紅外光譜分析的案例
紅外光譜分析做不好？八成是制樣方法有問(wèn)題
紅外光譜分析
主要用于對(duì)被測(cè)物質(zhì)分子進(jìn)行分析和鑒定活動(dòng)，常用于材料研發(fā)分析。由于測(cè)試樣品成分及來(lái)源復(fù)雜多變，不同類(lèi)型樣品所適用的方法不同，紅外光譜分析制樣主要可以分為：壓片法、糊狀法、薄膜法（溶劑溶解成膜法、熱壓法制膜）、液體池法（液體測(cè)試、液膜測(cè)試）、氣體池法等 。
對(duì)于高分子材料及成品樣品的分析來(lái)說(shuō)，主要以測(cè)試粉體、樹(shù)脂為主，日常測(cè)試的主要方法為熱壓法、溶劑溶解成膜法和KBr研磨壓片法。三種測(cè)試方法存在差異，當(dāng)然也會(huì)導(dǎo)致測(cè)試圖譜存在一定的差異，國(guó)高材分析測(cè)試中心通過(guò)實(shí)際應(yīng)用案例，探討不同方法之間的差異性，幫助各位在進(jìn)行材料分析制樣時(shí)提供一些思路。
圖1 紅外制樣方法示意圖
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不同制樣方法及注意事項(xiàng)
1、熱壓法
采用熱壓法進(jìn)行高分子材料測(cè)試時(shí)，需要先確定高分子材料種類(lèi)，選擇合適的熱壓溫度（對(duì)于未知聚合物的測(cè)試，建議以160℃作為起始溫度，從低到高進(jìn)行驗(yàn)證）。
展開(kāi) 基于Gaussian計(jì)算分析傅里葉紅外光譜實(shí)驗(yàn)值
關(guān)鍵詞：Gaussian、GaussView、傅里葉紅外光譜（FTIR）、光譜分析、量子化學(xué)
近年來(lái)，紅外光譜分析技術(shù)在材料科學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。紅外光譜是一種基于物質(zhì)分子振動(dòng)模式的分析方法，可以用于研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)。然而在實(shí)驗(yàn)中，由于各種原因(如儀器限制、環(huán)境干擾等),實(shí)際測(cè)量到的光譜可能會(huì)與理論預(yù)測(cè)有所偏差。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以使用Gaussian軟件對(duì)材料的紅外光譜進(jìn)行模擬。通過(guò)對(duì)已知物質(zhì)的紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，我們可以生成一個(gè)描述物質(zhì)紅外光譜行為的模型。然后，將這個(gè)模型應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)，就可以得到對(duì)實(shí)驗(yàn)光譜峰震動(dòng)情況的分析結(jié)果。本文以將介紹如何使用Gaussian軟件模擬材料的紅外光譜，并利用這個(gè)光譜來(lái)分析實(shí)驗(yàn)的光譜峰的震動(dòng)情況。
圖1 苯酚使用KBr壓片法測(cè)試所得的FTIR圖譜
圖1為苯酚使用KBr壓片法測(cè)試所得的FTIR圖譜，由圖可以看到苯酚這個(gè)極為簡(jiǎn)單的小分子材料出現(xiàn)了很多峰，在缺乏一定的分析化學(xué)能力的情況下難以正確的對(duì)其進(jìn)行分析。因此我們首先使用GaussView軟件對(duì)苯酚進(jìn)行建模，如圖2所示。
圖2 苯酚模型
首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并且對(duì)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行紅外光譜計(jì)算，計(jì)算完成后將log/out文件使用GaussView打開(kāi)，調(diào)出光譜曲線，如圖3所示。理論模擬的光譜和實(shí)驗(yàn)光譜常有一定整體的偏差，為了能夠盡量相符，我們往往需要一些調(diào)節(jié)：一是對(duì)光譜的高度乘上刻度系數(shù)，使模擬光譜的峰高能和實(shí)驗(yàn)光譜有較好的對(duì)應(yīng)（通常僅進(jìn)行定性符合）；另外就是對(duì)模擬光譜的橫坐標(biāo)也進(jìn)行scale或整體加減一個(gè)數(shù)值，以消除躍遷能量計(jì)算的系統(tǒng)性的偏差；此外，有時(shí)候還需要調(diào)節(jié)FWHM和展寬函數(shù)使結(jié)果更好地接近實(shí)驗(yàn)譜。
