[发明专利]用于傅里叶变换光谱仪的衰减全反射装置

说明书

一种用于傅里叶变换光谱仪的ATR装置，构成包括沿光路方向依次的第一平面反射镜、第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、ATR晶体、第三离轴抛物面反射镜、第四离轴抛物面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜和第四平面反射镜。本发明利用离轴抛物面镜实现光束会聚和光斑大小控制、并通过双离轴抛物面镜相对于ATR晶体对称排布方式提高光谱仪输出光通量利用率，从而保障检测灵敏度和信噪比；本发明具有紧凑易集成特点，并适用于简单的批量生产。本发明在物理、化学、材料、地质、生物医学等领域具有广阔应用前景。

技术领域

本发明属于光谱分析与光子学领域，特别涉及一种用于傅里叶变换光谱仪的衰减全反射(ATR)装置。

背景技术

傅里叶变换红外(Fourier Transform Infrared,FTIR)光谱仪由宽带光源、干涉仪(通常为迈克尔逊型，其基本构成包括定镜、动镜和分束器)、光检测器、电子控制与反傅里叶变换等部分组成。干涉仪对宽带光进行傅里叶调制，检测器因此记录时变的干涉图信号，干涉图经反傅里叶变换得到光谱。一般FTIR光谱仪在干涉仪输出光与检测器之间会设置样品仓，通过在样品仓内放置适当透射、反射等测试装置并将样品以适当固定，可以很容易地实现透射光谱、反射光谱等测量。因多通道、全通量、高分辨以及特别适用于红外波段的性能特点，FTIR光谱仪在气体、固体、液体样品的痕量高灵敏光谱分析方面具有传统色散型(基于棱镜分光和光栅分光)光谱仪所无法比拟的竞争优势，在电子、化工、生物医学、环境保护、安全检查等领域均有着不断增长的巨大应用需求。

衰减全反射(Attenuated Total Reflectance,以下简称为ATR)作为一种高灵敏光信号测试技术，其核心通常包含光导入部件、ATR晶体、光导出部件。ATR通过测量样品表面的反射信号来提取有效光谱信息，简化了样品制作过程，同时也极大地拓展了光谱法的应用范围，已经被广泛应用于纤维、塑料、涂料、橡胶、粘合剂等高分子材料制品的表面成份分析。

ATR与FTIR光谱仪相结合，发挥二者的优势，就可以在更多场合取得应用、获取更好的光谱测试灵敏度、信噪比和对样品材料性质。理论上，将ATR装置放入FTIR光谱仪样品仓，就可实现ATR光谱测试分析。但是在实际应用中却存在ATR装置与FTIR光谱仪光路匹配、光信号与ATR晶体耦合方式/效率等难点，严重制约了ATR光谱的应用推广和使用效果。对此，已有ATR相关专利公开并未提出有效方案：

US2001/0030288A1公开了在发射器和ATR体之间以及在ART体与二极管行探测器之间具有圆柱形透镜的ATR探针。透镜的引入会因透镜所用材料(比如CaF₂,ZnSe等)限制适用的波段范围。未见其与FTIR光谱仪光路匹配与集成描述。

CN101889195A公开了一种ATR探针，通过发射光导组件和接收光导组件分别将非准直的光入射到ATR体和接收通过ATR体后的入射光，其特征在于，用于接收从ATR体出来的光的接收光导组件的面积大于用于将光入射到ATR体内的发射光导组件的面积，以期提升光信号与ATR晶体的耦合效果。但是光导管的作用原理是通过对其中传播的光进行多次反射实现从一端到另一端的传输，这本身就导致光强的严重衰减。以95％的高反射率计，考虑到光管径长比，即便单管10次反射就将导致光信号的40％的损失，更遑论实际反射次数更多、双管以及进出光管的耦合问题。另外。也未见其与FTIR光谱仪集成的相关描述。

CN103398948B公开了一种用于傅里叶变换红外光谱仪的ATR探头，采用大口径内镀红外高反射率膜的中空光管做为光导入部件。其存在和CN101889195A相类似的光信号损失问题。

CN104062009A公开了一种高光通量红外ATR探头，同样采用大口径内镀红外高反射率膜的中空光管做为光导入部件和光导出部件，并利用透镜实施光线会聚。其存在类似CN101889195A和CN103398948B的光信号损失问题，同时还因两个透镜的引入限制了适用波段范围、进一步降低了可用光信号强度。