光学分析 PPT课件

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•沈括（1031～1095年）所著《梦溪笔谈》中，论述了凹面镜、 凸面镜成像的规律，指出测定凹面镜焦距的原理、虹的成因。 培根（1214～1294年）提出用透镜校正视力和用透镜组成望 远镜的可能性。 阿玛蒂（1299年）发明了眼镜。 波特（1535～1561年）研究了成像暗箱。
沈括（1031～1095年） 培根（1214～1294年）
1、光的发射、传播和接收等规律 2、光和其他物质的相互作用。包括光的吸收、散射和色散。 光的机械作用和光的热、电、化学和生理作用（效应）等。 3、光的本性问题
4、光在生产和社会生活中的应用
三、研究方法
实验 ——假设 ——理论 ——实验
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§0-2 光学发展简史
一、萌芽时期 世界光学的（知识）最早记录，一般书上说是古希腊欧
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• 克莱门德（公元50年）和托勒玫（公元90～168年）研 究了光的折射现象，最先测定了光通过两种介质分界面 时的入射角和折射角。
• 罗马的塞涅卡（公元前3～公元65年）指出充满水的玻璃 泡具有放大性能。
• 阿拉伯的马斯拉来、埃及的阿尔哈金（公元965～1038 年）认为光线来自被观察的物体，而光是以球面波的形 式从光源发出的，反射线与入射线共面且入射面垂直于 界面。
几里德关于“人为什么能看见物体”的回答，但应归中国的 墨翟。从时间上看，墨翟（公元前468～376年），欧几里德 （公元前330～275年），差一百多年。
墨翟（公元前468～376年）
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• 从内容上看，墨经中有八条关于光学方面的（钱临照， 物理通极，一卷三期，1951）第一条，叙述了影的定 义与生成；第二条说明光与影的关系；第三条，畅言 光的直线传播，并用针孔成像来说明；第四条，说明 光有反射性能；第五条，论光和光源的关系而定影的 大小；第六、七、八条，分别叙述了平面镜、凹球面 镜和凸球面镜中物和像的关系。欧几里德在《光学》 中，研究了平面镜成像问题，指出反射角等于入射角 的反射定律，但也同时反映了对光的错误认识——从 人眼向被看见的物体伸展着某种触须似的东西。

光学分析法件
• 光学分析法的基本原理 • 光学分析法的 • 光学分析法的数据理与分析 • 光学分析法的用例
01
光学分析法介
光学分析法的定 义
光学分析法是一种基于光与物质相互 作用，通过测量光与物质相互作用的 特性来分析物质的方法。
它利用了光的吸收、反射、散射、透 射等特性，以及光与物质相互作用后 产生的光谱信息，来对物质进行定性 和定量分析。
干涉条件
干涉图样
干涉图样是干涉现象的直观表现，其 形状取决于光波的波长、相位差和振 动方向。
相干光波的频率相同、有恒定的相位 差、有相同的振动方向。
光的衍射
01
02
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衍射现象
光波在遇到障碍物或通过 孔洞时，会绕过障碍物或 穿过孔洞，产生偏离直线 传播的现象。
衍射分类
根据产生衍射现象的原因， 可以分为菲涅尔衍射和夫 琅禾费衍射。
03
利用分类算法对光谱数据进行分类和识别，以实现物质鉴别和
含量测定等功能。
图像数据的处理与分析
图像增强
通过对比度增强、滤波等技术改善图像质量，提高图像的清晰度 和可辨识度。
图像分割
将图像划分为不同的区域或对象，以便于提取感兴趣的目标或特 征。
特征提取与识别
从图像中提取出目标物的形状、大小、颜色等特征，并利用分类 算法进行识别和分类。
光学显微镜 用于观察细胞形态和组织结构。
流式细胞术 用于细胞分选、计数和表型分析。
在环境监测中的应用
遥感技 术
用于大范围的环境监测和污染源调查。
光学传感器
用于实时监测水质和空气质量。
荧光光谱法
用于水体中有机污染物的检测。
表面增强拉曼散射
用于空气中有毒有害物质的检测。

τ
cosΔ
dt =0
τ0
I = I1 +I2
叠加后光强等与两光束单独照射时的光强之和，
无干涉现象
2、相干叠加 满足相干条件的两束光叠加后
I =I1 +I2 +2 I1I2 cosΔ 位相差恒定，有干涉现象
若 I1 I2
I =2I1(1+cosΔ
)
=4I 1cos2
Δ 2
Δ =±2kπ I =4I1
r2
§1-7 薄膜干涉
利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和 折射，可在反射方向(或透射方向)获得相干光束。
一、薄膜干涉 扩展光源照射下的薄膜干涉
在一均匀透明介质n1中
放入上下表面平行,厚度
为e 的均匀介质 n2(>n1)，
用扩展光源照射薄膜，其
反射和透射光如图所示
a
n1
i
a1 D
B
n2
A
n1 C
2、E和H相互垂直，并且都与传播方向垂直，E、H、u三者满 足右螺旋关系，E、H各在自己的振动面内振动，具有偏振性．
3、在空间任一点处
εE = μH
4、电磁波的传播速度决定于介质的介电常量和磁导率，
为
u= 1 εμ
在真空中u= c =
1 ≈3×108[m ε0μ0
s 1]
5、电磁波的能量
S
=E
×H ,
只对光有些初步认识，得出一些零碎结论，没有形
成系统理论。
二、几何光学时期
•这一时期建立了反射定律和折射定律，奠定了几何光学基础。
•李普塞（1587～1619）在1608年发明了第一架望远镜。
•延森（1588～1632）和冯特纳（1580～1656）最早制作了复 合显微镜。 •1610年，伽利略用自己制造的望远镜观察星体，发现了木星 的卫星。 • 斯涅耳和迪卡尔提出了折射定律

