第四章红外分光技术

《第四章红外分光技术》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第四章红外分光技术物质与电磁波的相互作用(包括辐射、反射、吸收、偏振等)的光谱特性可对物质识别、分类或复杂背景下的目标提取提供更为丰富的信息。随着航天、航空遥感技术的深入发展，不仅需要把可见光波段和红外大气窗口的波段进一步细分为多个窄波段，以获得更详尽的地物光谱信息，同时也希望知道它们在空间的精确分布。这种应用需求推进了成像光谱技术的发展。本章将侧重介绍红外系统常用的滤光片、棱镜、光栅、傅立叶变换等分光方法。考虑到滤光片分光应用十分广泛，本章简要介绍了薄膜光学基本概念。本章还介绍了推帚式和光机扫描式这两种最典型的成像光谱仪，以及傅立叶分光计在气

2、象卫星上的应用实例。4.1薄膜光学的基本概念4.1.1菲涅耳界面反射、折射公式从光的电磁理论可导出菲涅耳公式，菲涅耳公式完整地解决了光在两种介质界面上的强度分配问题。当自然光照射到两种介质的分界面时，可分解为光矢量在入射面内的p偏振光（TM波）和光矢量与入射面垂直内的s偏振光（TE波）。这两种偏振光的界面反射、折射情况是不同的，可分别用各自的反射系数和透射系数表示。严格地讲，p光和s光的反射系数和透射系数均为复数，复数的模为振幅系数，复数的幅角为相位系数。因为光强与振幅有关，这里主要介绍振幅反射系数和振幅透射系数。设入射和折射介质折射率分别为和

3、，入射角和反射角为，折射角为。根据菲涅耳公式，倾斜入射时p光和s光振幅反射系数和振幅透射系数是不同的，即有起偏现象，应分别计算。40p光振幅反射系数(4.1.1)其中p光振幅透射系数(4.1.2)图5.1P光界面反射和折射时的电、磁矢量s光振幅反射系数(4.1.3)其中s光振幅透射系数(4.1.4)图5.2S光界面反射和折射时的电、磁矢量40薄膜光学中，将称之为光纳，对p光、s光，光纳有不同的定义。p光；(4.1.5)s光(4.1.6)我们可以把光纳理解为对折射率的修正，引入了光纳的概念后，p光和s光的振幅反射系数形式上可统一地表达为：(4.1

4、.7)这一用光纳表示的振幅反射系数公式具有普遍意义，无论对p光或s光，倾斜入射或正入射都是成立的。自然光正入射时，光纳即折射率，p光和s光的振幅反射系数相等并可表示为：即反射率这就是第二章给出的光在两种不同介质的界面上强度反射率的公式。应该指出：光的振幅反射系数和可以是正的，也可以是负的。光的振幅反射系数正负号的改变，可以认为相位改变了，称为相位突变。光从光密介质（高折射率）射向光疏介质（低折射率），振幅符号为正，不发生相位突变。反之，光从光疏介质射向光密介质，振幅符号为负，反射光要发生相位突变。4.1.1等效光纳与多层膜反射率的计算4.1.1

5、.1单层膜的多光束干涉薄膜光学理论的核心是光通过膜层时产生的多光束干涉。现以单层膜为例说明之：设折射率n2基片上镀了厚度d、折射率为n1的薄膜，光从折射率为n0空间入射。入射角和反射角i0,在薄膜中的折射角i1,在基片中的折射角i2。40t01r01r12r21r10n0n1n2t12t21t10（1）（2）（3）（4）d图5.3单层膜的多光束干涉这种情况下，可定义四个振幅反射系数和四个振幅折射系数，如图所示。由于薄膜的多次反射，在薄膜的上表面有一系列反射光束，相邻光束的光程差为：n0n1n2（1）（2）（3）（4）di0i1ABCD图5.4薄

6、膜反射相邻光束的光程差上式可表达为：即光程差为：(4.1.8)相位差为：(4.1.9)由于这些光束是相干的，总的振幅反射系数为40利用斯托克斯定律，可将振幅反射系数表达为两个界面的反射系数、和膜层产生的相位差的形式(4.1.10)入射光经一层薄膜反射后，反射光与入射光的相位差与折射率、膜厚及入射角等多种因素有关，这里不去讨论它们之间相位差的一般关系，而主要关注光在界面的反射率。反射率为：振幅反射系数可用两种介质的光纳表示，代入后可得：（4.1.11）4.1.1.1单层膜的等效光纳我们可以把这个单层膜和基片看作是一个新的界面，该界面入射介质的折射

7、率仍为n0,而出射介质的“折射率”为某一个复数Y，这个复数称为等效光纳。所谓等效是指：用入射介质的光纳和单层膜和基片的等效光纳计算出反射光的振幅和相位，与实际情况是一致的。即单层膜反射可表示为与两种介质界面反射公式相似的简洁形式（4.1.12）如已求得单层膜的振幅、相位反射系数，等效光纳即为4.1.1.2多层膜的等效光纳利用等效光纳的概念，单层膜的计算可方便地递推到两层或多层膜计算。图中(b)为一个双层膜的例子，递推过程是：40－计算膜层、膜层、基片的反射率，将基片和膜层等效为光纳界面；－计算介质、膜层、界面的反射率，将界面和膜层等效为光纳界面

8、；图5.5多层膜等效光纳的递推计算经上述递推计算双层膜等效光纳，则光在双层膜的反射可完全等效为在一个界面的反射。4.1.1两种特殊膜层当入射角及各层厚