光学分析法的原理及应用

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面向二十一世纪课程教材

光学信息技术原理及应用

陈家璧 苏显渝 主编

2001年4月 ii

面向二十一世纪课程教材

光学信息技术原理及应用

陈家璧 苏显渝 朱伟利 孫雨南 陶世荃 吴建宏 编

2001年4月 iii

内容简介

本书是教育部“高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划”的研究成果，是面向21世纪课程教材。本书是上海理工大学、四川大学、中央民族大学、北京理工大学、北京工业大学、苏州大学、南开大学等校教授依据多年的教学和科研经验，并参考国内、外优秀教材编写而成。本书分为两部分。前五章介绍光学信息技术的基本理论，包括二维线性系统理论、光的标量衍射理论、光学系统频谱分析、部分相干理论和光全息术。后六章介绍它的主要实际应用，有光学信息存储、光学信息处理、图象的全息显示、光学三维传感和全息散斑干涉计量。本书的特点一是用线性系统的傅里叶分析方法光学问题，把光学看做信息科学技术的一个重要组成部分进行研究，二是密切联系实际，讨论了光学信息技术的各种已经实现和正在发展的应用。三是配有许多独具匠心的习题，附有大量期发表在国内外科技刊物及学术会议的有关文献，可以引导读者自学，启发读者思维，培养学生的创新能力。

本书可以作为高等学校“光信息科学与技术”及其他有关光学和光学工程专业的专业课教材，也可以供社会读者阅读。 iv 前 言

作为自然现象，光是最重要的信息载体。据统计，人类感官接收的客观世界总的信息量的90%以上要通过眼睛。早在三千年前人类就开始研究光学，但是光学发展最快的时期还是20世纪，尤其是20世纪下半叶。近代光学对信息时代的到来起了十分重要的作用。20世纪40年代末提出的全息术、50年代产生的光学传递函数、60年代发明的激光器、70年代发展起来的光纤通信、80年代成为微机标准外设的光驱、航天航空事业中应用的空间光学等近代光学技术对信息产业的高速成长发挥了不可替代的作用。与此同时，近代光学也成为电子信息科学的最重要基础之一。因此在高等院校电子信息学科的有关专业开设光信息处理技术理论与应用的课程是很有必要的。

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层次分析法原理及应用步骤

层次分析法（Analytic Hierarcy Process，简称AHP）是一种定性分析与定量分析相结合的多目标决策分析方法。对于结构复杂的多准则、多目标决策问题，是一种有效的决策分析工具。其基本思想，是根据问题的性质和要达到的目标，将问题按层次分析成各个组成因素，再按支配关系分组成有序的递阶层次结构。对同一层次内的因素，通过两两比较的方式确定诸因素之间的相对重要性权重。下一层次的因素的重要性，既要考虑本层次，又要考虑到上一层次的权重因子逐层计算，直至最后一层一般是要比较的各个方案权重大小。

运用进行决策时，大体上应分为四个步骤进行：

（1）分析系统中各因素之间的关系，建立系统的递阶层次结构；

（2）对同一层次的各元素关于上一层中某一准则的重要性进行两两比较，构造两两比较判断矩阵；

（3）由判断矩阵计算被比较元素对于该准则的相对权重；

（4）计算各层元素对系统目标的合成权重，并进行排序。

下面分别说明这四个步骤的实现方法。

（1）层次结构的建立

首先要把问题条理化、层次化，构造出一个层次分析的结构模型。在这个结构模型下，复杂问题被分解成人们称之为元素的组成部分。这些元素又按照其属性分成若千组，形成不同层次。同一层次的元素作为准则对下一层次的某些元素起支配作用，同时它又受上一层次元素的支配。这些层次大体上可以分为三类：

1、最高层这一层次中只有一个元素，一般它是分析问题的预定目标或者理想结果，因此也称目标层。

2、中间层这一层次包括了为实现目标所涉及的中间环节，它可以由若干个层次组成，包括所需要考虑的准则、子准则，因此也称为准则层

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3、最低层表示为实现目标可供选择的各种措施、决策方案等，因此也称为措施层或者方案层。

上述各个层次之间的支配关系不一定是完全的，即可以存在这样的元素，它并不支持下一层次的所有元素而仅仅支持其中部分元素。这种自上而下的支配关系所形成的层次结构，我们称为递阶层次结构。

