第二章 原理簡介
2.3 霍氏紅外轉換光譜儀
2.3.3 FTIR 之優點
以下簡單說明霍氏轉換紅外光譜儀較傳統分光式（dispersive）光譜 儀具有優勢之處。
（1）Jacquinot 優點：
一般單光儀的波長解析度取決於光柵的色散與狹縫的寬度，出射光 須通過一定寬度的出口狹縫以達到解析兩單色光的目的，會使光強度 變弱。干涉儀不使用光柵及狹縫，透光率較傳統光譜儀高，偵測器所 能量測到的訊號強度較大，對吸收物質的偵測靈敏度因而增加。此高 光通量（high throughput）優點在 1954 年由 Jacquinot 首次提出，32又 稱賈氏優點。
（2）Fellgett 優點：
分光式光譜儀是利用光柵將多色光分散開，並調整光柵角度使欲觀 測的單一波長投影在出口狹縫上，因此一次只能作單一波長的測量，
但干涉儀可同時偵測到所有頻率的入射光，不須分光掃描，不僅相較 傳統光譜節省很多時間，也可避免單一波長掃描時受到系統（如：光 源、吸收分子濃度）不穩定之影響。此種多重波長（multiplex）優點在 1952 年由 Fellgett 提出。33在固定偵測時間內，霍氏紅外光譜儀可取得 多次干涉光譜並加以平均，使訊雜比（signal to noise ration，S/N）大 為提升，並提高對微弱吸收的偵測靈敏度。
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（3）Connes 優點：
傳統分光式光譜儀的波數正確性決定於：（1）使用外部標準波長進 行校正，（2）光柵旋轉的穩定及狹縫的控制。霍氏紅外光譜儀使用頻 率穩定的氦氖雷射測定光程差，測得精確等間距的干涉光譜，使得經 霍氏轉換後的波數準確度達0.001 cm-1。此高波數精確性（spectral accuracy）優點在 1958 年由 Connes 提出。34
（4）抑制散射光
對於一波數為ν的單色光，若移動鏡以等速υ移動，則偵測器測得 的是一頻率fν =2υν之餘弦干涉訊號，即干涉儀掃描光譜時，已藉由移 動鏡速度對訊號加以調頻（modulation）。對非單一波長組成的光束，
雖以固定速度掃描，卻能用不同頻率對不同波長的光調頻，如再加上 電子式或數位式的濾波處理，可有效抑制迷失光（stray light）的干擾，
甄別率較用固定頻率調頻的扇葉式或音叉式（tuning fork）的機械調頻 高。
（5）高解析度
干涉儀的理論解析度是1/ 2L，其中L為移動鏡的最大移動距離。但 光學元件的對正、移動鏡移動時的對正（alignment）、光學鏡面的平整 度、光照孔徑（aperture）大小以及使用的削足函數等，都是影響解析 度的因素。一般霍氏紅外光譜儀可輕易達到0.5 cm-1以上的解析度，是
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傳統利用光狹縫和光柵分光的紅外光譜儀所無法達到的。本實驗之 FTIR，其解析度最佳可達 0.04 cm-1。
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圖2- 1 京都大學 Momose 研究組的封閉系統（enclosed-cell）實驗裝置 圖。16
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圖2- 2 美國空軍實驗室 Fajardo 研究組的快速沉積法（rapid-deposition）
實驗裝置圖。14
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圖2- 3 p-H2在不同轉換溫度及 o-H2濃度沉積於低溫樣品靶上的紅外吸 收光譜。(a) 15K，0.01%，(b) 28K，2%，(c) 37K，8%，(d) 52K，25%，
(e) 135K，75%。其中 Q1(0)為 p-H2的 v＝1←0，J＝0←0 之禁制躍遷，
但 p-H2間質中的 o-H2會誘發此吸收，可用此譜線與Q1(0)＋S0(0)譜線 之吸收面積比值估算 o-H2在間質中的比例。20
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圖2- 4 H2飽和蒸汽壓與溫度的關係圖。
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（A）
（B）
圖2- 5(A) 麥克森干涉儀（Michelson interferometer）基本構造；(B)光 強度與移動鏡位置之關係之干涉圖譜。
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圖2- 6 從＋L 到－L 之間以 boxcar 函數進行霍氏轉換後之圖譜，其波 形為sin x/x，即 sinc x 函數。
圖2- 7 霍氏紅外光譜儀中三組干涉儀的干涉光譜 射待測樣品，（B）氦氖雷射
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霍氏紅外光譜儀中三組干涉儀的干涉光譜。（A）碳化矽光源照 氦氖雷射，（C）白光。
碳化矽光源照
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表2- 1 鈍氣分子及 H2的固態晶格參數及游離能。4
Ne Ar Kr Xe H2
Space group fcc fcc fcc fcc hcp Atomic radius/ Å 0.71 0.98 1.12 1.31 0.53 Lattice parameter/ Å 4.47 5.31 5.65 6.13 4.7 Substitutional hole/ Å 3.16 3.75 3.99 4.34 3.6 Octahedral hole/ Å 1.31 1.56 1.65 1.80 -- Tetrahedral hole/ Å 0.71 0.85 0.90 0.97 -- Ionization energy/ eV 21.56 15.8 14.0 12.1 15.4
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表2- 2 鈍氣分子允許電子躍遷之最低能量波長及波數。
氣體 波長/nm 波數/104 cm-1
He 58.43 17.114
Ne 73.59 13.589
74.37 13.446
Ar 104.82 9.550
106.67 9.375
Kr 116.49 8.585
123.58 8.092
Xe 129.56 7.718
146.96 6.804
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表2- 3 一般常用間質的熱性質參數。4
間質 擴散溫度(Td)/K 熔點/K 沸點/K
Ne 10 24.5 27.1
Ar 35 83.9 87.4
Kr 50 116.6 120.8
Xe 65 161.3 166.0
N2 30 63.3 77.4
CH4 45 90.7 109.2
CF4 -- 123.0 144.0
CO 35 68.1 81.7
CO2 63 212.6 194.6
NO -- 109.6 184.7
SO2 -- 197.6 263.1
SF6 -- 222.7 209.4
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參考資料
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