傅里叶变换光谱实验背景傅里叶变换光谱技术起源于 19 世纪中后期，一百多年来得到突飞猛进的发 展。近年来，由于计算机技术的高速发展以及探测器性能的完善，出现了信息量 更大、用途更广泛、工艺更复杂的成像傅里叶变换光谱技术。由于傅里叶变换光谱实验具有高精确性、多通道、高通量、宽光谱范围以及 结构紧凑等优势，在红外光谱、紫外光谱波段有着广泛的运用。而且，傅里叶变 换光谱实验的实验结果是通过傅里叶变换，从空间域变换到频率域通过数学计算 的方法得到的，该方法在当今的信息技术中具有广泛的运用。傅里叶变换红外光谱仪由迈克耳逊干涉仪和数据处理系统组合而成 ,它的工 作原理就是迈克耳逊干涉仪的原理。实验原理1 傅里叶变换光谱技术简介 傅里叶变换光谱技术基于迈克尔逊干涉仪结构。在迈克尔逊干涉仪中，连续 地移动其中的一个反射镜（我们称为动镜），干涉仪产生的两束相干光的光程差 发生连续改变，干涉光强相应的发生改变。若在改变光程差的同时，记录下光强 接受器输出中的变换部分，就可以绘制出干涉光强随光程差的变化曲线（称之为 干涉图函数）。这样，通过计算机数据采集和快速傅里叶变换，即可得到光强的 光谱分布。2 仪器函数与光谱分辨率设有两束单色光，波数均为b，传播方向和偏振方向相同，光程差为A，光 强都是/，干涉光强为：I 二 41 COS2（兀0A）二 21 + 21 cos（2兀bA）（1） 上式干涉图函数包含直流分量和余弦分量，余弦分量的周期即是单色光的波长 假设光源发出的是含有多种光谱成分的复合光，将其分成强度相同的两束， 干涉光强为：2）dI = 21（b）db + 21（b）db cos（2兀bA）故在整个光谱范围内的干涉总光强为：I = cf I G）db + cf I （b）cos（2兀oA）db上式中，00c 是常数，右边第一项为常数项，与光程差无关；第二项是光程差的函数，我们将其单独写出：4)5)I () = cf I () cos(2 兀GA)dc0由于傅里叶余弦变换的可逆性，有：I () = c f I (A)cos(2KoA)dA0因此，只要测出干涉图函数曲线I(A),通过傅里叶变换，即可得到相干光束 的光谱分布19)。下面探讨(5)式： 在实际测量中，光程差的测量只能是光程差为零的附近有限的距离。理论分 析证明，光程差测量范围大小决定了傅里叶变换光谱的光谱分辨率。我们设这段 距离的长度为X,那么傅里叶变换光谱的波数分辨率为1/ (2X),即是说，傅里 叶变换光谱仪的光谱分辨率由最大光程差决定的。所以理论上，要提高傅里叶变 换光谱仪的光谱分辨率，只要增加测量的光程差的距离 X 就可以了。而随着 X 的增加，对光程差的测量精度和计算硬件的要求就会成倍增加，测量时间也会成 倍增加。另外，(5)式中要求测量干涉光强势随光程差的变化的连续变化曲线，但在 实际测量中无法实现，而只能采用间隔一定距离离散采样的方法进行。所以我们可以说，如何实现高精确度的等光程差，采样间隔的选取时傅里叶 变换光谱仪的核心技术，同时也是本实验的关键。实验装置实验装置由迈克尔逊干涉仪、钨丝灯、He-Ne激光器、光电倍增管、光电二 极管、力矩电机、测量控制单元和计算机等组成。其核心是一台经过改革的迈克 尔逊干涉仪。如下图所示氏血ADC冋】啟iJt諌；23因皿4廿删：5們風?忌射憶险B】0比电佈It此电-领評 2测StfS制狀元，“计祕鋼丽mi磺価讷注：本实验的实验装置略去图中的“电机反馈控制”、“高精度ADC”两部分。实验内容(一)基准激光光谱测量首先利用激光束直接照射迈克尔逊干涉仪的分束镜，在白屏上观察到两对亮光点，调M、M背面的三个调节螺丝使两对光点重合，然后再激光器和反射镜之12 间加入扩束镜，可在白屏上看到干涉条纹。再利用干涉仪的细调手轮和 M 下方1 的两个细调螺旋，调处圆环形或弧形的等倾干涉条纹。旋动细调手轮，找到干涉 条纹向环心收缩的方向，即是光程差减小的方向。再次旋动干涉仪的细调手轮和 M 下方的两个细调螺旋，使干涉条纹变成竖1直方向的等厚干涉条纹，每条纹约 23mm 宽。撤掉白屏，打开测量控制单元，将光电倍增管和光电二极管的输出信号进行 采集，绘制干涉图曲线，并进行数据处理及快速傅里叶变换，得到激光的光谱分 布。（二）白光光谱测量将白屏摆上，沿着光程差减小的方向旋动细调手轮，找到光程差为零的大概 位置（实验中找到一个大致的范围）。此时撤去激光，放上白光光源，在光程差 为零的大概位置附近旋动细调手轮，在某一位置，可在白屏上观察到白光干涉条 纹。撤掉白屏，调整微调螺旋使干涉条纹与探测器的狭缝平行，每条纹 23mm。 同第一步，绘制干涉图曲线，进行计算机快速傅里叶变换。得到白光的光谱分布。 打印光谱图。实验探讨实验内容的第一部分，首先调整迈克尔逊干涉仪实验系统，对激光光束进行 干涉光强数据采集和光谱分析，原因有二：一是利用细调手轮和细调螺旋调节出 激光束的等倾干涉条纹，并通过旋动细调手轮，确定该实验系统中干涉条纹向环 心收缩的方向，以便于接下来调节出白光的干涉条纹；二是激光光束的光谱图可 以起到定标的作用，通过对比基准激光和白光的光谱分析图，及已知激光的波长， 可以具体计算出白光光谱上谱线的波长。思考题1 为什么将圆环干涉条纹变成竖直方向的等厚干涉条纹，且每个条纹 23mm？ 答：因为光电二极管狭缝宽度约为23mm，以便对光谱进行逐级采样，而不是一 大块的采样，从而提高实验的精确度。2为什么实验测得的汞灯谱线只有两条？ 答：傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率是由最大光程差决定的。而实际测量中，光 程差的测量范围不可能到无穷远，只能是光程差为零的附近有限的一段距离。以 至于汞灯的某些谱线的干涉条纹处于采集范围之外而未被采集到，造成了实验中 只能观察到有限条谱线。