傅里叶变换光谱仪系统搭建与实验[范文]

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

近代光谱学起源于1665年牛顿著名的“太阳分光实验”，并于1671年牛顿的论文“光与颜色的新理论”中首次使用了“spectrum”一词。此后，光谱学经过一代代科学家的努力得到突飞猛进的发展，并且应用十分广泛。牛顿的分光实验，运用了棱镜作为色散分光元件，从而得到太阳光谱，是现代光谱仪器的重要基础。这种光谱仪器是运用棱镜、光栅等元件将不同波长的光从空间上分开，来达到获取光谱的目的。

傅里叶变换光谱仪具有高精确度、多通道、高通量、宽光谱范围等优点，并在物质鉴别、光谱测试、空间探测等领域得到广泛应用。不仅在光源较弱的红外光谱区占据统治地位，同时在可见光、紫外区傅里叶变换光谱仪较之分光光谱仪也有某些方面的突出优势。此外，经过改装的傅里叶变换光谱仪还在测量广泛种类的电子活性薄膜[2]及有机杂化太阳能电池光电流谱[3]中有重要应用。从而成为人们研究的热点。

傅里叶变换光谱仪系统是光、机、电、算一体化学科交叉的良好范例，内容丰富，通过这个课题可以很好地培养训练对所学知识综合运用能力，包括光路设计调整能力、计算机编程能力、电路实践能力等。

傅里叶变换光谱并不是直接得出，而是通过傅里叶变换从空间域变换到频率域而得到的，这种方法在当今信息处理技术中具有广泛的应用，具有很高的价值。

1.2 傅里叶变换光谱仪分类

傅里叶变换光谱是对入射光进行调制，根据调制方式不同，傅里叶变换光谱仪可分为时间调制型傅里叶变换光谱仪和空间调制型傅里叶变换光谱仪，两者都有各自的特点。

1.2.1时间调制型傅里叶变换光谱仪

时间调制型傅里叶变换光谱仪原理图如图1.1，核心是迈克尔逊干涉仪。迈克尔逊干涉仪中两路光发生干涉，干涉强度与动镜位置所决定的光程差有关。对某一特定波长的光，动镜每移动半个波长干涉强度变化一个周期。当动镜匀速运动时，两路干涉光强随时间呈正弦变化，其频率：f=2v/λ=2vσ，其中v为动镜移动速度。即每一个光波长对应一个正弦变化的干涉信号频率。当光源为包含各种波长成分的复色光时，得到的干涉信号就是各种波长成分对应干涉信号的叠加，通过傅里叶变换可以获取信号的频率成分，进而可以获得光波成分-光谱。

图1.1傅里叶变换光谱仪组成原理图

时间调制型傅里叶变换光谱仪是靠动镜的一维运动实现对光的调制，光电探测器获取的是随时间变化的干涉光强度信号。此类傅里叶变换光谱仪结构简单，理论上可以达到很高的光谱分辨率，但要求动镜移动距离比较大，致使整个装置比较庞大。这类傅里叶变换光谱仪要求动镜匀速移动精度比较高，实现等光程采样，这需要使用高精密的驱动电机或定标干涉系统。这样，无疑提高了光谱仪的成本。

1.2.2空间调制型傅里叶变换光谱仪

空间调制型傅里叶变换光谱仪没有运动部件，又称静态傅里叶变换光谱仪，它将经过调制的干涉图从空间上显示出来并通过CCD采集干涉图。其最大的优点在于系统中没有运动部件，增加了系统的可靠性、稳定性与抗干扰能力。但是，由于CCD采集到的干涉图长度有限，无疑限制了光谱分辨率。

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