光学分析法通常是非接触性的，不会对被 检测物质造成破坏或污染，这对于某些脆 弱的样品或环境十分重要。
实时监测
远程操作
光学分析法可以实现实时监测，对于快速 变化的过程或事件能够迅速响应。
在某些情况下，光学分析法可以通过远程 操作进行，无需直接接触被检测物质，增 加了操作的安全性和便利性。
缺点
对光源和探测器的依赖 光学分析法通常依赖于特定波长 或光谱范围的光源和探测器，而 这些设备的准确性和稳定性可能 会影响分析结果。
荧光光谱仪通常由光源、激发滤光片、单色器、样品池、发射滤光片和检测器组成，能够测量荧光物质 的激发光谱和发射光谱，从而分析荧光物质的性质和组成。
荧光光谱仪在生物学、医学、化学和环境科学等领域有广泛应用，可用于分析生物样品、药物、污染物 等样品。
拉曼光谱仪
拉曼光谱仪是一种用于测量拉曼散射光谱的仪 器。
《光学分析法概述》ppt 课件
CONTENTS
目录
• 光学分析法简介 • 光学分析法的基本原理 • 常用光学分析仪器介绍 • 光学分析法的优缺点 • 光学分析法的未来发展
CHAPTER
01
光学分析法简介
光学分析法的定义
光学分析法是一种基于光与物质相互作用来研究物质结构和性质的分析方法。它利用光的吸收、发射 、散射、折射等特性，结合各种光学器件和测量技术，实现对物质进行定性和定量分析的目的。
光的散射与干涉
光的散射
当光通过物质时，物质中的微小颗粒 会使光发生散射。散射光的强度和方 向与颗粒的大小、形状和折射率有关 ，可据此分析物质的粒度和分布。
光的干涉
两束或多束光波在空间相遇时，会因 相位差而产生加强或减弱的现象。利 用光的干涉现象可进行光学干涉测量 和干涉光谱分析。

化学反应中，产物分子吸收了反应过 程中释放的化学能而被激发，在返回基态 时发出光辐射称为化学发光，根据化学发 光强度或化学反应产生的总发光强度来确 定物质含量的方法称为化学发光分析法。
1.分子荧光分析的理论基础
分子荧光也称紫外-可见光荧光，即利用某些物 质受到紫外-可见光照射后，发射出比吸收的紫外-可 见光波长更长或相等的紫外-可见荧光。通过测定物 质分子产生的荧光强度进行分析的方法称为分子荧 光分析。
分析条件选择
▪ 一、仪器测量条件
▪ 由于光源不稳定性、读数不准等带来
的误差。当分析高浓度的样品时，误差更 大。
▪ 当A=0.434 时，吸光度读数误差最小！
▪
通常可通过调节溶液浓度或改变光程
b来控制A的读数在0.15~1.00范围内。
二、反应条件选择
1. 显色剂的选择原则：
使配合物吸收系数 最大、选择性好、组成恒定、配合
2.双光束
自动记录，快速全波段 扫描。可消除光源不稳定、 检测器灵敏度变化等因素的 影响，特别适合于结构分析。 仪器复杂，价格较高。
3.双波长
将不同波长的两束单色光(λ1、λ2) 快速交替通过同一 吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。△=
1～2nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。
光路图
各轨道能级高低顺序： n**（分子轨道理 论计算结果）； 可能的跃迁类型：-*；-*；-*；n-*；-*；n-*
▪ 2. 能级组成：除了电子能级外，分子吸收能量将伴随着 分子的振动和转动，即同时将发生振动能级和转动能级 的跃迁！据量子力学理论，分子的振-转跃迁也是量子化
的或者说将产生非连续谱。因此，分子的能量变化E为
溶液的吸光度值A标和样品溶液的吸光度值A样，然后由下式求 得样品溶液的浓度或含量：

