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1、傅里叶变换光谱实验讲义傅里叶变换光谱实验讲义一一实验目的实验目的1、了解傅里叶变换光谱的基本原理2、学习使用傅里叶变换光谱仪测定光源的辐射光谱，知道简单的谱线分析方法。二二实验仪器实验仪器XGF-1XGF-1型傅里叶变换光谱仪三三实验原理实验原理傅里叶变换过程实际上就是调制与解调的过程，通过调制我们将待测光的高频率调制成我们可以掌控接收的频率。然后将接收到的信号送到解调器中进行分解，得出待测光中的频率成分及各频率对应的强度值。调制方程：I(x)=解调方程：I()=I()cos2xdI(x)cos2xdx调制过程：这一步由迈克尔孙干涉仪实现，设一单色光进入干涉仪后，它将被分成两束后进行干涉，干涉
2、后的光强值为 I(x)=I0cos2x，（其中 x 为光程差，它随动镜的移动而变化，为单色光的波数值）。如果待测光为连续光谱，那么干涉后的光强为I(x)=I()cos2xd解调过程：我们把从接收器上采集到的数据送入计算机中进行数据处理，这一步就是解调过程。使用的方程就是解调方程，这个方程也是傅里叶变换光谱学中干涉图-光谱图关系的基本方程。对于给定的波数，如果已知干涉图与光程差的关系式I(x)，就可以用解调方程计算的这波数处的光谱强度I()。为了获得整个工作波数范围的光谱图，只需对所希望的波段内的每一个波数反复按解调方程进行傅里叶变换运算就行了。四四实验装置：实验装置：(一)、仪器结构XGF-1
3、XGF-1型傅里叶变换光谱仪的总体结构如图 1 所示。仪器的外形示意图见图 2，3 所示。仪器配套实验台，各分部件安装于实验台上，实验台结实平稳，满足精度光学实验的要求。1.内置光源选用溴钨灯（12 V 30w）,待测光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。干涉光经平面镜12 转向后进入接收器 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。2.系统内置的参考光源为He-Ne 激光器，利用其突出的单色性
4、对其它光源的干涉图进行位移校正，有效的修正了扫描过程中由于电机速度变化造成的位移误差。3.在这套实验装置中留有测量外光源的功能，外置光源可以由用户自行配置，当使用外置光源时只需将光源转换镜拨至“其它光源”位置后关闭钨灯电源即可。4.在实际的仪器中，光源都不可能是理想的点光源，为了保证有一定的信号强度，实际上要采用具有必要尺寸的扩展光源，但光源尺寸过大会造成仪器分辨率下降，复原光谱波数偏移等问题。所以使用扩展光源要保证以下 3 点：1、不明显影响仪器分辨率指标；2、扩展光源尺寸必须保证光谱的波数偏移值在仪器波数精度允许范围内；3、干涉文的对比度仍能达到良好状态。在此傅里叶变换光谱实验装置中，具备
5、一套光阑转换系统，经过严格计算，提供有8 档光栏可供选择。在实验过程中，根据待测光源辐射光的强度去选择合适的光阑即可。图 1.XGF-1XGF-1型傅里叶变换光谱仪的总体结构图 2.XGF-1XGF-1型傅里叶变换光谱仪外观图 3.XGF-1XGF-1型傅里叶变换光谱仪外观（二）（二）.XGF-1.XGF-1 型傅里叶变换光谱实验装置光路调整型傅里叶变换光谱实验装置光路调整傅里叶变换光谱对实验装置的光路系统要求十分严格，在运行一段时间以后，特别是在受到一些意外振动以后，其中的某些部分可能出现磨损、松动的情况。这样实验中可能在采集干涉图时会有一些不正常的情况出现，比如干涉图的干涉幅度过小、干涉图
6、中有意外的调刺出现、干涉图出现不规则的能量起伏等情况。可按下列方法进行调整。在仪器受到严重振荡后导致仪器光路受到破坏，按照方法 1 进行调整；如果仪器运行一段时间后，出现上述情况可按照方法 2 进行调整。1.1.光路调整方法光路调整方法 1 1：1.1 调整所需工具：1.十字改锥2.M4 内六方扳手 3.扩束镜 4.光靶1.2.准备工作1.确认实验装置的电源已经关闭2.分别拆下实验装置左右两侧面的螺钉、外光源入口和换灯手钮后，就可以将实验装置的上盖揭开。除下上盖时要小心提起，注意操作面板下有电路接头。小心地摘下接头后，将上盖移走。移走上盖后，再卸下罩在光路上的观察窗，此时整个光路部分就呈现出来
7、了。1.3.傅里叶变换光谱实验装置光路图1-外置光源 2-内置光源（溴钨灯）3-可变光阑4-M3 目镜5-M2 平反镜 6-精密平移台7-慢速电机8-M4 动镜 9-分束板 10-补偿板 11-M5定镜 12-M6 会聚镜 13-接收器 114-参考光源（He-Ne 激光器）15-M8 半透半反镜 16-M7 45 平反镜17-接收器 218-M1 转镜机构1.4 光路调整：迈克尔孙干涉仪的调整：第一步、先将4 部分拆除移走，将14（参考光源）放置到原来4 的位置，调整激光方向使光点依次通过底板上的定位孔的垂直位置入射到定镜的中心位置，其光路中心高 50mm，这一步完成后激光部分固定。第二步、