紫外可见分光光度计

（一）概述

一、光学分析法

光是一种电磁辐射，电磁辐射是一种以巨大的速度通过空间而不需要任何介质作为传播媒介的光子流，具有波粒 二象性

电磁波谱 ：按波长顺序排列的电磁辐射

近紫外区（200-400nm）和可见光区（400-780nm）能级跃迁类型为：原子的价电子或分子的成键电子能级

二、光学分析法的分类

1.光谱法与非光谱法

当物质与电磁辐射相互作用时，若物质内部发生能级跃迁，记录由能级跃迁所产生的辐射能强度随波长的变化的图谱称为光谱（spectrum）,利用 物质的光谱进行定性、定量和结构分析的方法称为光谱分析法。

2.吸收光谱与发射光谱

物质通过电致激发，热致激发或光致激发等过程获取能量，成为激发态的原子或分子，激发态的原子或分子极不稳定，它们可能以不同的形式释放能量，从激发态回到基态或低能态 ，如果是以电磁辐射的形式释放多余的能量就产生发射光谱。

吸收光谱是物质吸收相应的辐射能而产生的光谱。 其实质在于辐射使物质粒子发生由低能级（一般为基态 ）向高能级（激发态）的能级跃迁，被选择性吸收的辐射光子能量应为跃迁后与跃迁前两个能级间的能量差。 利用物质的吸收光谱进行定性，定量及结构分析的方法称为吸收光谱法。

3.分子光谱法与原子光谱法

原子光谱法是测定气态原子（或离子）外层或内层电子跃迁所产生的原子光谱为基础的分析方法 。为线状光谱。

分子光谱法是以测定分子转动能级，分子中原子的振动能级（包括分子转动能级）和分子电子能级（包括振动-转动能级）跃迁所产生的分子光谱为基础的定性， 定量和物质结构分析方法，为带状光谱。

三、紫外-可见分光光度计

当辐射通过固体、液体或气体等透明介质分子时，物质分子选择性吸收紫外-可见光谱区的光辐射，根据吸收特征和吸收程度来研究物质组成和结构的定性、定量分析方法。

紫外可见分光光度法的特点： 灵敏度较高； 准确度较高； 选择性较好； 仪器设备简单；

仪器分析知识点总结大全

仪器分析是化学分析的重要分支，它利用特殊的仪器对物质进行定性、定量和结构分析。以下是对常见仪器分析方法的知识点总结。

一、光学分析法

（一）原子吸收光谱法（AAS）

原子吸收光谱法是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光范围的相对应原子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量的一种方法。

其原理是：当光源发射的某一特征波长的辐射通过原子蒸气时，被原子中的外层电子选择性地吸收，使透过原子蒸气的入射辐射强度减弱，其减弱程度与蒸气相中该元素的原子浓度成正比。

原子吸收光谱仪主要由光源、原子化器、分光系统和检测系统组成。

优点：选择性好、灵敏度高、分析范围广、精密度好。

局限性：多元素同时测定有困难、对复杂样品分析干扰较严重。

（二）原子发射光谱法（AES）

原子发射光谱法是依据原子或离子在一定条件下受激而发射出特征光谱来进行元素定性和定量分析的方法。 原理是：当原子或离子受到热能或电能激发时，核外电子会从基态跃迁到激发态，处于激发态的电子不稳定，会迅速返回基态，并以光的形式释放出能量，产生发射光谱。

其仪器包括激发光源、分光系统和检测系统。

优点：可同时测定多种元素、分析速度快、选择性好。

缺点：精密度较差、检测限较高。

（三）紫外 可见分光光度法（UVVis）

该方法是基于分子的紫外 可见吸收光谱进行分析的。

原理是：分子中的价电子在不同能级之间跃迁，吸收特定波长的光，从而产生吸收光谱。

仪器主要由光源、单色器、吸收池、检测器和信号显示系统组成。

应用广泛，可用于定量分析、定性分析以及化合物结构研究。

（四）红外吸收光谱法（IR）

红外吸收光谱法是利用物质对红外光区电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析和定量分析的一种方法。

原理是：分子的振动和转动能级跃迁产生红外吸收。

仪器包括红外光源、样品室、单色器、检测器和记录仪。

常用于有机化合物的结构鉴定。 二、电化学分析法

（一）电位分析法