北京理工光谱信息技术总复习-2015-给学生

R = λ / Δλ = ν / Δν
• 其中， Δλ=λ 1-λ 2表示两个非常靠近又刚好可以分辨出来 的谱线之间的最小间距，它们的中心波长为λ1，λ2。 • 如果两条谱线的中心极大之间有一个明显的凹坑，认为 它们是可分辨的。 • 对于不同的谱线线型，有不同的分辨率。
Creative ways to construct winning e-mails |
有时也写为：
I ( R, λ ) = I 0 exp[− σ (λ )c(λ ) R]
R I0
吸收物质
I ( R, λ ) = I 0 exp[− k (λ ) R]
式中K为吸收系数，单位为cm-1，km-1等
I
0
r
物质的吸收光谱、 反射光谱、 拉曼光谱和 发射光谱是物 质内能能态分布的具体反映，也是认识物质基本结构的重要手 段。
R ⎡ I ( R, λ ) = I 0 exp − ∫ σ (λ )c( r )dr ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ 0 ⎦
透过率定义为： I T = × 100% I0
式中σ(λ)为单位物质的吸收系数，c(r)为物质的浓度，I 为入射光强，I为出射光强。 若在R范围内单位物质的吸收系数和物质的浓度不变，则 有：
根据量子力学理论，分子的内能能态分布是 量子化的。分子内能有电子能、振动能和转动 能组成，即：
En = Ee + Ev + Er
分子光谱中每一条特征谱线都 与一对能级相对应。
分子吸收谱线的主要参数 l吸收截面： l线型函数： Φ (ν )； l谱线线中心频率: ν0； l谱线线强： S； l谱线半宽度: γ。 它们的表达式为：
λ Δx2 = f 2 a
• 两条波长差为δλ的谱线色散后的距离：
dθ Δx2 = f 2 δλ dλ
• 色散大于判据方可分辨，分辨本领的基本限制为：
λ dθ ≤ δλ ⇒ R = λ ≤ a dθ a dλ δλ dλ
Creative ways to construct winning e-mails |
光谱分辨的判据
• 瑞利判据：一 条谱线的衍射 中心极大落到 另一条谱线的 一 阶 极 小值 处 ， 则认为它们是 可分辨的。
• 瑞利判据的两个假设： • 假设两条谱线的强度和线型完全相同。 • 假设接收器的灵敏度大于或等于20%。
Creative ways to construct winning e-mails |
拉曼散射示意图
拉曼散射与 拉曼频移示 意图
在通常情况下（室温），分子绝大多数处于振动能级 基态，所以斯托克斯线一般比反斯托克斯线要强。 此外，拉曼散射强度与拉曼散射波长的四次方成反比 ， 即照射波长越短，拉曼散射强度越大。瑞利散射也与波长 的四次方成反比 ，即照射波长越短，瑞利散射强度越大。 为什么早晨的太阳是红色的？天空为什么是蓝色的？
• 按照功能结构分：
• • • • • • 单色仪 发射光谱仪 吸收光谱仪 荧光光谱仪 调制光谱仪 其他（拉曼，光声等等）
Creative ways to construct winning e-mails
|
光谱仪的基本特性和参数
- 光谱仪的速度 - 光谱透射率 - 光谱分辨本领 - 自由光谱区 - 色散率 - 光度特性 - 工作效率 收集光的本事 光学元件，色散元件（探测系统） 光谱仪分开波长接近的两条谱线的能力 棱镜材料的正常色散区，光栅的级数 角色散率，线色散率 被测光谱亮度与仪器测得光度数值的关系 记录光谱精度和速度的指标（分辨率和光强度的乘积）
|
Creative ways to construct winning e-mails
色散率
• 角色散率 • 表示两不同波长光线之间分开的角距离。
dθ 定义：
dλ
单位：r ad/ nm
• 线色散率 • 不同波长谱线在成像系统焦平面上彼此分开的距离。
dl 定义：
dλ
单位：m m / nm
Creative ways to construct winning e-mails
锁相放 大器
模数转 换器
计算机
某气体吸收谱线的导数光谱测量系统图
14
导数光谱测量的优点： 在一次导数光谱情况 下，能很好去除测得数据 的斜背景；在二次到导数 光谱情况下，不但能很好 去除斜背景，而且能去除 其常数偏置。
I 0 H n (ν ) ≈ − I 0 La Γn ,n
n
dn k (ν ) n dν
0 σ ； am (ν )
ΔE E上 − E下 ν0 = = hc hc
σ (ν ) = S ⋅ Φ(ν )
0 am
，
