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Sandbox Physics
物理仪器怎样测量

走进仪器

只量总亮度,怎样分出许多颜色

只量总亮度也能分出颜色,因为移动反射镜会让每种波长按自己的节奏变亮、变暗。把亮度和镜位一起记下来,就能从叠加的节奏找回光谱。红外光谱仪正是这样,用一个探测器读取许多波长。

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让同一种光沿两条路回来

红外光穿过样品,有些波长会变弱。它们常与分子的振动有关,可以帮助辨认材料。眼睛看不见这些波长;这里也借用“颜色”一词,表示不同波长。探测器若只把所有颜色加成一个亮度读数,单看这个数,便不知道少了哪一种光。

迈克耳孙干涉仪给每种颜色添上一个可辨认的节奏。半透半反的分束片把来光分成两束,分别照向两面反射镜。光返回分束片后重新合在一起,再送往探测器。

一路比另一路多走半个波长,两束光的起伏便错开,相加后变弱;多走整整一个波长,又会增强。只要慢慢移动其中一面镜子,探测器就能看到总亮度随镜位起伏。这里每种颜色只与自己分出的另一束光干涉,不同颜色的功率再相加。

来源:[1]

镜子移动四微米,八微米光波走完一轮

光要从分束片走到反射镜,再沿原路回来。镜子远离四微米,光便多走八微米。光程差就是镜位移的两倍。

假设用波长八微米的光。镜子每移动四微米,也就是千分之四毫米,亮度就从一个最大值走到下一个最大值。换成更短的波长,同样一段镜行程里,明暗起伏次数会更多。

两种波长照进来,探测器读到两种起伏的和。波长很接近时,细密起伏外面还会出现一层慢慢变化的包络,像两个相近音调形成的拍频。把记录留得足够长,才能分清这两个接近的节奏。

来源:[1]

许多颜色在零光程差附近一起增强

如果光源含有一大片连续波长,每种波长都留下自己的起伏。两臂光程相等时,它们各自都在相长的位置,总亮度便出现一个突出的中央峰。离开中央,各种起伏很快错开,彼此的亮暗贡献部分抵消。

这样一条“亮度随光程差变化”的曲线,叫干涉图。横轴不能只写成第几个采样点:必须知道镜子每一步到底走了多远,才能判断一种起伏对应哪个波长。光谱里也常用波数,也就是单位长度容纳多少个波长;八微米对应每厘米一千二百五十。

傅里叶变换把总曲线拆成不同快慢的起伏。较快起伏对应短波长,较慢起伏对应长波长;各组大小给出光谱强度。探测器不必跟随红外光场本身的极快振荡,它只须记录镜位改变时的亮度。

实际镜子只能扫过有限距离。突然截断干涉图,会让恢复谱的尖峰旁边出现波纹;逐渐降低边缘采样的权重,可以压低这些旁瓣,却会把恢复谱线的主瓣展宽。这种加权称为切趾。多补几个零能把曲线画得更密,真正分开近邻谱线仍要靠更长的有效光程。

来源:[1][2]

同一条出射光路,先测参考,再测样品

要读吸收,先保存没有样品的参考干涉图,再把样品放进两臂合束后的公共光路,测第二份干涉图。这样,样品会按各波长的透过率削弱整个合束输出。把两份曲线分别恢复成谱,再在参考光足够的波段相除,就得到透过率。

透过率是一段光留下的份额。吸光度则把衰减换成对数刻度:透过一半,对应约零点三零一;透过十分之一,对应一。这个刻度常用于比较吸收带,但尖锐吸收经过有限分辨率展宽后,恢复的带深也会改变。

用 TT 表示由样品谱除以参考谱得到的透过率,AA 表示吸光度,二者关系如下。分母接近噪声时,比值就不可靠;没有照到的波段,也无法凭变换补出样品信息。

校准把这条测量链上的刻度连起来。已知谱线检查波数轴,暗信号和已知光功率检查探测器。样品与参考还要采用相同光路和处理方式。最后那条吸收谱,才是在明确分辨率和照明范围内,样品怎样削弱红外光的回答。

A=−log⁡10TA=-\log_{10}T
透过率是无量纲的强度比,吸光度也是无量纲量。这里比较两份由原始干涉图恢复的谱,结果保留有限窗带来的仪器展宽。

来源:[2][3][4]

来源与延伸阅读

  1. Thermo Fisher Scientific — Advanced FTIR Spectroscopy, CT50845

    核读印刷页4(PDF索引3)第1.1、1.2节:经典迈克耳孙光路、单色和连续谱干涉图、带位移标签的探测及双程光程差。本模型另行推导单输出端归一化,不复现该页所述激光参考硬件。

  2. Shimadzu — Fourier Transform and Apodization

    核读干涉图、傅里叶光谱原理与切趾三节。矩形截断带来旁瓣,三角加权压低旁瓣并加宽中央响应。2026年10月28日核读在线版,页面未列稳定修订号。

  3. NIST — Wavenumber Calibration Tables, Description

    核读波数、星号与光谱说明三节,区分认证线位、混线、积分强度和计算图谱。所链接实验采用明确选定的合成标准,不冒用 NIST 认证分子线表。

  4. NIST — Fourier Transform Infrared Spectroscopy

    核读分子振动及透射、反射、衰减全反射的仪器说明。页面更新于2019年11月15日。本文讨论透射模型。

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