傅里叶变换光谱实验

1、傅里叶变换光谱实验一、实验目的1、了解傅里叶变换光谱的基本原理。2、学会测量待测光的光谱图。重点：傅里叶变换光谱实验装置的正确使用，实验过程中参数的 选定难点：傅里叶变换光谱原理的理解二、实验原理现代光学的一个重大进展是引入“傅里叶变换”概念，由此发展 成为光学领域内的一个崭新分支一一傅里叶变换光学。本实验中用到 的“傅里叶变换光谱实验装置”利用了傅里叶光谱中存在的干涉图和 光谱图的变换关系，仪器用途是演示通过傅里叶变换的方法测定光源 的辐射光谱。本实验仪器的意义在于进行傅里叶变换原理的演示。本 实验测量光谱范围设计在可见区(400-800nm)并且光路部分设计为 开放式，以便能更深刻、直观地

2、了解傅里叶变换光学的实现与应用。傅里叶变换过程实际上就是调制与解调的过程，通过调制我们将 待测光的高频率调制成我们可以掌控、接收的频率。然后将接收到的 信号送到解调器中进行分解，得出待测光中的频率成分及各频率对应 的强度值。这样我们就得到了待测光的光谱图。下面介绍两个方程调制方程：/(x) = j *81(b)cos 2兀bxd。解调方程：/(。)=1 +1 (x)cos 2兀bxdx-8调制过程：这一步由迈克耳孙干涉仪实现，设一单色光进入干涉 仪后，它将被分成两束后进行干涉，干涉后的光强值为 I( )= 0 C o知2 X (其中x为光程差，它随动镜的移动而变化，b为 单色光的波数值)。如果

3、待测光为连续光谱，那么干涉后的光强为 I(x) = j +81(b )cos 2兀bxdb。一8图1实验装置中的迈克尔孙干涉仪解调过程：我们把从接收器上采集到的数据送入计算机中进行数 据处理，这一步就是解调过程。使用的方程就是解调方程，这个方程 也是傅里叶变换光谱学中干涉图一光谱图关系的基本方程。对于给定的波数b，如果已知干涉图与光程差的关系式，就可 以用解调方程计算的这波数处的光谱强度I (b)。为了获得整个工作 波数范围的光谱图，只需对所希望的波段内的每一个波数反复按解调 方程进行傅里叶变换运算就行了。三、实验仪器XGF- I型傅里叶变换光谱实验装置、数据传输设备(USB线)、 计算机一套

4、(如需要数据输出还应连接相应的输出设备，比如说打印 机等)、待测光源(如图2所示)。图2傅里叶变换光谱实验仪器1-外置光源2-内置光源（漠钨灯）3-可变光阑4-准直镜5-平面反射镜6-精密平移台7-慢速电机8-动镜9-干涉板10-补偿板11-定镜12-接收器1 13-参考光源（He-Ne激光器）14-半透半反镜15-平面反射镜16-接收器2 17-光源转换镜（物镜）图3傅里叶变换光谱实验装置光路图实验仪器简要说明：1、内置光源选用溴钨灯（6V 15），待测光过准直镜后变成平 行光进入干涉仪，从干涉仪中出射后成为两束相干光，并有一定的相 位差。进入接收器1。当干涉仪的动镜部分做连续移动改变光程差

5、时， 干涉图的连续变化将被接收器接收，并被记录系统以一定的数据间隔 记录下来。另外在零光程附近，操作者可以通过观察窗在接收器1的 端面上看到白光干涉的彩色斑纹。2、系统内置的参考光源为He-Ne激光器，利用He-Ne激光器突出 的单色性对其它光源的干涉图进行位移校正，有效的修正了扫描过程 中由于电机速度变化造成的位移误差。3、在这套实验装置中留有测量外光源的功能，外置光源可以自 行配置，当使用外置光源时只需将光源转换镜拨至“其它光源”位置 后关闭溴钨灯电源即可。4、在实际的仪器中，光源都不可能是理想的点光源。为了保证 有一定的信号强度，实际上要采用具有必要尺寸的扩展光源，但光源 尺寸过大会造成

