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。
③拉曼光谱。激光使拉曼光谱获得了新生，因为激光的高强度极大地提高了包含双光子过程的拉曼光谱的灵敏度、分辨率和实用性。为了进一步提高拉曼散射的强度，最近又研究出两种新技术，即共振拉曼光谱法和相关反斯托克斯拉曼光谱法（CARS），使灵敏度得到更大的提高，但尚未成为常规的分析方法。
④高分辨激光光谱。激光对高分辨光谱的发展起很大作用，是研究原子、分子和离子结构的有力工具，可用来研究谱线的精细和超精细分裂、塞曼和斯塔克分裂、光位移、碰撞加宽、碰撞位移等效应。
⑤时间分辨激光光谱。能输出脉冲持续时间短至纳秒或皮秒的高强度脉冲激光器，是研究光与物质相互作用时瞬态过程的有力工具，例如，测定激发态寿命以及研究气、液、固相中原子、分子和离子的弛豫过程。
激光介质光谱是用激光光谱的方法研究介质，研究可能产生新的激光体系。
光谱是复色光通过棱镜或能产生衍射现象的光学仪器光栅后，分解成的单色光按波长大小排成的光带。如日光的光谱是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色。而激光的单色性好，是一种纯正的单色光。
一种波动射于另一种物质内部时，后者就是前者的介质，也叫媒质，例如传播声波的介质或传播光波的介质。
光是由原子内部的电子受到激发后产生的。由于每一种元素的原子发出的光都具有自己的特征，因此，研究物体的发光情况，就可以了解它含有哪些元素，即了解它的化学组成。实际从事这些研究时，要观察物质的光谱，进行光谱分析。发射光谱由发光物体直接产生的光谱叫做发射光谱。
炽热的固体、液体及高压气体的光谱，是由连续分布的一切波长的光组成的，这种光谱叫做连续谱。
稀薄气体发光，会产生另一种光谱，是由一些不连续的亮线组成的。这种光谱叫做线状谱。
观察气体的光谱，可以使用光谱管（图8-12），它是一支中间比较细的封闭的玻璃管，里面装有低压气体，管的两端有两个电极。把两个电极接到高压电源上。当两个电极通过稀薄气体放电时，气体就发出一定颜色的光。这光不是单色光，用分光镜可以看到它的光谱。分光镜的构造如图8-13所示。它是由平行光管A、三棱镜P和望远镜筒B组成的。平行光管A的前方有一个宽度可以调节的狭缝S。从狭缝射入的光线经透镜L1折射后，变成平行光线射到三棱镜P上。不同频率的光经过三棱镜沿不同的折射方向射出，并在透镜L2后方的平面MN上分别会聚成不同颜色的像（谱线）。通过望远镜筒B的目镜L3，就看到了放大的光谱像。如果在MN那里放上照相底片，就可以摄下光谱的像。具有这种装置的光谱仪器叫做摄谱仪。
把固态或液态物质放到煤气灯的火焰或电弧中去烧，使它们气化后发光，就可以从分光镜中看到它们的线状谱。
从实验知道，各种元素都有一定的线状谱，元素不同，线状谱也不同。所以，线状谱又叫原子光谱。每种元素的原子只能发出某些具有特定波长的光谱线，这些谱线叫做那种元素的特征谱线。
吸收光谱
让炽热固体发出的白光通过较冷的钠蒸气（在酒精灯芯上放一些食盐，食盐受热分解就产生钠蒸气），再用分光镜来观察，在连续谱的背景上就出现了两条挨得很近的暗线，这两条暗线的波长恰好跟钠蒸气的发射光谱中两条黄色亮线相同。进一步的实验表明，白光通过每一种气体时，光谱中都会产生一组暗线，每条暗线的波长，都跟那种气体原子的一条特征谱线相对应。这就表明，每种气体都能从通过它的白光中吸收跟它的特征谱线波长相同的那些光，使白光的连续谱中出现暗线。因此，我们把连续谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱叫做吸收光谱。通常在吸收光谱中看到的特征谱线比线状谱中的要少一些。
光谱分析
由于每种元素都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成。这种方法叫做光谱分析。做光谱分析时，可以利用发射光谱，也可以利用吸收光谱。这种方法的优点是非常灵敏而且迅速。某种元素在物质中的含量达10-10克，就可以从光谱中发现它的特征谱线，因而能够把它检查出来。光谱分析在科学技术中有广泛的应用。例如，在检查半导体材料硅和锗是不是达到了高纯度的要求时，就要用到光谱分析。在历史上，光谱分析还帮助人们发现了许多新元素。例如，铷和铯就是从光谱中看到了以前所不知道的特征谱线而被发现的。光谱分析对于研究天体的化学组成也很有用。19世纪初，在研究太阳光谱时，发现它的连续谱中有许多暗线（参看彩图10，其中只有一些主要暗线）。最初不知道这些暗线是怎样形成的，后来人们了解了吸收光谱的成因，才知道这是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱。仔细分析这些暗线，把它跟各种原子的特征谱线对照，人们就知道了太阳大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元素。
图片简介: 本技术提出一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱技术领域，用于待测气体温度快速提取。该温度快速提取 方法包括以下步骤：获取波数扫描的激光穿过待测气体后的吸收谱；计算吸收谱随波数变化曲线的一阶微分和二阶微分；建立温度快速提取模型； 使用多元线性回归算法求解温度快速提取模型，进而提取待测气体温度值。本技术仅利用一个激光吸收光谱即可进行温度快速提取，有效利用吸收 谱的形状信息，简化了传统的双吸收谱线温度提取方式。同时温度快速提取方法计算时间短，适于硬件实现，在温度实时测量方面具有广阔的前 景。 技术要求 1.一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法，所述的温度提取方法首先使波数扫描的激光经光纤分束器后，一路接入马赫曾德干涉仪后直接被01号光电探镜准直后，穿过待测气体，然后被02号光电探测器接收，综合两个探测器的信号和压力计测量的待测气体压力获得激光穿过待测气体后的吸收谱，然后计算微分，接着建立温度快速提取模型，最后使用多元线性回归算法求解温度快速提取模型，进而提取待测气体的温度值。 2.按照权利要求1所述的一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法，其特征在于该温度快速提取方法包括以下步骤： 步骤一、获取激光穿过待测气体后的吸收谱；激光器输出中心波数为ν0[cm-1]、波数扫描的激光，激光经光纤分束器后，一路接入马赫曾德干涉仪后直接被0从时间到相对波数的转换关系f，结合用于待测气体压力初步测量的压力计示数pm得到K个采样点处的绝对波数νa与时间t的关系： va＝f(t)+v0+pmδ (1) 式中，δ为该吸收谱线的压致频移系数，另一路光纤分束器输出的激光接入准直镜准直后，穿过待测气体，然后被02号光电探测器接收，获得透射信号光强I 收的位置拟合激光光强基线I0(t)，根据吸收率的定义，激光穿过待测气体后随时间变化的吸收率α(t)的计算公式为： 结合式(1)与式(2)得到随绝对波数变化的吸收率α(νa)，即吸收谱； 步骤二、计算吸收谱的一阶微分和二阶微分；对绝对波数值νa进行预处理：
