定义
一种光谱学方法，光谱是通过傅里叶变换从原始数据中计算出来的。
傅里叶变换光谱是一种通过应用傅里叶变换算法从原始数据计算光谱的方法。该方法应用于各种光谱技术——最常见于红外光谱的背景下。
术语时域光谱学也很常见，因为测量的干涉信号是在时域中测量的，例如在光时间延迟变化的意义上。
工作原理
傅里叶变换光谱最常见形式的工作原理很容易理解。研究的电磁辐射（最常见的是红外光）被发送到干涉仪，通常以迈克尔逊干涉仪的形式。然后测量光功率在干涉仪的输出端，作为臂长差的函数，使用一些光电探测器。臂长差通常是通过将镜子（或更方便地是回射器）机械移动一段距离来控制的。
图 1：傅里叶变换光谱仪的光学设置。
如果干涉仪的光输入是单色的，则将获得作为臂长差函数的检测功率的正弦振荡，并且该振荡的周期将是光波长。如果光是多色的，则记录的干涉图将是来自不同波长分量的贡献的叠加。因此，很明显，通过对这些数据应用傅里叶变换，可以检索光谱——更准确地说，是作为光频率或波长函数的功率谱密度。有关信息光谱相位未获得。需要对获得的光谱进行一些校正，如下所述。
为了从数学上理解，考虑由具有一定时间延迟的两个光电场叠加产生的干涉图信号可以表示如下：
其中I ( τ )可以是干扰信号的强度，也可以是光电流。该信号可以分解为常数和与τ相关的部分；后者是：
这本质上只是电场的自相关。根据维纳-金钦定理，它的傅里叶变换就是电场的强度谱，即光谱。
所解释的操作原理可以很容易地适用于吸收光谱。人们可以在干涉仪之前或之后记录有和没有样品插入光束路径的光谱，并比较计算的光谱强度以获得样品在光路中的吸收。广泛的波长范围。更准确地说，可以获得由样品引起的光谱强度损失，这可能不仅是由样品的吸收引起的，还可能是由例如表面反射引起的。
请注意，还有其他不太常见的傅里叶变换光谱形式。例如，可以使用基于光电导天线的光学采样技术在时域中记录太赫兹波形（请参阅有关太赫兹探测器的文章）。然后可以应用傅里叶变换以获得太赫兹脉冲的光谱，在这种情况下也获得光谱相位。
各种实际方面
所需的空间范围和分辨率
获得的光谱分辨率受最大光程长度差的限制。考虑到离散傅里叶变换的性质，这很容易看出，或者简单地认识到路径长度差的范围决定了可以计数的振荡周期数。定量地，光谱波数方面的分辨率是最大光程差的倒数。简单的仪器可能仅在几厘米的光程差下工作，实现的光谱分辨率略好于 1 cm -1，而高精度光谱仪与更长的路径长度差异，例如几米。请注意，使用的光机械必须具有非常高的精度，并且必须受到保护，例如防震。
另一方面，最大波数是被测光程差的反空间分辨率的一半。因此，对于仅在相对较长的光波长下工作的仪器，对空间分辨率的要求并不是特别高，而紫外仪器在这方面的要求更高。然而，空间精度应该更高——见下文。
对于计算，请注意迈克尔逊干涉仪中的通过长度差的变化是回射器移动量的两倍。
光源
对于红外光谱中使用的光谱仪，通常使用非常宽带的光源来测量宽波长范围内样品的光学特性。光源当然应该具有足够高的光谱通量，并且在整个干涉仪扫描过程中以稳定的光学特性连续发射。对于近红外，白炽灯是合适的，但由于灯泡玻璃的透射率，发射被限制在大约 5 μm 以下的波长。对于更长的波长区域，因此用于不需要玻璃灯泡的毫米 - 例如，Nernst基于由锆/钇陶瓷制成的电加热棒的发光器。碳化硅棒甚至可以使用高达约 40 微米。还有汞蒸气灯。
光束准备
为了使干涉仪正常工作，需要具有足够高空间相干性的光束。这是因为光束的不同空间分量会对干涉图产生不同的贡献，从而有效地洗掉图案。
理想情况下，激光源会发出高斯光束。然而，在实践中，通常会处理非相干源，其中必须对光进行空间过滤，接受一些光功率损失。但是，可能的功率吞吐量仍然很大比用于其他形式的光谱学中的光栅单色仪更好，在这种情况下，光需要通过狭窄的光学狭缝。这被称为Jacquinot 优势，以识别它的 Pierre Jacquinot 命名。
分束器