S=∫
∞
−∞
0 σ am (ν )dν
，
，
∫
∞
−∞
Φ(ν )dν = 1
。
l 谱线的自然加宽。本身固有，由相关能级的寿命决定； l 碰撞加宽。吸收分子与周围气体分子碰撞导致的加宽； 碰撞加宽半宽度与压力的关系为：
吸收谱线与相应 的一阶导数和二 阶导数光谱的示 意图
吸收光谱测量的光声光谱法
入射窗口 入射光 微音检测器 出射窗口 出射光
调制脉冲光
入射激光是调制脉冲光，池体内气体在调制激光脉冲作用下，调制地被 加热，即气体压力交替地上升和下降，从而形成声波。明显气体吸收越 多，产生的声波信号越强。该信号被称为光声信号，并可通过微音器检 测。当吸收较小时，测量得到的光声信号强度一般可写为：
12
吸收光谱测量的导数光谱法
I (t ) = I 0 ∑ H n (ν ) cos( nwt )]
n =0 ∞
I 0 H n (ν ) ≈ − I 0 La Γn,n
n
dn k (ν ), n dν
对于弱吸收情况
式中，n为导数阶数，L为吸收光程，Гnn为与n有关的常数，k为吸 收系数。
I 0 (ν )
OPTICS
Spectrometer
光谱信息技术 复习课件 2015.11
考试时间地点
• 2015.11.19 • 15:10－17:10 • 信息楼2002
考试题型
• 简答题 • 计算证明题(画图) • 分析论述题
l 吸收光谱 物质的吸收率随入射光波波长变化的规律，叫做物质 的吸收光谱。
l 反射光谱 物质的反射率随入射光波波长变化的规律，叫做物质 反射光谱。
|
色散率2
• 线色散率和角色散率的关系
λ2 ɛ dθ dθ λ0 λ1 f'2 dl
dl dθ = f '2 dλ dλ
Creative ways to construct winning e-mails
dl f '2 d θ = g d λ sin ε d λ
|
光谱分辨本领
• 光谱分辨本领（分辨率）的定义：
Vabs = β I 0k c L,
式中β为系统常数，I0为入射光强，k为被测气体的吸收系数，c为被测气 体浓度或压力，L为光声池长度。
斩波器 激光器 光声池
传声器
功率计
参考同步信号 前置放大器
锁相放大器
锁相放大器
比率计 归一化光声信号
典型光声光谱实验原理图
光谱仪的功能
光谱仪是进行光谱研究和进行物质光谱分析的装置 测定被研究的光的光谱组成。（波长，强度，轮廓等）
光谱仪器应该具有的功能： 将被研究的光按波长或波数分解开 测定各波长的光所具有的能量，得到能量的波长分布 显示，记录测量到的信息，得到光谱图 通过分析光谱鉴定材料组成 等
Creative ways 光谱信息技术 —— to construct 北京理工大学 winning e-mails | 19
样品气体
I 0 (ν )T (ν )
锁相放大器
nf 参考信号
I 0 H n (ν )
光电探测器
输出信号
ν (t ) = ν + a cos( wt )
波长计 窄线宽 可调谐 二极管 激光器 光电探测器
气体分子 吸收池 1f 或 2f
制冷器
激光温度、 电流控制 器
光谱仪的构成
光源 照明系统
研究对象本身 用来激发照射研究对象 会聚被研究的光。（聚光本领要大） 匹配后续光学系统。（发散角和口径） 入射狭缝：对于后续系统，入射狭缝成为替代光源
准直系统 准直物镜：确保平行光进入色散系统 色散系统 将入射光分解为光谱
棱镜，光栅，滤光片
成像系统 将色散开的光成像在物镜的焦平面上 接收，检测和显示系统 控制系统
分辨率的讨论
• 考虑一定宽度的狭缝
• 这时要满足瑞利判据，有 • 同样，色散要大于判据：
λ f2 Δx2 = f 2 + b a f1 −1 ⎛ λ b2 ⎞ ⎛ dθ ⎞ Δλ ≥ ⎜ + ⎟⎜ ⎟ ⎝ a f1 ⎠ ⎝ d λ ⎠
荧光光谱
一般所谈的荧光现象是：当紫外光照射到某些物质的时候，这些 物质会发出各种颜色和不同强度的可见光，而当紫外光停止照射时 ，这种光线也随之很快地消失，这是一般所称的荧光。 实际上荧光现象不局限于上述情况。如还包含： l l l l 紫外荧光。物质吸收了紫外光后，发出波长稍长的紫外荧光； X光荧光。物质吸收了比紫外光波长短得多的X光后，发出波长 比所吸收X光波长稍长的X光； 红外荧光。物质吸收了红外光后，发出波长稍长的红外荧光； 共振荧光。物质吸收了激发光波后，发出与激发光波波长相同 的荧光。
不同单位下光谱分 辨率的换算：
1 ~ Δλ = − ~ 2 Δν , ν
1
1 ~ Δν = − 2 Δλ
λ
~= 在λ = 1µm时，Δλ = 1nm ⇒ Δν
λ
Δλ = 2