氢原子光谱 121120123 拓明君引言： 光谱线系的规律与原子结构有内在的联系，因此，原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。1885年巴尔末总结了人们对氢光谱测量的结果，发现了氢光谱的规律，提出了著名的巴尔末公式，氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础，对原子物理学1120123和量子力学的发展起过重要作用。1932年尤里根据里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律，对重氢赖曼线系进行摄谱分析，发现氢的同位素氘的存在。通过巴尔末公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一，成为检验原子理论可靠性的标准和测量其他基本物理常数的依据。 实验目的： （1）熟悉光栅光谱仪的性能和用法； （2）用光栅光谱仪测量氢原子光谱巴尔末系数的波长，求里德伯常数； 实验原理： 氢原子光谱 氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。用电激发氢放电管(氢灯)中的稀薄氢气(压力在102Pa左右)，可得到线状氢原子光谱。瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式 式中为氢原子谱线在真空中的波长。是一经验常数。ｎ取3，4，5等整数。若用波数表示，则上式变为 式中称为氢的里德伯常数。根据玻尔理论，对氢和类氢原子的里德伯常数的计算，得 式中Ｍ为原子核质量，ｍ为电子质量，e为电子电荷，c为光速，h为普朗克常数，为真空介电常数，z为原子序数。 当m→∞时，由上式可得出相当于原子核不动时的里德伯常数(普适的里德伯常数) 所以，对于氢，有
由此可知，通过实验测得氢的巴尔末线系的前几条谱线的波长，可求得氢的里德伯常数。里德伯常数是重要的基本物理常数之一，对它的精密测量在科学上 有重要意义，目前它的推荐值为＝。 表1 氢的巴尔末线系波长 值得注意的是，计算和时，应该用氢谱线在真空中的波长，而实验是在空 ，气中进行的，所以应将空气中的波长转换成真空中的波长。即 真空空气 实验仪器： 实验中用的仪器是WGD-3型组合式多功能光栅光谱仪，其主要由光栅单色仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D采集单元、计算机组成。其光学原理图如图１所示，入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0～2.5mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝，位于反射式准光镜的焦面上，通过入射的光束经反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经 物镜成像在上和上，通过可以观察光的衍射情况，以便调节光栅；光通过后用光电倍增管接收，送入计算机进行分析。
第３７卷第２期２ ０ １ １年３月 光学技术 ＯＰＴＩＣＡＬ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．２ Ｍａｒｃｈ ２０１１ 文章编号：１００２－１５８２（２０１１）０２－０２４１－０４ 可调谐激光吸收光谱法与气相色 谱法监测甲烷的对比研究＊ 王敏１，张玉钧２ （１．安徽建筑工业学院，合肥２３００２２） （２．中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，合肥２３００３１） 摘 要：甲烷是一种重要的温室气体，它对大气中温室效应的贡献仅次于二氧化碳。针对环境空气中甲烷的测定，从测量原理、测量过程和测量装置等方面比较了可调谐二极管激光吸收光谱和气相色谱法两种测量方法。结果表明用上述两种方法测得的甲烷的日变化趋势具有良好的一致性。相比较而言，后者造价更低，并且更方便。 关键词：可调谐激光吸收光谱；气相色谱法；ＣＨ４ 中图分类号：Ｏ４３３．１ 文献标识码：Ａ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ＣＨ４ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｔｕｎａｂｌｅ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ ｇａｓ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈ ＷＡＮＧ Ｍｉｎ１，ＺＨＡＮＧ Ｙｕｊｕｎ２ （１．Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｈｅｆｅｉ ２３００２２，Ｃｈｉｎａ） （２．Ｋｅｙ Ｌａｂ．ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｏｐｔｉｃｓ ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ａｎｈｕｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ ２３００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｅｔｈａｎｅ ｉｓ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｇａｓ，ａｆｔｅｒ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ．Ｉｔｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｆｏｒ ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｃｌｉｍａｔｅ ｔｒｅｎｄｓ．Ｔｗｏ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ．Ｏｎｅ ｉｓ ｔｈｅｔｕｎａｂｌｅ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｉｓ Ｇａｓ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄａｉｌｙ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ＣＨ４ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｔｗｏ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｒｅｉｎ ｇｏｏｄ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ａｎｄ ａｌｓｏ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｔｕｎａｂｌｅ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｉｓ ｃｈｅａｐｅｒ ｉｎ ｃｏｓｔａｎｄ ｍｏｒｅ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎａｂｌｅ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；Ｇａｓ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈ；ＣＨ４ ０ 引 言 大气中痕量污染气体含量的变化严重地影响着人类的生活，其中温室效应的影响更加严重。甲烷在大气中所造成的温室效应仅次于ＣＯ ２ ，而远高于Ｎ２Ｏ，虽然它在空气中的含量远远低于二氧化碳，大约１．６×１０－６［１］，但是温室效应有２６％是由于甲烷引起的［２］，等量的甲烷对温室效应的作用是二氧化碳的２２倍［３］，是一种十分重要的温室气体。同时，ＣＨ４又是化学活性气体，在大气中易被氧化而产生一系列的Ｈ ｘＯｙ 和碳氢氧化物，它们在许多大气成分的化学转化中扮演着重要的角色。检测地面不同 １ ４ ２ ＊收稿日期：２０１０－０９－０６ Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｗａｎｇ１９８０＠１６３．ｃｏｍ 基金项目：国家自然科学基金重点项目资助课题（５０５３４０５０） 作者简介：王敏（１９７９－），女，安徽建筑工业学院讲师，从事可调谐二极管激光吸收光谱法检测大气痕量气体的研究。
在线半导体激光光谱分析技术 王健 陈人 顾海涛 黄伟 王健先生，聚光科技(杭州)有限公司研究员；陈人先生，工程师；顾海涛先生，工程师；黄伟先生，工程师。 关键词：半导体激光吸收光谱 在线分析 调制吸收光谱 工业过程 半导体激光吸收光谱技术(Diode Laser Absorption Spectroscopy ，DLAS)最早在20 世纪70年代推出时使用中远红外波长的铅 盐半导体激光器，而这类激光器以及相应的 中远红外光电传感器在当时只能工作于非 常低的液氮甚至液氦温度，从而限制了 DLAS 技术在工业过程气体分析领域的应 用。80年代DLAS 技术开始被推广应用于 大气研究、环境监测、工业过程分析、医疗 诊断和航空航天等领域。现已逐渐发展成为 一种非常重要的在线气体分析技术，并受到 了越来越广泛的重视。 一 DLAS 技术原理 1. DLAS 基本原理 DLAS 技术是一种高分辨率吸收光谱技术，通过分析激光被气体的选择吸收来获得气体浓度、温度和压力等参数。半导体激光穿过被测气体后的光强衰减满足Beer-Lambert 关系： I(v)=I 0(v)exp(-S(T)Φ(v-v 0)PXL) (1) 式中I 0(v)和I(v)分别表示频率为v 的单色激光入射时和经过光程L 、压力为P 、温度为T 、浓度为X 的被测气体后的光强；S(T)表示气体吸收谱线的强度，是气体温度的函数；线形函数Φ(v-v 0)表征该吸收谱线的形状，它与气体温度、压力有关；线强S(T)和线形函数Φ(v-v 0)的乘积就是吸收谱线的吸收截面。激光强度的衰减与被测气体含量成定量的关系，因此，通过测量激光强度衰减信息就可分析获得被测气体的浓度。 DLAS 技术除了可在高温、高流速以及多相流等复杂、恶劣条件下分析测量气体的浓度之外，还可利用气体吸收谱线强度与气体温度的相关机制，实现对气体温度的检测。在某些应用工况下，DLAS 技术能够在进行气体浓度检测的同时，测量出气体温度并对浓度测量温度影响量进行修正(参见式(1))，实现高精度、恶劣环境适应性强的检测。 DLAS 技术测量气体温度通常需要测量被测环境中某一气体两条以上吸收谱线的吸收，核心原理是：通过挑选合适的吸收谱线对使该谱线对吸收线强之比为温度的灵敏函数，这样就可以通过测量该谱线对吸收线强之比来测量温度。 线强比值R 对温度T 的灵敏度是DLAS 温度测量技术的一个重要指标，表示为： T "E "E k hc T/T R/R 21???????=?? （2）
利用激光吸收光谱测量火焰中的碳烟颗粒浓度、温度以及气体浓 度 燃烧过程是化学反应和物理变化耦合的极其复杂的反应系统,对燃烧过程中的温度、气体组分浓度以及碳烟颗粒浓度等多种关键参数实现准确可靠的在线监测,以及对多种参数空间分布的同时测量与重建,对优化燃烧系统设计、提高能量利用效率等有着重要的现实意义。此外,对燃烧过程中的多种关键参数实现同时在线监测,对理解燃烧过程中的碳烟等污染物的生成机理也有着非常重要的帮助。 在此背景之下,本文开展了火焰中气固两相多种参数同时测量以及燃烧场中多种参数空间分布重建的研究,并且将新型的多参数同时测量方法应用碳烟颗粒生成的相关化学反应机理研究中。本文首先对研究过程中的分子吸收光谱技术的基本原理及各重要参数进行了详细阐述。 对基于吸收光谱技术的不同测量方法的特点及其适用范围进行了讨论,包括扫描波长直接吸收测量方法、固定波长直接吸收测量方法以及波长调制测量方法等。此外,还详细介绍了用于固体颗粒测量的Mie散射理论及其近似求解方法Rayleigh散射理论。 其次,研究了对高温环境下多种气体的温度和浓度的同时测量。选择位于4996 cm-1附近的CO2吸收谱线作为本实验研究过程中高温下 CO2温度和浓度同时测量的目标谱线对。 对吸收池内不同温度工况（873 K～1273 K）下不同CO2浓度（4%～10%）的CO2/N2混合气体的温度以及CO2浓度的进行了同时在线测量,温度值与设定温度值相比,平均偏差为2.07%,峰值偏差为3.49%;测量得到CO2气体浓度值与配比浓度值相比,平均偏差为
