激光光谱学的介绍

激光光谱学的介绍

一、引言

光谱学是研究物质和电磁波相互作用的科学，而激光光谱学是对在激光器发明之后，使用激光作为光源来进行的原子、分子的发射光谱、吸收光谱以及非线性效应所做研究的通称。

激光光谱学是自激光技术出现以来在传统光谱学基础上发展起来的一门新兴学科。传统光谱学已有300多年的历史。1666年伟大的科学家牛顿用棱镜发现了光的色散现象，由此开始了光谱学的发展，不过在起初的一百多年内，其发展极为缓慢，直到1814年著名的物理学家夫琅和费用他发明的棱镜光谱仪观察到太阳谱线开始，才逐渐进入光谱学发展的盛期，除了对吸收与发射光谱的研究外，还相应发展了对散射光谱的研究，特别是喇曼散射的发现，即在光发生散射时，除了原有频率之外，散射光中还有一些其它频率的光出现，通过喇曼散射可以研究物质的结构与组成等！其实光谱学作为一门实用性学科是由物理学家和化学家共同开创起来的。到20世纪初，传统光谱学已经十分成熟并在冶金、电子、化工、医药、食品等工业部门都成为相当重要的分析手段。

尽管传统的光谱学在物质研究中获得了多方面的应用，但在激光问世之前，它的进一步发展已经面临着不可逾越的鸿沟。首先传统光谱学使用普通光源，探测分辨率低，而增强其单色性，又不得不以降低光强为代价，这样又会影响到探测的灵敏度，此外，在弱光辐射下光谱中的许多非线性效应表现不出来，因此包含物质结构深层次的信息被阻断。60年代高强度、高单色性激光的出现给光谱学这门学科注入了新的活力，在其后发展的激光光谱学中，激光光源的优越性被发挥的淋漓尽致。比如激光的单色性使分光器件分辨率提高，高强度提高了探测的灵敏度，而且强光与物质粒子的相互作用中，产生了各种可观测的非线性光谱效应；此外激光的高度方向性又使对微区或定点的光谱分析成为可能。在激光光谱学中，作为光谱分析手段的激光光谱技术由于其高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率也倍受重视，在许多科学技术领域有着非常广泛的应用前景！

二、激光光谱学技术的应用

1、化学

把激光光谱技术与光化学结合，工艺技术简单、设备小、效率高、成本低。

激光分离同位素：利用单色光对准一种同位素的谱线位置，将它光解离或激励至激发态进行反应，而其余同位素不被光解或激发而存留于原来物料中，达到同位素分离的目的。60年代初，出现了激光。由于激光

的单色性、高强度和短脉宽等优异性能，自然地成为同位素分离的理想光源。

激光诱导化学反应：在常温常压下不能进行但在激光的照射下可被诱发的化学反应。激光具有单色性、高强度和短脉宽等优越性能，是诱发光化学反应最理想的光源。激光诱导化学反应主要是指激光光解反应以及由光解碎片引起的后续化学反应，例如，激光光解可以产生自由基或原子，所产生的自由基又可以诱发链锁反应。用各种波长激光（红外、可见、紫外）诱发的化学反应大约有几百种。根据波长的不同，激光诱发化学反应的机理也不相同，一般可分为两类：①红外激光诱导化学反应，②紫外或可见激光光解反应。

2、生物学

光子学在生物学中有着重要的应用。其中一个重要的例子，采用激光光谱学研究DNA和蛋白质取得重大进展。有人认为这钟进展的意义堪与人造卫星升空、人类登上月球相比美。

最近十年内，人类在研究DNA和蛋白质取得三大进展。其一，流式细胞计。它用荧光标记物质对分离出来的细胞中的DNA进行染色。当用一定波长的激光激励时，单个细胞会发生荧光，其荧光强弱与DNA的含量有关。当细胞依次从一个喷咀中流出时，会形成一个一个的荧光脉冲。利用一定的电子测量仪器和计算机数据采集和处理系统就可以得到最常用的DNA的直方图。直方图的横坐标表示DNA的含量，纵坐标表示细胞的个数。其二，DNA的排序研究。它的基本做法为用荧光标记物对DNA进行染色。其三，用瞬态激光光谱学动态观察蛋白质的折叠。蛋白质的氨基酸序列形成三维结构的过程仍是分子生物学中最具有挑战性的问题之一。

