第七章 红外辐射仪器及基本参数测量

2．李特洛(Littrow)棱镜
顶角为30度的直角棱镜，在其 长直角面上镀上反射层。入射光经 它反射后又沿原方向返回射出。所 以它的作用等价于一个60度三棱镜。 应用于大型自准直式的光谱仪。
3．阿贝(Abbe)恒偏向棱镜
平行光束以最小偏向角条件通过 棱镜，出射光束方向和入射光束方向 的交角恒等于90度。这种棱镜多用于 工作在可见光谱范围的单色仪。
Ex Es s
待测源的总辐射通量为： x
如果所选用的探测器是无光谱选择性的，而且是均 匀响应的，那么就可以用相应的电信号表示待测源的辐 射通量： i
x
x
is
s
2.分布光度计
辐射通量和辐射照度的关系：
I I A l
2
E A
测量ΔA处的辐射照度就可以计算通过ΔA的辐射通量。 设计一个闭合曲面包围辐射源，并把这个闭合曲面 划分成若干小面积元，分别测量该处的辐射照度：
max 2b 如果光栅用于波长为50微米波段，则光栅常数 必须大于25微米。因此每毫米宽度内刻槽数不能多 于40。
双闪耀光栅 （或称宽波段红外光栅）
光栅的制作:
单色仪的结构:
瓦茨沃斯(wadsworth)棱镜—反射镜系统
二. 摄谱仪
定义： 摄谱仪是以感光材料(光谱底版)记录)光谱的
仪器。
经内壁第一次漫反射，辐射通量为：
1
经内壁第二次漫反射：
2
2
经内壁第n次漫反射：
n
n
积分球内总辐射通量为：
1 2 n

2 n




1
积分球内壁上的照度： E 2 （也是B处测量到的照度） 4R 1
h
A T1 T2
4

IV
4

只要测量出输入电功率 IV 和样品与真空室壁 的温度，就可以得到样品的半球发射率。
二.法向全发射率测量
为得到法向全发射率，除对法向光谱发射率积 分外，大多数采用比较辐射度量技术进行测量。 测量原理: 在被测样品表面法线方向上用一个无光谱选择性 的红外探测器，在相同条件下测量样品表面和同温度 黑体表面的辐射，取两个测量值之比来求得法向全发 射率。
1
待测辐射源在λ1～λ2波长内的辐射亮度:
Lx Vx RL Vx Vs Ls
已知标准辐射源的光谱辐射亮度，通过仪器的输 出电压信号，就可以测量待测辐射源的辐射亮度。
辐射照度、辐射功率可以用同样的办法测量，电 信号可以是电压，也可以是电流。
二. 辐射强度的测量
辐射源的辐射强度是通过辐射照度的测量来获得的。
双光束光学自动平衡红外分光光度计
双光束电学自动平衡红外分光光度计
五. 傅里叶变换红外光谱仪
组成：迈克尔逊干涉仪和计算机 原理：迈克尔逊干涉仪产
生干涉图函数包含了光源的 全部频率和强度信息。用计 算机将干涉图函数进行傅里 叶变换，就可计算出原来光 源的强度按频率的分布。 如果在复合光束中放置一个能吸收红外辐射的 试样，由所测得的干涉图函数经过傅里叶变换后与 未放试样时光源的强度按频率分布之比值，即可得 到试样的吸收光谱。
n T
L T Lbb T
为保障测量结果属于样品在法向的热发射性质， 在较低温度范围内测量时，通常采用施密特(schmidt) 装置。
分别测量样品和黑体的探测器输出信号： n T
Vs Vbb
在较高温度测量时，目前广泛采用旋转样品法测 量法向全发射率。
三.法向光谱发射率测量
n

E
i 1
i
Ai
对于非均匀辐射的辐射源，需要测量闭合曲面上 各点的辐射照度，测量精度取决于面积元的划分。
实际辐射源往往具有一定的对称性，根据对称性 只需要测量一些代表点的辐射照度。
§7.3 红外发射率测量
发射率是实际物体与黑体在相同条件（温度、光谱 范围和几何条件）下的辐射之比：