《光谱学与光谱技术》课程总结 第一章 氢原子光谱的基础 1. 氢原子的旧量子理论是由玻尔创立的，玻尔并成功地解释了氢原子光谱。 2. 在光谱学中波数定义为波长的倒数，即 。 3光谱图强度曲线中横坐标可用波长表示，也可用波数表示，还可用频率表示。 4. 当原子被激发到电离限之下时其光谱线为分立谱；当原子被激发到接近或高 于电离限的位置时其光谱线为连续谱。原子光谱是原子的结构的体现。 5. 针对H 原子的Pfund 系光谱, 22115R n ν??=- ??? H ， R H =109677.6cm -1 为已知常数。请计算该线系的最长波长和最短波长。 221115R n νλ??==- ???H n =6, 22115R n ??- ??? H 最小，λ最大 n →∞，221115R n νλ??= =- ???H 最大，λ最短 6. 激光作为光谱学研究的光源有优势 （1）单色性好：普通光源发射的光包含各种不相同的频率，含有多种颜色；而激光发射的光频宽极窄, 是最好的单色光源。 （2）相干性好：由于激光是受激辐射的光放大，具有很好的相干性；而普通光 源的光由自发辐射产生是非相干光。 （3）方向性好:激光束的发散角很小,几乎是一平行的光线，便于调整光路；而普 通光源发出的光是发散的，不便于调整光路。 （4）高亮度:激光的亮度可比普通光源高出1012-1019倍，便于做各种实验。 7. 使H 原子解除简并的两种效应及其异同。 部分解除简并是由相对论（速度）效应和LS 耦合（自旋与轨道作用）作用共同 导致的，要想完全解除简并, 则需加磁场（与原子磁矩相互作用产生附加能导致 1λ
原子吸收光谱法 原子吸收光谱（Atomic Absorption Spectroscopy，AAS)，又称原子分光光度法，是基于待测元素的基态原子蒸汽对其特征谱线的吸收，由特征谱线的特征性和谱线被减弱的程度对待测元素进行定性定量分析的一种仪器分析的方法。 中文名 原子吸收光谱法 外文名 Atomic Absorption Spectroscopy 光线范围 紫外光和可见光 出现时间 上世纪50年代
简称 AAS 测定方法 标准曲线法、标准加入法 别名 原子吸收分光光度法 基本原理 原子吸收光谱法(AAS)是利用气态原子可以吸收一定波长的光辐射，使原子中外层的电子从基态跃迁到激发态的现象而建立的。由于各种原子中电子的能级不同，将有选择性地共振吸收一定波长的辐射光，这个共振吸收波长恰好等于该原子受激发后发射光谱的波长。当光源发射的某一特征波长的光通过原子蒸气时，即入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态（一般情况下都是第一激发态）所需要的能量频率时，原子中的外层电子将选择性地吸收其同种元素所发射的特征谱线，使入射光减弱。特征谱线因吸收而减弱的程度称吸光度A，在线性范围内与被测元素的含量成正比： A=KC 式中K为常数；C为试样浓度；K包含了所有的常数。此式就是原子吸收光谱法进行定量分析的理论基础
由于原子能级是量子化的，因此，在所有的情况下，原子对辐射的吸收都是有选择性的。由于各元素的原子结构和外层电子的排布不同，元素从基态跃迁至第一激发态时吸收的能量不同，因而各元素的共振吸收线具有不同的特征。由此可作为元素定性的依据，而吸收辐射的强度可作为定量的依据。AAS现已成为无机元素定量分析应用最广泛的一种分析方法。该法主要适用样品中微量及痕量组分分析。 原子吸收光谱法谱线轮廓 原子吸收光谱线并不是严格几何意义上的线，而是占据着有限的相当窄的频率或波长范围，即有一定的宽度。原子吸收光谱的轮廓以原子吸收谱线的中心波长和半宽度来表征。中心波长由原子能级决定。半宽度是指在中心波长的地方，极大吸收系数一半处，吸收光谱线轮廓上两点之间的频率差或波长差。半宽度受到很多实验因素的影响。影响原子吸收谱线轮廓的两个主要因素：
基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统研究本论文课题来源于中国国家自然科学基金项目“新型红外瓦斯和一氧化碳检测仪的研究”、美国xx部项目“xxx”。研究了基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统,采用了可调谐二极管激光吸收光谱技术和腔增强吸收光谱技术研制了四套气体检测系统,检测了甲烷、乙炔、水汽、甲醛等气体。详细介绍了各检测系统的结构和原理,测试了系统的灵敏度、响应时间和稳定性等参数。第一章引言部分介绍了甲烷、乙炔、甲醛等气体的应用和危害,监测这些气体的浓度对于安全生产和环境保护具有重要的意义。 介绍比较了几种常见的气体检测方法:电化学法,催化燃烧法,气相色谱法和红外吸收光谱法。如红外吸收光谱法的优缺点:灵敏度高、响应速度快、寿命长、可以非接触式测量等,可以广泛应用于工农业生产、环境监测、医学诊疗和军事等领域。介绍了红外气体检测技术的种类、国内外发展现状和趋势。包括直接吸收光谱技术、光声光谱技术、腔衰荡光谱技术、腔增强吸收光谱技术和波长调制光谱技术等。 第二章是红外激光吸收光谱技术的理论部分:分子光谱理论和朗伯-比尔定律。气体分子红外吸收光谱产生的原因是分子内部振动能级和转动能级的跃迁,不同种类的气体分子具有不同的吸收谱线位置和强度,气体分子的光谱特征确保了红外气体检测技术的选择性。根据朗伯-比尔定律,待测气体分子对特定波长光强的吸收量与气体浓度有关。第三章主要介绍了基于近红外分布反馈半导体激光器(DFB激光器)和可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的乙炔检测系统,详细介绍了系统结构及检测性能。 设计的电路部分包括高精度、高稳定性的DFB激光器驱动器,数字正交锁相放大器以及光电探测电路。驱动器的温控模块采用积分分离式数字比例积分微分算法,温控过程快速平稳,长期工作波动为±0.01oC,长期稳定性高;设计的数字正交锁相放大器以数字处理器芯片为核心,硬件电路简单、体积小、便于集成。比较了减法预处理电路和除法预处理电路两种信号处理方式,通过实验发现,采用除法预处理电路时,系统具有较低的检测下限。当积分时间为1 s时,阿伦方差为15.8 ppm~2,系统的检测下限为3.97 ppm;积分时间增加到68s时检测下限进一步降低为540 ppb。
