傅里叶变换光谱实验及其改进

1 引 言

傅里叶变换光谱仪( FTS)［1］是基于动镜的移动产生干涉图，然后对干涉图进行傅里叶变换而得到光谱图的方法，它具有多通道、高通量、高精度、高信噪比、宽光谱、非接触、数字化等优点［2-3］，对于原子和分子物理学、天文物理学、光谱学、大气遥感以及分析化学等学科领域的研究都是十分重要的［4-6］，同时，它也是工业检测、海关检测等的必需设备［7］。与 FTS 相关的研究多数是诸如光程差［8］、分辨率［9］、动态校正技术［10-11］等局部模块展开，系统的整体研究较少。本文介绍了 FTS 的测量原理，运用 XGF-1 型 FTS 测量了几种常见光源和激光器的光谱，在分析光谱及测试的基础上，对系统的整体操作、仪器的构造、分辨率的提高等方面提出了几种可行的改进方案。

2 FTS 原理［12-13］

本文采用的 XGF-1 型 FTS 是时间调制型动镜式光谱仪，它是通过对双光束干涉仪产生的干涉信息进行傅里叶变换来得到光谱图。其核心部分为迈克尔逊干涉光学系统，如图 1 所示。待测光经过准直镜后变成平行光进入干涉仪，从干涉仪中出射后成为两束相干光，并有一定的相位差，进入接收器 1，当干涉仪的动镜部分做连续移动改变光程差时，干涉图的连续变化将被接收器接收，并被记录系统以一定的数据间隔记录下来。另外在零光程附近，操作者可以通过观察窗在接收器 1 的端面上看到白光干涉的彩色斑纹，如图 2 所示。彩条可以作为干涉仪出现误差之后对光路加以校正的参考点。

3 实验及结果

3． 1 实验装置

本文采用的 XGF-1 型 FTS，其装置如图 3 所示，包括光路及采集系统、计算机软件系统和外置光源系统。

3． 2 实验结果与分析

将实验仪器预热及做好其他准备工作，光栏直径设为2． 6 mm，采集时间设置为 7 min，待测光源放大倍数设置为“×16”档，采集到的干涉图如图 4 所示。对干涉图进行傅里叶变换并局部放大，得到如图 5 所示的光谱图。图中，可以直接读出测量 Na 灯的光谱波长为 589． 0、589． 7 nm，这与实验标准值 589． 0、589． 6nm 之间的误差分别为:

表明在实验误差允许范围内，能比较精确地测量了 Na灯双黄线的波长，达到了分辨率的要求。

同理，设置光栏直径 6． 0 mm，采集时间 7 min，放大倍数为“× 16”，则 Na 灯光谱如图 6 所示，测得 Na灯双黄线波长为 589． 4、590． 2 nm，相对误差分别为0． 068% 和 0． 102% ，相比较而言，光栏直径对采集的结果有很大影响。