CN109975209A - 用于傅里叶变换光谱仪的衰减全反射装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于傅里叶变换光谱仪的ATR装置，构成包括沿光路方向依次的第一平面反射镜、第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、ATR晶体、第三离轴抛物面反射镜、第四离轴抛物面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜和第四平面反射镜。本发明利用离轴抛物面镜实现光束会聚和光斑大小控制、并通过双离轴抛物面镜相对于ATR晶体对称排布方式提高光谱仪输出光通量利用率，从而保障检测灵敏度和信噪比；本发明具有紧凑易集成特点，并适用于简单的批量生产。本发明在物理、化学、材料、地质、生物医学等领域具有广阔应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光谱分析与光子学领域，特别涉及一种用于傅里叶变换光谱仪的衰减全反射(ATR)装置。
背景技术
傅里叶变换红外(Fourier Transform Infrared,FTIR)光谱仪由宽带光源、干涉仪(通常为迈克尔逊型，其基本构成包括定镜、动镜和分束器)、光检测器、电子控制与反傅里叶变换等部分组成。干涉仪对宽带光进行傅里叶调制，检测器因此记录时变的干涉图信号，干涉图经反傅里叶变换得到光谱。一般FTIR光谱仪在干涉仪输出光与检测器之间会设置样品仓，通过在样品仓内放置适当透射、反射等测试装置并将样品以适当固定，可以很容易地实现透射光谱、反射光谱等测量。因多通道、全通量、高分辨以及特别适用于红外波段的性能特点，FTIR光谱仪在气体、固体、液体样品的痕量高灵敏光谱分析方面具有传统色散型(基于棱镜分光和光栅分光)光谱仪所无法比拟的竞争优势，在电子、化工、生物医学、环境保护、安全检查等领域均有着不断增长的巨大应用需求。
衰减全反射(Attenuated Total Reflectance,以下简称为ATR)作为一种高灵敏光信号测试技术，其核心通常包含光导入部件、ATR晶体、光导出部件。ATR通过测量样品表面的反射信号来提取有效光谱信息，简化了样品制作过程，同时也极大地拓展了光谱法的应用范围，已经被广泛应用于纤维、塑料、涂料、橡胶、粘合剂等高分子材料制品的表面成份分析。
ATR与FTIR光谱仪相结合，发挥二者的优势，就可以在更多场合取得应用、获取更好的光谱测试灵敏度、信噪比和对样品材料性质。理论上，将ATR装置放入FTIR光谱仪样品仓，就可实现ATR光谱测试分析。但是在实际应用中却存在ATR装置与FTIR光谱仪光路匹配、光信号与ATR晶体耦合方式/效率等难点，严重制约了ATR光谱的应用推广和使用效果。对此，已有ATR相关专利公开并未提出有效方案：
US2001/0030288A1公开了在发射器和ATR体之间以及在ART体与二极管行探测器之间具有圆柱形透镜的ATR探针。透镜的引入会因透镜所用材料(比如CaF2,ZnSe等)限制适用的波段范围。未见其与FTIR光谱仪光路匹配与集成描述。
CN101889195A公开了一种ATR探针，通过发射光导组件和接收光导组件分别将非准直的光入射到ATR体和接收通过ATR体后的入射光，其特征在于，用于接收从ATR体出来的光的接收光导组件的面积大于用于将光入射到ATR体内的发射光导组件的面积，以期提升光信号与ATR晶体的耦合效果。但是光导管的作用原理是通过对其中传播的光进行多次反射实现从一端到另一端的传输，这本身就导致光强的严重衰减。以95％的高反射率计，考虑到光管径长比，即便单管10次反射就将导致光信号的40％的损失，更遑论实际反射次数更多、双管以及进出光管的耦合问题。另外。也未见其与FTIR光谱仪集成的相关描述。
CN103398948B公开了一种用于傅里叶变换红外光谱仪的ATR探头，采用大口径内镀红外高反射率膜的中空光管做为光导入部件。其存在和CN101889195A相类似的光信号损失问题。
CN104062009A公开了一种高光通量红外ATR探头，同样采用大口径内镀红外高反射率膜的中空光管做为光导入部件和光导出部件，并利用透镜实施光线会聚。其存在类似CN101889195A和CN103398948B的光信号损失问题，同时还因两个透镜的引入限制了适用波段范围、进一步降低了可用光信号强度。
