第六章红外辐射测量仪器及基本参数测量_红外物理

第六章 红外辐射测量仪器及基 本参数测量
教学目的：使学生了解红外辐射测量中常用的基本仪器 设备及其工作原理，并掌握红外基本辐射量、发射率、 反射比、红外吸收比和透射比的测量方法。
❖ 教学方法：面授
❖ 教学手段：结合实验. 现场演示
❖ 学时分配：8
❖ 重点、难点：掌握红外辐射基本参数．
❖ 作业布置：无
❖ （2）由实验测定光程差x=0时的I(0)； ❖ （3）将[I(x)－I(0)/2]代入方程，对于选定的
频率ν计算出积分； ❖ （4）对于每一频率完成方程的积分，即可
得到S(ν)与ν的光谱曲线图。下优点。
❖ 1）扫描时间短，信噪比高 ❖ 2）光通量大 ❖ 3）具有很高的波数准确度 ❖ 4）具有较高的和恒定的分辨能力 ❖ 5）具有很宽的光谱范围和极低的杂质辐射
若定义仪器的光谱辐射亮度响应度RL(λ)为，则
❖
RL ( )
V ( ) Le ( )
（6-7）
❖ 其入中瞳V处(λ的)为被在测波光长谱λ辐处射仪亮器度的。光借谱助输此出关电系压式；，Le可(λ)以为
写出在λ1～λ2波段内的响应度为
❖
R b dn
d
（6-2）
❖ 图6-2所示为一种具有三角形线槽的反射式 平面衍射光栅，称为闪耀光栅。闪耀光栅 每个缝的平面和光栅平面之间有一个角度θ， 每个缝对入射光产生衍射作用。
图6-2 闪耀光栅的横剖面图
❖ 闪耀光栅主极大的位置服从光栅方程式
❖
m b(sin i sin )
（6-3）
❖ m为衍射级次级，m=0，±1，±2，…b为光栅常 数；i为入射角；φ为衍射角。
图6-7 红外分光光度计光路图
❖ 典型的双光束电学平衡式红外光谱仪的光学系统， 如图6-8所示。
❖
❖
❖
图6-8 双光束电学平衡式红外光谱仪的光学系统
❖ 4. 傅里叶变换红外光谱仪 ❖ 功能：是使光源发出的光分为两束后造成
一定的光程差，再使之复合以产生干涉， 所得到的干涉图函数包含了光源的全部频 率和强度信息。用计算机将干涉图函数进 行傅里叶变换，就可计算出原来光源的强 度按频率的分布。如果在复合光束中放置 一个能吸收红外辐射的试样，由所测得的 干涉图函数经过傅里叶变换后与未放试样 时光源的强度按频率分布之比值，即可得 到试样的吸收光谱。
❖ 辅导安排：无
❖ 教学内容：如下
❖ 本章主要介绍红外辐射测量中常用的基本设备。同时讨 论红外辐射基本参数，如发射率、反射比以及吸收与透 射光谱的测量原理和方法。
6.1 红外辐射测量仪器
1. 单色仪 ❖ 定义：单色仪是利用分光元件（棱镜或光栅）从
复杂辐射中获得紫 外、可见和红外光谱且具有一定单色程度光束的 仪器。 ❖ 组成：由狭缝、准直镜和分光元件按一定排列方 式组合而成。 ❖ 应用：单色仪作为独立的仪器使用时，可用于物 体的发射、吸收、反射和透射特性的分光辐射测 量和光谱研究，也可用于各种探测器的光谱响应 测量。若把单色仪与其他体系组合在一起，则可 构成各种光谱测量仪器，如红外光谱辐射计和红 外分光光度计等。
❖ 将式（6-3）对λ微分即可求出交色散率dφ/dλ为
❖
d d
m
b cos
（6-4）
❖ 光栅的分辨本领R也具有式（6-2）的形式， 即
❖
R W d
（6-5）
d
❖ 式中W是有效孔径宽度，W=bNcosφ，其中b是一 条划线的宽度，N是划线总数，φ是衍射角。将式 （6-4）代入上式得
❖
R mN
（6-6）
❖
图6-1 棱镜对单色光的折射
❖ 早期的单色仪多采用棱镜作为色散元件．如图6-1
❖ 角色散为
❖
d 2sin A 2 • dn
d 1 n2 sin 2 A 2 1 2 d
（6-1）
❖ 棱镜的材料和形状最终决定了棱镜的分辨本领。
❖ 分辨本领是指分离开两条邻近谱线的能力．
❖ 则其理论分辨本领R即：
❖
图6-3 反射式单色仪光路系统略图
❖ 2. 光谱辐射计 ❖ 定义和组成：光谱辐射计是在窄光谱区间
测量光谱辐射通量的装置。辐射计是在宽 光谱区间测量辐射通量的装置。
图6-4 辐射计原理
❖ 图6-5给出了光谱辐射计的结构示意图。光 谱辐射计主要由两个部分组成：产生窄谱 带辐射的单色仪和测量此辐射通量的辐射 计。
❖ 组成：迈克尔逊干涉仪和计算机组成。迈 克尔逊干涉仪主要的。
❖ 傅里叶变换红外光谱仪由以下四部分组成。 ❖ （1）光源 ❖ （2）分束器 ❖ （3）探测器 ❖ （4）数据处理系统
图6-9 迈克耳逊干涉仪工作原理
❖ 由傅里叶变换红外光谱仪获得所需光谱， 一般必须遵循如下步骤：
❖ （1）当干涉仪动镜M1随时间作匀速移动时， 记录相应的信号，测出I(x)值（等间隔取 样）；
图6-5 光谱辐射计的结构示意图
❖ 3. 红外分光光度计
❖ 定义和组成：红外分光光度计也称红外光谱仪， 是进行红外光谱测量的基本设备，结构如图6-6所 示。主要由辐射源、单色仪、探测器、电子放大 器和自动记录系统等构成
图6-6 色散型双光束红外分光光度计结构方框图
❖ 分类：红外分光光度计根据其结构特征可分为单 光束分光光度计和双光束分光光度计两种。在全 自动快速光谱分析中，多采用双光束分光光度计， 双光束分光光度计又有不同结构及工作原理，最 常见的是双光束光学自动平衡系统和双光束电学 平衡系统。
❖ 5. 多通道光谱仪
❖ 多通道光谱仪与单色仪的相同之处在于均 采用棱镜或光栅作为色散元件，与单色仪 的不同之处在于能同时在很多波长的通道 内收集色散能量。
图6-10 多通道光谱仪的基本结构
6.2 基本辐射量的测量
❖ 1. 辐射亮度的测量
❖ 假定用下角标“s”表示与标准辐射源有关的量，而
下角标“x”表示与待测辐射源有关的量。很显然，
❖ 由式（6-6）可知，光栅的分辨本领与划线总数N
和光谱的级数m成正比。
❖ 单色仪的工作原理可用图6-3所示的反射式单色仪 光路系统加以说明。来自辐射源的辐射束穿过入 射行棱狭光镜P缝 束，S投1于后射是，到被经平分抛面解物反为面射不准镜同直M折2反，射射再角镜被的M反单1反射色射进平变入行成色光平散束， 经S2输另出一。抛色物散面棱反镜射P镜与M平3反面射反，射并镜聚M焦2的于出射狭缝