第2卷第3 物理学进展 Vol.2,No.3 1982年9月 PROGRESS IN PHYSICS Sept.1982 傅里叶变换光谱学 一引论和进展 洗学釉 提要 本文阔述了，里叶变换光潘学的基本原塑和墓论，评迷了近年来这一剑城中的若干重罗 进最，目前傅里叶变换光语学方法已发展成为从亚老米被到红外基至近红外区域最熏婴最有 力的光谱苹手段并广泛用于科半研究、工业检测、空间开和环境监护等各方面。非对粉 里叶安换光，双里光方法。得更叶变换处运外和污红水波段的 里叶光谱力法，以及傳里叶光潜方法和其他技术蜡合等方面仍在继续研究 一、引言 傅里叶光谱方法，利用干涉图和光诺围之榈的对应关系，通过测量干涉图和对干涉 图进行博里叶积分变换的方法来测定和研究光誉国。和传统的色散型光渍仪相比 里叶光谱仪可以理解为以某种数学方式对光谱信泉进行编码的请仅，它能同时测量 记录所有谱元的讯号，并以更高的效率采集来自光源的抓射能量， 从面使它具有比传色 光谱仅高得多的讯噪比和分辩率，成为目前缸外和远红外被段中最有力的光请工具。它 的开发、研究和应用已经形成了光谱学的一个独立分支一簿里叶变换光谱学、或称干 步光谱学。 早在上一世纪未，迈克尔逊发明了以他的名字命名的干涉仪，它可以方便而精确 地威变和控制两相干光束间的光程差。迈克尔进还认识到，从他的干带仅的干涉条故。 有可能导出某些光请停息。他据此推测，氢原子光谱的巴尔末红找是一条双缺，而不是 时是任何其他实验方法所无法分辨的。 涉仅产生的于涉条纹一称之为干涉图，可以通过傅里叶积 暴射光谱联系起来。 等人 在本能安 用双束干涉仪首次实现了干涉图的准确的实验测量。 他门地普据假定 算了干涉图并和实骏测得的干涉图相比较。 尽管如此，傅里 学的真正突骏和开发乃悬50年代以来的事情。一九四九 年，F第一次真正从干涉图进行里 积分变换数值计算获得光津国。Feg
276 物理学进展 2港 的主要贡献还在于他首先指出，采用干涉方法测量光谱的主要优点是同时接收和测量来 白所有光谱须率的讯号。因面在保持同样讯噪比、分辩率情况下可大大减少测量时间， 或者在维持同样测量时间的条件下可以获得比色散型光谱仪高得多的讯噪比。干涉光谱 学方法的 优点，借用无线电测量的术语，称之为多道优点。干涉光谱学方法的另 一基本优点，所调高通量优点（其物理内容将在以后论述）也是在0年代初期由a©qu- not首先认识到的。 在Fellgetti和Jacquinot提出了傅里叶变换光谱方法的基本优点以后，J,D.Strong名 和他的合作者H,A.Gebbie,E.V.Loewenstein和G.Vanasse7,在开发这一光谱方 法方面作出了 重要贡献。他们实验证明，上述指出的干涉光谱学方法的基本优点是可以 实现的。他们研制的傅里叶变换光谱仪获得了良好 的分辨率和讯噪比。除此而外，他们] 还首先发展了用于远红外和亚毫米被段的片状光栅型干涉仪 L.Genzel等人"也同 时地发展了这种亚毫米波段的片状光栅型干涉仪，并以周期性快扫描模式工作。 Jacquinot的学生P.Connest和J.Connesa夫妇在发展近红外傅里叶光谱方法，傅里叶 变换数据处理和用于天文观测方面作出了直要献。1.C0:还在60年代初期总结和 阐述了傅里叶光谱方法的主要 论问超， 傅里叶变换光谱学方法的另一个决定性的突破发生在60年代中期，即所谓快速里 叶变换算法(FFT)的发现和推广，1“。采用常规的傅里叶变换运算，即使是大型的裂 字电子计算机也需要几小时才能完成一个较高分辨率的变换光谱的运算，这就大大限制 T博里叶变换光谱学方法的使用花围。而采用Cooley-Tuk@y发现的快速里叶变换算 法，几分钟就能完成原来需要几小时才能完成的变换运算。而计算一个较低分辨率的光 谱，苍至只器婴几秒钟的时间。 自从那时以来，傅里叶变换光谱学方法又有T许多新的进展。L,Mertzt首先利用金 属网格的起偏特性研制成了第一架在红外和远红外波段工作的偏振干涉仪。他的思 想被D,H,Martin和3.PuplIet发展成很有用的偏振博里叶变换光谱方法， J.E.Chamberlain, ,H,A.Gebbie ur和E.E.Bell及R,Sanderson 和”各自独立地发展了不对称博里叶变换光 方法 或称之为色散傅里叶变换光谱方 法。采用这种光谱方法，不著任何物理或化学模型，也不必引用Kramers-Kro, 通过不对称干涉图的测量和傅里叶复变换，即可直接测得气体、液体或固体材料的复折 射事谱。这是傅里叶光谱方法的独特贡献之一。 如何在里叶变 光谱方法中引人双光束技术是长期以来人门关心的问露，因为这 是获得比谱和差谱的必需途径，同时尚能带来若干其他优点。 Dowling1首先用波的 方法在片状光需型博里叶变换光请仪的基础上实现了双光束比谱和差谱。 后来人们积 到迈克尔逊干涉仪事实上存在着相位互补的两束输出干涉束，并由此发展了双光束光学 补隆型的停里叶变换光谱方法。这方面的工作可以提到的有P.Griffiths,L.Gen 和作者等人近来的工作】 最后应当提到的自然还有L,Mertz写引入的干涉困快速扫指技术和H,Yoshinaga 等人“最先在博里叶变换光谱仪中采用专用机数据处理技术。 所有上述这些西献以及其他大量在引言中无法提及的工作使得傅里叶变换光谱学方
