一种用于傅里叶变换红外光谱仪的衰减全反射测试附件

本发明涉及红外光谱技术，特别涉及一种用于傅里叶变换红外光谱仪的衰减全反射测试附件。

背景技术：

1、傅里叶变换红外(fourier transform infrared，ftir)光谱仪的原理是：红外宽带光源入射到由动镜和定镜构成的迈克尔逊干涉仪上，通过动镜扫描得到的光入射到被测样品后通过检测器得到干涉图，然后经过反傅里叶变换得到光谱图。一般ftir光谱仪的样品仓设置在干涉仪输出光与检测器之间，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。ftir光谱仪具有高分辨率、高准确率以及宽光谱的范围等优势，而被广泛应用于气体、液体、固体的痕量物质检测。目前在化工、生物医学、安全检查、环境保护等领域均有着巨大的应用需求。

2、衰减全反射(attenuated total reflectance，atr)作为一种高灵敏光信号测试技术，显著提高了红外谱检测的精度。对于构建atr晶体的棱镜形状有多种可供选择，其中多以kretschmann半球型棱镜用于研究。半球形棱镜可保证任何角度入射光均与界面垂直，使得进入棱镜后光的传播方向不发生改变，极大的减少了光通量的损失。目前已经被广泛应用于纤维、塑料、涂料、橡胶等高分子材料制品的表面成份分析。

3、atr与ftir光谱仪相结合，发挥二者的优势，就可以扩展应用场合，同时得到极佳的测试灵敏度、信噪比。理论上，只需将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面临以下难题：存在atr装置内部经过多次镜片反射，其主光路在各镜片的入射面不共面，无法通过在atr装置外放置偏振片的方法进行偏振测试、光信号与atr晶体耦合方式/效率低。这严重制约了atr光谱的应用推广和使用效果。

技术实现思路

1、针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种用于傅里叶变换红外光谱仪的衰减全反射测试附件，该附件与ftir光谱仪光路匹配、光信号耦合效率高，并采取对称式结构可进行批量生产。

2、本发明用于检测介质光学特性的atr附件，利用可变光阑控制光斑大小、起偏器进行偏振测试、凸形抛物面反射镜和凹形抛物面反射镜实现光束的平行和会聚，并通过凹凸形抛物面反射镜相对于半球形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；利用凹凸抛物面镜反射镜与半球形atr晶体组合实现与傅里叶变换光谱仪输出光路、检测器光路的优化匹配，因此具备了紧凑易集成特点。

3、本发明在物理、化学、材料、生物医学等领域具有广阔应用前景。

4、本发明的技术解决方案如下：

5、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：包括三维平移调整底座、可变光阑、起偏器、atr集成光路、检偏器；其中atr集成光路设置在三维平移调整底座上；atr集成光路包括关于y方向对称分布的入射光路和出射光路，入射光路、出射光路共用凸形抛物面镜反射镜、凹形抛物面镜反射镜、半球形atr晶体，沿光路方向依次是所述的可变光阑、起偏器、凸形抛物面反射镜、凹形抛物面反射镜、半球形atr晶体、凹形抛物面反射镜、凸形抛物面反射镜、检偏器。

6、通过选择可变光阑的通光孔径大小和起偏器的偏振调节，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。

7、所述的凸形抛物面反射镜将来自光源的发散光束平行。

8、所述的凹形抛物面反射镜将来自凸形抛物面反射镜的准直光束会聚、并依次经所述的半球形atr晶体、凹形抛物面反射镜将来自凸形抛物面反射镜输出到ftir光谱仪的光检测器。所述的凸形抛物面反射镜和凹形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，通过对称式结构分布实现装置几何尺寸的紧凑化。

9、所述的atr晶体由金刚石、znse或ge等任一种材料制成，具有半球形状，其水平面为样品测试面、球面分别与凸形抛物面反射镜和凹形抛物面反射镜相对称；凹形抛物面反射镜将来自凸形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凹形抛物面反射镜上，该光束再经由凸形抛物面反射镜准直传输到检偏器。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

11、采用凸形抛物面反射镜与凹形抛物面反射镜组合，避免中空光管入射和出射光传导部件所造成的光信号严重损耗；利用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附件具有光通量高、光能损失小、适用波段宽的特点。

12、采用凸形抛物面反射镜与凹形抛物面反射镜组合的对称式一体化结构，保证了与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。

13、采用凹形抛物面反射镜与atr晶体组合，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。

14、采用可变光阑控制入射光光斑尺寸，进而控制由凸形抛物面反射镜变成平行光束的光斑尺寸，同时经由凹形抛物面反射镜聚焦至半球形atr晶体的光斑尺寸，灵活调控光通量。

15、采用起偏器和检偏器调控入射光和出射光，可以探索偏振对样品检测的影响。

技术特征：

1.一种用于傅里叶变换红外光谱仪的衰减全反射测试附件，其特征在于：包括三维平移调整底座、可变光阑、起偏器、atr集成光路、检偏器；其中atr集成光路设置在三维平移调整底座上；atr集成光路包括关于y方向对称分布的入射光路和出射光路，入射光路、出射光路共用凸形抛物面镜反射镜（2）、凹形抛物面镜反射镜（3）、半球形atr晶体（4），沿光路方向依次是所述的可变光阑（1）、起偏器（2）、凸形抛物面反射镜（3）、凹形抛物面反射镜（4）、半球形atr晶体（5）、凹形抛物面反射镜（4）、凸形抛物面反射镜（3）、检偏器（6）。

2.根据权利要求1所述的一种用于傅里叶变换红外光谱仪的衰减全反射测试附件，其特征在于：所述的atr晶体（4）由金刚石、znse或ge材料制成，具有半球形，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，球面分别与所述的凸形抛物面反射镜和凹形抛物面反射镜相对称。

技术总结
本发明公开了一种用于傅里叶变换红外光谱仪的ATR测试附件，构成包括沿光路方向依次的可变光阑、起偏器、凸形抛物面反射镜、凹形抛物面反射镜、半球形ATR晶体、凸形抛物面反射镜、凹形抛物面反射镜、检偏器。本发明利用可变光阑控制光斑大小、起偏器进行偏振控制、凹形和凸形抛物面反射镜实现光束的会聚和平行，并通过凹凸形抛物面反射镜相对于半球形ATR对称式排布提高光谱仪输出光通量利用率，从而保障检测灵敏度等。本发明具有广阔应用前景。

技术研发人员：孙婉梅,李春,元光
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14