干涉仪的光学组件当然应该在整个感兴趣的光谱区域内正常工作。最大的挑战来自分束器，理想情况下，分束器对所有相关波长都表现出 50:50 的分束比。这不是严格要求的，但它至少不应导致高度不对称的分裂或引入高功率损耗，例如通过在基板中的吸收。在红外光谱中，人们经常使用具有氟化钙 (CaF 2 ) 基板的分束器，波长高达 8 μm。基于 KBr具有锗基涂层的分束器可以使用高达 25 μm 的波长，但该材料具有吸湿性，因此必须小心保护以防潮。对于远红外线，通常使用聚合物薄膜。
宽带镜更容易获得；人们经常使用金属涂层的 第一面反射镜，因为介质反射镜很难提供所需的反射带宽。
臂长变化的校准
干涉仪臂长差通常随电动驱动器而变化，通常不能相信电动驱动器能够提供足够准确的位置变化。因此，人们经常使用来自具有足够稳定波长的窄线宽激光器的光同时记录第二张干涉图。然后可以通过计算校正运动与完美线性运动的任何偏差的数据。
请注意，仅具有允许人们清楚地解决干涉图振荡的位置精度是不够的。这是因为随机位置误差也会限制所获得光谱的信噪比。因此，必须实现具有高精度光机械和精确参考干涉仪的傅里叶变换光谱仪。这还提供了非常高的波长精度——比色散仪器更好。
光谱功率密度校准
应用于原始数据的简单傅里叶变换通常不会提供校准的光谱，主要是因为使用的光电探测器的响应率和分束器的反射率是波长相关的；进一步的影响可能来自设置的其他光学元件。这些影响在吸收光谱中无关紧要，因为只比较有和没有吸收样品的光谱，而获得的强度比不受影响；一个只需要所有相关波长的足够强的信号。
然而，在测量光源的光谱时，需要进行校准。例如，可以通过与已知光谱形状的光源的记录光谱进行比较来完成。在红外线中，人们经常使用黑体辐射来测量那个校准。
在某些情况下，甚至可以校准光谱仪以获得功率谱密度的绝对值。然而，这通常并不容易，例如，由于输入光束所需的空间滤波的影响（见上文）。
傅里叶变换
使用快速傅里叶变换 (FFT) 算法可以非常轻松有效地计算离散傅里叶变换。在最简单的形式中，这种算法适用于 2 的幂的多个数据点。即使在相对简单的微处理器上， FFT 计算通常比获取原始数据花费更少的时间。
基于干涉的光谱学方法已经在光学的早期使用，例如 Hippolyte Fizeau，他在 19世纪解决了黄色钠荧光线的双峰（→ Fizeau interferometers）。然而，计算基于快速傅里叶变换的光谱仅在 20世纪中叶计算机出现时才实施；第一个商业设备出现在 1960 年代。
降低对机械噪声的敏感性
对于上述类型的干涉仪，对机械噪声（振动和冲击或光学延迟线的不准确性）的灵敏度非常高。使用基于双折射的共路干涉仪可以大大降低灵敏度。这可以例如，通过一个简单的光束路径实现，其中两个偏振分量最终在偏振器上发生干涉。两个偏振分量之间的光学延迟可以通过移动一个楔形双折射晶体来调整[7]。因为这不仅大大降低了对振动的灵敏度，而且可以非常精确地扫描延迟范围，它特别适用于相对短波长区域的傅里叶变换光谱。
傅里叶变换光谱学的应用
傅里叶变换光谱法最常与红外光结合使用——原因如下：
- 例如，在中红外和远红外，很难实现传统光谱仪所需的焦平面阵列。因此，最好使用只需要一个单元光电探测器的方法。因此，中红外光谱仪通常是基于FTIR方法。
- 由于红外探测器的灵敏度有限（特别是在非常长的波长下），因此有效地利用光很重要。因此，避免单色仪输入狭缝处的过多功率损失是有益的（Jacquinot 优势，见上文）。此外，人们还享有Fellgett 优势（以该方法的先驱 Peter Berners Fellgett 命名）：如果测量噪声主要由检测器噪声（例如热电子噪声）而不是散粒噪声主导，则可实现的信噪比比率傅立叶变换方法比使用可调谐单色仪扫描光谱要好得多，后者在任何时候都只使用光谱的一小部分。在需要高光谱分辨率的情况下尤其如此。
- 傅里叶变换方法在红外线中实现起来更简单一些，因为延迟线所需的空间分辨率低于可见光和紫外线。
该方法的主要应用是在用于测量光源的光谱或材料的波长相关特性的设备中，例如透射率（例如被吸收线降低）或反射率。
傅里叶变换光谱的原理也适用于波长计，尽管它们通常只提供峰值波长而不是完整的光谱。
该原理在光子学以外的技术领域也有应用，例如在核磁共振成像和质谱方面
参考文献
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