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1、#近红外傅立叶变换与偏振干涉仪原理邓德文作者简介：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: 。（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
2、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FTFFT光程差FTFFT频率近红外光谱 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。2皿卜V 1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
3、 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。下面是传统迈克尔逊干 涉仪的简要工作原理（图2）。LSD rM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向传播。两束向检测器方向传
4、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（波长为入）为例：当动镜与定镜到分束器的距离（X2,X1 ）相等时，即X2-X仁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波长入 时，光程差为入/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 （I。为入射光强度）的变化规率：1 04冗訳2久片I 十1 + coT-（ 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 的余弦曲线叠加 后的干涉
5、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
6、外界因素的干扰信号。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3的倾斜几乎是不可避免的（图2所 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 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3角 度，反射回来的光倾角便是2 3 ,误差被放大了。立体角反射器的优点
7、在于，光 线能以同样 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。图3立体角反射器二维平面示意图2.2动态准直动态准直2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。热电和瓦里安的仪器应用过该技术。图4动态准直调节示意图2.3采用双摆设计双摆干涉仪的两个反光镜同时装在一个支架上，如图5所示。该支架可以随转轴P转 动。扫
8、描过程中两个镜子随轴一起转动，光程差对应于四倍的机械位移。立体角反射器确保 了角度偏移可被自动补偿。因为采用剪式结构，并围绕枢轴旋转，容易导致枢轴与连接两个 镜子轴之间的不平行。因此刚性的结构至关重要。双摆干涉仪在商业上被ABB（ Bomem）和布鲁克采用过。它能够显著抑制机械失真。 缺点是额外添加光学部件价格昂贵。图5双摆设计示意图2.4全补偿设计全补偿干涉仪采用两块定镜和两块动镜，动镜平行固定在可旋转的对称臂上，如图6 所示。通过动镜的旋转产生光程差。其特点是定镜和分束器 都在可移动部件之外，它们组成 完整的光路，而且相对固定的。因此不需要动态准直。这也是显著降低机械干扰的方法。它 被PE
9、商品化5。图6全补偿设计示意图3近红外傅立叶变换干涉仪的最新发展一偏振干涉仪迈克尔逊干 涉仪采用的是动镜来使两束同源光产生相位差，光始终有一个光的分合过 程。偏振干涉仪则采用一种完全不同的方法产生相位差。它利用光在各向导性的双折射晶体 内不同偏振方向的光传播速度不同来达到目的。以下是其简要的工作原理：当波长为入强度为Io的光通过折射率为n、厚度为x的介质时，与真空相比，产生一个 相位差 0,用公式（2）表示：护2 n x（n-1）/ 入（2）双折射晶体有两个折射率，分别为寻常光no和非常光neo当光线在主截面内穿过厚度 为x的双折射晶体时，被分成振动方向相互垂直的寻常光（折射率n。）和非常光（
10、折射率 ne）它们之间也产生相位差，见公式（3）护2 n （ne - no）x/ 入（3）如果入射光为45偏振光，我们可以将它沿寻常光和非常光的振动方向分解成相互垂 直的两种个偏振方向。当晶体厚度x=入/2（ne - no）时，两个偏振方向正好产生180相位差， 两个方向合成的结果是经过晶体后偏振方向变成了 -45。如图7a所示。ab#图7双折射晶体对偏振光的影响当晶体厚度变化时，偏振方向也会跟着变化（图7b ）o如果在透射光后面加一个-45 的检偏振器，透过检振器的光强度就会随着晶体厚度的变化而变化。用公式表示为讣1- cos2Te-n。)(4)#它与迈克逊干涉仪得出的公式是等效的。图8展示
11、了步琪公司偏振干涉仪的示意图。#X1 X2+45 -45” 图8步琪公司偏振干涉仪示意图近红外光 从光源出发，经过起偏振器Poll产生45偏振光，进入楔形的双折射晶体， 当动楔移动时，光经过的晶体厚度相应改 变，如前述偏振光通过晶体后的偏振方向也相应发 生变化。在晶体后面再放置一个-45的检偏振器Pol2,偏振光中只有与它同向的分矢量能 通过，这样随着偏振角度的变化，通过检偏振器的强度也随之变化。可以用公式（4）表示。偏振干涉仪的优点非常明显，除了具有傅立叶变换的 优点外，它只一条光路，而且始终 固定，没有光路的分合，无需准直，抗震性能得到显著增强。与传统的迈克尔逊干 涉仪相比， 抗震性提高4
12、0倍左右7。4偏振干涉仪的启示傅立叶变换原理的 核心是产生周期性变化的相位差。根据偏振干涉仪的楔型改变晶体厚 度的原理，作为一个设想，把它应用于用普通晶体改造传统的迈克尔逊干 涉仪，效果也将会 很好。如图9所示：WB/SF图9楔形迈克尔逊干涉仪示意它有点类似全补偿设计。对波长为入的入射光，检测器检测 到的信号可用公式（5）表 示：I =1+COS4（X2j1）（n-1）（ 5）I和Io分别为检测信号强度和入射光强度，n为晶体折射率，X1、X2分别为两块晶体 的厚度。它的优点是光路是不动的，优于全补偿干涉仪；比较起偏振干涉仪则少 了双折射晶体和 偏振 器，成本 更优；同时 折射率差大，同比 分辨
13、高。如果能商品化，其成本 将有可观缩 小。5 结束语傅立叶变换 是经 实践验证的技术，也是市场上红外和近红外 产品 的主 导技术。傅立叶近 红外 以其快速可靠 而广受用户的喜爱 。傅立叶变换 倚靠的传统的迈克尔逊干 涉仪给了人们 开 始的基石，相关的技术也随着实 践而改进发展。目前干涉仪新的发展近红外 偏振干涉仪已 在步琪公司 商品化，将具有良好的前景。同时随着科技的发展， 傅立叶技 术也将不断推陈出 新，上一个新的台阶。参考文献1 R.S. Jackson, Handbook of Vibrational Spectroscopy, John Wiley &Sons, Chichester,
14、 West Sussex, UK, 2002.2 H.L. Buijs, G .L. Vail, J-N. Berube, US Patent No. 4,345,838, August 24, 1982 or L. Gerald, US Patent No.4,693,603, September 15,1985.3 P. Burkert, US Patent No. 4,383,762, May 17 ， 1983.4 A. Simon, J. Gast, A. Keens, US Patent No. 5,309,217, May 3, 1994.5 R.A. Hoult, US Pat
15、ent No. 4,881,814, November 21,1989.6 E. Wagner, M. Labhart, U. Glaus, US Patent No. 5,157,458, October 20, 1992.7 Thomas Meyer, Joachim Oelichmann, Hanspeter Kellerhals. Resolution and suppression of mechanical noisein FT-NIR spectroscopy. Trends in Analytical Chemistry, V ol. 25, No. 1, 2006: 1923Principles of NIR Fourier Transformation and PolarizationInterferometersDeng Dewen(Chinese marketing department of BUCHI Labortechnik AG, Shanghai,200030)Abstract ： It is
