紅外儀器原理丨紅外光譜儀的基本結(jié)構(gòu)

紅外光譜儀的設(shè)計(jì)一般可分為光學(xué)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及信號(hào)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。以下為傅里葉紅外光譜儀的基本組成示意圖。

紅外光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)主要由光源、分光系統(tǒng)、檢測(cè)器三部分組成，此外還有光闌、反射鏡等組件。

1.紅外光源

紅外光源可以根據(jù)需要提供一定波長(zhǎng)范圍的連續(xù)的紅外光，一般中紅外所需的波長(zhǎng)范圍為2.5~25 μm，近紅外所需的波長(zhǎng)范圍為0.8~2.5μm。早期的紅外光源采用能斯特?zé)簦∟ernst Glower），現(xiàn)在基本都采用穩(wěn)定性高的硅碳棒（Globar）作為中紅外光源。近紅外光源一般使用鎢燈，可覆蓋0.8~2.5 μm。

2.分光系統(tǒng)

    分光系統(tǒng)是紅外光譜儀的核心，我們知道牛頓采用棱鏡將太陽(yáng)光分成紅橙黃綠藍(lán)靛紫的彩虹帶，最早期的紅外儀器就是利用棱鏡分光，現(xiàn)在基本已絕跡，大部分人都沒見過。后面采用光柵分光，利用反射光柵將光按波長(zhǎng)分開，現(xiàn)在使用相對(duì)較少，一般在特定領(lǐng)域可見到光柵型紅外儀器。以上兩種類型的光譜儀稱之為色散型紅外光譜儀。

現(xiàn)在我們常見到的紅外光譜儀一般叫做傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），其相比色散型紅外光譜儀具有掃描速度快、信噪比高、分辨率更高等優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)在主流的紅外光譜儀。其核心是邁克爾遜干涉儀，由定鏡、動(dòng)鏡和分束器組成，產(chǎn)生干涉光信號(hào)。分束器是半透半反的紅外光學(xué)材料，將光分為兩部分。動(dòng)鏡運(yùn)動(dòng)的距離決定分辨率，運(yùn)動(dòng)的速度決定采樣速率。

3.檢測(cè)器

檢測(cè)器是用來接收紅外光信號(hào)的，可將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。常見類型有熱釋電檢測(cè)器（DTGS），其在室溫下工作，可滿足常規(guī)測(cè)試。還有高靈敏度的碲鎘汞（MCT）檢測(cè)器，其需液氮冷卻（77 K），用于弱信號(hào)的檢測(cè)。以上為中紅外常見的檢測(cè)器，近紅外一般使用電制冷的銦鎵砷檢測(cè)器。

以上的三個(gè)部分是光源產(chǎn)生紅外光，進(jìn)入到分光系統(tǒng)被調(diào)制，然后進(jìn)入到檢測(cè)器。在實(shí)際使用時(shí)我們需要調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度，一般會(huì)在光源和分光系統(tǒng)之間增加光闌來實(shí)現(xiàn)。

控制系統(tǒng)主要是通過電子系統(tǒng)來控制光源供電和光闌大小、掃描速度以及檢測(cè)器信號(hào)的接收，如傅里葉型紅外光譜儀我們可以在軟件上控制干涉儀運(yùn)行的速度和調(diào)節(jié)光闌的大小。此外，有些儀器配置更豐富，如裝有多個(gè)檢測(cè)器或光源，我們就可以通過控制系統(tǒng)來自動(dòng)切換。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是將檢測(cè)器接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為最終的紅外光譜圖，包括信號(hào)處理單元、計(jì)算機(jī)和軟件。檢測(cè)器接收到的信號(hào)通過信號(hào)處理單元放大—濾波—數(shù)字化。傅里葉變換紅外光譜儀數(shù)字化初步信號(hào)為干涉圖，會(huì)被進(jìn)一步的傅里葉變換為單通道光譜圖。通過軟件處理可得到我們需要的紅外吸收、透過、反射等紅外光譜。

以上為紅外光譜儀的基本結(jié)構(gòu)介紹，相信您對(duì)紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)和如何工作有了更清楚的認(rèn)識(shí)。歡迎關(guān)注IR紅外云學(xué)堂，關(guān)于紅外光譜儀的系列文章會(huì)陸續(xù)推出，為您講解更多紅外知識(shí)。