短波長富立葉轉換光譜儀之研究｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	許德倫 Te-Lun Hsu
論文名稱：	短波長富立葉轉換光譜儀之研究 Study on short-wavelenth Fourier transform spectrometer
指導教授：	蕭憲彥 Sen-Yen Show
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電機資訊學院 - 電機工程學系 Department of Electrical Engineering
論文出版年：	2004
畢業學年度：	92
語文別：	中文
論文頁數：	75
中文關鍵詞：	富立葉轉換、麥克森干涉儀、干涉譜、頻譜
外文關鍵詞：	fourier transform, Michelson interferometer, interferogram, spectrum
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富立葉轉換光譜儀目前普遍應用在紅外線光譜分析上，利用麥克森干涉儀所建構的富立葉轉換光譜儀，其多工的性質減短了傳統分光的時間，在每一次掃描過程中可接收到全部光源的光譜資料。加上不需使用狹縫，因此可以容易地接收微弱的訊息，這就是其相對於傳統的色散式光柵光譜儀的兩項重要優點，Fellegett advantage與Jacquinot advantage兩項優點。
本文藉由自行架設的光譜量測系統並搭配快速富立葉轉換程式來量測可見光的波長，實驗過程利用步進馬達作步進式掃描，每一取樣間隔約23 nm，並以氦氖雷射作為校正標準。實驗結果顯示綠光雷射峰值波長約為 (537 nm)、laser diode中心波長約為 (679 nm)。因此只要能適當的控制取樣頻率和架設理想的光學架構，則可以成功驗證其背後所包含的理論，並且可量測一般可見光的光譜。
其中實驗過程中有待改進的部分包括軟體方面可在快速富立葉處理部分加入更適當的數學函數對誤差有所補償；硬體方面的重點還是必須減少取樣時的誤差以及增加量測系統的穩定性，這一部分可利用壓電材料與校準雷射光源的回饋訊號來控制。另一方面，若能將整個系統包含馬達控制、數據讀取、頻譜計算等方面加以整合，往自動化量測方向前進，相信對未來的應用會更有幫助。

目錄
摘 要    I
致 謝    II
目錄    III
圖目錄    VI
表目錄    IX
第一章 引言    1
1.1引言    1
第二章 基本原理介紹    3
2.1干涉儀    3
2.1.1干涉儀的分類    4
2.2麥克森干涉儀    5
2.2.1麥克森干涉儀於量測上之應用    7
2.3干涉基本原理    9
2.3.1 干涉條紋的可見度(visibility)    10
2.4富立葉轉換光譜儀    12
2.4.1富立葉轉換光譜儀之優點介紹    13
2.4.2富立葉分析轉換頻譜    15
2.4.3離散富立葉轉換    19
2.4.4 截斷函數的影響    21
2.5 光譜儀的解析度    23
2.6發散光束的影響    24
2.7移動平台的影響    27
2.8分光器（beam splitter）的影響    28
第三章 實驗架設與步驟    30
3.1系統描述    30
3.2光源    31
3.3移動平台    31
3.4步進馬達    32
3.5光擴束器    32
3.6光檢測器    32
3.7其他硬體配備    33
3.7.1 corner cube    33
3.7.2電腦及介面卡    34
3.7.3 Matlab之fft轉換    35
3.8 實驗步驟與光譜量測    38
第四章實驗結果與討論    43
4.1 實驗條件    43
4.2 實驗結果與討論    43
4.3 結論    47
參考文獻    48


圖目錄
圖2.1 麥克森干涉儀    49
圖2.2 傳統色散式光譜儀    49
圖2.3 產生離散富立葉的圖解說明    50
圖2.4截斷區間等於週期整數倍之正弦波的富立葉轉換    51
圖2.5截斷區間不等於週期整數倍之正弦波的富立葉轉換    51
圖2.6 海寧函數及其富立葉轉換對    52
圖2.7在計算離散富立葉變換對，應用海寧函數減少洩漏的例子    53
圖2.8 含有兩峰值的頻譜    54
圖2.9 各自譜線的干涉譜    54
圖2.10 兩干涉譜的疊加結果    54
圖2.11 同心圓干涉圖    55
圖2.12 同心圓干涉之光強度分佈    55
圖2.13 發散光束通過干涉儀之示意圖    56
圖2.14 發散光束的干涉譜    56
圖2.15 干涉儀中可移動平面鏡鏡面傾斜示意圖    57
圖2.16 強度I的光線射入麥克森干涉儀中的情形    57
圖3.1 富立葉轉換光譜儀系統基本架構    58
圖3.2 步進馬達連接移動平台示意圖    59
圖 3.3 步進馬達內部接線圖    59
圖3.4 CORNER CUBE    60
圖3.5 CORNER CUBE的傾斜不影響光線角度    60
圖3.6 麥克森干涉儀利用CORNER CUBE加平面鏡的組合    61
圖3.7 麥克森干涉儀利用貓眼(CAT’S EYE)的示意圖    61
圖3.8光譜儀控制面板    62
圖3.9 模擬的訊號的干涉譜    62
圖3.10 N在1至4096範圍內函數FFT的運算時間    63
圖3.11模擬訊號的光譜圖    63
圖3.12 直線干涉條紋    64
圖3.13 同心圓干涉條紋    64
圖4.1  512數據點之HE-NE雷射頻譜與干涉譜    65
圖4.2  2048數據點之HE-NE雷射頻譜與干涉譜    66
圖4.3  4096數據點之HE-NE雷射頻譜與干涉譜    67
圖4.4  20480數據點之HE-NE雷射頻譜與干涉譜    68
圖4.5 加入海寧函數對圖4.4降低洩漏效應的頻譜與干涉譜    69
圖4.6  512數據點外加鎖相放大器之HE-NE雷射頻譜與干涉譜    70
圖4.7  512數據點之CW綠光雷射頻譜與干涉譜    71
圖4.8  1024數據點之CW綠光雷射頻譜與干涉譜    72
圖4.9  1024數據點LASER DIODE頻譜與干涉譜    73
圖4.10 多模光纖導光之光譜與干涉譜    74

                                

[1] Bell Robert John,”Introductory fourier transform spectroscopy”
[2]Griffiths Peter R.,” Chemical infrared fourier transform spectroscopy”
[3]Smith, Brian C.,” Fundamentals of Fourier transform infrared spectroscopy”
[4]Jagdish.Vij, Patrick Corcoran,”A Computer- Controlled submillimeter fourier spectrometer, IEEE Transactions On
Intrumentation And Measurement, vol.38, No.1,February 1989
[5]Delores M. Etter,”Engineering problem solving with Matlab Second Edition”
[6]James R. Durig/陳守一譯，”紅外線光譜分析法在化學、生物和工業方面之應用”，國立編譯館
[7]E.ORAN BRIGHAM/黎文明譯，”快速傅立葉變換”，復漢出版社
[8]游家瑋，”微步進馬達驅動之里梭光柵光譜儀研究”，清大碩士論文，2001
[9]陳光如，”氮氣雷射激發之螢光光譜量測系統研究”，清大碩士論文，2002

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