第08,09讲 第四章 激光吸收光谱技术(1)

激光吸收光谱技术
激光吸收光谱技术（Laser Absorption Spectroscopy）是一种利用激光与物质相互作用的原理进行分析检测的技术。

该技术利用激光的高单色性、高亮度和高定向性，通过物质吸收特定波长激光的强度变化来分析样品的成分和浓度。

在激光吸收光谱技术中，首先选择与待测物质所吸收的特定波长相匹配的激光器，然后将激光束传输到待测物质上。

当激光束与待测物质相互作用时，物质分子会吸收特定波长的激光能量，从而导致激光强度的衰减。

通过测量激光束穿过待测物质之前和之后的强度，可以确定待测物质的浓度。

激光吸收光谱技术可以应用于气体、液体和固体样品的分析，具有高灵敏度、高选择性和非破坏性等优点。

激光吸收光谱技术在环境监测、工业过程控制、化学分析和生物医学领域等具有广泛的应用。

激光与光谱技术一、激光产生原理20世纪四个重要发明：原子能，半导体，计算机，激光激光（Laser, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 雷射）：由受激而辐射的光放大1、激光器的产生20世纪初迄今为止，光学已经有两千余年的历史，但在激光产生之前，人们使用的光源主要是炽热物体的热辐射和气体放电管，机理是自发发射，这是一个随机过程，相干性不好，两个光源甚至同一个光源的两点发出的光也不能形成干涉条纹。

19世纪末赫兹发明了无线电波，20世纪初出现电子管后电磁波可由电子振荡器产生，可以产生单一频率持续时间任意长的完整正弦波，有很好的相干性，但波长只可以缩短至毫米波，因为放大器和选频用的谐振腔在电子学中无法实现。

激光的基础19171917: Albert Einstein calculated the conditions necessary for this stimulated emission to occur.关于光与物质相互作用的问题早在1917年爱因斯坦就作过研究，他在解释普朗克黑体辐射公式时明确指出只有自发发射和吸收两个过程是不够的，并由此提出“受激辐射”的概念，这也是激光的基础！粒子数反转的状态Townes et.al 20世纪50年代提出用平行平面镜作为光的谐振腔实现光反馈产生激光的理论与实验Schawlow, Townes,et.al19581960：首台ruby激光器（可见光）研制成功He-Ne激光器；1962：半导体激光器；1963：可调谐燃料激光器This was using Ammonia gas and produced amplified Microwave r adiation instead of visible light (called a MASER微波发射器) in 1954. For this they shared the 1964 Nobel prize for Physics.Maser: 微波段; Laser: 3000埃-1000000埃对于热平衡物质，下能级的布居数大于上能级的布居数，所以要想光被放大就需要设法使布居数反转，20世纪50年代汤斯等人对氨分子束能级实现了布居数反转并于1954年研制成功了利用受激发射放大产生微波振荡的微波发射器。

第一张基本概念：1.能级寿命是指自发辐射能级寿命，能级寿命与自发辐射系数互为倒数关系。

2.自发辐射与受激辐射的区别：(1)受激跃迁与自发辐射，前者与外场揉(谬)有关，而后者则只取决于原子、分子系统本身，与外场揉(谬)无关。

理论和实验证明受激辐射光子与入射光子具有四同（同频率、同位相、同波矢、同偏振），即受激辐射光子与入射光子属于同一光子态（光波模式），受激辐射光是相干光，而自发辐射是非相干的随机过程。

(3)自发辐射系数A21与受激跃迁系数的关系：在热平衡条件下，能级E1、E2的粒子数N1、N2应保持平衡，则有: 3. 光子简并度n 为受激辐射几率与自发辐射几率之比，前者产生相干光子，后者产生非相干光子。

4. 激光器的三要素：（1）工作物质(气体、固体、液体、半导体等);(2）泵浦源：二者可实现粒子数反转，实现光放大。

（3）激光谐振腔 ---实现选模和光学正反馈。

5.线宽：分布函数半最大值所对应的频率宽度叫线宽—半最大值全宽，线宽内部分叫谱线的核,外部部分叫翼。

6.光谱学中常见的谱线展宽有：自然展宽、碰撞展宽、 Doppler 展宽。

自然加宽：由于自发辐射的存在，导致处于激发态的粒子具有一定的寿命，使得所发射的光谱具有一定的线宽称为自然加宽。

7.碰撞又分为弹性碰撞和非弹性碰撞：弹性碰撞，碰撞对之间没有通过无辐射跃迁所进行的内能交换时，称为弹性碰撞。

非弹性碰撞，碰撞对A 、B 在碰撞期间，A 的内能完全的或部分的转移给了B(或成为B 的内能或转变为A 、B 的平动动能)，有内能变化，称为非弹性碰撞，也叫淬灭碰撞。

小距离弹性碰撞主要引起谱线加宽，而大距离弹性碰撞主要引起频移。

8.Doppler 加宽：由于气体原子、分子的热运动而具有一定的速度分布，一定速度的粒子相对于探测器来讲，都会产生Doppler 频移，这样具有一定速度的粒子只对谱线的某一频率范围有贡献，总体效果使得谱线加宽，Doppler 加宽的谱线线型为高斯线型。

激光光谱laser spectra以激光为光源的光谱技术。

与普通光源相比，激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等特点，是用来研究光与物质的相互作用，从而辨认物质及其所在体系的结构、组成、状态及其变化的理想光源。

激光的出现使原有的光谱技术在灵敏度和分辨率方面得到很大的改善。

由于已能获得强度极高、脉冲宽度极窄的激光，对多光子过程、非线性光化学过程以及分子被激发后的弛豫过程的观察成为可能，并分别发展成为新的光谱技术。

激光光谱学已成为与物理学、化学、生物学及材料科学等密切相关的研究领域。

可调（谐）激光光源实际上是一台可调谐激光器，又称波长可变激光器或调频激光器。

它所发出的激光，波长可连续改变，是理想的光谱研究用光源，可调激光器的波长范围在真空紫外的118.8纳米至微波的8.3毫米之间。

可调激光器分为连续波和脉冲两种，脉冲激光的单色性比一般光源好，但其线宽不能低于脉宽的倒数值，分辨率较低。

用连续波激光器作光源时，分辨率可达到10-9（线宽＜1兆赫）。

常见的激光光谱包括以下几种：①吸收光谱。

激光用于吸收光谱，可取代普通光源，省去单色器或分光装置。

激光的强度高，足以抑制检测器的噪声干扰，激光的准直性有利于采用往复式光路设计，以增加光束通过样品池的次数。

所有这些特点均可提高光谱仪的检测灵敏度。

除去通过测量光束经过样品池后的衰减率的方法对样品中待测成分进行分析外，由于激光与基质作用后产生的热效应或电离效应也较易检测到，以此为基础发展而成的光声光谱分析技术和激光诱导荧光光谱分析技术已获得应用。

利用激光诱导荧光、光致电离和分子束光谱技术的配合，已能有选择地检测出单个原子的存在。

②荧光光谱。

高强度激光能够使吸收物种中相当数量的分子提升到激发量子态。

因此极大地提高了荧光光谱的灵敏度。

以激光为光源的荧光光谱适用于超低浓度样品的检测，例如用氮分子激光泵浦的可调染料激光器对荧光素钠的单脉冲检测限已达到10-10摩尔／升，比用普通光源得到的最高灵敏度提高了一个数量级。