光谱法仪器与光学器件
仪器分析-光谱分析法概论(第十章)
三个主要过程：（1）能源提供能量；（2）能量与被测物
质相互作用；（3）产生被检测信号。
第一节
电磁辐射及其物质的相互作用
一、电磁辐射和电磁波谱
1. 波动性（干涉、衍射、反射和折射） 用波长(nm)、波数(cm-1)和频率(Hz)表示。 =c/ = 1 / = /c
波长是在波的传播路线上具有相同振动相位的相邻两点间的线性距
光学分析法光谱分析法非光谱分析法原子光谱分析法分子光谱分析法原子吸收光谱原子发射光谱原子荧光光谱x射线荧光光谱折射法圆二色性法x射线衍射法干涉法旋光法紫外光谱法红外光谱法分子荧光光谱法分子磷光光谱法核磁共振波谱法光谱分析法吸收光谱法发射光谱法原子光谱法分子光谱法原子发射原子吸收原子荧光x射线荧光原子吸收紫外可见红外可见核磁共振紫外可见红外可见分子荧光分子磷光核磁共振化学发光原子发射原子荧光分子荧光分子磷光x射线荧光化学发光第三节光谱分析仪器光学分析法三个基本过程
原 子 发 射
原 子 吸 收
原 子 荧 光
X 射 线 荧 光
紫 外 可 见
红 外 可 见
分 子 荧 光
分 子 磷 光
核 磁 共 振
化 学 发 光
原子光谱法 光谱分析法 吸收光谱法 原 子 吸 收 紫 外 可 见 红 外 可 见 核 磁 共 振
分子光谱法
发射光谱法
原 子 发 射
原 子 荧 光
分 子 荧 光
离；波数是每厘米长度中波的数目； 频率是每秒内的波动次数。
※ 频率与波长成反比, 即波长越长, 频率越低, 波数越小
2. 微粒性（光电效应、光的吸收和发射） 用每个光子具有的能量E作为表征。 E = h =h c / = h c h (普朗克常数) ， h=6.6262×10-34J•s ※ 光量子的能量(E)与波长成反比, 而与频率（或波数） 成正比.
光谱分析仪器的组成部件
光谱分析仪器的组成部件光谱分析仪器光谱分析仪器是测量发光体的辐射光谱，常见的发射，吸收，荧光货散射的光谱分析，虽然仪器构造不同，但是组成的光谱仪大致相同的。
由五个部件组成：辐射源，单色器，试样的容器，检测器和信号处理器（读出装置）各类仪器的裣测器和信号处理器两个部分基本相同。
发射光谱法不需外加辐射源，因样品本身就是发射体，样品的容器就是电弧、火花或火焰。
吸收、荧光和散射光谱法都需辐射能源。
吸收光谱的光源辐射经波长选择器后通过样品，光源、样品和检测器都处于一条直线上；而对于荧光或敢射辑射，通常检测器的位置与光源具有一定的角度（90°)。
根据波长区域的不同，对各种部件的功能和性能总的要求大体类似，但是具体的要求又有所区别。
下面对这些部件分别进行介绍：一、辐射源光谱分析中，光源必须具有足够的功率并且要求稳定。
一般连续光源主要用于分子吸收法，线光源用于荧光、原子吸收和拉曼散射法。
1.紫外、可见和近红外辐射的连续光源(1)紫外连续光源。
紫外区的连续光源可在低气压下用电能激发氢或氘而获得，例如髙压氢灯，低压氢灯。
(2)可见连续光源。
例如钨灯，氙弧灯。
(3)红外连续光源。
例如Nemst灯，炽热的碳硅棒光源，白炽金属丝光源等。
2.线光原例如金属蒸气灯、空心阴极灯，激光器等。
二、单色器其主要作用是把多色辐射色散成只含限定波长区域的谱带。
紫外、可见和红外辐射用的单色器在机械结构方面相类似，都使用狭缝、透镜、反射镜、窗口和棱境（或光栅)。
但视所用波长区域的不同，用以制作这些部件的材料也有所区别。
在350nm以下通常采用石英棱镜，在350~2000nm范围内同样大小的玻璃棱镜的分辩本领比石英为优。
因为它的折射率随波长的改变值较大。
三、样品容器与单色器的光学元件一样，样品池必须用能透过所研究的光谱区域辐射的材料制成。
