ОБЗОР
Фурье-спектроскопия — метод оптической спектроскопии, позволяющий получать спектр в результате обратного Фурье-преобразования интерферограммы исследуемого излучения, зависящей от оптической разности хода двух лучей и представляющей собой Фурье-образ спектра (функцию распределения энергии излучения по частоте).
Спектр Фурье горящего бутана в координатах «длина волны — интенсивность» с полосами возбуждённых молекулярных радикалов и полосами Свана\
Принцип работы
Принцип работы Фурье-спектрометра можно понять рассмотрев рисунок 1., где приведена принципиальная схема интерферометра Майкельсона, на которой основываются большинство современных Фурье – спектрометров.
Параллельный пучок излучения 1 падает на светоделительную пластинку, после чего половина света 2 (отраженная) попадает на одно плоское зеркало, а другая 2’ (прошедшая) – на другое плоское зеркало. После отражения от зеркал пучки 3 и 3’ снова делятся на светоделителе пополам, одна половина уходит обратно, а другая 4 и 4’ направляется на приемник излучения.
Основное интегральное уравнение фурье – спектроскопии
Пусть на светоделитель падает излучение с амплитудой
,
где
- волновое число. В интерферометре
Майкельсона пучок падающего излучения
разделится на два пучка, которые после
прохождения оптических путей
и
возвращаются на светоделитель и
смешиваются. Каждый из пучков один раз
отражается и один раз проходит через
светоделитель. В результате смешивания
пучков амплитуда согласно принципу
суперпозиции:
Поток
для определенного спектрально диапазона
после смешивания может быть представлен
(с точностью до постоянных множителей)
в виде:
Таким
образом, суммарный поток для любой
оптической разности хода
равен:
Рассчитав
выражение для нулевой разности хода
,
находим выражение для интерферограммы:
В
случае произвольного спектра
,
лежащего в спектральном диапазоне от
до
,
ограниченного самим спектром излучения,
фильтром или чувствительностью детектора,
интерферограмма будет иметь вид:
А после косинусного фурье – преобразования находим спектр:
Вычисление спектров
Общий путь получения спектра на интерферометре заключается в следующем:
1.
Измерение
путем регистрации сигнала как функции
изменения оптической разности хода в
интерферометре. Оптическая разность
хода
(L
–величина перемещения подвижного
элемента интерферометра).
2.
Экспериментальное определение значения
интерферограммы в точке нулевой разности
хода
.
3.
Подстановка выражения
в уравнение для определения спектра.
4.
Интегрирование уравнения для каждого
избранного
.
5. В результате выполнения пунктов 1 – 4 получаем искомую зависимость , т.е. искомый спектр.
Спектральное разрешение прибора
Спектральное
разрешение (предел разрешения) –
минимальный интервал между волновыми
числами
,
при котором спектральные компоненты
на выходе из спектрометра можно еще
отличить одну от другой. Если интервал
частот
меньше
,
спектральные линии считаются
неразрешенными.
В
классических спектрометрах (дифракционных,
призменных) монохроматическая волна
на выходе уширяется из-за не идеальности
геометрии прибора, дефектов обработки
оптических элементов, и др. В Фурье –
спектрометрах основной причиной уширения
линий является замена бесконечных
пределов интегрирования в обратном
Фурье – преобразовании на конечные,
т.к. интерферограмма не может быть
зарегистрирована при бесконечно большом
изменении оптической разности хода, а
лишь в конечных пределах, от
до
.
Распределение интенсивности в уширенной аппаратом линии называется аппаратной функцией прибора.