实验一红外吸收光谱法 一、实验目的1．了解傅立叶变换红外光谱仪的基本构造及工作原理2．掌握红外光谱分析的基础实验技术3．学会用傅立叶变换红外光谱仪进行样品测试4．掌握几种常用的红外光谱解析方法 二、实验原理、方法和手段 （一）实验原理 不同波长的电磁辐射都具有相应的能量，在它与物质的相互作用中，如果其能量与物质的原子、分子或离子的低能态和高能态之间的能量差相同时，物质的 原子、分子或离子便选择性地吸收电磁辐射的能量，同时使自己从低能态跃迁到高能态。如果将透过某物质的电磁辐射用单色器将其色散，让它按波长顺序排列，并测量在不同波长处的辐射强度，就可得到该物质的吸收光谱。 波长在0.76 ym- 1000叩的电磁辐射称为红外光（infrared ray），该区域称为红外光谱区或红外区。红外光又可划分为近红外区（0.76叩?2.5叩或13158cm-1?4000cm-1）、中红外区（2.5 yn?50或4000cm-1?200cm-1）、远红外区（50ym?1000ym或200cm-1?10cm-1）。其中红外区是研究分子振动能级跃迁的主要区域。 红外区的光谱除用波长入表征外，更常用波数（wave number）c表征。波数是波长的倒数，表示单位厘米波长内所含波的数目。 作为红外光谱的特点，首先是应用面广，提供信息多且具有特征性，故把红外光谱通称为“分子指纹”。它最广泛的应用还在于对物质的化学组成进行分析。用红外光谱法可以根据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知物的结构，依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组分的含量。其次，它不受样品相态的限制，无论是固态、液态以及气态都能直接测定，甚至对一些表面涂层和不溶、不熔融的弹性体（如橡胶）也可直接获得其光谱。它也不受熔点、沸点和蒸汽压的限制，样品用量少且可回收，是属于非破坏分析。而作为红外光谱的测定工具红外光谱仪，与其他近代分析仪器（如核磁共振波谱仪、质谱仪等）比较，构造简单，操作方便，价格便宜。因此，它已成为现代结构化学、分析化学最常用和不可缺少的工具。 根据红外光谱与分子结构的关系，谱图中每一个特征吸收谱带都对应于某化合物的质点或基团振动的形式。因此，特征吸收谱带的数目、位置、形状及强度取决于分子中各基团（化学键）的振动形式和所处的化学环境。只要掌握了各种基团的振动频率（基团频率）及其位移规律，即可利用基团振动频率与分子结构的关系，来确定吸收谱带的归属，确定分子中所含的基团或键，并进而由其特征振动频率的位移、谱带强度和形状的改变，来推定分子结构。 （二）仪器的基本结构及工作原理 1 ．光源 红外光谱仪（FT）中所用的光源通常是一种惰性固体，用电加热使之发射高强度连续红外辐射，如空冷陶瓷光源。随着科技的发展，一种黑体空腔光源被研制出来。它的输出能量远远高于空冷陶瓷光源，可达到60％以上。 2?迈克尔逊干涉仪 其作用是将光源发出的红外辐射转变成干涉光，特点是输出能量大、分辨率高、波数精度高（它采用激光干涉条纹准确测定光差，故使其测定的波数更为精确）、且扫描平稳、重线性好。
光谱学的发展 光谱学是光学的一个分支学科，它研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间相互作用。光谱是电磁辐射按照波长的有序排列；根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。光谱学的历史应从牛顿的色散实验开始，由于牛顿的精湛技术，使人们对白光的认识和对颜色的认识大大深入了。1752年，英国的梅耳维尔（Thomas Melvill，1726～1753）报告了他对多种物质产生的火焰光谱进行的研究，发现了包括纳谱线在内的一些谱线。19世纪初，赫歇尔（William Herschel，1738～1822）和里特（Johann Wilhelm Ritter，1776～1810）先后发现了在人的视觉范围之外的射线，即红外线和紫外线。1814年夫琅和费（Franhofer Joseph von，1787～1826）观察到了光谱线；但是，光谱学技术并不仅是一种科学工具，在化学分析中它也提供了重要的定性与定量的分析方法。实用光谱学是由基尔霍夫（Kirchhof Gottlieb Sigimund Constantin，1764～1833）与本生（Bunsen Rebent Wilhelm Ebethard，1811～1899）在19世纪60年代发展起来的；他们证明光谱学可以用作定性化学分析的新方法，还利用这种方法发现了几种当时还为人所不知的元素，并且证明了在太阳里存在着多种已知的元素。 1、光谱线的最初观察 1752年，梅耳维尔第一个观察到发光气体的光谱线。自从牛顿对光谱的研究以来，他的研究标志着向前迈进了第一步。梅耳维尔观察了钾碱、明矾、硝石和食盐被连续地放进酒精灯时所产生的光谱，并且发现，当明矾或钾碱放进酒精火焰中时，发射出了数量不相同的各种光线，……并且从它到邻近的较弱的颜色的光的过渡不是逐渐的而是直接的；这明亮的黄光就是“钠线”。后来，伦敦有一位医生在烛光火焰底部观察到蓝光的明亮光谱带；1856年，圣安德鲁斯的威廉·斯旺（Swan William）又一次观察到它，现在称之为“斯旺光谱”（Swan spectrum）。1802年，英国物理学家沃拉斯顿（Wollaston William Hyde，1766～1828）首次观察到太阳光谱中的7条暗线，其中最重要的5条光谱线被他认为是光谱的纯粹单色的自然界标或分界线，他本来得到了开创重要的谱线研究的机会，但他未能准确地解释它。这项工作只能等待更年轻的德国物理学家夫琅和费去完成。 夫琅和费（Fresnel Augustin Jean，1788～1827）1787年3月6日生于斯特劳宾（Straubing），父亲是玻璃工匠，幼年当学徒，后来自学了数学和光学。