近红外傅里叶变换与偏振干涉仪原理.pdf

近红外傅里叶变换与偏振干涉仪原理 邓德文 (瑞士步琪(Buchi)实验室仪器公司中国市场部，上海200030) 摘要本文简要阐述了近红外傅里叶变换的原理、传统迈克尔逊干涉仪的优势、缺点和 人们对迈克尔逊干涉仪的改进、偏振干涉仪的原理、优点及其启示。 关键词偏振干涉仪I傅里叶变换；迈克尔逊干涉仪；近红外 随着科技的发展．近红外光谱仪已逐渐成为一种常规的实验室检测仪器，其便捷、快 速、无污染和多功能的特点，使它成为常规分析测试的宠儿。傅里叶变换光谱仪由于其快 速、可靠、方法不受仪器约束的特点已成为近红外光谱仪的主流。在这种背景下，本文讲述 了傅里叶变换的简单原理、专家们对传统迈克尔逊干涉仪的改进以及近红外傅里叶变换干涉 仪的必威体育精装版发展，以期增加人们对近红外光谱仪的了解。 1傅里叶变换原理 近红外光谱是由一系列近红外波长(或频率)与其对应光信号强度(吸光度、透过率、反 射率等)值构成的点所组成的曲线。每一波长的光的信号强度都可对应一个可逆的傅里叶变 换的正弦或余弦曲线。如图1所示。 、 ．．．．．J1．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一一i—厂一芒坠— J—-言I o’1．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．L 盏 频率 —旦玉 m 光程差 图1傅里叶变换原理示意图 把所有波长的正弦曲线叠加起来，就得到一个干涉图。干涉图经过傅里叶逆变换，还可 以返回得到光谱图。简单地说，能得到近红外的干涉图，就能得到相应的近红外谱图。傅里 叶变换是利用于涉仪调制光源出来的连续光，得到叠加的干涉谱图，经过傅里叶逆变换得到 作者简介：邓德文．男，200t年上海水产大学食品工学须士毕业。现工作于瑞士步琪(B·|dIi)实验室仪器公司中国市 场部，从事近红外产品的应用支持工作。E—mnil：d舶g d@buchi．㈣o 漱 M F D 图2迈克儿逊干涉仪原理示意图 近红外谱图。下面是传统迈克尔逊干涉仪的简要工作原 理(圈2)。 从近红外光源S和激光L发出的光经分束器B／S 后，一半的光透过到达定镜F，在定镜处反射回分束器， 四分之一的光透过分束器回光源．四分之一的光经分束 反射后向检测器方向传播；另一半的光被分束器反射至 动镜M，在动镜处再次反射回分束器，四分之一的光被 分束器反射回光源，四分之一的光透过分束器向检测器 方向传播。两束向检测器方向传播的光会合后因光程不 同而存在相位差，产生干涉，检测器D和D’(激光检测 器)检测到的都是干涉信号。 以激光(波长为A)为例：当动镜与定镜到分束器的距离(x2，xI)相等时。即噩一Xl_ 0，光程差也为0，两束光的信号相增叠加，榆测器信号最大；当它们的距离差等于1／4波长 A时，光程差为2／2，两束光的信号相消叠加，检测器信号最小。当距离差为任意值时，我 们可以用公式(1)来表示检测器检测到信号，(，o为人射光强度)的变化规率：，=鲁【·?掣】 (1) 这样，检测器D’检测到的就是一条余弦曲线。对于检测器D而言，它检测到的则是无 数条类似的余弦曲线叠加后的干涉信号。经过傅里叶逆变换，就得到一张完整的近红外谱 图。其中。激光主要有以下几点作用：(1)触发检测器信号采集；(2)波长内参比；(3)部分 厂家作干涉仪的准直用。 显然，傅里叶变换近红外有以下优点：(1)连续光谱；(2)快速，它把分光过程交给电脑 去运算；(3)高光通量，不用减少狭缝降低能量去获得分辨率，从而导致噪声增大；(4)内置 激光。波长始终可靠；(5)检测器的随机误差被分摊到所有波长上，而不是每个波长一个随 机误差。 然而，传统迈克逊干涉仪用于近红外也存在以下缺点：迈克逊干涉仪如果用于粗犷的工 业环境中，非常容易受到外界的干扰，因为只有检测器的两束光始终重叠，才能确保检测到 的是干涉信号而不是外界因素的干扰信号。对于定镜而言，相对容易，只要出厂时把信号调 至最大；对于动镜则不同，它需要做来回运动，要保证动镜运动过程中始终与光线垂直。对 于机械加工而言是非常困难的，运动中产生一定角度8的倾斜几乎是不可避免的(图2所 示)，因此，它需要定期准直。另外，外界的震动电容易导致动镜运动的加快或延迟，这种 运动改变因近红外波长非常短而对其的影响十分明显。因此迈克尔逊干涉仪用于近红外产生 了许多改进型“J。 2迈克尔逊干涉仪的改进 2．1采用立体角反射器 立体角反射器是用半个立方体的立体角作镜面，代替平面镜。平面镜如果产生倾斜d 角度。反射回来的光倾角便是2d，误差被放大了。立体角反射器的优点在于，光线能以同 样的角度反射回去，不会被放大，图3示意T---维平面内的效果。立体角反射器的应用，理 论上。可以减少约一半的误差。 228 2．2动态准直 动态准直[2]的原理是在检测器D7的位置，同一平面上装三个检测