激光光谱学可用于研究生物分子和细胞等。例如激光微束仪又称为激光显微镜，是激光器与显微镜相结合的一种光学仪器，可以研究各种DNA分子结构等等；喇曼光谱是研究分子振动的有力工具，所以激光喇曼光谱可以研究生物分子的结构和动力学等信息。

3、激光遥感技术

应用于大气和海洋环境监测：在环境科学方面，广泛应用于大气和海洋环境监测的激光遥感技术是运用激光光谱技术来确定大气成分、浓度及空间分布等，对人类是十分有意义的！

激光遥感应用现状激光遥感应用范围非常广泛，主要包括对地形、建筑物以及其他对象进行高精度测量。（1）带状地形测图数据采集地面三维激光影像扫描仪可进行野外局部带状地形区域分段扫描。在具有一定重复扫描区域内，进行三维影像拼接和合并生成带状影像图。通过少量的测量控制点转换到国家或城市坐标系中，用地形和地物的三维点云数据建立模型，生成带状地形图。（2）建立高精度的数字地面模型和城市模型三维激光扫描影像数据作为gis 系统和数

据库更新的重要来源。采集的三维点云数据经过拼接和合并后，进行数据预处理剔除粗差数据，运用数据滤波和分类算法获得地面高程数据以及地物数据。（3）古文物建筑物测量及逆向工程应用地面三维激光影像扫描技术可为三维数字化设计、三维测量及逆向工程、快速模具制造等相关技术方面提供服务。（4）其它方面的应用此外，地面三维激光影像扫描仪可应用于复杂工业设备的测量与建模、房屋建模与房产图测量、工程建筑物变形监测、灾害三维实时监测、事故灾害评估、矿山及隧道测量和大型水利工程安全监测与研究等方面。

4、医学

医学上，运用激光光谱技术可以治疗各种疾病，比如光敏疗法可进行诊断和治疗癌症；光化学方法应用激光光谱技术治疗皮肤病；激光喇曼光谱可用于检测体内气体。

激光光谱学在癌症研究方面的应用。（1）癌症的光谱诊断：白血病的病况和早期诊断探讨。利用光声光谱技术可研究被氧化和还原的细胞C处于固态或结晶态时的光声光谱。殷庆瑞等应用OAS400型光声光谱仪研究了血液病患者的全血样光声吸收光谱图。结果表明,光声光谱技术能够明显地区分出健康和患者之间的光谱差异。并且该实验操作简单,只需一滴血,在五分钟内就可得出结果。这种核技术可能在红细胞膜的表面分析以及在血液学研究方面获得进一步的应用。Poulet 等报道了用光声光谱技术研究人血中血红蛋白和载氧血红蛋白的光声光谱,并研究了人血的氧化作用的沉降速率等到问题。郭周义等用光声光谱法对正常、白血病缓解、急性淋巴细胞白血病等不同类型的多例血样的全血谱的二个吸收峰进行了对比,并通过全血涂片染瑞士兰的方法,观察了血样中白细胞含量变化在图谱上的反映。（2）荧光光谱诊断：a外加光敏物质诊断；b自体荧光光谱诊断。

激光光谱学在动脉粥样硬化斑块光谱诊断的应用。(1)人类动脉粥样硬化斑块从化学成分和物理结构来看;可分为两人类: 1 钙化型,由钙的沉积物形成;(2) 非钙化形,它又可分为三类:纤维型(白色斑块)、脂肪型(黄色斑块)及混合型（纤维和脂肪等人对上述几种不同类型的动脉粥化硬化斑块）,应采用不同的激发波长,由此可产生几种不同类型的荧光谱,于是就产生了不同的光谱识别算法或识别判据。

三、激光光谱学前景

1、激光偏振光技术

特点是用两束激光同时入射，其中至少一束为可调谐，两束激光与待测样品作用的结果，导致其中探测激光束偏振状态发生变化，通过检偏振装置进行检测以获得样品的有关光谱信息。激光偏振光技术在一定使用条件下具有一些独特的优点。代表性的有饱和吸收偏振光谱术、双光子吸收偏振光谱术、CARS偏振光谱术及偏振标定吸收光谱术等。