1806年他在巴伐利亚的贝内迪克特博伊伦的光学工场当了工匠，1818年任经理，1823年担任慕尼黑科学院物理陈列馆馆长和慕尼黑大学教授，后来德国埃朗根大学和英国、丹麦都赠予他荣誉称号。夫琅和费集工艺家与理论家的才干于一身，把丰富的实践经验与理论结合起来，对光学和光谱学做出了重要贡献。他用几何光学理论设计和制造了消色差透镜以取代过去盲目试验的方法，还首创用牛顿环方法检查光学表面加工精度及透镜形状。他所制造的大型折射望远镜等光学仪器，负有盛名。这些成就，使当时光学技术的权威由英国转移到德国，推动了精密光学工业的发展。 夫琅和费开始并不知道沃拉斯顿的发现，在他的光学著 作中，他把理论知识和实际技巧结合得非常好。特别是由于他 的准确计算各种透镜的方法的发明，他把实用光学引向了一条 全新的道路，并且他把消色差望远镜提到了当时意想不到的完 善程度。1814年，夫琅和费为了测定玻璃折射率和色散，以 作为制造消色差透镜的基础，对太阳光谱进行了仔细的观测。 在努力于测定玻璃对特殊颜色的折射率以便设计更为精密的 消色差透镜时，夫琅和费偶然地发现了一种灯光光谱的橙黄色 图7-14夫琅和费的分光仪 的双线，现在称之为钠线。在所有的火光中，他都看到这条精 细的、明亮的双线“精确地在同一地方出现，因此对于测定折 射率十分有用。他把一束来自狭缝的光线照射在有相当距离的放在经纬望远镜前面的最小偏差位置上 130
第1章衍射光栅：刻划型和全息型 衍射光栅由下列两种方法制成：一种是用带钻石刀头的刻划机刻出沟槽的经典方法，另一种是用两束激光形成干涉条纹的全息方法。(更多信息详见Diffraction Gratings Ruled & Holographic Handbook). 经典刻划方法制成的光栅可以是平面的或者是凹面的，每道沟槽互相平行。全息光栅的沟槽可以是均匀平行的或者为优化性能而特别设计的不均匀分布。全息光栅可在平面、球面、超环面以及很多其他类型表面生成。 本书提到的规律、方法等对各类不同表面形状的经典刻划光栅和全息光栅均适用，如需区分，本书会特别给出解释。 1.1 基础公式 在介绍基础公式前，有必要简要说明单色光和连续谱。 提示：单色光其光谱宽度无限窄。常见良好的单色光源包括单模激光器和超低压低温光谱校正灯。这些即为大家所熟知的“线光源”或者“离散线光源”。 提示：连续谱光谱宽度有限，如“白光”。理论上连续谱应包括所有的波长，但是实际中它往往是全光谱的一段。有时候一段连续谱可能仅仅是几条线宽为1nm的谱线组成的线状谱。 本书中的公式适用于空气中的情况，即m0=1。因此，l=l0=空气中的波长。 定义单位 α - (alpha) 入射角度 β - (beta) 衍射角度 k - 衍射阶数整数
定义单位 n - 刻线密度刻线数每毫米 D V - 分离角度 μ - 折射率无单位 λ - 真空波长纳米 λ0 - 折射率为μ0介质中的波长 其中λ 0 = λ/μ 1 nm = 10-6 mm; 1 mm = 10-3 mm; 1 A = 10-7 mm 最基础的光栅方程如下： (1-1) 在大多数单色仪中，入口狭缝和出口狭缝位置固定，光栅绕其中心旋转。因此，分离角D V成为常数，由下式决定， (1-2) 对于一个给定的波长l，如需求得a和b，光栅方程(1-1)可改写为： (1-3) 假定D V值已知，则a和b可通过式(1-2)、(1-3)求出，参看图1.1、1.2和第2.6节。
紫外可见吸收光谱法 开放分类：化学科学 收藏分享到顶[1]编辑词条 目录 ? 1 概述 ? 2 基本原理 ? 3 特点 ? 4 仪器组成 ? 5 应用 ? 6 影响因素 ?展开全部 摘要 紫外可见吸收光谱法是利用某些物质的分子吸收10～800nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法，这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁，广泛用于有机和无机物质的定性和定量测定。该方法具有灵敏度高、准确度好、选择性优操作简便、分析速度好等特点。 紫外可见吸收光谱法-概述 图4.3
分子的紫外可见吸收光谱法是基于分子内电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种常用的光谱分析法。分子在紫外-可见区的吸收与其电子结构紧密相关。紫外光谱的研究对象大多是具有共轭双键结构的分子。如（图4.3），胆甾酮（a）与异亚丙基丙酮（b）分子结构差异很大，但两者具有相似的紫外吸收峰。两分子中相同的O=C-C=C共轭结构是产生紫外吸收的关键基团。 紫外-可见以及近红外光谱区域的详细划分如图4.4所示。紫外-可见光区一般用波长（nm）表示。其研究对象大多在200-380 nm的近紫外光区和/或380-780 nm的可见光区有吸收。紫外-可见吸收测定的灵敏度取决于产生光吸收分子的摩尔吸光系数。该法仪器设备简单,应用十分广泛。如医院的常规化验中，95%的定量分析都用紫外-可见分光光度法。在化学研究中，如平衡常数的测定、求算主-客体结合常数等都离不开紫外-可见吸收光谱。[1] （图）图4.4 紫外可见吸收光谱法-基本原理 紫外可见吸收光谱的基本原理是利用在光的照射下待测样品内部的电子跃迁，电子跃迁类型有： （1）σ→σ* 跃迁指处于成键轨道上的σ电子吸收光子后被激发跃迁到σ*反键轨道 （2）n→σ* 跃迁指分子中处于非键轨道上的n电子吸收能量后向σ*反键轨道的跃迁 （3）π→π* 跃迁指不饱和键中的π电子吸收光波能量后跃迁到π*反键轨道。 （4）n→π* 跃迁指分子中处于非键轨道上的n电子吸收能量后向π*反键轨道的跃迁。