3期 传里卧叶变换光谱孝 277 法如今不仅已经成为红外、远红外、亚套米波段以至近红外波段最有效的光诺方法而厂 泛用于物理、化学、生物和医药的基本研究和检测，天文魂测，各种工业生产过程 气环境污染状况的检测与控制，接同位素分析和等离子休热核反应温度测量等各种方 面，面且在价格、使用方便等方面也日趋与传统的色散型光谱装置相近。 目韵， 各种红外和远红外激光光谱方法也正在发展之中，可以预期，即使在各种激 光光谱方法广泛发展之后，傅里叶变换光谱学方法也会因其独特之处而毯续发展和被广 泛应用。 二、傅里叶变换光谱学的基本原理和理论 1.干涉仪和干涉图 傅里叶变换光谱仪通过对双束干涉仪产生的干涉图的牌里叶变换数值计算来测定光 诎图。迄今为止，在德里叶变换红外光谱仪中，已经发和使用着多种干涉仪。图1给 出几种有代表性的干涉仅的示意图5~，其中图1一b是最简单的迈克尔逊干涉仪。其 他各种形式的干涉仪，尽管在绪构上可以与迈正干涉仪很不相 但它们的 所涉及的干涉围的基本理论是 (的。 我们可以通过迈氏干涉仪产生的干涉图的定量分 析来丽明律里叶变换光谱学的基本原理 如图1-b所示，设有-一振幅为、波数为”的理想准直单色光束投射到无损耗分束 片BS上，分束片振幅反射比为r,透射比为，它使这一辐射束分裂为振幅为r的反射束 和振幅为和的透射束。这两束辐射经固定镜M,和可移动镜M,反射后又回到分束片，并 第二次经过分束片形成两束相干光束，其中 束落回光湖 另一束沿与输入射垂直的 方向传箱并被探测器D所接收。探剥器接收的讯号据幅为： A=rfa(1+e (1) 讯号强度为 ID(x,)=Ap-Ap*=2RTB()(1+cos6) (2) 式中R,T分别为分束片的反射比和透射比，B,()是输入光束强度，B()=a', 是来自厨定镜和动镜的两光束间的相位差， =2+7=2x卫￥ (3) 式中剪是被数，老是光积若 式(2)表示，探测器接收到的讯号强度是人光束强度和两光束间光程差的函数， 如图2-ā所示，为一沿光程差方向无限扩展的余弦函数。这就是通想准直的单色辄射通 过干涉仪形成的干涉图。图2~b到2-©还给出其他几种简单谱线，有一定线克的谱战或 窄光清指通过干涉仪后形成的干涉图。 为求得一般情况下，即输入辐射具有任卷光谱分布情况下的干涉图，我们可以
d 图1几种红外和亚老米被常用的干移仪的示意图。(@)片状光：型干涉仪，SL,SL:分 别为输入和输出获维：(6)通常的迈克尔逊干涉仪，M,M为平面第，（⊙）迈克尔进干涉仪 的一种变型，M,与M:为反特反射篱，(d)偏授干沙仪，M,M为角反射疆，P,P为 偏发片，(e)Czeray-Turm8r型干涉仪，适用于双束德里叶变换光谱仪。 想，式(2)所表达的单色辐射为一具有无限线宽d的谱元，因而式(2)可政写为 dIn(x,)=2RTB()(1+cos2x)d 对所有波数积分，则得 ID(x)=dIn(x,)=2RTB ()(1+cos2mx)d (4) 式(4)即一般情况下的干涉国表达式。一般情况下的干涉图大致如图(3)所示。由图 (3)及式(4)可知 当x=0时， ID(0)=4RTB.()d (5) 当 ∞时，由于余弦函数的振荡性质，式(4)中包含余弦函数的这一溪的积分必 趋于零，干是有：
薄里叶变换光谱学 279 WNW L w秀- o 4W 郴 e人粉 光清国 几种简单#线光遣带对应的手违图，。湖准直单色无夏窄线的于涉围，)无显 矩形光谱带对应的干涉图，（®）具有罗 的双的十 光谱港数窄，干涉图上的调制延伸得 图3 10一5厘米~：波数范医内，高压水银灯辐射通过干涉仪时形成的干涉图。干涉仪系统未抽 空，因而干涉国中包含了水燕汽旋转提动吸收清线的效应。 Ip(co)=2RTB()d=(0) (6) 式(6)告诉我们，调制充分的干涉图，其干涉主极大值应接近于I(∞)的2倍，这是 一个对实验来说十分重要的结论 ,它是判断于 涉仅工作情况的依据。I(c©)也代表了干 涉图的平均植，或被叫作干涉图的直流成分，这样我们可以说，干涉图是一个相对于不