傅立叶光谱仪讲.ppt

高通量优势 法国物理学家杰基诺特首先认识到，若保持相同的分辨率，干涉仪与色散型分光计相比，具有辐射通量大的优点，后来就称为杰基诺特优点。 常规的分光计由于受到狭缝的限制，因此接收器所接受的辐射能量是非常有限的。例如在4000-400范围内，当分辨率为8时，任一时刻达到接收器上的能量仅为0.2%，若分辨率提高到1时，达到接收器上的能量仅有0.03%左右了。因此，常规分光计测定光谱时，光能的利用率是极低的。 傅里叶变换光谱仪没有狭缝的限制，辐射通量只与干涉仪平面镜大小有关，因此在同样分辨率的情况下，其辐射通量比色散型仪器大得多，从而使接收器收到的信号也信噪比增大，因此有很高的灵敏度，有利于弱光谱的测量工作。有的仪器可分析克数量级的微量样品，比一般分光计提高100-1000倍。 多通道优势 英国天文物理学家费尔杰特首先认识到，在取得光谱信息上干涉仪与扫描单色仪相比，具有多路优点。 采用传统狭缝——色散型光谱仪器时，只能让光谱元一个接一个地依次通过狭缝逐次予以测定。在任何一个瞬间只能测定一个光谱元，来自光源的其它光谱元的能量全被阻截在狭缝之外。 相反，在傅立叶变换光谱仪中，所有光谱元的能量是同时通过仪器的，同时被接收而形成干涉图的。每一个光谱元都受到全部时间的测定，比传统的狭缝色散仪器长N倍。这是形成傅立叶变换光谱仪的多路优点的物理机理。 动镜的移动距离越大，即分辨率越高 但是由于实际仪器中的光源总有一定的尺寸，即不是点光源而是扩展光源，因此，在实际仪器中，不可能无限增加最大光程差而达到任意高的分辨率。 现在的傅立叶变换光谱仪已经达到0.1-0.005的分辨率水平。 宽光谱范围优势 一台傅立叶变换红外仪只要用计算机实现测量仪器的元器件(不同约分束器和光源等)的自动转换，就可以研究整个近红外、中红外和远红外区10000的光谱。这对测定无机化合物和金属有机化合物是十分有利的。 * 红外辐射测量仪器 ——傅立叶变换光谱技术 及其应用 物理111 辛自强 201101196 1、傅立叶变换光谱技术原理简介 1880年，Michelson发明了以自己名字命名的干涉仪。可以精确控制两相干光束间的光程差。 1887年，著名的Michelson–Morley 实验，否认了真空中以太的存在。 1950年代以来，傅里叶光谱学开始真正突破 1949年，Fellgett首次真正从干涉图进行傅里叶积分变换数值计算获得光谱图。多频道优点 Jacquinot，高通量优点 1960年代初，J.Connes总结和阐述了傅里叶光谱方法的主要理论问题 1960年代中期，Cooley-Tukey的FFT算法 傅里叶光谱仪的应用范围 化学医药：复杂试样的微量或痕量组分的分离分析 纺织工业：织物表面涂层分析、高分子材料大分子链测定 环境保护：工业排放气体监测、燃油发动机尾气分析 气象：温湿度等气象参数反演，全球气象观测 军事侦察：侦毒，伪装识别 迈克尔逊干涉仪原理示意图 L 动镜 收集镜 物体 探测器 分束器BS 傅立叶变换光谱原理 按照双光束干涉原理，同频率、同振动方向且振幅相同的两单色光在空间某点发生干涉时，干涉光强为： 波数： 单位： 1/cm 傅立叶变换光谱原理 考虑光谱（强度）分布为B(ν)的复色光，干涉光强分布为： 其中的交流成分为： 于是有： 可以看到干涉光强分布与光谱分布互为余弦变换。 l：光程差，v：波数 傅立叶变换光谱原理 令B(ν)= B(-ν)，扩展得到光谱和干涉光强互为傅立叶变换。 因此，只需对干涉图强度进行一维傅立叶变换就可以得到光谱的光谱分布。称基于以上原理的光谱技术为傅立叶变换光谱技术。 实际中干涉强度数据点是离散的，因此需要用到离散傅立叶变换（DFT），为了减少运算量，一般使用快速傅立叶变换（FFT）。 仪器谱线函数和变迹 仪器谱线函数 (Instrumental Line Shape,ILS) 光谱仪器对无限窄的单色谱线的响应。 理想系统：光程差无限， 理想的输出仪器谱线： 实际光谱仪：可测干涉光程差有限，矩形窗口函数(截断) 实际系统的仪器谱线函数： 矩形窗仪器函数谱线 该谱线函数的特点： ①半高宽约1.2/L（谱线展宽），即与最大光程差成反比； ②主峰两侧有多级旁瓣 谱线展宽则光谱分辨率降低，出现旁瓣则将导致重建光谱的噪声增加。 变迹的讨论 变迹的必要性 理想干涉图在最大光程差处的强制截断，会使反演光谱出现“旁瓣”而失真。其实质是原始干涉图与一矩形窗权函数相乘，表现在光谱域则是真实光谱谱线函数与矩形窗函数的傅里叶变换（即仪器谱线函数ILS）进行了卷积。 考察矩形窗的ILS为sinc函数，其特征为