8、调整动镜和定镜的位置，分别让它们的反射光能够顺利进入17。第三步、调节干涉仪的干涉，这一步具体操作细节可参照迈克尔孙干涉仪调整，最终使干涉仪的出射光的干涉中心进入 14第四步、粗略寻找光程差零点，按照使干涉环收缩的方向手动旋转6 后的蜗轮。观察干涉条纹的变化情况，当接近光程差零点的时候干涉条纹将会变的非常粗，并且形状变的不规则。当完成这一步后，暂停操作，进行下面的操作。主光路调整：第一步：将激光器拆除后安装回其原来；将M3 目镜部分装回 4 位置。第二步：在仪器的外光源入口处放置，依次调整 18（M1)、5(M2 平反镜)、4(M3 目镜)的位置，使外光源的入射光依次通过各镜片的中心并最终进入
9、13（接收器 1），光路中心保持在 68mm。第三步：保持其它已调整过的镜组位置不变，移开外置光源。点亮2（溴钨灯），切换转镜。调节溴钨灯的位置是溴钨灯的出射光沿已定的光路进入到接收器1，依然保持光路中心高度为68mm。第四步：精确寻找光程差零点。在完成以上步骤后，分别顺时针或逆时针旋转传动机构的蜗杆部分当在接收器 1 的靶面上将会观察到彩色条纹的变化时，说明已经较为精确的寻找到光程差零点了。第五步：调节检零片刀合适位置，这个位置是，当加上电机带动精密平移台运动时，检零片从检零板的检零位置脱出后 20 秒内，在接收器 1 的靶面上将会观察到彩色条纹变化。下面是得到的溴钨灯的干涉图部分。从图中可
10、以看出，当采集开始后 15 秒时，接收器 1 的靶面上出现了彩色条纹的变化，反映到电脑采集的干涉图里即为能量的起伏变化。达到以上要求，则可认为主光路的调整结束。参考光路调整：第一步，调整激光器的出射光方向，使其出射光入射的16 的中心位置，保持光路中心50mm。第二步，依次调整 16，15。使曹靠广进入迈克尔孙干涉仪中，反射后再透过 15 进入到 17 的接收中心。并始终保持光路中心高为50mm。光路部分调整完毕。2.2.光路调整方法二：光路调整方法二：第一步、打开实验装置的上盖后，确定精密平移台后面的检零部分处于检零状态卸下传动皮带，打开总电源开关，将光靶放置在接收器1 的前面，会看到光靶上
11、有参考光源（He-Ne 激光器）产生的红色干涉斑。缓慢转动传动部分的皮带轮，干涉斑上将会有暗条纹滑过。这种现象说明干涉现象存在，但干涉的振幅太小。可以缓慢的调节动镜和定镜背后的调节螺钉，直至转动皮带轮的时候光斑呈现整体的明暗变化为止。这说明已经较准迈克尔孙干涉仪了。第二步：精确寻找令光程差点，打开溴钨灯的电源开关，点亮溴钨灯，使其辐射光进入干涉仪，在会聚镜前放置光靶。分别顺时针或逆时针缓慢转动传动部分的皮带轮，当在光靶上观察到彩色条纹的变化时，说明已经较为精确的寻到光程差零点了。如果彩色条纹不够清晰或彩色条纹很细。可以再次微调动镜和定镜后面的调节螺钉进行调整。第三步：调节检零片到合适位置，这个
12、位置是，当加砂锅内电机带动精密平移台运动时，检零片从检零板的检零位置脱出后 20 秒内，在接收器 1 的靶面上将会观察到彩色条纹变化。以采集溴钨灯干涉图为例，将得到如下图所示的溴钨灯的干涉图部分，从图中可以看出，当采集开始后15 秒时，接收器 1 的靶面上出现了彩色条纹的变化，反映到电脑采集的干涉图里即为能量的起伏变化。达到以上要求，则可认为主光路的调整结束。五五实验步骤及注意事项实验步骤及注意事项打开实验装置和待测光源的电源，预热15 分钟。第一步：从“开始/程序”中运行实验装置的应用软件。当进入系统后仪器初始化。第二步：打开下拉菜单命令，进行采集前的参数设置工作。在“采集时间”栏中，设置此
13、次采集的采集时间。采集时间的确定直接影响到最终傅立叶变换得到的光谱图，设定的采集时间越长则得到的光谱图的分辨率越高。例如钠光灯的钠双线波长分别为589.0 和 589.6nm，由于两条谱线之间的距离只有0.6nm，要求变换出的光谱具有优于0.6nm 的分辨率，则我们在采集时间设置上就要大于7min。当然对于谱线分布情况未知的待测光源就要设定较为长一点的采集时间。在“待测光源放大倍数”一栏中，有四个放大倍数档，分别为 x1、x2、x4、x8、x16 四档。可以根据待测光源的强弱选择合适的放大倍数。同时还可以和实验装置上的光栏选择配合使用。如：对于辐射能量较强的光源，如果选择最小的放大倍数，采集出
14、的干涉图能量仍然太大而溢出的话，就可以将实验装置的光栏直径减小一些。第三步：单击工具栏上的“开始采集”按钮。系统将执行采集命令，并将采集到的干涉数据在工作区中绘制成干涉图。第四步：在采集工作完成后，系统将自行指挥扫描机构回复到“零光程差点”位置（注意，在这个过程中请不要强行退出软件或断电！），在系统执行上述操作过程中，可以进行下一步操作。第五步：单击工具栏上的“傅氏变换”按钮，将采集到的干涉图进行变换。第六步：扫描机构回复到“零光程差点”位置之前，工具栏上的“开始采集”、“参数设置”、和“退出”三个按钮呈现灰度显示，这几项工作被禁止。等待扫描机构回复以后，才可以进行下一次扫描。完成上述操作步骤后，本次实验就结束了，可以选择继续进行下一次扫描或者退出，在退出应用程序之前，请将未保存的有用数据进行存储。六六 以下是钠灯和低压汞灯的干涉图及光谱图以下是钠灯和低压汞灯的干涉图及光谱图