光學系統

FTIR 之 光 學 系 統 主 要 可 分 為 光 源 ( 含 雷 射 部 分 ) 、 麥 克 森 干 涉 儀 (Michelson Interferometer)、偵測器(Detector)及其他光學反射鏡組組件等四部分，以下依序分別介紹說 明：

1. 光源(含雷射部分)

此套 FTIR 的內置背景光源有兩種，第一種是以鎢作為放光燈絲所製成的鎢絲鹵素燈，

而此光源主要的波長範圍約在 0.7µm 至 5µm 之間，屬於近紅外線光源；第二種是以碳化矽

(SiC)製成的陶磁光源(Globar)，其原理是將 120V 的電流通入，使碳化矽加熱至 1250℃後，

以黑體輻射的方式放出光譜，而此光源主要的波長範圍約在 1.4µm 至 25µm，屬於中紅外線

光源。在儀器中這兩種光源可以單獨使用或是搭配使用以增強量測光源的強度及波長範圍。

此套 FTIR 設備中，除了上面所述的兩種主要光源之外，還有另一種扮演著重要角色的 光源，即氦氖雷射(He-Ne Laser)。氦氖雷射的波長約為 0.6328µm，其主要的功能為提供移

動鏡的定位及取樣，所以能提供儀器量測光譜頻率極精準以及可再生的測量，以提高 FTIR 頻率之精確度及最高解析度(Resolution)。

2. 麥克森干涉儀(Michelson Interferometer)

麥克森干涉儀可說是整個 FTIR 光學系統之心臟所在，其中包含三個部分：（1）固定鏡

(Fixed Mirror)（2）移動鏡(Moving Mirror)（3）分光鏡(Beamsplitter)，其構造示意如圖 3-2 所示。以下分別敘述各部分的構造及工作原理：（1）固定鏡：基本的要求為一面鍍有高反 射性的鏡子。（2）移動鏡：移動鏡的種類通常有二種，第一種為空氣軸承式干涉儀，其工 作原理是利用電磁驅動，將乾淨及乾燥的空氣充入，並由空氣支撐，使其軸承懸浮於空氣 中。此種空氣軸承式干涉儀對震動較為敏感，而且乾燥及乾淨的空氣並不易獲得，但是優 點為摩擦力極小。第二種為機械軸承式干涉儀，其工作原理是利用線性馬達帶動，使用圓 球形軸來支撐軸承。此種機械軸承式干涉儀較容易磨損，所以會有停工的可能性，但是優 點為不需充入乾淨及乾燥的空氣，而且對震動也較不敏感。本實驗儀器 FTIR 是使用機械軸 承式干涉儀。（3）分光鏡：分光鏡是以 ZnSe 材質所製成，其適用之波數量測範圍約從

14000cm^-1至 500cm^-1，也就是波長範圍約從 0.7µm 至 20µm。利用 ZnSe 當分光鏡的主要原 因是因為 ZnSe 在近、中紅外光區段幾乎沒有能量的吸收，因此可以增加實驗的準確性。再 者，ZnSe 可以在潮濕的工作環境下作業，無須再添加任何的除濕設備，因此可以避免如

KBr 製成之分光鏡不能在潮濕環境下作業的缺點。其分光鏡之工作原理是將光源以一固定 之入射角投射至分光鏡，藉由分光鏡將入射光源一分為二，分成兩道平行光，分別垂直投 射至移動鏡及固定鏡上，再經由移動鏡及固定鏡之鏡面反射後，兩道光源在分光鏡上合而 為一，而經結合後之光源則射入偵測器中。

其中，因為移動鏡至分光鏡與固定鏡至分光鏡的距離不同，而在分光鏡上結合的光源

便有光程差δ 產生。再者由於分光後再結合時，其產生的光程差不同，所以當兩道光在分

光鏡結合時就造成了干涉現象，亦即當移動鏡至分光鏡與固定鏡至分光鏡的距離兩者相等 時，此處便是干涉開始產生的地方。當光程差為波長的整數倍時，即δ

= n

n=1,2,3…，則兩合併光源便產生建設性干涉(Constructive Interference)，而合併後的光源能 量加倍；當光程差為半波長的奇數倍時，即

λ

δ

(Destructive Interference)，而合併後的光源能量會相互抵銷造成能量衰減。由上述可知，輻 射強度的變化是移動鏡移動位置的函數，因此輸出光源的頻率便藉由麥克森干涉儀來調 整。這些經由干涉作用的光源最後被傳送到偵測器，再以一種連續的電學訊號輸出，即所 謂的干涉光譜(Interferogram)，再藉由電腦將這些干涉光譜進行傅利葉轉換，進而得到實際 量測之單一光束頻譜(Signal Beam Spectrum)。

3. 偵測器(Detector)

本實驗儀器 FTIR 所使用之偵測器屬於可更替式，亦即可針對不同用途及量測範圍來選 擇適用的偵測器。常見的偵測器種類有：Deuterated Triglycine Sulfate (DTGS)偵測器、InSb 偵測器、Mercury- Cadmium Telluride (MCT)偵測器及 Si 偵測器等等。依其可量測的範圍來 區分，量測範圍較大者為 DTGS 及 MCT 偵測器，而量測範圍較小者為 InSb 及 Si 偵測器。

但是相對而言量測範圍較小之偵測器在偵測靈敏度方面較量測範圍較大之偵測器來得敏 捷。而就使用的方便性而言，InSb 偵測器及 MCT 偵測器使用前都必須在液態氮的冷卻下 才能工作，使用上較 DTGS 偵測器及 Si 偵測器麻煩。但是無論採用上述哪一種偵測器，其 反應靈敏度在適用的量測範圍內皆可達到 90%以上。因此在實驗之前必須針對所欲量測之

實驗範圍來選擇適當的偵測器，以達到最佳化的量測效果。

本實驗儀器 FTIR 所使用的偵測器為 DTGS 偵測器。此種偵測器屬於焦熱電式偵測器，

通常是以具有電極性的晶體所製成，當其受熱時晶體會因熱而膨脹且產生電極的改變，使 得晶體的另一面生出電荷，而此電荷在兩個表面間的電路中流動因而產生了電流。DTGS 偵測器量測的波長範圍約為 0.7µm 至 40µm，因此可知其量測的光譜範圍涵蓋了整個近、中

紅外光區段。但是在 FTIR 儀器中偵測器真正的使用範圍，必須配合麥克森干涉儀中分光鏡 的量測範圍，才能達到實驗真正的有效量測範圍。因此雖然 DTGS 偵測器量測的波長範圍 為 0.7µm 至 40µm，但是因為麥克森干涉儀中分光鏡量測的波長範圍為 0.7µm 至 20µm，所 以本實驗儀器 FTIR 之偵測器實際可量測到的波長範圍約為 0.7µm 至 20µm。

4. 光學鏡片組

FTIR 儀器內部的光學鏡片系統僅有五個反射鏡，這五個反射鏡不包括麥克森干涉儀那 部分的鏡子。這些反射鏡的目的是為了使光源之光能收斂及反射到偵測器中。因此這些反 射鏡在鏡面上鍍有高反射率的材質，而且分別具有平行以及聚光的功能，使其輸出的功率

大而光路損耗小。