椭偏光谱原理和技术 本章通过介绍椭偏光谱的基本原理、光度型椭偏光谱仪以及椭偏光谱分析特点，给出了椭偏光谱技术在离子注入的辐照损伤以及材料光学性质研究中的应用和局限。利用椭偏光谱技术，结合其它分析手段并建立精细的分析模型，椭偏光谱技术能够从复杂的材料结构中，快速、精确和方便地测量并分析各层结构的厚度、成份、气孔率和光学常数。椭偏光谱技术将在材料的光学性质研究和离子注入的辐照损伤研究等方面发挥积极的作用。 §3.1 引言 椭偏术（Ellipsometry）起源于一百多年前，它是一种用来研究媒质界面或薄膜特性的光学方法[1-2]。其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振态的改变来研究表面薄膜厚度、光学常数、膜性质和结构以及基体光学性质和结构等。早期的椭偏术多半采用消光方式，它的结构简单，已被沿用了上百年。这种方式在实验中需要使用一个1/4波片，这限制了工作波长范围，因此难以被用于材料的光谱学研究。此外，测量过程多半靠手动完成，比较费时。为了克服这些缺点，实现研究材料的光学特性随光子能量变化的关系，人们对实验方法进行了改进，考虑省去1/4波片，而采用光度型的椭偏检测方法[3]。在实验中，固定起偏器方位角，同时连续旋转检偏器。因此，只要读取不同检偏方位角的光信号强度，就能通过计算分析得到完整的椭偏参数。但由于实验中涉及到大量的数据处理和繁复的三角函数计算，为获得一条谱线所消耗在测量操作和计算上的时间太多使得这种有用的方法在很长一段时间没有得到广泛的应用。计算机（尤其是PC机）的出现和计算技术的不断提高给这种方法注入了新的活力，并得到了迅速的发展。目前，随着计算机制造业的迅猛发展，超大型集成电路对芯片不断提高质量和扩大用途的要求，促进了椭偏仪制造业和SE技术的发展。以90年代初至今为例，美国的椭偏仪生产厂家已
课程教学大纲 课程名称（中文）：激光光谱学与光谱测量技术 课程名称（英文）：Laser spectroscopy and spectral detection technique 课程性质：（通识必修、通识选修、学科基础、专业必修、专业选修、教师教育）专业必修 学分：2 学时：36 ，其中理论学时：36 ，实践（实验）学时：0 授课对象：电子科学与技术 授课语言：中文 开课院系：物理与材料科学学院 课程网址：(没有请填写“无”)无 撰写人：邓莉 审定人：无 一、课程简介（中文） 《激光光谱学与光谱测量技术》是电子科学技术的专业必修课程。该课程围绕激光光谱学基本原理及检测方法展开。知识点涵盖基础光学、原子物理学、非线性光学、光电子技术等学科领域。本课程主要突出激光光谱学基本原理、基础知识与基本方法，让学生了解激光光谱新技术与发展方向，为本科生掌握激光光谱学基础知识及起步相关专业方向研究奠定扎实基础。本课程适用于具有一定光学、原子物理基础的高年级学生学习，总学时为36学时左右（每周2学时，共1学期）。 课程简介（英文）
Laser spectroscopy and spectral detection technique is the required course for the students of Electronic Science Technique major. This course mainly revolves around the basic principles and the measurement methods of laser spectroscopy. All the knowledges are related with basic optics, atomic physics, nonlinear optics and electric technique. This course can help students gain the new techniques and the development of the laser spectroscopy, meanwhile is to lay a solid foundation for the students’ further study. It is suitable for the students who have already learned optics and atom ic physics. This course has about 36 hours in total (2 hours per week,18 weeks in one semester). 二、课程目标 通过本课程的学习，使学生对各种光谱测量技术的原理，实现方法，技术技巧有比较全面的了解。对各种光谱学技术学习的过程中，可以培养学生根据实际问题结合物理原理提出解决方案思维能力，提升全面思考方案可行性并不断优化方案的理念。 三、教学内容、学时分配和作业要求 第一章光谱学基础知识（学时2） 本章总结了光谱学的基础知识。首先在了解光本性的基础上，介绍光与物质相互间的作用。基于能级跃迁理论，揭示光谱中所反映的物质能级信息，光谱的宽度和线型表征光谱的重要参数。
原子吸收光谱法 原子吸收光谱(Atomic Absorption Spectroscopy,AAS),又称原子分光光度法,就是基于待测元素的基态原子蒸汽对其特征谱线的吸收,由特征谱线的特征性与谱线被减弱的程度对待测元素进行定性定量分析的一种仪器分析的方法。 中文名 原子吸收光谱法 外文名 Atomic Absorption Spectroscopy 光线范围 紫外光与可见光 出现时间 上世纪50年代 简称 AAS 测定方法 标准曲线法、标准加入法 别名 原子吸收分光光度法 基本原理 原子吸收光谱法(AAS)就是利用气态原子可以吸收一定波长的光辐射,使原子中外层的电子从基态跃迁到激发态的现象而建立的。由于各种原子中电子的能级不同,将有选择性地共振吸收一定波长的辐射光,这个共振吸收波长恰好等于该原子受激发后发射光谱的波长。当光源发射的某一特征波长的光通过原子蒸气时,即入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态(一般情况下都就是第一激发态)所需要的能量频率时,原子中的外层电子将选择性地吸收其同种元素所发射的特征谱线,使入射光减弱。特征谱线因吸收而减弱的程度称吸光度A,在线性范围内与被测元素的含量成正比: A=KC 式中K为常数;C为试样浓度;K包含了所有的常数。此式就就是原子吸收光谱法进行定量分析的理论基础 由于原子能级就是量子化的,因此,在所有的情况下,原子对辐射的吸收都就是有选择性的。由于各元素的原子结构与外层电子的排布不同,元素从基态跃迁至第一激发态时吸收的能量不同,因而各元素的共振吸收线具有不同的特征。由此可作为元素定性的依据,而吸收辐射的强度可作为定量的依据。AAS现已成为无机元素定量分析应用最广泛的一种分析方法。该法主要适用样品中微量及痕量组分分析。
