傅立叶变换型红外光谱仪中的双光路技术

1　引　言

通常的光谱仪有色散型和傅立叶变换型两种。色散型光谱仪主要应用在近红外到紫外波长区(约200~800 nm)。傅立叶变换型(FTIR)红外光谱仪是一种新型的干涉型红外光谱仪,主要采用Michelson或Genzel干涉仪技术,测量的光谱范围从近红外到远红外,甚至太拉赫兹区(Terahertz)。它是目前一种主要的光谱测量手段,具有光通量大,测量波长准确以及光谱分辨率高等特点,在表征化合物、高分子聚合物、材料的表面功能化、半导体的晶格振动以及自组织单原子层有机和无机薄膜等方面有着广泛的应用[1~5]。在通常的红外光谱实验中,需要先测量参考样品(对于透射实验,通常以真空为参考;对于反射实验,根据测量的红外波长通常以金镜或铝镜为参考)以获得背景辐射,再测量被测样品光谱,将被测样品光谱除以背景辐射光谱来获得真正的被测样品的光学响应。显然,当在前后两次测量中更换被测和参考样品(金镜或铝镜)时不可避免会轻微地改变了原来的光路,这就使得测量引起了未知误差。特别是对于振动信号较弱的样品,比如一些生物结构和化学功能化表面,未知误差对于测量结果的影响非常大。另一方面,当需要测量不同角度的红外反射光谱时,使用通常购买的反射架是非常不方便的。本文提出了一种可以同步测量不同角度下样品和背景光谱的双光路技术,使得实验精度和准确度得到较大的提高。这种双光路测量技术不仅适用于傅立叶变换型红外光谱仪,而且对其它波段的光谱测量也是适用的。

2　通常的测量光路

首先介绍一下傅立叶红外光谱仪的基本构造。如图1所示[6],由光源发出的光经过凹面镜聚焦到平面镜,经过反射进入光谱仪最重要的干涉仪组件。从干涉仪出来的入射光再一次经过凹面镜聚焦到样品架上,然后经过样品单元测量样品。通常光谱仪公司已经调整好了除样品架以外的所有光学元件组成的光路。这样只需仔细调整样品单元中样品架(透射和反射架)的光路来满足探测需要。

　　图2给出了通常的样品架光路图。对于透射光谱测量,只需将测量样品取代M1和M4的位置,让光垂直入射到样品上由探测器检测透射光。而对于反射测量,平面镜M1反射入射光到凹面镜M2,凹面镜M2最大程度地聚焦入射光到平面镜M3,然后M3再一次向上反射聚焦光到样品圆孔,这样,从样品表面反射的光向下反射到达M3,最后通过平面镜M4反射到探测器上。注意图1中的样品架是俯视图。当调整好光路后,入射光斑应该聚焦在样品上,使用该光路来测量样品和背景反射光谱强度。当测量背景光谱时(金镜或铝镜),它们通常沉积在一定厚度的玻璃片上。当取代金镜或铝镜放上样品架时,入射平面会发生微小的变化,而且在更换过程中难以避免的振动等因素也会影响测量光路。