展開(kāi) 干貨：高分子領(lǐng)域常用的分析手段梳理
熱重分析在高分子材料研究過(guò)程中，測(cè)量與研究材料的熱穩(wěn)定性、分解過(guò)程、吸附與解吸、氧化與還原、成分的定量分析、添加劑與填充劑影響、水分與揮發(fā)物、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等特性。
3. 紅外光譜分析（FTIR）
紅外光譜分析是利用紅外光譜對(duì)物質(zhì)分子進(jìn)行的分析和鑒定。將一束不同波長(zhǎng)的紅外射線照射到物質(zhì)分子上，某些特定波長(zhǎng)的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。
紅外光譜分析在高分子材料研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。一方面，端基分析對(duì)于測(cè)定分子鏈的平均聚合度和支化度都很重要，例如聚乙烯中甲基含量可用來(lái)測(cè)定其支化度。另一方面，許多聚合物含有少量添加劑如增塑劑、抗氧化劑、填充劑等，這些少量添加劑在高分子材料分析鑒定前，往往需要進(jìn)行分離和提純。應(yīng)用紅外差示光譜技術(shù)，就可將高分子材料中少量添加物的混合譜圖減去，這樣無(wú)須分離就可鑒定少量添加劑的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)。
再者，在高分子材料構(gòu)象及有序態(tài)的鑒定時(shí)，測(cè)定熔融后淬火及退火的半結(jié)晶聚合物試樣或在相同溫度下測(cè)定試樣的紅外光譜然后進(jìn)行光譜的差減，就可以得到該聚合物不同構(gòu)象或有序態(tài)的光譜。同時(shí)，在表征聚合物分子間的相互作用如相容性·、氫鍵等，高分子材料的表面和界面以及高分子材料發(fā)生的反應(yīng)等等，紅外光譜分析也是一種方便快捷的手段。
4. 凝膠滲透色譜分析（GPC）
凝膠滲透色譜主要應(yīng)用于高分子材料和蛋白質(zhì)的分離，可用來(lái)分離相對(duì)分子質(zhì)量從幾百萬(wàn)到100這樣的一個(gè)寬相對(duì)分子質(zhì)量范圍的分子。
由于高分子材料的物理性質(zhì)與其平均相對(duì)分子質(zhì)量積相對(duì)分子質(zhì)量分布密切相關(guān)，所以凝膠滲透色譜成了一個(gè)快速鑒定聚合物高、低相對(duì)分子質(zhì)量成分的唯一的分析工具。凝膠滲透色譜能用作表示聚合物之間差別的一種定性工具，或用作計(jì)算聚合物的平均相對(duì)分子質(zhì)量和相對(duì)分子質(zhì)量分布的一種定量工具。
展開(kāi) 失效分析前，為什么總被問(wèn)這些問(wèn)題？
斷面參與物質(zhì)分析
對(duì)材料正常截面和斷面部分進(jìn)行紅外光譜分析，下圖為分析結(jié)果，從紅外光譜圖中可以看出材料正常截面的主要成分為ABS；材料斷面在1722.64cm^-1處有特征吸收，說(shuō)明斷面含有含羰基類(lèi)物質(zhì)。
制件正常截面的紅外光譜圖
制件斷面的紅外光譜圖
懷疑目標(biāo)物質(zhì)分析
對(duì)于懷疑的目標(biāo)物質(zhì)玻璃水進(jìn)行紅外光譜分析并與顯微紅外測(cè)試塑料制件的斷面的紅外光譜進(jìn)行對(duì)比分析。從圖中可知斷面與玻璃水在1722.64 cm^-1處附近有相似的羰基吸收峰，且在1026.99 cm^-1和1067.22 cm^-1斷處有相似的吸收峰，說(shuō)明斷面可能殘留玻璃水類(lèi)的物質(zhì)。
玻璃水（粉紅）與制件斷面（藍(lán)色）、制件正常截面（綠色）的紅外光譜對(duì)比圖
開(kāi)裂原因分析
總結(jié)建議
根據(jù)光學(xué)顯微鏡、SEM、紅外光譜法對(duì)塑料制件的斷裂面及玻璃水分析對(duì)比可知：
1）由學(xué)顯微鏡、SEM 的形貌圖可知，塑料制件斷面形貌平整，為典型的脆性斷裂形貌特征，且斷面有較大的溶劑侵蝕形貌特征；