M T M bb T
同一物体在不同的条件下，发射率是不同的。因 此，测量结果只有在说明测量条件的情况下才有意义。 影响发射率的测量条件： 除了温度、光谱范围和几何条件以外，还有样品 的化学组分、样品的光学性质。
一. 半球全发射率测量
辐射体的辐射出射度与同温度下的黑体的辐射出 射度的比值:
h
M T M bb T
根据热平衡时辐射和吸收的关系：
h T T
h T T
任何物体的半球光谱发射率与该物体在同温度下的 光谱吸收率相等；物体的半球全发射率与该物体在同温 度下的全吸收率相等。
辐射平衡测量半球全发射率
保持样品两端的电压不变， 最终样品达到热平衡温度T1 样品处于真空环境中，忽略 样品通过传导和对流的热损耗， 输入给样品的电功率全部以热辐 射的形式散发掉。 输入到样品的功率:
六. 多通道光谱仪
多通道光谱仪与单色仪的相同之处在于均采用 棱镜或光栅作为色散元件。不同之处在于能同时在 很多波长的通道内收集色散能量。
§7.2基本辐射量的测量
一. 辐射亮度的测量
定义仪器的光谱辐射亮度响应度： V ( ) RL ( ) Le ( )
其中V(λ)为在波长λ处仪器的光谱输出电压 Le(λ)为入瞳处的被测光谱辐射亮度。
应用：摄谱仪在物质定性、定量分析及理化参数
测定等方面有广泛的应用。
棱镜摄谱仪：
光栅摄谱仪：
三. 辐射计、光谱辐射计
光谱辐射计：是在窄光谱区间测量光谱辐射通量
的装置。
辐射计：是在宽光谱区间测量辐射通量的装置。
辐射计示意图：
红外辐射计的基本组件和功能
(1) 探测器件：将红外辐射功率转换成电输出信号。
色散元件棱镜：
棱镜的角色散：
d d 2 sin A 2 dn
12
1 源自文库 n
2
sin
2
A 2
d
棱镜分辨本领： 分辨本领是指分离开两条邻近谱线的能力．
R b dn d
棱镜的材料和形状最终决定了棱镜的分辨本领。
1．科纽(cornu)棱镜
用两个顶角为30度的分别 为左旋和右旋的直角棱镜粘结 而成，以使最小偏向位置通过 的光束不受石英晶体双折射和 旋光性的影响。
4．瓦茨沃斯(wadsworth)棱镜—反射镜系统
一个简单三棱镜和平面反射镜 组合系统。平行光束以最小偏向角 条件通过棱镜，再经反射镜反射， 反射光束方向和入射光束方向的夹 角也是恒定的。这种系统多应用在 红外光谱范围的单色仪。
c 180 2
5、阿米西(Amici）直视棱镜
这种棱镜常用在一些小 型的、便携式的或直接用眼 睛观察的光谱仪器中。由于 中间平均波长偏向角为零， 使仪器结构紧凑，使用方便。
由光源发射并经球壁漫反射的一部分辐射通过球 壁上的一个小孔（窗口）射到测量用的接收器上，这 部分辐射通量正比于光源所发出的总辐射通量。
在积分球C处依次放入标准源和待测源，由它 们分别在窗口处产生的辐射照度为 Es 和 Ex ：
Es Ex s
2

2
4R 1 x 4R 1
d d m b cos
光栅的分辨本领
R W
d d
W：是有效孔径宽度，W=bNcosφ， b是一条划线的宽度，N是划线总数，φ是衍射角。
R mN
光栅的分辨本领与划线总数N和光谱的级数m成正比。
光栅可以是平面的也可以是球面的。
红外光栅
红外光栅是用于红外到远红外波段的反射式衍射 光栅。它的特点是刻槽间隔比较宽。 光栅可用的最长波长和光栅常数的关系：
光谱辐射计＝单色仪＋辐射计
光谱辐射计主要由两个部分组成：产生窄谱带辐 射的单色仪和测量此辐射通量的辐射计。
四. 红外分光光度计
定义：红外分光光度计也称红外光谱仪，是进行
红外光谱测量的基本设备。 组成：主要由辐射源、单色仪、探测器、电子放 大器和自动记录系统等构成。
分类：
单光束分光光度计 双光束分光光度计
测量法向光谱发射率，一般采用比较辐射度量法。
给定温度下样品在法向一个小的立体角内发射 的辐射，经分光计分光后，测量在指定波长处的一 个窄波带的辐射，然后把该测量值除以从同样条件 下黑体源得到的测量值。
n , T
Vs Vbb
比较辐射度量法可分为单光路和双光路两种方式。
单光路测量系统
在λ1～λ2波段内的响应度为
RL V Le

