傅里叶变换型红外光谱仪的光路调整技术

傅里叶变换型红外光谱仪(简称FTIR)是一种新型的干涉型红外光谱仪,它对样品的红外吸收光谱从分光到检测和数据的变换完全不同于传统的色散型红外光谱仪,在分光光路上也大不一样。要想掌握好它的光路调整技术,首先要对仪器有一个基本的了解。

1　基本光路构成

红外光谱仪有色散型和干涉型不同的谱仪型式,两者的分光方式是不同的,见图1。

色散型的红外光谱仪是由棱镜或光栅来完成分光的。在色散型红外光谱仪中,光源发出的光先照射试样,然后再经光栅分成单色光,由检测器检测后获得光谱。而在傅里叶变换的干涉型红外光谱仪中,光源发出的光先是经迈克尔逊干涉仪变成干涉光,再让干涉光照射样品,检测器获得的只是干涉图而不是红外吸收光谱,实际的红外吸收光谱还需要由计算机把干涉图进行傅里叶变换才能得到。实际上FTIR红外光谱仪的核心就是一个由迈克尔逊干涉仪所构成的红外光谱分光系统,它比传统的色散型红外光谱分光系统具有扫描速度快,分辨率高和可做多次累加扫描的优势。当然由于要进行高速的FTIR变换,它需要具有大容量和调整处理数据的计算机与之相配。在当前计算机价格大幅度下降的条件下,FTIR红外光谱仪已经在很大程度上取代了色散型红外光谱仪。

2　迈克尔逊干涉仪

迈克尔逊干涉仪实际上是FTIR红外光谱仪的心脏,所以有必要对它进行一些描述,见图2说明。干涉仪系统包括两个互成90°直角的平面镜,光学分速器,光源和探测器。在平面镜中固定不动的叫定镜,另一个与其成直角并可运动的平面镜叫动镜。光学分束器具有半透明性质,它放于动镜与定镜之间并和它们呈45°夹角,它可以使得入射单色光的一半通过,而另一半被反射,这样就使从光源来的一束光到达分束器后被分为两束,Ⅰ路为反射光,Ⅱ路为透射光。反射光垂直射到定镜上,在那里又被反射,沿原光路返回分束器,其中又有一半透过分束器射向探测器,而另一半则被反射回光源。透射光Ⅱ也以相同的经历穿过分束器射到动镜上,在那里被反射,沿原光路回到分束器,再被分束器反射与Ⅰ光束一样射向检测器,Ⅱ光束的另一半则透过分束器返回光源。射向探测器的Ⅰ,Ⅱ两光束实际上又会合到了一起,但现在它们已成为具有干涉光特性的相干光,当动镜运动时,就能得到不同光程差的干涉光强。当峰峰值同相位时,光强被加强;当峰谷值同相位时,光强被抵消,在相长和相消干涉之间是部分的相长相消干涉。所以对于一个纯单色光,在动镜连续运动中将得到强度不断变化的余弦干涉波。那么怎样确定动镜的移动位置呢?新型的红外光谱仪都采用激光回扫相位差来确定采样的初始位置,即先把激光干涉条纹分别送到两个光电探测器上,探测器就会相应地输出彼此相位相差π/2的电信号,这两路电信号经过整形及倒相,变成四个矩形脉冲波,其相位依次相差π/2,根据这四个矩形的脉冲波可以在逻辑电路上实现判向和可逆计算,从而可方便地随时定出动镜的位置和方向。