2）由塑料制件斷面的顯微紅外光譜、玻璃水的紅外光譜對(duì)比數(shù)據(jù)可知：斷面含有與玻璃水相似的成分；
綜上所述，塑料制件的開(kāi)裂原因可能是由含有羰基成分的玻璃水對(duì)于ABS塑料制件侵蝕，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力釋放而開(kāi)裂。建議客戶在成型工藝過(guò)程中盡量避免材料與玻璃水接觸，避免出現(xiàn)塑料制件受侵蝕而斷裂的情況。
展開(kāi) 
基于vasp計(jì)算材料紅外與Raman光譜信息
獲得mesh.hdf5文件：
phonopy --dim="3 3 1" -c POSCAR-unitcell --readfc --hdf5 --fc-symmetry --mesh="1 1 1" –eigenvectors
獲得irreps.yaml文件：
phonopy --dim="3 3 1" -c POSCAR-unitcell --readfc --hdf5 --fc-symmetry --irreps="0 0 0"
可根據(jù)材料晶體結(jié)構(gòu)以及對(duì)稱性判斷Raman活性信息，也可根據(jù)irreps.yaml文件判斷
使用Phonopy-Spectroscopy 軟件分析前置計(jì)算得到的文件并計(jì)算紅外和Raman圖像
生成&Gamma點(diǎn)模式的聲子線寬:
phono3py --dim="2 2 2" --dim_fc2="6 6 3" --fc2 --fc3 -v --br --thm --mesh="48 48 48" --write_gamma --gp=0
紅外強(qiáng)度計(jì)算
這時(shí)需要使用之前準(zhǔn)備好的BORN文件，生成室溫(300 K)線寬的模擬紅外光譜和峰值表,命令如下
phonopy-ir --ir_reps --linewidth_hdf5="kappa-m484848-g0.hdf5" --linewidth_temperature=300
Raman計(jì)算
通過(guò)irreps.yaml的振動(dòng)信息，并參考材料結(jié)構(gòu)信息，判斷可能顯示Raman活動(dòng)的模式，并生成計(jì)算文件：
phonopy-raman -d --bands="4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 15 17 18 20 21 22 23 25 26 27"
bands的值為需要計(jì)算的模式。
展開(kāi) 激光共聚焦顯微拉曼光譜儀在高分子材料表征中比紅外有哪些優(yōu)勢(shì)？
設(shè)備簡(jiǎn)介
設(shè)備名稱：激光共聚焦顯微拉曼光譜儀
設(shè)備型號(hào)：DXR 3xi
在樣品分子結(jié)構(gòu)和空間分布分析時(shí)，通常會(huì)遇到很多具有一定透明度的樣品如超薄多層聚合物、半導(dǎo)體多層膜、鍍層、多層纖維、生物細(xì)胞等，不僅需要實(shí)現(xiàn)表層信息的分析，同時(shí)需要探測(cè)內(nèi)部成分和空間分布信息，而這些樣品大多數(shù)不能或不易切片，需要尋求具有無(wú)損探測(cè)樣品內(nèi)部信息的分析手段。
國(guó)高材分析測(cè)試中心配備的顯微拉曼光譜儀具有獨(dú)特的Y-Z“切面”成像（縱向深度）和可視化3D成像（X-Y-Z）功能，均可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損分析。利用儀器的針孔式真共焦功能，高精度自動(dòng)平臺(tái)自動(dòng)控制采集樣品縱向深度拉曼信號(hào)，無(wú)需樣品破壞和物理切片，輕松實(shí)現(xiàn)多層樣品深度上和三維空間上成分定性、成分分布及每層厚度的無(wú)損分析，從而實(shí)現(xiàn)樣品更加全面直觀的空間立體研究。
儀器結(jié)構(gòu)及工作原理
圖1 高速高分辨激光共聚焦拉曼光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖
用激光作為光源激發(fā)樣品，樣品與激光相互作用后，樣品會(huì)發(fā)出拉曼信號(hào)。拉曼信號(hào)連同瑞利散射光等雜散光一起先后經(jīng)過(guò)濾光片和共聚焦針孔，濾光片和共聚焦針孔會(huì)濾除絕大部分的雜散光，只允許所需要的樣品的拉曼信號(hào)進(jìn)入光譜儀，樣品拉曼信號(hào)進(jìn)入光譜儀后，通過(guò)光柵分光，將白光分成不同波長(zhǎng)的光，不同波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)入檢測(cè)器，通過(guò)光電轉(zhuǎn)化，得到拉曼光譜。拉曼光譜是指紋性譜圖，可以提供樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)、相和形態(tài)、結(jié)晶度以及分子相互作用的詳細(xì)信息。
展開(kāi) 碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)前地板下縱梁加強(qiáng)板應(yīng)用初探
4分析與討論
經(jīng)過(guò)220℃造成環(huán)氧制品易變黃的因素有很多。本項(xiàng)目推斷主要是由于樹(shù)脂基體為環(huán)氧雙酚A結(jié)構(gòu)，其熱氧化形成發(fā)黃基團(tuán)。上述力學(xué)性能經(jīng)過(guò)烘烤后下降明顯也是由于樹(shù)脂中存在著苯環(huán)，產(chǎn)生了熱氧降解。為了探究熱氧降解對(duì)整個(gè)復(fù)合材料的微觀現(xiàn)象，進(jìn)行了掃描電鏡分析，熱失重分析以及紅外光譜分析，分別見(jiàn)圖5、圖6、圖7。從掃描電鏡上看，無(wú)論烘烤前后樹(shù)脂與碳纖維的結(jié)合程度沒(méi)有受到大的影響，從熱重分析結(jié)果看，烘烤對(duì)分解階段的影響也不大。從紅外光譜圖可以看出，烘烤后除了930cm-1處環(huán)氧基發(fā)生了反應(yīng)，與苯環(huán)相關(guān)的吸收峰（1563cm-1）也發(fā)生了變化，這與之前分析的熱氧降解原因相吻合。
5結(jié)束語(yǔ)
碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料用在結(jié)構(gòu)件上將會(huì)使其優(yōu)勢(shì)得到充分的發(fā)揮。但應(yīng)該解決其與車(chē)身的連接問(wèn)題以及隨車(chē)身進(jìn)烘干爐烘烤溫度對(duì)外觀及性能的影響。本項(xiàng)目考察了碳纖維增強(qiáng)熱塑/熱固樹(shù)脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能、烘烤后性能以及與金屬粘接件的鹽霧腐蝕性能，并給出了烘烤條件對(duì)性能的影響原因分析。對(duì)今后考慮碳纖維在線涂裝隨車(chē)身過(guò)烘干爐以及實(shí)現(xiàn)與金屬車(chē)身的粘接提供了一些借鑒思路。國(guó)內(nèi)大多還處于研究階段，將碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在量產(chǎn)車(chē)型上推廣，還需要進(jìn)行更深入系統(tǒng)的研究，這將是個(gè)長(zhǎng)期和系統(tǒng)的工程。
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分析與討論
經(jīng)過(guò)220℃造成環(huán)氧制品易變黃的因素有很多。本項(xiàng)目推斷主要是由于樹(shù)脂基體為環(huán)氧雙酚A結(jié)構(gòu)，其熱氧化形成發(fā)黃基團(tuán)。上述力學(xué)性能經(jīng)過(guò)烘烤后下降明顯也是由于樹(shù)脂中存在著苯環(huán)，產(chǎn)生了熱氧降解。為了探究熱氧降解對(duì)整個(gè)復(fù)合材料的微觀現(xiàn)象，進(jìn)行了掃描電鏡分析，熱失重分析以及紅外光譜分析，分別見(jiàn)圖5、圖6、圖7。從掃描電鏡上看，無(wú)論烘烤前后樹(shù)脂與碳纖維的結(jié)合程度沒(méi)有受到大的影響，從熱重分析結(jié)果看，烘烤對(duì)分解階段的影響也不大。從紅外光譜圖可以看出，烘烤后除了930cm-1處環(huán)氧基發(fā)生了反應(yīng)，與苯環(huán)相關(guān)的吸收峰（1563cm-1）也發(fā)生了變化，這與之前分析的熱氧降解原因相吻合。
