傅里叶变换光谱实验

傅里叶变换光谱实验

一、实验目的

1、了解傅里叶变换光谱的基本原理。

2、学会测量待测光的光谱图。

重点：傅里叶变换光谱实验装置的正确使用，实验过程中参数的选定

难点：傅里叶变换光谱原理的理解

二、实验原理

现代光学的一个重大进展是引入“傅里叶变换”概念，由此发展成为光学领域内的一个崭新分支——傅里叶变换光学。本实验中用到的“傅里叶变换光谱实验装置”利用了傅里叶光谱中存在的干涉图和光谱图的变换关系，仪器用途是演示通过傅里叶变换的方法测定光源的辐射光谱。本实验仪器的意义在于进行傅里叶变换原理的演示。本实验测量光谱范围设计在可见区（400-800nm ）并且光路部分设计为开放式，以便能更深刻、直观地了解傅里叶变换光学的实现与应用。

傅里叶变换过程实际上就是调制与解调的过程，通过调制我们将待测光的高频率调制成我们可以掌控、接收的频率。然后将接收到的信号送到解调器中进行分解，得出待测光中的频率成分及各频率对应的强度值。这样我们就得到了待测光的光谱图。下面介绍两个方程：

调制方程：()()cos 2I x I xd σπσσ+∞-∞=⎰

解调方程：()()cos 2I I x xdx σπσ+∞

-∞=⎰

调制过程：这一步由迈克耳孙干涉仪实现，设一单色光进入干涉仪后，它将被分成两束后进行干涉，干涉后的光强值为 0()c o s 2I x I x πσ=，(其中x 为光程差，它随动镜的移动而变化，σ为单色光的波数值)。如果待测光为连续光谱，那么干涉后的光强为()()cos 2I x I xd σπσσ+∞

-∞=⎰。

图1 实验装置中的迈克尔孙干涉仪

解调过程：我们把从接收器上采集到的数据送入计算机中进行数据处理，这一步就是解调过程。使用的方程就是解调方程，这个方程也是傅里叶变换光谱学中干涉图—光谱图关系的基本方程。

对于给定的波数σ，如果已知干涉图与光程差的关系式，就可以用解调方程计算的这波数处的光谱强度()I σ。为了获得整个工作波数范围的光谱图，只需对所希望的波段内的每一个波数反复按解调方程进行傅里叶变换运算就行了。

三、实验仪器

XGF-Ⅰ型傅里叶变换光谱实验装置 、数据传输设备(USB 线)、 计算机一套(如需要数据输出还应连接相应的输出设备，比如说打印机等)、待测光源（如图2所示）。

图2 傅里叶变换光谱实验仪器

1-外置光源2-内置光源（溴钨灯）3-可变光阑4-准直镜5-平面反射镜6-精密平移台

7-慢速电机8-动镜9-干涉板10-补偿板11-定镜12-接收器1 13-参考光源（He-Ne激光器）14-半透半反镜15-平面反射镜16-接收器2 17-光源转换镜（物镜）

图3 傅里叶变换光谱实验装置光路图

实验仪器简要说明：

1、内置光源选用溴钨灯（6V•15W），待测光过准直镜后变成平行光进入干涉仪，从干涉仪中出射后成为两束相干光，并有一定的相位差。进入接收器1。当干涉仪的动镜部分做连续移动改变光程差时，干涉图的连续变化将被接收器接收，并被记录系统以一定的数据间隔记录下来。另外在零光程附近，操作者可以通过观察窗在接收器1的端面上看到白光干涉的彩色斑纹。•

2、系统内置的参考光源为He-Ne激光器，利用He-Ne激光器突出

的单色性对其它光源的干涉图进行位移校正，有效的修正了扫描过程中由于电机速度变化造成的位移误差。•

3、在这套实验装置中留有测量外光源的功能，外置光源可以自行配置，当使用外置光源时只需将光源转换镜拨至“其它光源”位置后关闭溴钨灯电源即可。

4、在实际的仪器中，光源都不可能是理想的点光源。为了保证有一定的信号强度，实际上要采用具有必要尺寸的扩展光源，但光源尺寸过大会造成仪器分辨率下降，复原光谱波数偏移等问题。所以使用扩展光源要保证以下3点：⑴不明显影响仪器分辨率指标；⑵扩展光源尺寸必须保证光谱的波数偏移值在仪器波数精度允许范围内；⑶干涉纹的对比度仍能达到良好状态。因此在傅里叶变换光谱实验装置中，具备一套光阑转换系统，经过严格计算，提供有8档光阑可供选择。在实验过程中，只要根据待测光源辐射光的强度去选择合适的光阑就可以了。

5、软件部分：傅里叶光谱实验装置的应用控制软件主要基于VC 开发，全中文显示；部分软件基于Matlab开发;算法采用当前流行的快速傅里叶变换（FFT）之蝶型算法，数据长度采用2的整数幂以提高计算机的运算速度。数据类型采用双精度型64位存取，从而有效的保证了数据的完整程度。从整体来说，应用控制软件运行稳定，控制全面，数据处理安全可靠，能够较好的配合单片机及硬件的工作，实现完成本实验、得到满意实验结果的目的。

四、实验内容

1、准备工作

确认设备的工作软件已经正确安装；USB的驱动程序已正确安装，且USB设备工作正常。

打开实验装置和待测光源（钠光灯）的电源，预热15分钟。

将钠光灯放在装置光源入射狭缝处，把实验装置光源转换旋钮转到“其它光源”。

2、实验步骤

⑴从电脑上运行实验装置的应用软件。当进入系统后，首先弹出如图4所示的友好界面。单击鼠标左键或键盘上的任意键，系统将显示工作界面，同时弹出一个“初始化”对话框，显示仪器正在初始化。初始化结束后，对话框消失。界面上的状态栏显示“就绪”，这时系统将进入正式工作状态，等待用户的下一步指令。

图4 运行软件的友好界面

⑵在系统工作界面中（图5），打开下拉菜单“工作／参数设置”命令，或单击工具栏上的“参数设置”按钮，进行采集前的参数设置

工作，系统将打开“设置参数”对话框。

图5 系统工作界面

注意：采集时间的确定直接影响到最终傅里叶变换得到的光谱图的分辨率，设定的采集时间越长则得到的光谱图的分辨率越高。在“待测光源放大倍数”一栏中有x1、x2、x4、x8、x16五档，可以根据待测光源的强弱选择合适的放大倍数。

⑶单击工具栏上的“开始采集”按钮。系统将执行采集命令，并将采集到的干涉图数据在工作区中绘制成干涉图，如图6所示。

图6 干涉图数据采集