CN207908347U公开了一种傅里叶变换红外光谱仪ATR反射附件，其特征在于解决传统的ATR反射附件在实验压片时不能准确的知道样品和ATR晶体接触时的压力有多大问题，通过压力表观察压头的压力可以测得样品和ATR晶体接触时的压力大小。但是并没有涉及前述ATR装置与FTIR光谱仪光路匹配、光信号与ATR晶体耦合方式/效率难点。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的因此在于，提供一种用于傅里叶变换光谱仪的ATR装置，该装置易与FTIR光谱仪光路匹配、光信号耦合方式直接效率高、并适用于简单的批量生产。
本发明用于检测介质光学特性的ATR装置，利用离轴抛物面镜实现光束会聚和光斑大小控制、并通过双离轴抛物面镜相对于ATR晶体对称排布方式提高光谱仪输出光通量利用率，从而保障检测灵敏度和信噪比；利用平面反射镜与离轴抛物面镜组合实现与傅里叶变换光谱仪输出光路的优化匹配、利用离轴抛物面镜与三平面反射镜组合实现与傅里叶变换光谱仪检测器光路优化匹配，因此具备了紧凑易集成特点。
本发明在物理、化学、材料、地质、生物医学等领域具有广阔应用前景。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于傅里叶变换光谱仪的紧凑高通量ATR装置，其特点在于：包括入射光匹配模块、ATR反射模块和出射光匹配模块；所述的入射光匹配模块包含第一平面反射镜和第一离轴抛物面反射镜；所述的ATR反射模块包含第二离轴抛物面反射镜、ATR晶体和第三离轴抛物面反射镜；所述的出射光匹配模块包含第四离轴抛物面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜和第四平面反射镜，沿光路方向依次是所述的第一平面反射镜、第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、ATR晶体、第三离轴抛物面反射镜、第四离轴抛物面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜和第四平面反射镜。
通过选择第一离轴抛物面反射镜的通光孔径大小和有效焦距长度，可以实现与不同傅里叶变换光谱仪样品仓内来自干涉仪的光束特征匹配；并经由第一离轴抛物面反射镜将光束准直传输到ATR反射模块的第二离轴抛物面反射镜。
所述的ATR晶体由金刚石、ZnSe或Ge等任一种材料制成，具有三棱柱形状，其水平面为样品测试面、两个侧面分别与第二离轴抛物面反射镜和第三离轴抛物面反射镜相对；第二离轴抛物面反射镜将来自第一离轴抛物面反射镜的准直光会聚到所述的ATR晶体的一个侧面上，经由ATR晶体水平面全反射后由ATR晶体的另一个侧面出射到第三离轴抛物面反射镜上，该光束再经由第三离轴抛物面反射镜准直传输到第四离轴抛物面反射镜。
利用第二离轴抛物面镜实现光束会聚和光斑大小控制，通过第二双离轴抛物面镜和第三离轴抛物面反射镜相对于ATR晶体对称排布方式、以及它们的通光孔径和有效焦距优化设置，提高光谱仪输出光通量的利用率，从而保障光谱检测灵敏度和信噪比。
所述的第四离轴抛物面反射镜将来自第三离轴抛物面反射镜的准直光束会聚、并依次经所述的第二平面反射镜、第三平面反射镜和第四平面反射镜输出到FTIR光谱仪的光检测器。所述的第四离轴抛物面反射镜的通光孔径大小和有效焦距长度的选取保证可与不同傅里叶变换光谱仪检测器光路光束直径及F/#数匹配同时，通过第二平面反射镜、第三平面反射镜和第四平面反射镜实现装置几何尺寸的紧凑化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用平面反射镜与离轴抛物面反射镜组合，避免中空光管作为入射和出射光传导部件所造成的光信号严重损耗；利用离轴抛物面反射镜的光束准直/会聚功能，避免了光学透镜的使用从而消除波段限制。本发明ATR装置具有光通量高、光能损失小、适用波段宽的特点。
2、采用平面反射镜与离轴抛物面反射镜组合的入射光匹配模块，实现与FTIR光谱仪的干涉仪输出光束匹配和非准直-准直转换，保证了与FTIR光谱仪的简易高效集成。既增强ATR装置实用性，也拓展FTIR光谱仪的功能、提升其利用效率。
3、采用双离轴抛物面反射镜与ATR晶体组合的ATR反射模块，实现FTIR光谱仪干涉光束的会聚馈向ATR晶体和耦合ATR晶体出射光并输出准直光束，保证FTIR光谱仪干涉光高效通过ATR的两个侧面，从而最大化提取ATR光信号。既可针对ATR晶体水平面接触样品面积的尺寸需求选择离轴抛物面反射镜通光孔径和有效焦距，也显著提升ATR装置的光通量和ATR光谱检测灵敏度信噪比，因而显著扩大本发明ATR装置的适用样品范围。
4、采用离轴抛物面反射镜与(多)平面反射镜组合的出射光匹配模块，实现与FTIR光谱仪的光检测器光路匹配和准直-非准直转换，既保证与FTIR光谱仪的简易集成和光信号的高效拾取，又显著降低本发明ATR装置的空间尺寸要求，使之适于内置FTIR光谱仪样品仓使用。简化了操作过程，降低了使用难度，因而显著扩大了适用领域，便于简单批量生产。
