傅立叶变换外光谱仪.doc

一、基本原理 　　傅立叶变换红外光谱仪被称为第三代红外光谱仪，利用麦克尔逊干涉仪将两束光程差按一定速度变化的复色红外光相互干涉，形成干涉光，再与样品作用。探测器将得到的干涉信号送入到计算机进行傅立叶变化的数学处理，把干涉图还原成光谱图。 二.使用方法 目前比较精确且能方便实现的等光程差点的选取方法是激光计量光程差法,利用动镜移动使计量激光光束产生干涉,固定的干涉点就是等光程差点。该方法选取等光程差对利用机械控制动镜做匀速运动要求不高,其精度只与激光本身的单色性有关。Chateauneuf Francois等人对红外光谱仪测量误差进行过分析[4],提出的计量激光单色性是其中的因素之一。但对由激光单色性造成的具体光谱测量误差进行定量分析目前尚无研究报道。影响激光单色波长的两个重要指标是单频指标和稳频指标。单频性能表征激光器输出线宽的大小,稳频性能表征激光器输出所发生的频率漂移。激光输出的线宽和频率的漂移都会引起激光波长的漂移,造成光程差误差和光谱测量误差。所以光谱仪的光谱测量误差与计量激光器的单稳频指标特性密切相关。本文详细讨论了激光单稳频指标对光谱仪光谱测量误差的影响,通过理论分析建立了激光器单稳频指标与光谱仪光谱测量误差之间的关系,并进行了仿真计算和结果分析。 1.激光器计量原理 在傅里叶变换红外光谱仪中,迈克尔逊干涉仪示意图如图1所示。 干涉仪主要由动镜M1、定镜M2和与动定镜成45°的分束器G组成。计量激光和被测光源的光在迈克尔逊干涉仪中运行同样的光程。图中实线表示被测光源光路,虚线表示计量激光光路。等分分束器G将计量激光分成能量相等的两部分,即光束3和光束4。光束3通过动镜M1反射,分束器G透射后到达探测器点E;光束4通过定镜M2反射和分束器G反射后到达探测器点E。开始时动镜M1不动,定镜M2和动镜M1与分束器G的距离相等,即光束3和光束4的光程差为0,即零光程差点(ZPD点)。此时光束3和光束4到达探测器时相位相同,发生相长干涉,亮度最大。当动镜移动距离为激光波长的1/4即λ/4时,光束3的光程变化为λ/2,光束3和光束4的光程差为λ/2,在探测器上两束光的相位相差λ/2,则发生相消干涉,亮度最小。当两光束的光程差为半波长λ/2的偶数倍时都会发生相长干涉;当两束光的光程差为半波长λ/2的奇数倍时都会产生相消干涉;当动镜M1连续移动时,在探测器E上将得到一个强度为余弦变化的信号,如图2所示的激光干涉图。 三、仪器特点 　　1、 只需三个分束器即可覆盖从紫外到远红外的区段； 　　2、 专利干涉仪，连续动态调整，稳定性极高； 　　3、 可实现LC/FTIR、TGA/FTIR、GC/FTIR等技术联用； 　　4、 智能附件即插即用，自动识别，仪器参数自动调整； 5、 光学台一体化设计，主部件对针定位，无需调整。 四.应用 根据红外光谱仪的实际测量波长范围(一般在2~14μm之内)[5],取探测波长为2·27~13·3μm,对应的红外波数为750~4400cm-1,仿真时取近、中、远红外5个不同的波数4400cm-1,3000 cm-1,1750 cm-1,1000 cm-1和750 cm-1。实际测量过程中,由于红外探测器响应频谱范围的限制,对红外信号分两段进行测量,远红外区为750~1750 cm-1、近中红外区为1750~4400 cm-1。计量激光波长的选择是根据目前激光器的制造工艺水平和对采样间隔[5]的要求进行的,选用波长为1552nm的激光对远红外区进行计量,用由倍频产生的776nm的激光对近中红外进行计量,分别讨论该激光器的单稳频特性对光谱仪误差的影响。 1.单频指标仿真 目前半导体激光器的线宽一般在10MHz数量级[7],仿真单频线宽取0~100MHz,根据已确定的波数和激光波长,代入式(18)进行仿真,如图3所示。从图中可以看出,光谱测量的相对误差随着激光单频线宽的增大而增大,近似成线性关系,激光器的单频线宽增大,引起激光波长漂移增大,干涉采样点偏差增大,造成光谱测量误差增大。当激光器的单频指标在10MHz范围内时,造成光谱测量最大相对误差小于0·5×10-6,最大相对误差出现在被测光波数3000cm-1处;当激光器的单频指标在100MHz范围内时,在红外各个波段造成光谱测量的最大相对误差小于4×10-6,最大相对误差出现在被测光波数3000cm-1处。式(18)中相对误差是被测光波数的余弦量的函数,不是单调函数,相对误差的极大值出现在被测光波数中间。图形重心坐标,通过计算得到整个光斑瞄准偏差。 2.稳频指标仿真 目前,半导体激光器的稳频特性一般优于10-6[8],仿真稳频指标取10-8~10-6。根据已确定的波数和激光波长,代入式(19)进行仿真,如图4所示。