5 結(jié)束語(yǔ)
碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料用在結(jié)構(gòu)件上將會(huì)使其優(yōu)勢(shì)得到充分的發(fā)揮。但應(yīng)該解決其與車(chē)身的連接問(wèn)題以及隨車(chē)身進(jìn)烘干爐烘烤溫度對(duì)外觀及性能的影響。本項(xiàng)目考察了碳纖維增強(qiáng)熱塑/熱固樹(shù)脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能、烘烤后性能以及與金屬粘接件的鹽霧腐蝕性能，并給出了烘烤條件對(duì)性能的影響原因分析。對(duì)今后考慮碳纖維在線涂裝隨車(chē)身過(guò)烘干爐以及實(shí)現(xiàn)與金屬車(chē)身的粘接提供了一些借鑒思路。國(guó)內(nèi)大多還處于研究階段，將碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在量產(chǎn)車(chē)型上推廣，還需要進(jìn)行更深入系統(tǒng)的研究，這將是個(gè)長(zhǎng)期和系統(tǒng)的工程。
來(lái)源：期刊—材料應(yīng)用
作者：郭琳琳徐勇范偉江吳慶春
（一汽轎車(chē)股份有限公司）
展開(kāi) VirtualLab運(yùn)用：切爾尼-特納光譜儀—光譜分辨率的分析
光學(xué)測(cè)量＞光譜儀
任務(wù)/系統(tǒng)描述
亮點(diǎn)
復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的高性能分析
使用嚴(yán)格算法對(duì)光柵進(jìn)行嚴(yán)格矢量分析
說(shuō)明：光源
說(shuō)明：孔徑
說(shuō)明：拋物面反射鏡
說(shuō)明：光柵
說(shuō)明：探測(cè)器
結(jié)果：3D光線追跡
結(jié)果：波長(zhǎng)的變化
由于波長(zhǎng)的變化，入瞳的像可經(jīng)過(guò)探測(cè)器孔徑進(jìn)行掃描
結(jié)果：?jiǎn)紊珒x的分辨率
光譜分辨率的定義：
光譜分辨率：A=1244
文件&技術(shù)信息
分析手持式光譜儀與直讀光譜儀有什么樣的區(qū)別?
光譜儀有許多種類(lèi)，包括我們常用的手持式光譜儀與直讀光譜儀，便攜式光譜儀等，那么，你知道手持式光譜儀與直讀光譜儀有什么區(qū)別嗎?
直讀光譜儀:
? 直讀光譜儀是定量分析，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，重復(fù)性好，長(zhǎng)期穩(wěn)定。
手持式光譜儀:
手持式光譜儀是定性和半定量分析。用于標(biāo)識(shí)材料等級(jí)。該測(cè)試很方便，但是不能測(cè)量精度要求很高的材料。
一、檢測(cè)試樣的大小不同
直讀光譜儀對(duì)樣品量有嚴(yán)格的要求。樣品必須至少具有不小于激發(fā)腔的平坦表面，并且厚度不得小于1.5mm(通常建議不小于3mm)，并且手持式光譜儀的尺寸和厚度應(yīng)與樣品。沒(méi)有如此高的要求，可以測(cè)試普通樣品。
二、檢測(cè)環(huán)境不同
??直讀光譜儀只能在實(shí)驗(yàn)室使用，環(huán)境溫度和濕度的波動(dòng)不應(yīng)太大，嚴(yán)重影響檢測(cè)效果;手持式光譜儀可以檢測(cè)室內(nèi)或室外工作。
三、測(cè)試樣品的損壞程度不同
??直讀光譜儀是一種破壞性測(cè)試。在激發(fā)過(guò)程中，將在材料表面形成直徑約8毫米的小凹坑。直讀光譜儀不適用于貴重和裝飾性金屬。手持式光譜儀是非破壞性測(cè)試。測(cè)試本身不會(huì)影響樣品。有任何不良影響。在靈活性方面，手持式光譜儀還具有很高的利用率。用于測(cè)試樣品的直讀光譜儀的尺寸必須適合該表。測(cè)試前必須銷(xiāo)毀過(guò)多和較長(zhǎng)的樣本。
四、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性不同
