近红外傅立叶变换与偏振干涉仪原理

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1、近红外傅立叶变换与偏振干涉仪原理*邓德文（瑞士步琪（Buchi）实验室仪器公司中国市场部，上海，200030）摘要：本文简要阐述了近红外傅立叶变换的原理、传统迈克尔逊干涉仪的优势、缺点和人们对迈克尔逊干涉仪的改进、偏振干涉仪的原理、优点及其启示。关键词：偏振干涉仪，傅立叶变换，迈克尔逊干涉仪，近红外随着科技的发展，近红外光谱仪已逐渐成为一种常规的实验室检测仪器，其便捷、快速、无污染和多功能的特点，使它成为常规分析测试的宠儿。傅立叶变换光谱仪由于其快速、可靠、方法不受仪器约束的特点已成为近红外光谱仪的主流。在这种背景下，本文讲述了傅立叶变换的简单原理、专家们对传统迈克尔逊干涉仪的改进以及

2、近红外傅立叶变换干涉仪的最新发展，以期增加人们对近红外光谱仪的了解。1傅立叶变换原理近红外光谱是由一系列近红外波长（或频率）与其对应光信号强度（吸光度、透过率、反射率等）值构成的点所组成的曲线。每一波长的光的信号强度都可对应一个可逆的傅立叶变换的正弦或余弦曲线，如图1所示。FTFFT度频率光程差强FTFFT图1傅立叶变换原理示意图把所有波长的正弦曲线叠加起来，就得到一个干涉图。干涉图经过傅立叶逆变换，还可以返回得到光谱图。简单地说，能得到近红外的干涉图，就能得到相应的近红外谱图。傅立叶变换是利用干涉仪调制光源出来的连续光，得到叠加的干涉谱图，经过傅立叶逆变换得到近红外谱图。下面是传统迈

3、克尔逊干涉仪的简要工作原理（图2）。*作者简介：邓德文，男，2001年上海水产大学食品工学硕士毕业。现工作于瑞士步琪（Buchi）实验室仪器公司中国市场部，从事近红外产品的应用支持工作。E-mail：deng.d@buchi.com.cn。227LSδD’X2B/SX1MFD图2迈克儿逊干涉仪原理示意图从近红外光源S和激光L发出的光经分束器B/S后，一半的光透过到达定镜F，在定镜处反射回分束器，四分之一的光透过分束器回光源，四分之一的光经分束反射后向检测器方向传播；另一半的光被分束器反射至动镜M，在动镜处再次反射回分束器，四分之一的光被分束器反射回光源，四分之一的光透过分束器向检测器方

4、向传播。两束向检测器方向传播的光会合后因光程不同而存在相位差，产生干涉，检测器D和D’（激光检测器）检测到的都是干涉信号。以激光（波长为λ）为例：当动镜与定镜到分束器的距离（X2,X1）相等时，即X2-X1=0，光程差也为0，两束光的信号相增叠加，检测器信号最大；当它们的距离差等于1/4波长λ时，光程差为λ/2，两束光的信号相消叠加，检测器信号最小。当距离差为任意值时，我们可以用公式（1）来表示检测器检测到信号I（I0为入射光强度）的变化规率：I=I0[1+cos4π(X2-X1)]4λ（1）这样，检测器D’检测到的就是一条余弦曲线。对于检测器D而言，它检测到的则是无数条类似的余弦曲线

5、叠加后的干涉信号。经过傅立叶逆变换，就得到一张完整的近红外谱图。其中，激光主要有以下几点作用：1）触发检测器信号采集；2）波长内参比；3）部分厂家作干涉仪的准直用。显然，傅立叶变换近红外有以下优点：1）连续光谱；2）快速，它把分光过程交给电脑去运算；3）高光通量，不用减少狭缝降低能量去获得分辩率，从而导致噪声增大；4）内置激光，波长始终可靠；5）检测器的随机误差被分滩到所有波长上，而不是每个波长一个随机误差。然而，传统迈克逊干涉仪用于近红外也存在以下缺点：迈克逊干涉仪如果用于粗犷的工业环境中，非常容易受到外界的干扰，因为只有检测器的两束光始终重叠，才能确保检测到的是干涉信号而不是外界因

6、素的干扰信号。对于定镜而言，相对容易，只要出厂时把信号调至最大，对于动镜则不同，它需要做来回运动，要保证动镜运动过程中始终与光线垂直，对于机械加工而言是非常困难的，运动中产生一定角度δ的倾斜几乎是不可避免的（图2所228示），因此，它需要定期准直。另外，外界的震动也容易导致动镜运动的加快或延迟，这种运动改变因近红外波长非常短而对其的影响十分明显。因此迈克尔逊干涉仪用于近红外产生[1]了许多改进型。2迈克尔逊干涉仪的改进2.1采用立体角反射器立体角反射器是用半个立方体的立体角作镜面，代替平面镜。平面镜如果产生倾斜δ角度，反射回来的光倾角便是2δ，误差被放大了。立体角反射器的优点在于，光线

7、能以同样的角度反射回去，不会被放大，图3示意了二维平面内的效果。立体角反射器的应用，理论上，可以减少约一半的误差。1α2βαβ图3立体角反射器二维平面示意图2.2动态准直[2]动态准直的原理是在检测器D’的位置，同一平面上装三个检测器来接受面激光的余弦信号，在定镜上装上三个调节装置，如压电陶瓷或电磁等，根据激光检测器信号的改变，动态调整定镜，补偿动镜产生的干扰，如图4所示。这是一种比较经济的方法，但是机械、电子和软件方面还是比较复杂。热电和瓦里