(完整版)实验傅立叶变换光谱实验

实验3-3 傅立叶变换光谱实验

● 实验简介：

利用光的干涉现象，得到干涉图，经过傅立叶变换，在频域中得到光谱，这种方法得到的光谱称为傅立叶变换光谱，所用的仪器称为傅立叶光谱仪。它的优点是：

1. 它以大的圆形入射孔径代替普通光谱仪的窄的入射狭缝，在获得同样分辨本领条件下，它能从较大的立体角接受光源辐射。

2. 在一般分光光度计中，每一瞬间只能测量一个光谱元，而傅立叶光谱仪能在整个工作时间内，同时记录所有待测光谱元，这又进一步使接收器获得更多的辐射能量，提高接收信号的信噪比。所以，它特别适合于光源较弱的红外光谱区，目前它已作为一种新型红外光谱仪广泛应用于红外光谱工作中。

● 实验目的：

利用傅立叶变换光谱仪，测量常用光源的光谱分布。

● 实验原理

傅立叶光谱方法利用干涉图和光谱图之间的对应关系。通过测量干涉图和对干涉图进行傅立叶积分变换的方法来测定和研究光谱图。和传统的色散性光谱仪相比较，傅立叶光谱仪可以理解为以某种数学方式对光谱信息进行编码的摄谱仪，它能同时测量、记录所有谱元的信号，并以更高的效率采集来自光源的辐射能量，从而使它具有比传统光谱仪高得多的信噪比和分辨率；同时它的数字化的光谱数据，也便于计算机处理和演绎。正是这些基本优点，使得傅立叶光谱方法发展为目前红外和远红外波段中最有力的光谱工具。它的研究、开发和应用已经形成了光谱学的一个独立分支——傅立叶光谱学，或称干涉光谱学。

傅立叶的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。然后将接收器接收到的信号送到调制器中进行分解，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。 调制和解调方程：

调制方程：

()()cos(2)I B d δνπνδν+∞-∞=⎰

解调方程： ()()cos(2)B I d νδπνδδ+∞-∞=⎰

I(δ)——随光程变化的干涉图

v ——表示最小波数

B(v)——复原光谱图强度分布

● 实验内容

1.利用激光调整迈克尔逊干涉仪，调出光的干涉条纹

2.利用钨丝灯调出白光的干涉条纹，目的是找出光程差为零的位置

3.去掉白光灯，放入被测光源，调整干涉条纹的方向和宽度

4.调整参考激光光路，尽量减少两光路之间的相互影响

5.调整电机转速，连接计算机，开始采集数据

6.进行数据处理和傅里叶变换，输出光谱

附录一：仪器原理

⏹基本结构

目前大多数国内外的傅立叶光谱仪采用迈克尔逊干涉仪作为干涉装置，而且干涉仪是傅立叶变换的核心部件。

◆光路部分

迈克尔逊干涉仪是比较典型的干涉仪，它虽出现在 100 多年前，但当今仍有许多应用，而且许多现代的干涉仪，其核心结构仍是迈克尔逊干涉仪。在本傅立叶变换实验装置的设计中，光通过迈克尔逊干涉仪分成两束后产生干涉。迈克尔逊干涉仪将光调制成干涉光，是傅立叶光谱仪中的核心光学器件。

典型的迈克尔逊光路设计，采用光的干涉原理通过傅立叶变换的数学处理来获得光谱图。傅立叶变换法具有简单，快速等优点。采用干涉方法的分辨率由测量时间来决定的，采集的时间越长分辨率就越高。

图表1

光谱仪的光源有单色光源和复合光源，严格意义上说单色光源也是具有极窄的谱带的。复合光源通过迈克尔逊干涉仪时，每一种单色光都发生干涉，产生干涉光。光源的干涉图就是由这无数个无限窄的单色干涉光组成的，也可以说干涉图是由多色干涉光组成的。

◆机械设计部分

光路采用的是迈克尔逊干涉装置，其对动镜的移动精度要求较高，要实现较高的干涉条纹精度，首先要确保动镜的移动精度及移动的直线度。

仪器原理设计如右图

1-溴钨灯2-外置光源3-光源转换镜

4-可变光阑5-平面反射镜

6-准直镜7-动镜8-干涉板9-补偿板

10-定镜11-平面反射镜

12-接收器（1）13-半透半反境14-接收

器（2）15-平面反射镜16-激光器

附录二软件的使用及仪器操作

2.1.安放仪器

先将傅立叶变换实验装置摆放到平稳的工作台上，将电源线和USB连接总线连接到仪器上。打开仪器的电源开关，这时可以看到仪器面板上的红色电源指示灯点亮，表示仪器的电源连接正常。仪器面板如图表23所示。

图表1

2.2.打开光源

光源的电源打开，可以看到如图表23所示红色钨灯的指示灯点亮，表示钨灯已经打开；选择合适的光阑，一般建议选择8挡位置，然后再将光源镜的旋钮旋转到钨灯位置如图表24所示。若用其它的外接光源则将光源镜的位置旋到其它光源上，且将外接光源的入口处的端盖打开将光源引入。

图表2

注意：

打开光源后仪器要预热30分钟，使测量数据准确；外接光源测试时间＞1分钟。

2.3.进入软件

以钨灯为例，将光源位置调整好后，进入软件界面如图表25所示；如果仪器的电源或者USB连接有问题就会出现如图表26所示的错误界面。

图表3

图表4

2.4.新建实验

进入软件界面点击新建实验出现如图表27新建界面，点击参数设置出现如图表28参数设置画面。

图表5

图表6

2.5.开始采集

钨灯设置时间为一分钟后点击确定，然后回到如图表27新建界面。然后点击界面上的采集数据按钮，出现如图表29复位界面，复位完成后出现如下界面。

图表7

图表8

2.6.傅立叶变换

点击工具栏的傅立叶变换按钮，出现界面如图表31所示，根据用户的需求选择需要加载的窗体，其中包括矩形窗函数、三角窗函数、汉宁窗函数、海明窗函数、布莱克曼窗函数；并且可以根据需要更换傅立叶变换的范围。

图表9

2.7.光谱图

在傅立叶变换后出现光谱图如图表32所示。