附图说明
图1给出了本发明用于傅里叶变换光谱仪的紧凑高通量ATR装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1示出本发明用于傅里叶变换光谱仪的紧凑高通量ATR装置的框图。由图可见，本发明用于傅里叶变换光谱仪的紧凑高通量ATR装置，包括入射光匹配模块1、ATR反射模块2和出射光匹配模块3；所述的入射光匹配模块1包含第一平面反射镜M1和第一离轴抛物面反射镜PM2；所述的ATR反射模块2包含第二离轴抛物面反射镜PM3、ATR晶体和第三离轴抛物面反射镜PM4；所述的出射光匹配模块3包含第四离轴抛物面反射镜PM5、第二平面反射镜M6、第三平面反射镜M7和第四平面反射镜M8，沿光路方向依次是所述的第一平面反射镜M1、第一离轴抛物面反射镜PM2、第二离轴抛物面反射镜PM3、ATR晶体ATR0、第三离轴抛物面反射镜PM4、第四离轴抛物面反射镜PM5、第二平面反射镜M6、第三平面反射镜M7和第四平面反射镜M8。
图中，右侧水平向左的箭头表示由FTIR光谱仪的干涉仪出射、照射到平面反射镜M1上的干涉调制非准直光束。
第一平面反射镜M1的位置取向设置保证经由其反射的光束恰好照射到第一离轴抛物面反射镜PM2上、束斑在其上居中分布；第一离轴抛物面反射镜PM2位置取向设置保证由其反射出准直光束恰好照射到第二离轴抛物面反射镜PM3上。
第二离轴抛物面反射镜PM3的位置取向设置保证由第一离轴抛物面反射镜PM2传输来的准直光束经由其反射会聚后照射到ATR晶体ATR0的前侧面、透入晶体照射到晶体水平面，经该面与被测样品之间界面全反射照射到ATR晶体的另一个侧面后出射非准直光。
所述的第三离轴抛物面反射镜PM4的位置取向设置保证由ATR晶体侧面出射的非准直光恰好覆盖其镜面、并经由其反射出准直光束输出到第四离轴抛物面反射镜PM5。
第四离轴抛物面反射镜PM5的位置取向设置保证由ATR模块出射的准直光束恰好覆盖其镜面、并经由其反射出会聚光束输出到第二平面反射镜M6上。
第二平面反射镜M6的取向设置保证经由其反射的光束恰好照射到第三平面反射镜M7上；第三平面反射镜M7的取向设置保证经由其反射的光束恰好照射到第四平面反射镜M8上；第二平面反射镜M6、第三平面反射镜M7和第四平面反射镜M8的位置设定保证第四离轴抛物面反射镜PM5输出的会聚光与FTIR光谱仪的光检测器光路孔径尺寸和F/#数匹配；平第四面反射镜M8的取向设置保证其非准直输出光束如图中左侧水平线箭头所示与来自FTIR光谱仪的干涉调制光束如图中右侧水平线箭头所示共轴。
调整本发明ATR装置的入射光匹配模块1和出射光匹配模块3的平面反射镜尺寸、离轴抛物面反射镜的通光孔径和有效焦距，可与不同通光孔径和/或F/#数的FTIR光谱仪相匹配以便实现本发明ATR装置内置光谱仪样品仓的测试。
改变ATR反射模块2的ATR晶体水平面和两个侧面有效反射/通光面大小、并配合调整离轴抛物面反射镜PM3和PM4的通光孔径与F/#数，可满足不同样品接触面大小和/或ATR信号强度需要。
依据本发明目前优选的构成，所及三个模块的所有平面反射镜和离轴抛物面反射镜均以适当机械支撑方式固定以满足前述各反射镜空间位置的不同要求；依需配备三维调节机构以保证前述各反射镜特定取向的精确设置。
Claims (2)
1.一种用于傅里叶变换光谱仪的ATR装置，其特征在于：包括入射光匹配模块(1)、ATR反射模块(2)和出射光匹配模块(3)；所述的入射光匹配模块(1)包含第一平面反射镜(M1)和第一离轴抛物面反射镜(PM2)；所述的ATR反射模块(2)包含第二离轴抛物面反射镜(PM3)，ATR晶体(ATR0)和第三离轴抛物面反射镜(PM4)；所述的出射光匹配模块(3)包含第四离轴抛物面反射镜(PM5)，第二平面反射镜(M6)、第三平面反射镜(M7)和第四平面反射镜(M8)，沿光路方向依次是所述的第一平面反射镜(M1)、第一离轴抛物面反射镜(PM2)、第二离轴抛物面反射镜(PM3)、ATR晶体(ATR0)、第三离轴抛物面反射镜(PM4)、第四离轴抛物面反射镜(PM5)、第二平面反射镜(M6)、第三平面反射镜(M7)和第四平面反射镜(M8)。
2.根据权利要求1所述的用于傅里叶变换光谱仪的ATR装置，其特征在于：所述的ATR晶体(ATR0)由金刚石、ZnSe或Ge材料制成，具有三棱柱形状，其水平面为样品测试面，测试时，测试样品将置于该水平面上，两个侧面分别与所述的第二离轴抛物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜相对。
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