主题：【分享】近红外光谱仪器的傅里叶型分光系统

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发表于：2024/06/25 16:49:13 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

20世纪70年代傅里叶变换技术在中红外光谱仪器上的应用使其性能得到革命性的改变。进入80年代该类型的仪器已成为中红外光谱仪器的主导产品。借助于研制中红外光谱仪器的基础，通过调整光源、分束器和检测器，傅里叶变换型近红外光谱仪器应运而生。

傅里叶变换型光谱仪的核心部件是干涉仪，迈克耳逊干涉仪结构如图2-6所示，由移动反射镜、固定反射镜和分束器组成。其中动镜和定镜为两块相互垂直的镜面。光源发出的光经准直成为平行光，按45°角入射到分束器上，其中一半强度的光被分束器反射，射向固定反射镜，另一半强度的光透过分束器射向移动反射镜。射向固定反射镜和移动反射镜的光经反射后实际上又会合到一起，此时已成为具有干涉光特性的相干光，当移动反射镜运动时，就能得到不同光程差的干涉光强。当峰峰值同相位时，光强被加强；当峰谷值同相位时，光强被抵消，在相长和相消干涉之间是部分的相长相消干涉。对于一个纯单色光，在移动反射镜连续运动中将得到强度不断变化的余弦干涉波，所以检测器检测到的是样本的干涉图，每个时刻都可得到分析光中全部波长的信息。由计算机采集此干涉图，样本干涉图函数经傅里叶变换后与空白时光源的强度按频率分布的比值即可得到样本的近红外光谱图。

由于计算机只能对数字化的干涉图进行傅里叶变换，因此需要对其进行等间隔离散取点采样。目前，傅里叶型近红外光谱仪大都依靠激光协助完成，通常使用波长为632.8nm的He-Ne激光器。当激光通过干涉仪时，被调制成一个余弦曲线状态的干涉图，由光敏二极管进行检测。测样时，用该余弦干涉图监测测量的全过程，每当余弦波过零点时，即可触发对样本进行采样，从而获得数字化样本干涉图。此外，激光干涉图还用来监控移动反射镜的移动速度和决定移动反射镜的移动距离。以上可见，传统迈克耳逊干涉仪对光的调制是靠镜面的机械扫描运动来实现的，这决定了仪器的扫描速度不能很快。傅里叶型近红外光谱仪如要达到比较高的光谱分辨率，则要求加大动镜移动距离，这样会使系统比较庞大。同时它对机械扫描系统的加工、装配等精度提出更高要求。

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图2-6 迈克尔逊干涉仪分光系统示意图

为了提高干涉仪系统的稳定性、可靠性，降低加工和装配精度以及缩小系统体积，国际各大知名仪器制造商对经典的迈克耳孙干涉仪进行了各种改进。一方面是针对系统的抗振性能，提岀了用60°或90°角镜、猫眼反射器来代替平面反射镜、固定反射镜动态调整技术；或者在机械扫描运动系统中，釆用气浮导轨、磁浮轴承、面弹簧支撑等，以减小摩擦。另一方面，由于移动反射镜机械扫描的本质是为了改变两条光路之间的光程差，因此，也相应地提出了许多改变光程差的方案，如扫描分光镜结构、钟摆结构、旋转角镜或平板介质结构、插入光楔结构、转动平面镜组结构等。例如布鲁克开发了三维立体平面角镜干涉仪，采用两个三维立体平面角镜作为动镜，通过安装在一个双摆动装置质量中心处的无摩擦轴承，将两个立体平面角镜连接。三维立体平面角镜干涉仪的实质是用立体平面角镜代替了传统干涉仪两干臂上的平面反光镜。由立体角镜的光学原理可知，当其反射面之间有微小的垂直度误差及立体角镜沿轴方向发生较小的摆动时，反射光的方向不会发生改变，仍能够严格地按与入射光线平行的方向射出。由此可以看出，采用三维立体角镜后，可以有效地消除动镜在运动过程中因摆动、外部振动或倾斜等因素引起的附加光程差，从而提高了仪器的抗振能力和重复性。

法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer，FPI)：是利用多光束干涉原理产生十分细锐条纹的仪器。由上下两个镜片夹一个介质层(谐振腔)构成，如图2-7所示。不同的介质层厚度(即不同腔长)对不同波长的光具有选择透过性，这相当于一个滤光片，使得入射的多色光被分成几个更窄的波长带。一般由两块相互平行的平面玻璃或石英板P1和P2组成，两板的内表面镀一层高反膜。为了获得细锐的条纹，两反射面的平面度达1/20~1/100波长。两表面还应保持平行，以构成产生多光束干涉的平行板。干涉仪的两块玻璃板通常做成有一个楔角（1’~10’），以避免未涂层表面反射光的干扰。如果P1、P2之间的光程d可以调节，则是通常所谈到的法布里—珀罗干涉仪，如果P1、P2间放一个空心圆柱形的间隔器，则二者之间的距离固定不变，这样的装置称为法布里—珀罗标准具。在光谱学中法布里-珀罗干涉仪常用作光谱线的超精细结构研究。傅里叶型近红外光谱仪器的特点是光谱扫描范围宽、波长精度髙、分辨率可调、信噪比高。这类仪器的弱点是干涉仪中有可移动部件，对仪器的使用环境有一定要求，且价格较高，目前国内市场上主要是以进口的傅里叶近红外光谱分析仪见多。虽然各单位提供的傅里叶近红外分析仪干涉仪型式不同，但其仪器基本性相差不多。