傅里叶光谱仪ppt课件

1、傅里叶光谱仪,主讲人 吴琦,1,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,2,一 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。按分光原理，可分为两大类：色散型和干涉型。 色散型仪器，按分光元件不同，又分为棱镜式和光栅式红外分光光度计； 干涉型红外光谱仪又称为傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）。,3,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，分辨率低，对温度、湿度敏感，对环境要求苛刻。,4,光栅型色散式光谱仪,第二代光栅型色散式光谱仪，

2、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。,5,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。,6,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,7,二 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,8,光学测量部分 光谱仪的光学测量部分大多

3、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,9,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,10,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。,11,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

4、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）,12,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）,13,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）,14,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）,15,傅里叶光谱仪工作原理图,16,由迈克尔逊干涉仪出来的干涉出来的干涉信号为实

5、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。,17,三 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,18,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。,19,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

6、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,20,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。,21,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。,22,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。,23,宽的光谱范围,傅里叶光谱仪只要改变分束器和

7、光源，就可以研究整个红外区1000cm至10cm的光谱。,24,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。,25,四 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。,26,（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。,27,（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。,28,五 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。,29,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