??碳和氮的兩個(gè)元素只能通過(guò)直讀光譜儀檢測(cè)。建議使用直讀光譜儀來(lái)準(zhǔn)確地確定非金屬元素，例如磷和硫，以及對(duì)準(zhǔn)確性有較高要求的地方(要求數(shù)據(jù)波動(dòng)低于0.05%);通常建議使用手持式光譜儀進(jìn)行品牌識(shí)別或其他定性和半定性定量精度要求。
展開(kāi) 天津大學(xué)汪懷遠(yuǎn)教授課題組CEJ：一種高機(jī)械強(qiáng)度的具有 “玉米”狀結(jié)構(gòu)SLIPS涂層
通過(guò)對(duì)制備涂層的填料進(jìn)行XPS和紅外光譜分析，證明了坡縷石與TiO2之間的共價(jià)鍵和氫鍵作用。同時(shí)在涂層的粗糙結(jié)構(gòu)中觀察到了一種“玉米”狀的結(jié)構(gòu)，涂層中的“玉米”狀結(jié)構(gòu)是由于坡縷石棒與TiO2間的靜電作用，共價(jià)鍵作用和氫鍵作用以及兩種聚合物與TiO2的氫鍵作用和聚合物的熔融包裹作用而形成的，具有優(yōu)異的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性及耐磨性。
圖1. 具有類(lèi)“玉米”狀結(jié)構(gòu)的涂層形貌
圖2（a） 砂紙磨損實(shí)驗(yàn)示意圖；（b）連續(xù)砂紙磨損循環(huán)后WCA和WSA的變化；（c）摩擦機(jī)裝置（負(fù)載=250kPa）示意圖；（d）連續(xù)摩擦機(jī)磨損循環(huán)后WCA和WSA的變化
注油后得到的SLIPS也具有優(yōu)異的熱水排斥性，在沸水中煮后15 min和300個(gè)熱水浸泡循環(huán)后，仍能維持SLIPS的超滑特性。另外，所制備的SLIPS還在50 kPa高水壓沖擊，4000 rpm/min的高轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)，96 h的水浸泡后和強(qiáng)酸強(qiáng)堿刺激后也維持了良好的超滑性質(zhì)。這證明了所制備的SLIPS具有優(yōu)異機(jī)械、物理和化學(xué)穩(wěn)定性。該SLIPS也被證明可以用于多種基底上（木材，玻璃，PTFE塑料，鋼板和泡沫鎳等）。這項(xiàng)成果為設(shè)計(jì)強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性的SLIPS提供了新思路和解決方案。
展開(kāi) 
ZEMAX | 如何設(shè)計(jì)光譜儀 - 公差分析
光譜學(xué)作為一種無(wú)創(chuàng)傷性技術(shù)，是研究組織、等離子體和材料的最強(qiáng)大的工具之一。之前我們發(fā)布了文章如何設(shè)計(jì)一個(gè)光譜儀 - 雜散光分析，該文概述了光譜儀系統(tǒng)的序列模式 - 非序列式轉(zhuǎn)換、封裝的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)、機(jī)械封裝元件散射光情況的定量分析以及光譜儀探測(cè)器的雜散光污染情況。
而本文旨在介紹如何在 OpticStudio 中對(duì)由市售光學(xué)元件組建的透鏡-光柵-透鏡（LGL）光譜儀進(jìn)行公差分析，包含如何補(bǔ)償裝配和加工制造產(chǎn)生的誤差。聯(lián)系我們下載文章的附件。
介紹
公差是一個(gè)復(fù)雜的課題，可以存在多種方法對(duì)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行公差分析。我們?cè)诖擞懻摰姆椒▽⑨槍?duì)確定實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下組裝的光譜儀，以及與鏡片加工公差相關(guān)的參數(shù)。
光譜儀及其公差分析前準(zhǔn)備工作
本文用于公差分析的光譜儀是一個(gè)透鏡-光柵-透鏡 (LGL) 光譜儀，在880 nm波長(zhǎng)下帶寬為50 nm。它被設(shè)計(jì)用于光學(xué)相干層析成像 (OCT) 應(yīng)用。光譜儀的結(jié)構(gòu)如下:
光譜儀將使用光學(xué)實(shí)驗(yàn)板將光學(xué)元件安裝在光學(xué)平臺(tái)上，因此我們需要著重研究以下與公差相關(guān)的問(wèn)題：
光譜儀的元件組裝在光學(xué)實(shí)驗(yàn)板上時(shí)，它的性能會(huì)受到怎樣的影響?