在紫外区（低于350nm)应采用石英或熔凝石英，这两种材料在可见区到大约3/xm 的红外区域也都是透明的。
第二章-光谱分析法概论
E单位：电子伏（eV）或焦耳（J） h －普朗克常数，h＝6.626×10-34 J·s-1； C为光速。
例：波长为200nm的电磁波，其能量是多少电子伏特（eV）？ 解：
电磁波谱
13
二、电磁辐射与物质相互作用
电磁辐射与物质的相互作用是复杂的物理现象。 涉及能量变化：吸收、发射； 不涉及能量变化：反射、散射、折射、衍射。
第二章 光谱分析法概论
1
本章主要内容：
一、电磁辐射及其与物质的相互作用 二、光学分析法的分类 三、光谱分析仪器
概述
光学分析法是基于电磁辐射与物质相互作用后，电磁辐 射发生某些变化或被作用物质的某些性质发生改变而产 生各种信号，利用这些信号对物质的性质、组成及结构 进行分析的一种方法。
光学分析法的原理主要包含三个过程： （1）能源提供能量； （2）能量与被测物质相互作用； （3）产生被检测的信号。
3
第一节 电磁辐射及其与物质的相互作用
4
电磁辐射的性质：波粒二象性
1.波动性
电磁辐射的传播以及反射、折射、散射、衍射及 干涉等现象表现出电磁辐射具有波的性质。
图2-1 电磁波的传播
6
波动性参数描述
（1）周期 T 相邻两个波峰或波谷通过某一固定点所需要的时间间隔称为周期。单 位:s(秒)。
（2）频率ν 单位时间内电磁波振动的次数称为频率。单位：Hz或周/秒。 ν ＝1/T
范围的谱带。
2.组成：
单色器
入射狭缝 色散元件 准直镜
棱镜 光栅
分光系统
出射狭缝
滤光器
47
（1）狭缝 狭缝为光的进出口， 狭缝宽窄直接影响分 光质量。狭缝过宽， 单色光不纯，将使吸 光度变大；过窄，则 通光量变小，灵敏度 降低。因此狭缝宽度 要适当。
教学课件第十二章光分析法导论
optical analysis and its characteristics
光分析法：基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后 所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析 方法；
电磁辐射范围：射线～无线电波所有范围； 相互作用方式：发射、吸收、反射、折射、散射、干 涉、衍射等； 光分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析等方 面具有其他方法不可区代的地位；
2024/8/2
非光谱分析法
光分析法 光谱分析法
折 射 法
圆 二 色 性 法
X 射 线 衍 射 法
干 涉 法
旋 光 法
2024/8/2
原子光谱分析法 分子光谱分析法
原 子 吸 收 光 谱
原 子 发 射 光 谱
原 子 荧 光 光 谱
X 射 线 荧 光 光 谱
分分核 紫红子子磁 外外荧磷共 光光光光振 谱谱光光波 法法谱谱谱
法法法
原 原原 X
子 子子 射
发
吸荧
线 荧
射 收光 光
原子光谱法
吸收光谱法
原紫红核 子外外磁 吸可可共 收见见振
2024/8/2
光谱分析法
紫红分分核化 外外子子磁学 可可荧磷共发 见见光光振光
分子光谱法
发射光谱法
原原分分 X 化
子子子子 射 学
发
荧
荧
磷
线 荧
发
射光光光 光 光
四、各种光分析法简介
12.旋光法
溶液的旋光性与分子的非对称结构有密切关系，可利用旋 光法研究某些天然产物及配合物的立体化学问题，旋光计测定 糖的含量。
13.衍射法
