分子光谱5-傅里叶变换红外光谱原理.ppt

* 傅里叶变换红外光谱原理 光谱仪发展简史 1 1936年第一台实验室型红外光谱仪 用于石油，橡胶分析 2 二十世纪四十年代至五十年代末， 第一代光谱仪 棱镜光谱仪 利用不同波长光的折射率不同进行 分光 分辨率低，仪器对环境敏感 第二代光谱仪 光栅光谱仪，分辨率较高， 性能较稳定 第三代光谱仪 七十年代中期， 傅里叶变换红外光谱仪 傅里叶变换红外光谱技术的发展 1 光的干涉现象 2 迈克尔逊干涉仪 3 瑞利 干涉图与光谱之间的关系(1902) 4 Cooly Tukey的快速傅里叶变换算法 5 现代计算机技术 干涉图 在迈克尔逊干涉仪中，检测器D所检测到的光的强度(I)随动镜的位置(x)的变化而变化，从物理本质上讲，I随x的变化可归因于通过定镜反射和通过动镜反射的两束光之间的光程差所引起的，定义?=2(OM-OF), I(?)被称为干涉图 对于单色光 A(t,x)=A0exp[j(?0t-2??x-?)] 当光照射在分束器上，反射率为r，透过率为?，j=(-1)1/2, ?0 为角频率，?是波长的倒数，这里波长以 cm-1表示。 为了方便 推导，?定为0 分别经过迈克尔逊干涉仪的动镜和定镜反射回到检测器上的光为 A?= A0r? exp[j(?0t-2??x? )] Ar=A0r? exp[j(?0t-2??xr)] 二者相加, 合成振幅为 A =A0r? {exp[j(?0t-2??x?)]+exp[j(?0t-2??xr)]} 所得到的光的强度为 所得到的光的强度为 I=AA* =|A0r? |2{exp[j(?0t-2??x?)]+ exp[j(?0t-2??xr)]} {exp[-j(?0t-2??x?)]+ exp[-j(?0t-2?xr)]} =2|A0r? |2[1+cos2??(xr-x?)] 记 ?=xr-x? r= ? = 2-1/2 A02=I0 则 I(?)=I0(1+cos2???) 当固定镜和动镜到分束器的距离相等时，我们称此时的光程差为零光程差（δ＝0）。在零光程差时，从固定镜和动镜反射回到分束器上的两束光，它们的相位完全相同，这两束光相加后并没有发生干涉，相加后光的强度等于这两束光的强度之和。 当动镜移动1/4波长时，此时的光程差δ＝λ/2，从固定镜和动镜反射回到分束器上的两束光，它们的相位相差正好等于半波长，也就是说，它们的相位相差180°，此时我们说这两束光的相位正好相反。这两束光发生干涉，两束光相加后相互抵消，光强正好等于零。 对于多色光 ??[?1,?2], 可将各单色光辐射强度B(?)d?相加，得 I(?)=1/2?B(?)(1+cos2???)d? 其中 调制部分的干涉图是 I(?)=1/2?B(?)cos2???d? 因此，通过迈克逊干涉仪所得到的干涉图是光源功率谱之间通过傅里叶余弦变换相联系 多色光干涉图的性质 1 如果动镜，定镜两臂的物量性质相同时，干涉图关于?=0对称。 2 ?=0处，所有波长的光都发生同相位干涉，I(0) 得到增强因而达到最大值。 3 当???时，余弦振荡项趋于0 傅里叶变换红外光谱仪的主要优点： ① Fellgett优点，多道优点 与扫描单色仪相比，傅里叶变换红外光谱仪可以同时测量所有光谱元信号，测量速度快，对于热电型检测器，输入光信号增加N倍，输出信号增加N倍，噪声仅增大N1/2倍，因而信噪比增大N1/2倍。适于红外光谱测量。 ② Jacquinot优点，高通量优点 色散光谱仪性能受入射和出射狭缝限制，例如，由于狭缝限制，在4000-400cm-1范围内，分辨率为8cm-1时，能量利用率为0.2％，分辨率为1cm-1时，到达检器的光在任一波长下仅为0.03%. 傅里叶变换光谱仪没有入射和出射狭缝限制，因而光通量高，提高了仪器的灵敏度；有利于弱信号的检测。 ③ Connes优点，高精度优点 将激光引入迈克尔逊干涉仪。用干涉条纹精确测定光程差，波数值的精确度可达0.01厘米-1 *