傅里叶光谱仪.ppt

傅里叶光谱仪主讲人 吴琦.主要内容傅里叶光谱仪简介傅里叶光谱仪的原理傅里叶光谱仪的特点傅里叶光谱仪的应用傅里叶光谱仪的未来展望.一 傅里叶光谱仪介绍光谱仪 利用色散元件和光学系统将光源发射的复合光按利用色散元件和光学系统将光源发射的复合光按波长排列，并用适当的接收器接收不同波长的光辐射波长排列，并用适当的接收器接收不同波长的光辐射的仪器的仪器。按分光原理，可分为两大类：按分光原理，可分为两大类：色散型色散型和和干涉型干涉型。色散型仪器，按分光元件不同，又分为色散型仪器，按分光元件不同，又分为棱镜式棱镜式和和光栅光栅式红外分光光度计式红外分光光度计；干涉型红外光谱仪又称为干涉型红外光谱仪又称为傅里叶变换红外光谱仪傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）。）。.棱镜式色散型光谱仪棱镜式色散型光谱仪第一代是最早使用的棱镜式色散型光谱仪棱镜式色散型光谱仪，分辨率低，对温度、湿度敏感，对环境要求苛刻。.光栅型色散式光谱仪光栅型色散式光谱仪第二代光栅型色散式光谱仪光栅型色散式光谱仪，由于采用先进的光栅刻制和复制技术，提高了仪器的分辨率，拓宽了测量波段，降低了环境要求。.傅立叶变换红外光谱仪傅立叶变换红外光谱仪现在常用的傅立叶变换红外光谱仪（现在常用的傅立叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spetrophotometer，简称，简称FTIR），具有宽的测量范围、高测量精度、高分辨率以及快的测量速度。.FTIR光谱仪由光学系统，电子电路，计算机数据处理、接口和显示系统等部分组成。光学系统包括：主干涉仪和激光干涉仪、白光干涉仪、光源、检测器以及各村红外反射镜组成.二 傅里叶光谱仪原理傅里叶光谱仪主要由光学测量部分和计算部分组成。如图所示.光学测量部分光谱仪的光学测量部分大多为迈克尔逊干涉仪，如图它由互成直角的两块平面反射M1、M2以及与M1、M2分别成45度角的分光器B和补偿器C所构成.光学测量过程 光源S发射的光由分光器分为相等两部分：光束1和光束2.光束1反射可移动反射镜M1，经过分光器和补偿器到探测器D。另一束光由固定反射镜M2反射回来，最后在D处与光束1会合。当两束光达到D时，其光程差将随可移动反射镜M1运动而周期变化.基于光的相干原理，在探测器D处得到的是一个强度变化为余弦形式的信号。在连续改变光程的同时，记录下中央干涉条纹的光强变化，就得到干涉图。.计算部分对于双光束干涉仪，设入射的单色光，波数为0 ，光强为S(0)，则在干涉图的某一点的光强为：其中x为两相干光束的光程差。如果入射为多色光，并且在光谱间隔（,+d）内的光强为S()d，则在干涉图某点处（,+d）间隔内的光强为：（1）.在干涉图某点的总光强为：当光程差x=0时，总光强为：所以（2）式可以写出：即干涉图函数f(x)是光源光谱分布函数S()的傅里叶余弦变换。（2）（3）（4）.如果在整个频率范围内f(x)为偶函数，则可写出如下傅里叶变换对：（6）（5）.由上式可知，记录下干涉图并作傅里叶余弦变换，就可得到任何波数处的光强S()。（7）.傅里叶光谱仪工作原理图.由迈克尔逊干涉仪出来的干涉出来的干涉信号为实数偶函数，利用傅里叶变换的对称性可得谱函数。其运算通过电子计算机完成，它由模数转换器（A/D），傅里叶余弦变换运算器，数字模拟转换器（D/A）组成，最后直接显示出光谱图。.三 傅里叶光谱仪的优点（1）很高的分辨能力（2）信噪比高（3）极快的扫描速度（4）高通量（5）极高的波数精度（6）宽的光谱范围（7）适于微少试样的研究.高分辨率高分辨率 傅里叶变换光谱仪的分辨率最小刚可被分辨的两谱线的波数差为上式表明：傅里叶变换光谱仪的分辨率与两干涉光束间的最大光程差成反比，因此动镜移动距离越大，分辨率越高。.高的信噪比高的信噪比在传统光谱仪器中，信噪比正比于在傅里叶变换光谱仪中，信噪比正比于 -T为探测时间；N为光谱元数傅里叶光谱仪比其他光谱仪信噪比提高了N倍.极快的扫描速度傅里叶光谱仪能在不到1s的时间内扫描一张质量很好的红外谱图，而且进行多次快速扫描，光谱重复性好。这主要是由于干涉仪有多路优点。.高通量高通量 物理原因：傅里叶变换光谱仪抛掉了严重限制有效光束立体角的极狭窄的狭缝，整个入射光束只受干涉仪圆形镜面孔径的限制，可以得到相当大的输出能量，所以适合于测量微弱信号光谱。.极高的波数精度傅里叶光谱仪的可动镜的位置是用氦氖激光器准确测定的，所以光程差可以测得非常精确，从而使计算的光波谱数精度很高。.宽的光谱范围傅里叶光谱仪只要改变分束器和光源，就可以研究整个红外区1000cm至10cm的光谱。.适于微少试样的研究傅里叶光谱仪光束截面小，可用于研究单晶、单纤维这类物质，对于微量及痕量分析特别重要，通过红外显微技术，仅需少量样品，即可测出物质的红外吸收。.四 傅里叶光谱仪的应用 傅里叶光谱仪除了一般性的光谱测量外，还具有下列特殊应用：（1）测量瞬间光谱变化 由于傅里叶光谱仪有极快的扫描速度，这种特性可以测量瞬间的光谱变化，研究快速的化学反应，并可以和其他分析仪器连用。.（2）差示光谱技术 傅里叶光谱仪可以把被测样品和参考样品的红外谱图经AD转换存到计算机里，按特定比例进行处理，从而不经物理分离而直接鉴定混合物组分甚至是微量的组分。.（3）低能光谱的测量 由于傅里叶光谱仪的输出能量大，同时还可以对样品吉尼系那个多次扫描并累加，从而可以测量许多透射比极低的样品。.五 傅里叶光谱仪的未来展望傅里叶光谱仪也有它的不足，由于使用高精度的扫描镜机构，使得仪器成本和体积都大大增加，因此，大多高精度傅里叶光谱仪仅仅局限于实验室当中的应用。为了克服傅里叶光谱仪体积大成本高的缺陷，很多人都致力于傅里叶光谱仪微小型化的研究。.微小型光谱仪的出现使光谱仪近10年才开始摆脱实验室的局限。光纤的大批量生产，高效低廉的光学元件及线性阵列检测器件的出现，个人计算机的发展，MEMS及其他微制造技术的发展，推进了微小型傅里叶光谱仪研究进展.。.微型光谱仪具有微小型、低成本、易于实现模块化等优点，而且耐用、紧凑、易于校准、抗震动、抗环境温度压力变化影响等。目前我国技术尚不成熟，许多研究工作要继续进行下去。.谢 谢.感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！