远红外光谱及其应用
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CWMisnc一K5Tholl一eall(lJAWhecle了G,二vi一ationSanFranoi。oF。、a(1973)11Shapirootal尸力万R。,Lettr、20(IC68)1265;ibid26(1971)1132JDAndersoneta!ProeConf01一ExpTes
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GIavTlloor(1071):JDAliderso一1etalAt犷o夕1夕:J20(1975)221
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TheoryofFieldsPe一又axnorPress(1975)2358温伯格引力论和宇宙论科学出版社(1980)230-
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将方程(19)的右边减去方程(2)的右边剩余的项定义为相对论延迟显然这种定义与shaPiro
的也不同
通过上面的讨论我们想要说明所谓“相
对论的时间延迟”效应是与长度定义有关的雷达回波实验不可能确定哪一种定义更合理事实上广义相对论的其它三个验证同样不能雷达回波实验只能告诉我们:观测结果与广义
相
对论的预言相符而与牛顿理论矛盾
参考文献[1]11ShapiroPh,5Re二Letters13(1964)
7
89
远红外吴述尧光谱及其应用李从周(中国科学院物理研究所)
在电磁波谱中红外辐射是介于可见光和微波之间的电磁辐射由于红外辐射的功率密度随波长的增加而急剧下降对于不同波长的处理方法又有差别一般分为近中远三个区域远红外是较长波长的一侧从微波延伸的
观点,又称同一区域为亚毫米波波长范围约为20产m一lmm(或用波数表示为500一loem一)这是在红外区域中能量最弱处理最困难开拓最晚的一个波段一远红外光谱的发展概况式在同一时期还利用衍射光栅做色散元件观察了Cq水蒸气分子等的纯转动吸收谱2光栅光谱仪在1925一1960年期间〔2,发展了以大面积平面衍射光栅为色散元件,配用多种滤波器以消除短波的高级衍射束迭加的光栅光谱仪图
1是光栅光谱仪的光路图由图1可见衍射
光栅是光栅光谱仪的核心部分图2是衍射光栅结构示意图衍射束满足布拉格方程(也称
光栅方程)dsin夕一以d表示光栅常数夕
表示衍射角n表示衍射级光栅的刻痕要具
MM样品室咋1远红外光谱的早期研究
远红外光谱的研究工作是从Rubens[1J教授领导的实验室开始的从1889一1922年几
乎全部关于远红外光谱的工作都是这个实验室发表的主要内容包括:在较长的波长(约
20产m左右)下测量石英晶体NaC
IKBr等
离
子晶体的折射率发现了剩余辐射这些材料已成为远红外光谱中消除不需要的辐射的反射
滤波材料;开始使用高压汞灯做远红外辐射源;在长波一侧最早验证了普朗克黑体辐射经验公
MD
M,
>R
Z
图1光栅光谱仪的光路图
L—光源:M—反射镜:Re反射滤波器:
CH—斩波器:T—透射滤波器:S
—狭缝言
G一衍射光栅;l关seese探测器
物理J:访声
图2衍射光栅的原理
有严格的周期性闪耀角夸的选择可以保证衍射束具有最大的强度一般杏选在15“一30之间但是,由于(l)红外辐射的功率密度B。)o=又一,,比如波长从l产m增加到100那:n功率密度降低约10‘倍对长波而言,源本身的强度是非常弱的;(2)从光栅方程dsin夕~。几可以看到短波的高级衍射束重迭在所需波长的衍射束上,比如刀2的二级衍射重迭在又的一级衍射上在远红外波段这些高级衍射束是不能忽略的为此在光束到达衍射光栅之前采用反射和透射滤波器把短波滤去但这样也使长波辐射受到损失;(3)决定光栅光谱仪分辨率的狭缝约为几个毫米此缝大大限制了进人谱仪的辐射能量因此光栅光谱仪要求使用高灵敏的探测器弥补上述损失早期的光栅光谱仪使用热电堆做探测器,这种探钡吐器响应慢灵敏度低,所以用这种谱仪在当时并没有观察到理论上预言的NH3分子纯转动谱中的双峰1947年高莱发明了气动探测器—高莱管其室温探测率达到了理论值波长响应从可见光到毫米波,响应时间约为15ms灵敏度比热电堆高约10倍,响应时间也快了一倍因此,高莱管的出现促使了光栅光谱仪的商品化在六十年代初又出现了基于人射束引起的温度变化在铁电材料的表面之间感应电势差的热释电探测器它由热电系数高的铁电晶体和高阻抗低噪声的场效应晶体管前置放大器匹配而成尽管室温灵敏度尚不及高莱管由于它结构简单制做方便和响应时间更短等优点已经在光栅光谱仪傅里叶变换谱仪x射线谱仪激光光谱仗中广泛使用有取代价格昂贵的高莱管的趋势光栅光谱仪有单光束和双光束两种双光束的谱仪结构复杂但能消除由于光源放大器和探测器等的不稳定引人的误差为避免大气中水蒸气吸收的影响谱仪系统或者抽真空或者充干燥空气较好的光栅光谱仪分辨率优于Icm一,用这样的光栅光谱仪证明了理论上预言的NH3纯转动谱的双峰[21测定了全部水蒸气的吸收谱3傅里叶变换诺仪傅里叶变换谱仪‘3“]是利用干涉仪产生干涉条纹并通过傅里叶变换的数学处理获得谱线的方法当由同一光源来的两束射线I:和几
重新组合的时候合成束流I一
1
1+八+12
1:表示两束的干涉效果对于单色相干源和
平行束112~2(1112)‘左cosa占代表两束的相位差如果8是由于真空中的光程差引起那么占一2侧口ox。。代表辐射束的波数,x代
表光程差当11一I:时I(二)一2jl(l+cosZ彩口
0x)
定义为干涉函数对于谱元密度为B(。)的辐射源,
I(:)一2召(。)(l+eosZ,。x)汀
。
~2B(口)
而
的08
0
‘.
