傅里叶变换光谱仪实验及设计

傅里叶变换光谱仪实验及设计

1数字化进路的研究设备傅立叶变换光谱（ts）是通过运动显微镜的运动生成干涉图像的方法。傅立叶变换后，获得光谱图像的方法是获得光谱。具有多通道、高通量、高精度、高信噪比、宽光谱、非接触、数字等优点。原子和分子物理、天文学物理、光谱、大气遥感、化学表达等学科的研究十分重要。同时，它也是工业、海关和其他必要的设备。与FTS相关的研究多数是诸如光程差、分辨率、动态校正技术等局部模块展开,系统的整体研究较少。本文介绍了FTS的测量原理,运用XGF-1型FTS测量了几种常见光源和激光器的光谱,在分析光谱及测试的基础上,对系统的整体操作、仪器的构造、分辨率的提高等方面提出了几种可行的改进方案。2干涉光学系统本文采用的XGF-1型FTS是时间调制型动镜式光谱仪,它是通过对双光束干涉仪产生的干涉信息进行傅里叶变换来得到光谱图。其核心部分为迈克尔逊干涉光学系统,如图1所示。待测光经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,如图2所示。彩条可以作为干涉仪出现误差之后对光路加以校正的参考点。3实验和结果3.1实验设备本文采用的XGF-1型FTS,其装置如图3所示,包括光路及采集系统、计算机软件系统和外置光源系统。3.2准值843.0、589.6nm之间的误差将实验仪器预热及做好其他准备工作,光栏直径设为2.6mm,采集时间设置为7min,待测光源放大倍数设置为“×16”档,采集到的干涉图如图4所示。对干涉图进行傅里叶变换并局部放大,得到如图5所示的光谱图。图中,可以直接读出测量Na灯的光谱波长为589.0、589.7nm,这与实验标准值589.0、589.6nm之间的误差分别为:E1=∣∣589.0−589.0589.0∣∣×100%=0E2=∣∣589.7−589.6589.6∣∣×100%=0.017%E1=|589.0-589.0589.0|×100%=0E2=|589.7-589.6589.6|×100%=0.017%表明在实验误差允许范围内,能比较精确地测量了Na灯双黄线的波长,达到了分辨率的要求。同理,设置光栏直径6.0mm,采集时间7min,放大倍数为“×16”,则Na灯光谱如图6所示,测得Na灯双黄线波长为589.4、590.2nm,相对误差分别为0.068%和0.102%,相比较而言,光栏直径对采集的结果有很大影响。另外,设置光栏直径2.6mm,采集时间7min,放大倍数为“×16”,测得He-Ne激光器光谱波长为632.8nm(理论值为632.8nm),如图7所示;测得教学所用的激光笔光谱波长为657.4nm,如图8所示。均能达到实验要求。4实验改进4.1干涉仪测分辨率的提高由分辨率的表达式R=λ/λδλm=2l0/λ可知,光谱分辨率与动镜的最大移动距离l0成正比。要想获得高分辨率,就要使动镜移动较大的距离,而移动距离越大,干涉仪制作起来就越困难,显然,迈克尔逊干涉仪不能完全满足分辨率的求。因此,就要改变光谱仪的设计,利用较短的移动来获得较大的光程差。下面介绍几种可以更好满足此要求的干涉仪。(1)个定镜间运动结构如图9所示,把动镜正反两面都制成反射镜,让它在2个定镜间运动,构成差动方式,显然一臂光程增加时,另一臂光程减少。假设动镜移动距离x,可得到Δ=4x光程差的变化,与常规光谱仪相比,移动相同距离,其R能提高1倍。(2)角镜的反射结构如图10所示,把通常的动镜改为动镜组合,由一角镜和平面镜组成,平面折返镜固定不动,角镜可移动。从光源出来透射过分束器的光线,先射到可移动的角镜上,经反射再射到固定不动的平面折返镜上,反射后,光沿原光路返回。显然在分束器的两束光,其中到动镜的一条因折返镜的存在而使其光程加长很多,故移动的角镜只需移动很小距离就能得到较大光程差,从而提高分辨率。4.2光栅切换旋律XGF-1型FTS只设置了8档固定的光栏直径,如图11所示。但由R=λ/δλm=2l0/λ可知,光谱分辨率的大小与实际光波长密切相关,因此,本实验仪器可做如下改进:将光栏调整为连续可调的圆形孔,如图12所示。XGF-1型FTS的光源切换旋钮图如图13所示,光源切换只有溴钨灯和其他光源两档。里面设置的是一个光源转换器(反射镜),入射光只有2个可能的方向,然而,入射光的方向性直接影响到实验光路的准直,因此,对光源切换旋钮可做如下改进:光源转换器做成一个单柱支撑的360°连续可调易固定旋转反射物镜,如图14所示。这样,当入射光源为其他光源时,在外光源固定或者不便移动的情况下,可以通过旋转光源切换旋钮加以校对,以更好地实现光路的准直。XGF-1型FTS的外光源通光孔如图15所示,通光孔只有固定的圆角矩形通光孔一种选择。通光孔的大小直接影响到干扰光的入射和光通量的大小。因此,对光源通光孔可做如下调整:调整为类似可调单缝的调节装置如图16所示。这样就可以对外光源的光通量做连续的调节。5利用多层多次反射干涉仪提高仪器分辨率的原理本文运用XGF-1型FTS测量了几种常见光源和激光器的光谱,通过改变光路的设计,在原有的聚焦型和折返式干涉仪设计基础上,利用多面多次反射干涉仪,使光束有两平面镜间多次被反射,从而获得更大的光程差,提高了仪器的分辨率。同时,