[美]机载激光系统
•近年又产生了付立叶光学和非线性光学。 •付立叶光学：将数学中的付立叶变换和通讯中的线性系 统理论引入光学。
§1-1 光的电磁理论
一、光的电磁理论 按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场会产生变化 的磁场，这个变化的磁场又产生变化的电场，这样变化 的电场和变化的磁场不断地相互激发并由近及远地传播 形成电磁波。
•1610年，伽利略用自己制造的望远镜观察星体，发现了木星 的卫星。
• 斯涅耳和迪卡尔提出了折射定律
三、波动光学时期
• 1801年，托马斯· 杨做出了光的双缝干涉实验 • 1808年，马吕发现了光在两种介质界面上反射时的偏振性。
托马斯· 杨
பைடு நூலகம்
惠更斯
牛顿
• 1815年，菲涅耳提出了惠更斯——菲涅耳原理 • 1845年，法拉弟发现了光的振动面在强磁场中的旋转，揭 示了光现象和电磁现象的内在联系。 • 1865年，麦克斯韦提出，光波就是一种电磁波 通过以上研究，人们确信光是一种波动。
三、研究方法
实验 ——假设 ——理论 ——实验
§0-2 光学发展简史
一、萌芽时期 世界光学的（知识）最早记录，一般书上说是古希腊欧 几里德关于“人为什么能看见物体”的回答，但应归中国的 墨翟。从时间上看，墨翟（公元前468～376年），欧几里德 （公元前330～275年），差一百多年。
墨翟（公元前468～376年）
红 橙 黄 绿 青 蓝 紫
760nm~630nm 630nm~590nm 590nm~570nm 570nm~500nm 500nm~460nm 460nm~430nm 430nm~400nm
光在不同媒质中传播时，频率不变，波 长和传播速度变小。 折射率 n = c = ε μ r r

实验装置
激光源、双缝、屏幕。
实验现象
在屏幕上观察到明暗相间的干涉条纹。
理论分析
通过双缝的光波在屏幕上叠加，形成干涉图样。根据干涉条件，可推 导出条纹间距与光源波长、双缝间距及屏幕距离的关系。
薄膜干涉原理及应用
01
薄膜干涉
光波在薄膜前后表面反射后叠加形成的干涉现象。
02 03
原理分析
光波在薄膜前后表面反射时，相位发生变化，当光程差为半波长的奇数 倍时，反射光相互加强，形成亮纹；当光程差为半波长的偶数倍时，反 射光相互减弱，形成暗纹。
光的偏振现象
光波是横波，其振动方向 垂直于传播方向。通过偏 振片可以观察到光的偏振 现象。
几何光学基本概念
光线和光束
光线表示光传播的路径和 方向，光束是由无数条光 线组成的集合。
光的反射和折射
光在两种不同介质的交界 面上会发生反射和折射现 象，遵循反射定律和折射 定律。
透镜成像
透镜是一种光学元件，可 以改变光线的传播方向。 通过透镜可以形成实像或 虚像。
光的色散
色散是指复色光分解为单色光的现象 。牛顿的棱镜实验揭示了光的色散现 象。
02
光的干涉现象
干涉现象及其条件
干涉现象
干涉图样
两列或多列光波在空间某些区域相遇 时，光强在空间重新分布的现象。
明暗相间的条纹，反映了光波的振幅 和相位信息。
干涉条件
两列光波的频率相同、振动方向相同 、相位差恒定。
双缝干涉实验分析
量子光学应用与前景
列举量子光学在量子通信、量子计算、量子精密测量等领域的应 用，以及未来可能的发展趋势和挑战。
06
实验方法与技巧指导
基本实验仪器使用说明
分光计

化E为各种形式能量变化的总和：
ΔΕ ΔΕ ΔΕ ΔΕ e v r
其中Ee最大：1-20 eV; Ev次之：0.05-1 eV; Er最小：0.05 eV 可见，电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大 1~2 个数量级， 在发生电子能级跃迁时，伴有振-转能级的跃迁，形成所谓的带状光谱。
光路图
应用领域： 涉及化学化工、医疗卫生、冶金地质、食品饮料、农业化肥、畜牧水产、机 械制造、计量科学、环保、制药、生物、材料、石油等领域中的科研、教学、生 产中的质量控制、原材料和产品检验等各个方面，进行定性分析、定量测定、纯 度检查、结构分析、络合物组成及稳定常数测定、动力学研究等等。
UV应用领域
紫外-可见吸收光谱原理
一、分子吸收光谱的形成
1. 过程：运动的分子外层电子 --------吸收外来辐射 ------产生电子能级跃 迁-----分子吸收谱。
I I 0 t M h M * h


2. 能级组成：除了电子能级外，分子吸收能量将伴随着分子的振动和转
动，即同时将发生振动能级和转动能级的跃迁！据量子力学理论，分子 的振-转跃迁也是量子化的或者说将产生非连续谱。因此，分子的能量变
4.检测器
利用光电效应将透过吸收池的 光信号变成可测的电信号，常用的 有光电池、光电管或光电倍增管。
5. 结果显示记录系统
检流计、数字显示、微机进行 仪器自动控制和结果处理
二、分光光度计的类型
types of spectrometer 1.单光束
简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度， 一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高 的稳定性。
①入射狭缝：光源的光由此进入单色器；