文档介绍：傅立叶变换光谱仪
一、FTIR的发展历程
红外光谱仪的发展经历了3个阶段:第一阶段是棱镜式红外分光光度计,它是基于棱镜对红外辐射的色散而实现分光的,其缺点是光学材料制造麻烦,分辨本领较低,而且仪器要求严格的恒温降湿;第二阶段是光栅式红外分光光度计,它是基于光栅的衍射而实现分光的,与第一代相比,分辨能力大大提高,且能量较高,价格便宜,对恒温、恒湿要求不高,是红外分光光度计发展的方向;第三阶段是基于干涉调频分光的傅里叶变换光谱仪,它的出现为红外光谱的应用开辟了新的领域。
傅里叶变换光谱仪是最新一代的红外光谱仪。它克服了色散型光谱仪分辨能力低、光能量输出小、光谱范围窄、测量时间长的缺点。它不仅可以测量各种气味、固体、液体样品的吸收、反射光谱等,而且可用于短时间化学反应测量。目前,红外光谱仪在电子、化工、医学等领域均有着广泛的应用。
二、各种FTIR原理
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、棱镜式色散型光谱仪
S-----入射狭缝 L1 L2----透镜 P-----棱镜 F----摄谱面
2、光栅型色散式光谱仪
M----平面反射镜 M1----凹面反射镜 G-----光栅 F----谱面
3、傅里叶光谱仪的光学原理
图1 为迈克尔逊干涉仪的示意图。它由互成直角的两块平面反射镜M1 、M2以及与M1 、M2分别成45度角的劈光器B和补偿器C所构成。其中平面镜M1可以沿箭头方向等速移动,而M2为固定平镜。由光源S来的光被劈光器B分为相等的两部分,光束Ⅰ和光束Ⅱ。光束Ⅰ按实线所表示的路径反射到可移动的反射镜M1上,然后又反射回来穿过劈光器B和补偿器C到达探测器D。另一光束Ⅱ则以虚线表示,它穿过劈光器B和补偿器C射到固定反射镜M2上,然后由M2反射回来,在劈光器B上再反射一次,最后在探测器D处与光束Ⅰ会合。补偿器C的作用是使两束光在到达探测器D时,各自都分别以相同的次数(4次)通过光学材料B和C(B和C是用同一光学材料制成)。当两束光到达D时,其光程差将随可移动反射镜M1的往复运动而周期性变化。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。在连续改变光程差的同时,记录下中央干涉条纹的光强变化,就得到干涉图,作出此干涉图函数的傅里叶余弦变换,就得到了光谱。
傅里叶光谱仪的计算原理
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
其中x为二相干光束的光程差。
如果入射为多色光,并且在光谱间隔(σ0,σ+dσ)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:
在干涉图某点的总光强为:
当光程差x=0时,总光强为
所以(2)式可以写成:
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。它表明,当光程差x按时间作匀速改变时,多色光的干涉图是与光源光谱相对应的不同强度的频率的余弦曲线的总和,
而不同的光谱元将得到具有不同频率的干涉图函数是这一干涉调频过程的特点。
f(x)对的值可正可负,如果在批个频率范围考虑f(x)为偶函数,则可写出如下傅里叶变换对:
由上式可知,记录下干涉图
并作傅里叶余弦变换,就可得到任何波数处的光强S(σ)。
三、傅里叶变换光谱仪的优点
、很高的分辨能力
傅里叶变换红外光谱仪的分辩能力主要取决于反射镜的最大移