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)計一般可分為光學(xué)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及信號和數(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)需要提供一定波長范圍的連續(xù)的紅外光，一般中紅外所需的波長范圍為2.5~25 μm，近紅外所需的波長范圍為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分開，現(xiàn)在使用相對較少，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，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、動鏡和分束器組成，產(chǎn)生干涉光信號。分束器是半透半反的紅外光學(xué)材料，將光分為兩部分。動鏡運動的距離決定分辨率，運動的速度決定采樣速率。

3.檢測器

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

以上的三個部分是光源產(chǎn)生紅外光，進(jìn)入到分光系統(tǒng)被調(diào)制，然后進(jìn)入到檢測器。在實際使用時我們需要調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度，一般會在光源和分光系統(tǒng)之間增加光闌來實現(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、掃描速度以及檢測器信號的接收，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，如裝有多個檢測器或光源，我們就可以通過控制系統(tǒng)來自動切換。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是將檢測器接收到的信號轉(zhuǎn)化為最終的紅外光譜圖，包括信號處理單元、計算機(jī)和軟件。檢測器接收到的信號通過信號處理單元放大—濾波—數(shù)字化。傅里葉變換紅外光譜儀數(shù)字化初步信號為干涉圖，會被進(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，相信您對紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)和如何工作有了更清楚的認(rèn)識。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陸續(xù)推出，為您講解更多紅外知識。