干涉仪的原理与结构说明

红外线分析仪很多重要指标（比如分辨率等）都实际上是由干涉仪决定的，它是红外线光台中最重要的组成部分。红外线干涉仪通常由动镜、定镜以及分束器组成，其中分束器又是干涉仪的核心部件。其最经典的是迈克尔逊干涉仪。其原理结构如图5-1-3所示。

从干涉仪中动镜驱动及控制方式来分，干涉仪分为空气轴承干涉仪、机械轴承干涉仪、双动镜机械轴承干涉仪、双角镜耦合、动镜扭摆式干涉仪、角镜型迈克尔逊干涉仪、角镜型楔状分束器干涉仪、皮带移动式干涉仪、悬挂扭摆式干涉仪等。

图5-1-3　迈克尔逊干涉仪结构原理示意图

其中本书中涉及最多的是双动镜机械轴承干涉仪，其基本原理及对应产品结构已经非常成熟，本书借用参考文献[1]中对应相关章节内容，对其原理进行描述，其原理结构如图5-1-4所示。

图5-1-4　双动镜机械轴承干涉仪原理结构示意图(https://www.xing528.com)

在图5-1-4中，转动基体上固定着四面平面镜，相当于两面动镜。转动基体绕轴来回转动。两个定镜和分束器不放在转动基体上。当转动基体来回转动时，从两个定镜反射回到分束器上的两束光产生光程差，形成干涉光。这种方式能从根本上消除轴承式干涉仪无法避免的动镜倾斜的影响，不需采用动态调整系统；

由于基体的转动角度有一定的限制，从两个定镜反射回到分束器的光程差比较短，因此分辨率相对比较低，通常为0.1cm-1。

红外线气体分析仪器领域中也有一些产品使用角镜型迈克尔逊干涉仪，被认为是是传统迈克尔逊干涉仪的变种，如ABB公司的相关仪器。其基本原理结构如图5-1-5所示。图中1为聚焦镜，2为检测器，3为固定镜，4为分束器，5为补偿片，6为动镜，7为光源，8为准直镜；其中3和6均采用的是角镜，从而能够保证射向角镜的入射光和从角镜反射出来的反射光绝对平行，从而可以不再需要对固定镜进行调整。

图5-1-5　角镜型迈克尔逊干涉仪原理结构示意图

分束器是干涉仪中的重要部件。其基本作用是将射入的光线一分为二，一半通过分束器，另一半在分束器表面反射，很显然由于材质性问题，这是非常理想化的。

从材质上来看，干涉仪中的分束器分为普通的KBr/Ge分束器、CsI/Ge分束器、宽带KBr分束器以及Si分束器。他们的主要区别在于适用于不同的波长范围，仪器的适用环境有所不用、造价有所不同，同时每种分束器的红外光通量都不尽相同，本书所涉及的气体检测常见的这四种分束器都可以。