傅里叶变换光谱仪用红外水平衰减全反射测试仪

　　1　引　言

　　随着表面科学的发展,需要了解越来越多材料的分子结构及其经过物理或化学变化的情况。傅里叶光谱仪与常规色散型光谱仪相比,具有光通量大、分辨率高、信噪比大和光谱范围宽等突出优点,目前已成为分析研究工作的一种主要手段[124]。通常的光谱仪是通过测量样品的透射光谱来分析其分子结构特性的,但有些样品不透明、高度吸收和散射红外光,不适于用常规的红外透射分析。而用衰减全反射(ATR)分析技术能得到满意的红外光谱图[5],它为织物、橡胶、涂料、纤维和纸质等样品提供了独特的制样摄谱技术,在高分子材料的红外光谱鉴定分析以及有机材料的表面研究中尤显重要[627]。水平ATR不仅有其它种类ATR特点,还可对粘性液体和较厚样品进行光谱分析,样品安装更加方便。

　　ATR技术的使用不仅拓展了FTS27傅里叶光谱仪等大型设备的使用功能,满足了科研和生产重大项目的需要,而且可替代进口,在国内有一定的推广价值。本文介绍了水平ATR测试仪的基本原理,对影响光谱强度的因素进行了分析,对光学系统设计思想和能量利用率也进行了讨论。

　　2　基本原理

　　用水平ATR测试仪测得的是样品吸收光谱,光学原理示意图见图1。

　　样品和棱镜紧密接触,当光经棱镜底面和样品表面时,满足折射定律:

　　式中n1为棱镜折射率;θ1为入射角;n2为样品折射率;θ2为折射角。当全反射时θ2为90°,此时sinθ1=n2/n1,θ1为临界角。对同一种样品,不同材料的棱镜会有不同的临界角,KRS25(n1=2.38)红外棱镜的临界角与样品折射率关系见表1。

　　为保证全反射的产生和所获光谱的质量,入射角θ1必须远大于临界角。当入射角θ1大于临界角时,还有部分光束透过反射表面进入样品,穿透一定深度后,再反射回棱镜。进入样品的光,在样品有吸收的频率范围内光线会被样品吸收而强度衰减,在样品无吸收的频率范围内光线被全部反射。

　　ATR的光谱强度取决于穿透深度dp、反射次数、样品本身吸收大小和样品与棱镜的紧密贴合情况,穿透深度dp见式(2):

　　式中λ为入射光波长;n1为棱镜折射率;n2为样品折射率;θ1为入射角。从式(2)可以看出dp取决于λ、n1、n2和θ1。对已选定的棱镜材料和样品(即n2和n1已定)而言,对某一波长的穿透深度主要取决于入射角θ1,入射角愈大则dp愈小;对已选定的入射角(θ1一定)和样品(n2一定),当棱镜n1愈大dp愈小。ATR的反射次数与棱镜长度、厚度和角度的关系示意图见图2。

　　从式(3)可以看出增加L,减小T和θ1可以使反射次数增加。但在实际中受到材料来源和整个装置的设计尺寸限制,一般L不超过50 mm。T减小,使进光斜面减小,会造成光能利用率减小。为保证获得好的光谱质量,入射角不能等于或接近临界角,否则将会产生波峰畸变。