2
1
Le ( ) RL ( )d

2
1
Le ( ) d
对于标准辐射源在λ处测得的电压为:
Vs Ls ( ) RL ( )
据此可以求得仪器的光谱辐射亮度响应度：
RL ( ) Vs Ls ( )
对于待测辐射源所测得的电压为:
双光路测量系统
Vx Lx ( ) RL ( )
求得待测辐射源的光谱辐射亮度:
Lx Vx RL ( ) Vx Vs Ls
标准辐射源在λ1～λ2波长内测得的电压为:
Vs Ls RL

2
2
1
Ls ( ) RL ( )d
对于待测辐射源所测得的电压为:
Vx Lx RL Lx ( ) RL ( )d
(2) 光学系统：收集处于视场内的辐射源发射的红 外辐射功率，并把它聚焦到探测器响应平面上。光学 系统与探测器一起决定着辐射计的视场和角分辨率。
(3) 光学元部件： 对红外辐射进行光学滤波的部件。 与探测器的光谱响应特性一起，共同决定了辐射计的 光谱响应或所能测量的辐射功率的波长范围。 (4)电子放大与输出指示系统： 它们与探测器共同 决定了辐射计对辐射随时间变化的响应。
傅里叶变换红外光谱仪和传统的光谱仪器比较， 它没有色散元件，干涉图函数实际上是各种频率 的光的调制函数。
与红外分光光度计相比，傅里叶变换红外光 谱仪有以下优点。
1）扫描时间短，信噪比高
2）光通量大 3）具有很高的波数准确度 4）具有较高的和恒定的分辨能力 5）具有很宽的光谱范围和极低的杂质辐射
第七章 红外辐射测量仪器及基 本参数测量
§7.1 红外辐射测量仪器
一. 单色仪
定义：单色仪是利用分光元件（棱镜或光栅）从复
杂辐射中获得紫外、可见和红外光谱且具有一定单色 程度光束的仪器。
组成：由狭缝、准直镜和分光元件按一定排列方式
组合而成。
应用：单色仪作为独立的仪器使用时，可用于物体
的发射、吸收、反射和透射特性的分光辐射测量和光 谱研究，也可用于各种探测器的光谱响应测量。 若把单色仪与其他体系组合在一起，则可构成各 种光谱测量仪器。
6、多棱镜色散系统
在大型光谱仪器中，因要 求有很高的分辨率和大的角色 散率，所以往往要用几块棱镜 组合成多棱镜色散系统。 如图是二块简单三棱镜和 一块阿贝恒偏向棱镜组合系统。
色散元件光栅：
闪耀光栅主极大的 位置服从光栅方程式：
m b(sin i sin )
m 为衍射级次级，m=0，±1，±2，… b 为光栅常数；i 为入射角；φ 为衍射角。 光栅的角色散率：
探测器直接测量的往往是辐射照度。
点源： 根据平方反比定律： I Ed 2 考虑假设大气的透射率为τ： I
Ed
2
表观强度

扩展源：
源的实 际强度
先测量给定方向上的辐射亮度
I
L cos dA
A
三.总辐射通量的测量
1.积分球
积分球也称积分光度计。它是一个内壁涂白色漫 反射涂层，球内放待测光源的球壳。 假设球内壁各点都能产生均 匀的漫反射，其漫反射比为ρ， 辐射源所发出的总辐射通量为Φ。
电功率： IV 真空室壁发射并被样品吸收的辐射功率：
A2T2 AT2
4 4
（空腔辐射）
A 样品的表面积；α 样品的吸收率ε2 真空室壁的发射率
样品输出的功率也就是样品的热辐射功率：
A hT1
4
样品处于热平衡：
IV AT2 A hT1
4 4
根据基尔霍夫定律：
h