FT-IR光谱学基础

傅里叶变换红外（FT-IR）光谱仪是一种收集宽带近红外到红外光谱的设备。与光谱仪或光栅单色仪等色散仪器相反，FT-IR光谱仪使用称为多路复用或费尔盖特优势的功能同时采集所有波长。FT-IR技术涉及使用干涉仪获取样本信号的干涉图，然后对干涉图进行傅里叶变换以获得红外光谱。

选择FT-IR光谱仪的原因

在下列情况下，建议使用FT-IR光谱仪而不是色散仪器：

• 如果工作涉及红外
• 如果需要高光谱分辨率
• 如果工作涉及微弱信号
• 如果需要快速获得高信噪比的光谱
• 如果需要高光谱精度

FT-IR光谱仪的工作原理

FT-IR光谱仪基于迈克尔逊干涉仪（图1）。干涉仪包括一个固定反射镜、一个分束器和一个前后精确移动的反射镜。分束器由一种特殊材料制成，允许一半的入射辐射透射，其余的辐射反射。

图1。通用迈克尔逊干涉仪的示意图。

来自光源的辐射击中分束器并分为两束，其中一束通过分束器到达固定镜，第二束从分束器反射到移动镜。

辐射通过固定和移动的反射镜反射回分束器，导致反射辐射仅传输一半，剩余辐射在分束器处反射。这导致一束光向探测器传输，另一束光返回光源。

光程差（OPD）是指通过干涉仪两臂的两束光束之间的变化，相当于运动反射镜移动的物理距离与填充干涉仪臂的介质折射率（n）的乘积。当固定镜和移动镜与分束器的距离相同时，FT-IR有一个自然参考点。

这种情况称为零路径差（ZPD）。动镜位移（Δ）通过ZPD进行量化。如图2所示，从移动反射镜反射的光束比从固定反射镜反射的光束传播2Δ。

图2。从ZPD条件扫描到OPD=λ时，波及其相位、输入、输出和干涉仪两臂的示意图。（a） OPD=0例。（b） λ/4 OPD情况。（c） λ/2 OPD情况。（d） 3λ/4 OPD情况。（e） 1λOPD情况。

OPD可与后视镜位移（Δ）相关，如下所示：

OPD=2Δn

干涉图

干涉图是FT-IR光谱仪采集的信号格式的名称（图3）。图3所示宽带源干涉图中心的大尖峰称为中心突发。干涉图的X轴表示OPD。每个单独的光谱分量向该信号提供一个频率与其波长成反比的正弦信号。波数（厘米）^-1)，表示为ν是光谱测量单位。

傅里叶变换算法

应用快速傅里叶变换算法将获取的干涉图转换为光谱（发射、吸收、透射等）。频谱计算涉及多个步骤。通过执行相位校正和切趾步骤，必须考虑仪器缺陷和基本扫描限制。切趾化用于校正光谱泄漏和人为创建光谱特征，这些特征是由扫描在其极限处截断引起的。

FT-IR仪器相对于色散仪器的优势

以下是FT-IR仪器相对于色散仪器的优势：

• 多元化（Fellgett）优势–允许在FT-IR光谱仪中同时观察所有波数的光，从而将信噪比提高了一倍√M、 这是分辨率元素的计数。
• 吞吐量优势–FT-IR仪器提供了更高的吞吐量，因为它们可以在没有缝隙的情况下获得更高的分辨率。这就是众所周知的杰奎诺优势。
• 高分辨率–在FT-IR仪器中，光谱分辨率由OPD的最大可实现值决定。2000厘米处的光干涉图^-1和2002厘米^-1可在0.5cm或更长的值处相互区分。

FT-IR仪器的波长限制和外部光学元件

FT-IR仪器的波长限制较短。极限波长为1.4µm（无过采样），700nm（有过采样）。与内部组件一样，外部光学元件对FT-IR仪器也同样重要。图3显示了一个简化的扫描迈克尔逊干涉仪以及一个较大规模的光源和探测器。当扫描镜移动时，探测器将记录干涉图。干涉图的长度随着扫描镜移动的距离而增加。这将导致实现更高的光谱分辨率。

图3。扫描迈克尔逊干涉仪。

探测器光学、光源光学和抛物面镜

对于每个分辨率使用不同的检测器是不可行的。通常，选择一个分辨率相当高的探测器，而不是最高的。4cm的分辨率^-1是一种流行的选择，因为它适用于凝聚相功。提高分辨率的要求可以通过增加探测器前端光学元件的焦距来解决。另一种方法是使用光圈（Jacquinot光圈）通过减小有效光源尺寸来提高F/#。这导致探测器上的光斑尺寸减小。

光源光学系统通常会产生比干涉仪的nededétendue更高的光束。仪器的性能通常受到探测器尺寸和光学元件或所需分辨率的限制。大多数FT-IR仪器采用离轴抛物面镜，用于在干涉仪外部对光进行准直和聚焦。抛物线是一种仪器，适用于小型光源的准直，反之，适用于准直辐射光束的紧密聚焦。但是，它们不适用于较大物体的成像。

位于抛物线焦点（图4）的点光源发出的光将在反射后转换为理想的平行光束。因此，平行光束将聚焦成一个小焦点。这对抛物线的任何部分都有效。因此，为了方便，可以切割抛物面镜的离轴部分（图5）。

图4。位于抛物线焦点的点光源发出的光。

图5。离轴抛物面镜的截面。

离轴抛物面镜的F/数量可以达到非常低的值。如果有限尺寸的光源位于抛物线的焦点，反射光束将不再理想地平行。它将有一些角发散，与光源的角大小成比例。此外，它将经历严重的畸变。因此，平行入射光束将聚焦到模糊点。图6显示了不同发散度光束的离轴反射器焦平面中的能量分布，显示了随着抛物线“视野”的增加，像差的影响越来越大。

图6。离轴反射镜焦平面内的能量分布。

镜头

尽管离轴抛物面镜在FT-IR光谱中具有普遍性和广泛应用，但它们也有自己的缺点。当每次反射将光束旋转90°时，对准离轴抛物面镜是一个复杂的过程。这可能导致系统体积更大。在低F/#时，他们会经历严重的畸变。在大多数应用中，特别是在近红外波段，使用透镜可能是一个不错的选择。图7描绘了CaF焦点中的能量分布_2.透镜的焦距和F/#与前面考虑的抛物面镜的焦距和F/#大致相同。

图7。CaF焦平面内的能量分布_2.透镜

使用透镜时，必须小心选择透镜材料。CaF_2.建议在CaF的整个范围内使用透镜_2.分束器适用。熔融石英透镜在高达3µm的极近红外波段表现良好，但由于吸水带的原因，非“红外级”透镜可能会有一些损耗。

在中红外波段有多种透镜材料可供选择。有些材料欧洲杯足球竞彩在性质上是吸湿的，这可能是一个大问题。透镜材料的色散是另一个问题。透镜对于有限波长范围的应用是绝对合适的。对于更宽的波长范围，探测器需要定位在焦距位置，因为该系统。

本信息来源、审查和改编自Oriel Instruments提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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