光學(xué)元件的加工公差將如何影響光譜儀的性能?
如何減少或補(bǔ)償這些性能的下降?
準(zhǔn)備公差分析用的鏡頭文件
打開(kāi)從附件下載的示例文件 “Spectrometer_tolerancing.zar”，快速瀏覽文件。在公差分析過(guò)程中，我們需要采取的第一步是取消所有可變參數(shù)和主光線的求解，并將半直徑轉(zhuǎn)換為圓形孔徑:
一旦這一步完成，我們可以進(jìn)行公差分析的第一部分：裝配公差。
裝配公差
簡(jiǎn)要地講，在公差分析過(guò)程中，OpticStudio 會(huì)改變系統(tǒng)中光學(xué)元件的參數(shù)并計(jì)算出參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響程度。
展開(kāi) 光譜學(xué) | RP 系列激光分析設(shè)計(jì)軟件
例如，衛(wèi)星上的光譜儀可以記錄來(lái)自地球表面的散射光的光譜，以區(qū)分巖石、植物、湖面等。
在天文學(xué)中，人們分析來(lái)自遙遠(yuǎn)恒星和星系的光譜，其中包含溫度、化學(xué)成分、運(yùn)動(dòng)速度等信息。在實(shí)驗(yàn)室中，人們經(jīng)常使用氣體放電來(lái)激發(fā)原子或分子，使它們輻射光。
許多先進(jìn)的光譜方法使用激光源照射樣品。吸收的光不僅會(huì)導(dǎo)致加熱，還會(huì)激發(fā)原子或分子，然后發(fā)出熒光。人們可以記錄發(fā)射光的光譜和/或激發(fā)強(qiáng)度作為泵浦光波長(zhǎng)的函數(shù)；這兩種方法都可以對(duì)某些物質(zhì)進(jìn)行高度特異性的檢測(cè)，或者允許人們測(cè)量材料的某些微觀特性。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱有關(guān)熒光光譜的文章。
另一種選擇是激光誘導(dǎo)擊穿 光譜，其中用強(qiáng)激光脈沖激發(fā)樣品，形成等離子體，然后檢測(cè)樣品在可見(jiàn)和/或紅外光譜區(qū)域發(fā)出的光。
這種方法的一個(gè)例子是激光增益介質(zhì)的研究。具有合適光頻率的激光束可以將激光活性離子激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，從亞穩(wěn)態(tài)它們可以被進(jìn)一步激發(fā)（以獲得足夠高的光強(qiáng)度）或回到基態(tài)，發(fā)射熒光。熒光光譜與波長(zhǎng)相關(guān)的發(fā)射截面有關(guān)，這與可實(shí)現(xiàn)的激光增益相關(guān)。人們還可以檢測(cè)短激光脈沖激發(fā)后熒光強(qiáng)度的衰減，以確定上態(tài)壽命。通過(guò)結(jié)合光譜技術(shù)，人們可以對(duì)激光晶體或稀土摻雜光纖等激光增益介質(zhì)的物理細(xì)節(jié)進(jìn)行全面表征 。人們甚至可以研究微妙的效應(yīng)，例如不同激光活性離子之間的相互作用，從而導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。
另一個(gè)例子是拉曼光譜，其中用高光功率水平的窄帶光（通常從激光獲得）照射物質(zhì)，并且檢測(cè)到由自發(fā)和/或自發(fā)和/或產(chǎn)生的波長(zhǎng)稍長(zhǎng)的微弱光發(fā)射。受激拉曼散射，一種非彈性散射。拉曼散射光的光譜（通過(guò)特殊的窄帶二向色濾光片（如梳狀濾光片）與泵浦光分離）包含分子振動(dòng)的信息。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱有關(guān)拉曼光譜的文章。
