傅里葉變換光譜儀,它利用干涉圖與光譜圖之間的對應(yīng)關(guān)系,通過測量干涉圖并對干涉圖進(jìn)行傅里葉積分變換的方法來測定和研究紅外光譜。其基本組成包括五部分:①分析光發(fā)生系統(tǒng),由光源、分束器、樣品等組成,用以產(chǎn)生負(fù)載了樣品信息的分析光;②以傳統(tǒng)的麥克爾遜干涉儀為代表的干涉儀,以及以后的各類改進(jìn)型干涉儀,其作用是使光源發(fā)出的光分為兩束后,造成一定的光程差,用以產(chǎn)生空間(時間)域中表達(dá)的分析光,即干涉光;③檢測器,用以檢測干涉光;④采樣系統(tǒng),通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器把檢測器檢測到的干涉光數(shù)字化,并導(dǎo)入計算機系統(tǒng);⑤計算機系統(tǒng)和顯示器,將樣品干涉光函數(shù)和光源干涉光函數(shù)分別經(jīng)傅里葉變換為強度俺頻率分布圖,二者的比值即樣品的近紅外圖譜,并在顯示器中顯示。
在傅里葉變換紅外光譜儀器中,干涉儀是儀器的心臟,它的好壞直接影響到儀器的心梗,因此有必要了解傳統(tǒng)的麥克爾遜干涉儀以及改進(jìn)后的干涉儀的工作原理。
⑴傳統(tǒng)的麥克爾遜(Michelson)干涉儀:傳統(tǒng)的麥克爾遜干涉儀系統(tǒng)包括兩個互成90度角的平面鏡、光學(xué)分束器、光源和檢測器。平面鏡中一個固定不動的為定鏡,一個沿圖示方向平行移動的為動鏡。動鏡在運動過程中應(yīng)時刻與定鏡保持90度角。為了減小摩擦,防止振動,通常把動鏡固定在空氣軸承上移動。光學(xué)分束器具有半透明性質(zhì),放于動鏡和定鏡之間并和它們成45度角,使入射的單色光50%透過,50%反射,使得從光源射出的一束光在分束器被分成兩束:反射光A和透射光B。A光束垂直射到定鏡上;在那兒被反射,沿原光路返回分束器;其中一半透過分束器射向檢測器,而另一半則被反射回光源。B光束以相同的方式穿過分束器射到動鏡上;在那兒同樣被反射,沿原光路返回分束器;再被分束器反射,與A光束一樣射向檢測器,而以另一半則透過分束器返回原光路。A、B兩束光在此會合,形成為具有干涉光特性的相干光;當(dāng)動鏡移動到不同位置時,即能得到不同光程差的干涉光強。
⑵改進(jìn)的干涉儀:干涉儀是傅里葉光譜儀最重要的部件,它的性能好壞決定了傅里葉光譜儀的質(zhì)量,在經(jīng)典的麥克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)上,近年來在提高光通量、增加穩(wěn)定性和抗震性、簡化儀器結(jié)構(gòu)等方面有不少改進(jìn)。
傳統(tǒng)的麥克爾遜干涉儀工作過程中,當(dāng)動鏡移動時,難免會存在一定程度上的擺動,使得兩個平面鏡互不垂直,導(dǎo)致入射光不能直射入動鏡或反射光線偏離原入射光的方向,從而得不到與入射光平行的反射光,影響干涉光的質(zhì)量。外界的振動也會產(chǎn)生相同的影響。因此經(jīng)典的干涉儀除需經(jīng)十分精確的調(diào)整外,還要在使用過程中避免振動,以保持動鏡精確的垂直定鏡,獲得良好的光譜圖。為提高儀器的抗振能力,Bruker公司開發(fā)出三維立體平面角鏡干涉儀,采用兩個三維立體平面角鏡作為動鏡,通過安裝在一個雙擺動裝置質(zhì)量中心處的無摩擦軸承,將兩個立體平面角鏡連接。
三維立體平面角鏡干涉儀的實質(zhì)是用立體平面角鏡代替了傳統(tǒng)干涉儀兩干臂上的平面反光鏡。由立體角鏡的光學(xué)原理可知,當(dāng)其反射面之間有微小的垂直度誤差及立體角鏡沿軸方向發(fā)生較小的擺動時,反射光的方向不會發(fā)生改變,仍能夠嚴(yán)格地按與入射光線平行的方向射出。由此可以看出,采用三維立體角鏡后,可以有效地消除動鏡在運動過程中因擺動、外部振動或傾斜等因素引起的附加光程差,從而提高了一起的抗振能力和重復(fù)性。
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