红外那些事1——干涉仪之争

2022-10-18 14:54

文章转载自仪点点科学公众号


接着傅立叶的主题,开启一个新的系列,当然质谱那些事系列还没完。


干涉仪Interferometer是产生傅立叶变换所需数据的硬件基础,也是个核心,这里重点聊聊一些跟干涉仪明显相关的性能参数。


人狠话不多,先上图。


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首先,结合这张表,可以得到一些结论:


1 入射角度理论上越小越好,实践起来难度也很大;主流品牌的产品设计都朝着这个方向走。


为什么要小角度入射呢?抛开光通量这个因素,偏光性能是实打实的影响。



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跳过几何光学和复杂的菲涅尔公式,直接上结论:光在偏振方向可以分解成s光和p光,两者的反射率是不一样的!如上图,在布儒斯特角Brewste Angle,p光的反射率甚至为0


光垂直入射(入射角为0度)情况菲涅尔公式简化如下:


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其中:

R是垂直入射反射率;

n是材料的折射率;


中红外的分束器和窗片最常见的材质KBr的红外折射率n约1.5耐潮湿材质ZnSe的红外折射率n在2.45左右。KBr分束器在不同入射角情况下,s光和p光分别的反射率大致如下图所示,跟玻璃是类似的。



显然,在45度入射,p光接近布儒斯特角,反射率很低很低。小角度入射可以有效规避这个风险,而且降低s光和p光反射率的差异。


不同折射率材料在15度和45度入射,s光和p光反射率的差别如下图所示。不同角度入射,s和p偏振光反射率的差别异常明显。



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小入射角的极限设计是Bruker IFS 113系列,15度入射,虽然已停产,不影响我们了解下它的设计。


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该类型干涉仪也叫Genzel Interferometer。如果切换分束器材质,非常方便。



2 动态调整和立体角镜只是实现准直的技术手段;


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上:动态调整;      下:立体角镜


这点容易被营销所套路。


3 目的是准直,产生实时干涉;


只要能抓老鼠(准直),不管是白猫黑猫(立体角镜,动态准直等),都是好猫。


4 光程差越大,分辨率越高(数值越低);


水平移动产生光程差是最高效的,移动距离的长短,决定了分辨率的最高性能。


超高分辨率的极限设计是Bruker IFS125HR,这么长的移动光程着实暴力。一个手机屏幕可能放不下。


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其次,八卦下几个品牌的产品吧。


Thermo


产品收购自NicoletThermo的市场能力绝对宇宙第一,然干涉仪技术相对于现在市面产品来讲,多年不变,只能说泯然众人矣。


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上图截选自官方的Selection Guide,产品还细分IS 50IS 50R(应该是对应原来67008700型号),在步进扫描、时间分辨和偏振调制上有一定的功能区分,这个在购置的时候是需要注意的。


干涉仪拆出来后如以下几张图,做工略显粗糙,动镜移动范围较大,所以分辨率指标在数字上是有优势的——0.09cm-1,跟超市的定价策略一脉相承,能写0.09cm-1,绝对不写0.1cm-1,因为看起来整个主观感受档次上了一个台阶。

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划重点记笔记了,下图是Thermo一直强调的每秒10万次以上的动态调整,在定镜的部分进行调整,那4个红色线圈即调整装置。


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色魔强调频率快是本性使然?哈哈,开个玩笑。



Perkinelmer



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该品牌干涉仪设计是取巧,抓住核心的点:产生光程差,其他能不动就不动。


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如上图所示,两个反射镜保持不动,利用扭动来产生光程差。


很明显,这种设计稳定性还行,但是分辨率够呛,无论怎么扭动,光程差是很有限的。

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Agilent


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收购自Varian,之后外观配色改成标准家族式设计,然后最高的680型号停掉,面阵列FPA红外显微镜停掉。


以安捷伦的市场策略进行分析,材料相关的仪器逐渐停掉(比如NMRAFM和纳米压痕等),个人觉得Agilent红外这个产品卖掉或者停掉是不远的事情。


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单纯从红外产品技术和质量来说,Varian的底蕴在那边,不会差。下图截取自官方指标文件,虽然狂了一些(The world's best FTIR),但敢于这么标榜自己产品的品牌不多。


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Shimadzu


虽然风格上跟名字谐音完全一致(shi什ma么d都zu做),不可否认是一家非常好学的公司,很多产品是后期进入市场,起步晚是劣势,优势是汲取了经过市场检验的设计和技术,也少走了很多前人的弯路。入射角度30度是个比较高的起点。


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thermo相比,动态调整的频率要低一些, 5000次每秒。



Jasco


日本分光株式会社,圆二色产品具备广泛的知名度。红外产品见的少,功能却不少,还有腔体真空的功能。这个28度入射角的设计也是讨巧,我就比你30度小2度。


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干涉仪的设计思路跟Bruker IFS 125HR一致,立体角镜+水平移动。


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Bruker


说到这里,大部分的技术前面都已经讲过了。


INVENIO是立体角镜的扭动设计,小角度扭动稳定性能肯定优异,光程差的产生没有水平移动来的高效,从数字指标上来说,存在一定的劣势。


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从下图干涉仪的做工来看,德国公司的产品细节,你没得说。


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重新回到动态调整,看下图示意图,如果在定镜上动态调整不可避免会造成干涉点在分束器上并最终在检测器位置上的偏移。


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这个问题以上所有采用动态调整技术的品牌产品都没有解决,Bruker Vertex 80系列采用了所谓“TrueAlignment”——真正准直的动态调整技术。


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如上图所示,动态调整的位置是动镜和分束器之间的反射镜,确保干涉点在分束器上无偏移,稳定干涉。整个光谱系统的设计图如下。


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包揽了 超小角度入射+真正准直+超高分辨率 所有性能于一身的 Vertex 80,如果它说第二,正常是没有人敢所第一的,除非不是……


其他两个超高分辨率IFS 125HR和超低入射角度IFS 113的技术前面有提到,不再赘述。




好了,各家的产品是驴是马,都拿出来溜溜了。


最后总结下吧,Thermo市场能力第一,Bruker技术实力第一,两家是当之无愧傅立叶红外产品的市场双雄。


希望多个品牌能够有序的竞争,有效促进产品性能的提升,我们广大的使用者自然是受益的,皆大欢喜。


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Albert Michelson 1852-1931