
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适于微少试样的研究
• 傅里叶光谱仪光束截面小，可用于研究单 晶、单纤维这类物质，对于微量及痕量分 析特别重要，通过红外显微技术，仅需少 量样品，即可测出物质的红外吸收。
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四 傅里叶光谱仪的应用
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高通量
物理原因： 傅里叶变换光谱仪抛掉了严重限制有效光 束立体角的极狭窄的狭缝，整个入射光束 只受干涉仪圆形镜面孔径的限制，可以得 到相当大的输出能量，所以适合于测量微 弱信号光谱。
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极高的波数精度
• 傅里叶光谱仪的可动镜的位置是用氦—氖 激光器准确测定的，所以光程差可以测得 非常精确，从而使计算的光波谱数精度很 高。
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三 傅里叶光谱仪的优点
• （1）很高的分辨能力 • （2）信噪比高 • （3）极快的扫描速度 • （4）高通量 • （5）极高的波数精度 • （6）宽的光谱范围 • （7）适于微少试样的研究
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高分辨率
傅里叶变换光谱仪的分辨率——最小刚可被 分辨的两谱线的波数差为
上式表明： 傅里叶变换光谱仪的分辨率与两干涉光束间的 最大光程差成反比，因此动镜移动距离越大， 分辨率越高。
• 色散型仪器，按分光元件不同，又分为棱镜式和光栅 式红外分光光度计；
• 干涉型红外光谱仪又称为傅里叶变换红外光谱仪（ FTIR）。
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棱镜式色散型光谱仪
第一代是最早使用的棱镜式色散型光谱仪，分辨率低，对温 度、湿度敏感，对环境要求苛刻。
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光栅型色散式光谱仪
第二代光栅型色散式光谱仪，由于采用先进的光栅刻制和复制技 术，提高了仪器的分辨率，拓宽了测量波段，降低了环境要求。
I( 0 ) 2S () d 2S () d 4S () d
（3）
0
0
0
• 所以（2）式可以写出： f(x ) I(x ) 1 2 I(0 ) 2 0 S ()c o s(2 x )d
（4）
• 即干涉图函数f(x)是光源光谱分布函数S(σ)的 傅里叶余弦变换。
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• 如果在整个频率范围内f(x)为偶函数，则可 写出如下傅里叶变换对：
内的光强为S(σ) dσ，则在干涉图某点处（σ,σ+dσ ）间隔内的光强为：
d I (,x ) 2 S () d 1 c o s ( 2x )
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• 在干涉图某点的总光强为：
I(x ) 2 0 S ()d 0 2 S ()c o s (2 x )d
（2）
• 当光程差x=0时，总光强为：
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傅立叶变换红外光谱仪
• 现在常用的傅立叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spetrophotometer，简称FTIR），具有宽的测量范围、高测量精度、 高分辨率以及快的测量速度。
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• FTIR光谱仪由光学系统，电子电路，计算机数据 处理、接口和显示系统等部分组成。
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• 光学测量过程
光源S发射的光由分光器 分为相等两部分：光束1和 光束2.光束1反射可移动反射 镜M1，经过分光器和补偿器 到探测器D。另一束光由固 定反射镜M2反射回来，最后 在D处与光束1会合。当两束 光达到D时，其光程差将随 可移动反射镜M1运动而周期 变化
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• 基于光的相干原理，在探测器D处得到的是 一个强度变化为余弦形式的信号。在连续 改变光程的同时，记录下中央干涉条纹的 光强变化，就得到干涉图。
傅里叶光谱仪除了一般性的光谱测量外， 还具有下列特殊应用： • （1）测量瞬间光谱变化 由于傅里叶光谱仪有极快的扫描速度，这 种特性可以测量瞬间的光谱变化，研究快 速的化学反应，并可以和其他分析仪器连 用。
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• （2）差示光谱技术 傅里叶光谱仪可以把被测样品和参考样品的 红外谱图经AD转换存到计算机里，按特定 比例进行处理，从而不经物理分离而直接 鉴定混合物组分甚至是微量的组分。
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高的信噪比
• 在传统光谱仪器中，信噪比正比于 T
N
在傅里叶变换光谱仪中，信噪比正比于 T
------T为探测时间；N为光谱元数 傅里叶光谱仪比其他光谱仪信噪比提高了N倍
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极快的扫描速度
• 傅里叶光谱仪能在不到1s的时间内扫 描一张质量很好的红外谱图，而且进 行多次快速扫描，光谱重复性好。这 主要是由于干涉仪有多路优点。
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计算部分
• 对于双光束干涉仪，设入射的单色光，波数为σ0 ，光强为S(σ0)，则在干涉图的某一点的光强为：
I 0 ( x ) 4 S (0 ) c o s 2 (0 x ) 2 S (0 ) 1 c o s ( 2 0 x ) （1）
其中x为两相干光束的光程差。 • 如果入射为多色光，并且在光谱间隔（σ,σ+dσ）
• 光学系统包括：主干涉仪和激光干涉仪、白光干 涉仪、光源、检测器以及各村红外反射镜组成
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二 傅里叶光谱仪原理
• 傅里叶光谱仪主要由光学测量部分和计算部分组 成。如图所示
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• 光学测量部分 • 光谱仪的光学测量部分大多为迈克尔逊干涉仪，
如图
它由互成直角 的两块平面反 射M1、M2以及 与M1、M2分别 成45度角的分 光器B和补偿器 C所构成
f(x) S()cos(2x)d
（5）
S() f(x)cos(2x)dx
（6）
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• 由上式可知，记录下干涉图
f (x) I(x)I(0) 2
（7）
• 并作傅里叶余弦变换，就可得到任何波数
处的光强S(σ)。
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傅里叶光谱仪工作原理图
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• 由迈克尔逊干涉仪出来的干涉出来的干涉 信号为实数偶函数，利用傅里叶变换的对 称性可得谱函数。其运算通过电子计算机 完成，它由模数转换器（A/D），傅里叶余 弦变换运算器，数字模拟转换器（D/A）组 成，最后直接显示出光谱图。