高能激光雷達(dá)系統(tǒng)（例如在大氣研究中使用）允許遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)程光譜測(cè)量。在這里，我們可以利用反向散射光的多普勒頻移來(lái)揭示縱向風(fēng)速。
展開(kāi) 光譜相位 | RP 系列激光分析設(shè)計(jì)軟件
這被定義為頻域中電場(chǎng)的相位，即函數(shù)的復(fù)相位
完整的脈沖表征不僅包括測(cè)量光譜，即平方模量 E(v)，還有光譜相位，其中包含額外的信息。例如，使用頻率分辨光門(mén)控 (FROG) 和用于直接電場(chǎng)重建的光譜相位干涉測(cè)量法 (SPIDER→光譜相位干涉測(cè)量法) 也可以做到這一點(diǎn)。
注意到波動(dòng)光學(xué)中存在不同的符號(hào)約定；上述方程是物理學(xué)家約定俗成的。
光譜相位和群延遲
光學(xué)元件或裝置中光的群延遲可以定義為光譜相位延遲相對(duì)于角光學(xué)頻率的導(dǎo)數(shù)：
這可以通過(guò)考慮光脈沖來(lái)理解，其中峰值強(qiáng)度是在所有光譜分量處于同相位的時(shí)候發(fā)現(xiàn)的。在通過(guò)光學(xué)元件后，導(dǎo)致頻率相關(guān)的相位變化，該條件在脈沖峰值的最初時(shí)間不再滿足，而是在稍后的時(shí)間滿足，光譜元件再次獲得相同的相位。脈沖的時(shí)間位移是由群延遲決定的，前提是基礎(chǔ)的線性近似是有效的——也就是說(shuō)，可能不適用于經(jīng)歷更復(fù)雜的頻譜相位變化的寬帶脈沖。
思考
你能在不做計(jì)算的情況下，找出弱克爾非線性對(duì) sech2 型脈沖的光譜相位的影響嗎?作為提示，在基本孤子脈沖中，除了剩余的恒定相移之外，群延遲色散和克爾非線性的影響可以相互抵消。
舉例說(shuō)明
考慮與某些操作相關(guān)的光譜相位變化是有指導(dǎo)意義的：
01
時(shí)間相位的恒定變化直接轉(zhuǎn)化為光譜相位的相同變化(對(duì)于依賴時(shí)間的相位變化，這種關(guān)系就不那么明顯了)，并且沒(méi)有群延遲。
02
時(shí)間延遲T對(duì)應(yīng)于光譜相位的變化，即 2πvT 與光頻率成正比。
03
色散直接影響光譜相位，也會(huì)引起群延遲。例如，三階色散的影響相當(dāng)于在光譜相位上添加一項(xiàng)，該項(xiàng)隨頻率偏移的三次方而變化。
當(dāng)脈沖的頻譜相位恒定或與頻率線性相關(guān)時(shí)，脈沖是無(wú)啁啾的，這意味著它處于變換極限。
展開(kāi) 紅外感應(yīng)自動(dòng)出水水龍頭的電路原理分析
檢測(cè)分為兩種情況：
1、障礙物逐漸接近時(shí)，紅外接收管接收到反射的紅外線增多，U1第三腳IN1+的電壓降低。當(dāng)U1第3腳IN1+的電壓小于U1第2腳IN1-的電壓時(shí)，U1第1腳OUT1輸出低電平，LED燈被點(diǎn)亮。
2、障礙物逐漸遠(yuǎn)離時(shí)，紅外接收管接收到反射的紅外線減少，U1第三腳IN1+的電壓升高。當(dāng)U1第3腳IN1+的電壓大于U1第2腳IN1-的電壓時(shí)，U1第1腳OUT1不輸出低電平，LED燈熄滅。
電壓比較器U1內(nèi)部另一個(gè)比較器接成了電壓跟隨器，即第6腳IN2-與第7腳OUT2直接連在一起，第5腳IN2+也接到電阻R3。這個(gè)內(nèi)部比較器實(shí)際上沒(méi)有使用，為了電路系統(tǒng)的穩(wěn)定，不能將其懸空不接，接成電壓跟隨器是比較好的做法。
至此，全部電路原理分析完畢。
本文僅是分析一種“紅外感應(yīng)自動(dòng)出水水龍頭”的電路原理，不代表市面上類(lèi)似產(chǎn)品實(shí)際在使用的電路方案。
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