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2023-11-18
干涉型光谱仪的原理与应用
【摘要】：干涉型光谱仪是利用光的干涉原理进行工作的，干涉仪主要有迈克耳逊干涉仪和法布里—珀罗干涉仪。由于常用的干涉型光谱仪为傅立叶变换拉曼光谱仪。迈克耳逊干涉仪是傅立叶变换光谱仪的核心部件，它的结构如图5-7所示。探测到的干涉光信号经放大后在数据处理系统进行傅立叶变换，即获得光源的光谱图。
干涉型光谱仪是利用光的干涉原理进行工作的，干涉仪主要有迈克耳逊干涉仪和法布里—珀罗干涉仪。由于常用的干涉型光谱仪为傅立叶变换拉曼光谱仪。故本章只介绍傅立叶变换拉曼光谱仪的结构。
傅立叶变换（FT）光谱仪的结构如图5-6所示。主要包括光源、干涉仪、光探测器、放大和数据处理系统。
图5-6 傅立叶变换光谱仪的结构示意图
（1）迈克耳逊干涉仪。迈克耳逊干涉仪是傅立叶变换光谱仪的核心部件，它的结构如图5-7所示。当一束光强为I0，波长为λ（对应频率为ν）的入射光通过分束板G1分为强度相等的两束光，分别经过移动（M1）和固定反射镜（M2）后，两束光出现光程差Δ=2d，相应出现相位差
图5-7 迈克耳逊干涉仪的结构示意图
G1：分束板；G2：补偿板；M1：移动反射镜；M2：固定反射镜；D：光探测器
两束光发生干涉，光探测器D接收到的干涉光强为
式中，第一项为常数，在接收器上显示为一个背景光，故在讨论中略去，于是
显然，光强I随相位差δ规律性变化。对于多色光，在反射镜M1不移动因而光程差Δ固定时，相位差δ会因入射光的频率ν的不同而不同。也就是说，不同频率的光通过迈克尔逊干涉仪后，将按式5-4各自发生干涉。若光源是ν=0～∞亮度分布为B（ν）的连续光，则对应于在ν附近间隔dν内迈克尔逊干涉仪光探测器D接收到的干涉光强为
那么，探测器D接收到的总干涉光强可以写为
从数学上看，式5-6恰好是光源亮度谱B（v）的傅立叶积分。那么，就可以通过对式5-6进行逆傅立叶积分，从干涉光强得到入射光亮度的谱，也就是入射光源的光谱
因此，利用迈克耳逊干涉仪和傅立叶变换技术可以构成新型的不用光栅分光的光谱仪。
在图5-6中，M1和M2分别是固定镜和动镜。动镜与马达相连，通过马达带动使它在水平方向沿M′1移动，移动距离在图中以t表示。分束器B是镀有介质膜的半反半透镜片，它能使大约一半的光束透过至动镜M2，而将另一半光束以45°角反射至固定镜M1。C是补偿板，对于多色光入射是必需的。L1和L2是透镜，分别用于提供光束的准直和聚焦。
（2）光源。图5-6中的S代表光源。傅立叶变换光谱仪的光源激发波长为1 064 nm的Nd：YAG近红外激光器和激发波长为1 300 nm的二极管泵浦固体Nd：YAG激光器。
（3）光探测器、放大和数据处理系统。光探测器D一般为液氮冷却的在近红外波段响应较好的锗二极管或铟镓砷探测器。探测到的干涉光信号经放大后在数据处理系统进行傅立叶变换，即获得光源的光谱图。
由于在傅立叶变换光谱仪中马达驱动使动镜以速度v移动，于是光程差Δ是时间t的函数，可以写为
所以I（Δ）就转变为时间的函数I（t）；也就是说，迈克耳逊干涉仪的功能是将光源亮度谱B（ν）在时间域作展开，而傅立叶变换的作用是将时间谱再变为在空间域色散的谱，即常说的光谱。
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