+2{
了B(
。,一,。·“,
~I+I(二)
上式中假定只有正频率若
B(。).
如果定义B(。)为偶函数间有更简单的关系,即口<0力}5么0谱线与干涉函数之
B(,,一合〔B(,,+B(
一‘
,,
与劣有关的部分为
‘(‘)一2}。丑(“)cos“‘xd
‘
一}竺。(
。)。。52,,:汀,
这就是傅里叶变换谱仪的基本方程所需要的谱线为干涉函数的傅里叶逆变换:
10卷9期*(。)
一!
士二
一{二二
l(劝。刁”“dx
I(二)e
osZ而xdx
实际上,上述步骤并不完善因为谱仪的光程差为有限值L这并不完全符合傅里叶变换的条件为此根据需要引人截尾函数例如取宽度为ZL的矩形函数:
甲、/x、口
,、x,一re“‘
戈兀
)
一飞。
x】
(L
xl>L
图4Lmell光栅干涉仪原理
这样,我们所要求的谱元分布为。(,卜
{
二二
,(·)T(·)一’‘二
根据卷积定理:中(fg)~少(j)*中(g)中代表傅里叶
变换则
B(厅)~B(子)*t(厅)其中
八叼
一
j~
吏、劣少亡
一“
二
定义为仪器函数以上步骤称为变迹法在傅里叶变换谱仪中使用的干涉仪有两种:(l)Miehelson干涉仪其简单原理见图3由光源来的辐射束经分束器分成相等的两部分透射的部分经固定镜反射回来反射的部分经可动镜反射回来两束重新汇合后进人探测器(2)Lamelar光栅干涉仪如图4所示Lamelar光栅由两组相间的条纹刻面组成其中一组是可动的通过波前分裂得到具有光程差的干涉束这种干涉仪的结构复杂但在低固定镜可动镜D介探测器器口D十奇」光源源八图3Mhl干涉仪的原理图波数(长波)的性能优于Michelson干涉仪由这种干涉仪组成的谱仪的测量范围约在3一80cm一1自从五十年代初提出了多路传输的优点之后随着电子计算机的迅速发展,傅里叶变换谱仪作为一种重要的工具在化学物理学和天文学等领域广泛使用着与光栅光谱仪比较其主要优点是:(l)波长覆盖范围宽,可以从中红外到远红外;(2)分辨率高一般来说都高于0Icm一并且在整个波段保持恒定的分辨
率;(3)信噪比高对于包含N个谱元的信号由于利用了多路传输优点使信噪比获得Nl招
倍的增益4远红外激光和法布里一拍罗千涉仪
在整个电磁波谱中可见光领域最早实用化近些年来在x射线紫外线微波以及近
红外波段也实现了自由控制唯独远红外区域
属于未发展的领域上面讲到的几种谱仪仍采用辉度低连续谱的硅碳棒和高压汞灯做
光源
效率甚低对于这一领域的开拓不外乎从其
两侧延伸从微波一侧看速调管在Zmm以下强度急剧下降因而不适用作发射源1960
年
出现的返波管可以提高振荡频率,但受固体中
热电子弛豫时间的限制振荡频率充其量达到300GHz(又~lm
m
)
从可见光一侧看发展远
红外激光势在必行1%2年实现了在28产m
振
荡的氦氖激光1970年首次发明了对分子进行
光照射而激励的远红外激光采用气体CH
少
955:‘m的co
激光为光泵获得的远红外激光
波长为496452,541拌m从此以后远红
外
物理