表面物理的超快光谱学研究 赵继民 自然界很多有趣的现象源自变化，表面和界面是一种原子在空间占据上的变化。从一种介质变成另一种介质，就形成了界面；如果一侧为真空，另一侧为介质，则称为表面。通常决定物理性质的表面层的厚度在纳米或亚纳米尺度，也即几个原子层。在纳米材料和一些量子结构里，表面原子的数目所占的比例大为上升，而体内原子的数目所占比例下降，于是表面所具有的物理性质显得突出，例如同样是碳材料，石墨的物理性质主要由体内原子的性质决定，而单层碳原子石墨烯的物理性质主要由表面原子的性质决定；如果在表面附着一些原子分子，则表面的性质会表现出较大的变化，例如在分子束外延生长的薄膜材料上，掺杂少量的磁性原子，将等效于在原子周围产生一个磁场，在此磁场的影响下，表面电子态的量子物性会发生改变，这种改变有时是很明显的，例如时间反演对称性被破坏等；这些都意味着表面物理研究的重要性。 有很多与表面和界面相关的物理现象可以用光学的方法进行研究。在这些光学方法里，超快光谱学具有独到的优势和丰富多彩的一面。 一、光谱学研究的特色 光谱学被广泛用于凝聚态物质的科学研究。构成凝聚态物质的原子、电子，或其构成方式的不同都将带来不同的光谱特性，从光谱可以知晓凝聚态物质的内禀物理特性。例如在不同温度、压强、掺杂、外加磁场、电流通过等条件下物质发生了相变，晶格结构改变了，自由载流子数目变化了，或者特定能量的声子、自旋波等低能元激发出现或消失了，等等，这些变化会导致光谱的变化，表现在吸收峰或散射峰的能量和宽度的改变、消失、出现等。这些内在的深刻的物理性质往往可以通过观测光谱来进行分析反推得到，所谓一叶落而知天下秋。常见的光谱学研究方法包括发光光谱、吸收光谱、透射光谱、反射光谱、瑞利散射光谱、拉曼散射光谱、布里渊散射光谱、二次谐波及和频差频光谱等，以及按光波波段划分的红外吸收光谱、THz光谱、X 光衍射光谱等。它们的本质是弹性的或非弹性的光与物质的相互作用。大自然的奇妙之处在于：凝聚态物质有多么丰富，这种光与物质的相互作用就有多么丰富。 用光谱学方法研究表面具有如下优势：（1）光谱对结构的细微变化非常敏感，可见和红外光谱甚至比X光衍射对结构的变化更敏感。（2）对表面元素的种类和组分的分辨力强，是扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等实验手段的有力补充。（3）非接触式的研究，不会改变表面的物性。（4）不仅可以研究表面也可以研究埋在表面之下的界面。（5）不需要在超高真空环境下进行，例如一些高温下的物理过程，无法提供超高真空环境，适宜于光谱学研究。（6）适宜于集体激发态的研究。（7）一些表面增强效应，例如表面增强拉曼散射和表面增强和频过程，特别适合于光谱学研究。（8）与表面相关的超快动力学过程，只能用光谱学方法进行研究。（9）很多奥妙的量子特性以及宏观量子效应也都特别适宜于光谱学的研究。当然光谱学研究也有诸如空间分辨率达不到原子分辨等不足。 二、对表面敏感的光谱学研究 采用光谱学研究表面物理问题，关键在于如何得到只对表面响应的光学信号，如果表面产生的光信号和体内产生的光信号同时存在，就要想办法去除来自体内的光信号而记录和研究来自表面的光信号，这样才可能用来研究表面物理。由于通常情况下体内的原子个数远远多于表面的原子个数，所以做到将来自表面的光谱信号区分、记录、研究并不容易。这方面的实验研究依作者的浅见大致可以分成三类：第一类研究，探测只有表面和界面处才能产生的非线性光学信号（所谓线性，是指物理性质与光波中的电场强度成正比；非线性是指物理性质不与光波中的电场强度成正比，例如，与电场强度的平方成正比，等等，相关的物理知识在非线性光学这一学科中有专门的讨论），如果某种类型的光信号只在表面处可以产生而在物质体内不能产生，那么这样的光信号就很好地反映了表面的物理性质；第二类研究，被研究的物理体系本身就是一个表面 ·44 ·现代物理知识
The Optics of Spectroscopy 光谱学基础教程 The Optics of Spectroscopy A Tutorial by J.M. Lerner and A. Thevenon 第1章衍射光栅：刻划型和全息型 1.1 基础公式 1.2 角色散 1.3 线色散 1.4 波长和衍射阶次 1.5 分辨“能力” 1.6 闪耀光栅 1.6.1 Littrow条件 1.6.2 效率曲线 1.6.3 效率和阶次 1.7 衍射光栅和杂散光 1.7.1 散射光 1.7.2 鬼线 1.8 光栅的选择 1.8.1 什么时候选择全息光栅 1.8.2 什么时候选择刻线光栅 第2章：单色仪和摄谱仪 2.1 基本组成 2.2 Fastie?E bert型配置 2.3 Czerny?T urner型配置 2.4 Czerny?T urner/Fastie?E bert 型的PGS差 2.4.1 像差校正平面光栅 2.5 凹面像差校正全息光栅 2.6 单色仪配置中计算α和β 2.7 单色仪的光学部分 2.8 光开口阻挡和入口、出口“瞳孔” 2.9 孔径比(f值,f数)和数值孔径 2.9.1 透镜系统的f数 2.9.2 光谱仪的F数 2.9.3 放大率和光通量密度 2.10 出口狭缝宽度和扭曲失真
2.11 狭缝高度的放大倍数 2.12 光谱带宽和分辨率 2.12.1 狭缝(P1(λ))的影响 2.12.2 衍射效应(P2 (λ))的影响 2.12.3 成像偏差(P3 (λ))的影响 2.12.4 计算仪器线形的半高全宽(FWHM ) 2.12.5 像宽和阵列探测器 2.12.6 讨论 2.13 阶次和分辨率 2.14 色散和最大波长 2.15 阶次和色散值 2.16 如何选择单色仪和摄谱仪 第3章：光谱仪的光通量和光展量 3.1 定义 3.1.1 光展量介绍 3.2 系统的相对光通量 3.2.1 光展量的计算 3.3 进入光谱仪的光流量 3.4 采用小直径光纤光源时整套系统的优化实例 3.5 采用宽光源时整套系统的优化实例 3.6 光通量和带宽随狭缝宽度的变化 3.6.1 连续光谱光源 3.6.2 离散光谱光源 第4章：光学信噪比和杂散光 4.1 随机杂散光 4.1.1 光谱仪的光学信噪比 4.1.2 信号的量化，Φu 4.1.3 杂散光的量化Φd和信噪比Φu/Φd 4.1.4 信噪比的优化 4.1.5 信噪比优化实例 4.2 直接杂散光 4.2.1 光谱仪的错误收集方式 4.2.2 二次进入光谱 4.2.3 光栅鬼线 4.3 信噪比和狭缝尺寸 4.3.1 单级单色仪和连续谱光源 4.3.2 单级单色仪和单色光光源 4.3.3 双级单色仪和连续谱光源 4.3.4 双级单色仪和单色光光源 第5章：波长与阵列探测器上像素位置的关系 5.1 确定焦平面上给定位置对应的波长 5.1.1 分析与结论 5.1.2 确定一个已知波长在焦平面上的位置 第6章：入口光学 6.1 入口光学的选择 6.1.1 基础公式的回顾