6、仪器分辨率下降，复原光谱波数偏移等问题。所以使 用扩展光源要保证以下3点：不明显影响仪器分辨率指标；扩展 光源尺寸必须保证光谱的波数偏移值在仪器波数精度允许范围内；(3) 干涉纹的对比度仍能达到良好状态。因此在傅里叶变换光谱实验装置 中，具备一套光阑转换系统，经过严格计算，提供有8档光阑可供选 择。在实验过程中，只要根据待测光源辐射光的强度去选择合适的光 阑就可以了。5、软件部分：傅里叶光谱实验装置的应用控制软件主要基于VC 开发，全中文显示；部分软件基于Matlab开发;算法采用当前流行的 快速傅里叶变换(FFT )之蝶型算法，数据长度采用2的整数幂以提高 计算机的运算速度。数据类型采用双精

7、度型64位存取，从而有效的保 证了数据的完整程度。从整体来说，应用控制软件运行稳定，控制全 面，数据处理安全可靠，能够较好的配合单片机及硬件的工作，实现 完成本实验、得到满意实验结果的目的。四、实验内容1、准备工作确认设备的工作软件已经正确安装；USB的驱动程序已正确安装， 且USB设备工作正常。打开实验装置和待测光源（钠光灯）的电源，预热15分钟。将钠光灯放在装置光源入射狭缝处，把实验装置光源转换旋钮转 到“其它光源”。2、实验步骤从电脑上运行实验装置的应用软件。当进入系统后，首先弹出 如图4所示的友好界面。单击鼠标左键或键盘上的任意键，系统将显 示工作界面，同时弹出一个“初始化”对话框，显

8、示仪器正在初始化。 初始化结束后，对话框消失。界面上的状态栏显示“就绪”，这时系 统将进入正式工作状态，等待用户的下一步指令。图4运行软件的友好界面在系统工作界面中（图5），打开下拉菜单“工作/参数设置” 命令，或单击工具栏上的“参数设置”按钮，进行采集前的参数设置工作，系统将打开“设置参数”对话框。天津市港东科技发展有限公司博里叶变瘦光诺实验装置文件但）视图d）工作地）数据处理迫）帮助冬）e 3 Q新建实验 打亦数据 保存数据辛二*、XX。、 K 纾器 打印图形打印预览 开始采集 设置参数读取数据 放大图形 还原图形退出程序0.0待测光源放大倍数工1倍二JX2lW 至4倍 拓倍X 1&倍畚注

9、保存数据的通道操作者名称厂测试单位厂400.0单位:取消r- 确定 |0.0100.0200.0300.0400.0单位就绪11:0。Thu Apr 24 2008|天津市港东科技发展有限公司 TelHYPERLINK 图5系统工作界面注意：采集时间的确定直接影响到最终傅里叶变换得到的光谱图 的分辨率，设定的采集时间越长则得到的光谱图的分辨率越高。在“待测光源放大倍数一栏中有x1、x2、x4、x8、x16五档，可以根 据待测光源的强弱选择合适的放大倍数。单击工具栏上的“开始采集”按钮。系统将执行采集命令，并 将采集到的干涉图数据在工作区中绘制成干涉图，如图6所示。1

10、00. DW.0图6干涉图数据采集单击工具栏上的“傅氏变换”按钮，出现如图7a对话框，点击 确定，出现如图7b对话框，再次点击确定，将得到干涉图变换后的光谱图（图8）。a图7对话框天津市港东科技发展有限公司傅里叶交换光谱实验装置文件 视囹（I）工作也）数据处理旭）帮助但）打印图形打印预监 开始采集设置参敖 碰弃 读取数据放大图形还原图形 俾氏变换选择变换切侦画殄 切换坐标 退出程序400.0450.0500.0550.0600.0650.0700.0750.0800.0就绪11:02 Thu Apr 24 2008天谨市港本科H童晨有隔公司Tel：0丞囱1110|www. tjgd. com图8光谱图扫描机构回复到“零光程差点”位置之前，工具栏上的“开始 采集”、“参数设置”和“退出”三个按钮呈灰度显示，这几项工作 被禁止。等待扫描机构回复以后，才可以进行下一次扫描。完成上述操作步骤后，这次实验的就结束了