X射线衍射：研究晶体结构，不同晶体具有不同衍射图。 电子衍射：电子衍射是透射电子显微镜的基础，研究物质 的内部组织结构。
光学器件与光学仪器
光电探测器的种类
光电二极管
常用于普通光电 探测
光电二极管 阵列
可以同时探测多 个位置的光信号
光电二极管 电路
用于信号处理和 放大
91%
光电倍增管
光学器件与光学仪器
汇报人：XX
2024年X月
目录
第1章 光学器件与光学仪器简介 第2章 透镜 第3章 反射镜 第4章 光栅 第5章 激光器件 第6章 光电探测器 第7章 总结与展望
● 01
第1章 光学器件与光学仪器 简介
光学器件的定义
光学器件是指利用光 学原理和技术，用以 收集、调制、传输、 放大、检测和处理光 信号的各种器件。它 们在光学领域发挥着 重要作用，种类繁多， 功能各异。
光学器件的分类
折射器件
如透镜、棱镜等
干涉器件
如干涉仪、衍射 光栅等
光栅器件
如光栅透镜、相 位光栅等
91%
反射器件
如镜面、反射镜 等
光学仪器的应用领域
生物医药
光学显微摄像头、 光学传感器等
显微镜
荧光显微镜、共 聚焦显微镜等
太阳能
太阳能光伏电池、 太阳能热发电站
等
91%
通信
激光通信、光纤 通信等
医疗领域
光学器件与光学仪器的未来发展方向
激光技术应用
激光在通信领域的重要性 激光切割与焊接技术
人工智能
智能光学器件研究 光学仪器智能化趋势
传感技术结合
光学传感器在环境监测中 的应用 光学传感技术发展趋势
91%
光学分析法---分子光谱分析法光学分析法---概述
激光光源
激光光源具有单色性好，方向性强，高亮度及 相干性好等特点。可以大大提高光谱分析的灵 敏度和分辨率。常用的激光器有气体激光器、 固体激光器、染料激光器及半导体激光器。 作为一种新型光源应用于Raman光谱、荧光光 谱、发射光谱、Fourier变换红外光谱等领域。 气体激光器：如氦氖激光器(632.8nm)和氩离 子激光器(514.5nm,488.0nm) 固体激光器：红宝石（掺Cr3+的Al2O3）激光器 (694.3nm)和Nd:YAG(掺钕的钇铝石榴石)激光 器(1064nm)
26
棱镜单色器
棱镜单色器使用棱镜为分光元件。棱镜的作用是把 复合光分解为单色光。由于不同波长的光在同一介 质中具有不同的折射率，波长短的光折射率大，波 长长的光折射率小。因此，平行光经色散后按波长 顺序分解为不同波长的光，经聚焦后在焦面的不同 位置成像，得到按波长展开的光谱。 在400nm ~ 800nm波长范围内，玻璃棱镜比石英棱 镜的色散率大。使用玻璃棱镜更合适。但在200nm ~ 400nm的波长范围内，由于玻璃强烈地吸收紫外 光，无法采用，故只能采用石英棱镜。 由于介质材料的折射率n与入射光的波长有关，因 此棱镜给出的光谱与波长有关，是非均排光谱。
3
原子能级和分子能级
2p 分子的电子能级 2s 分子振动
1s
原子能级
分子能级
分子转动
4
光谱分析法分类
吸收光谱、发射光谱和荧光光谱 电磁波谱与跃迁能量 原子光谱和分子光谱 常用的光学分析法
5
发射光谱法和吸收光谱法
物质通过电致激发、热致激发或光致激发等激发 过程获得能量，变为激发态原子或分子M* ，当从 激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱。 M* M + hv 通过测量物质的发射光谱的波长和强度进行定性 和定量分析的方法叫做发射光谱分析法。 当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、 原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量满足△E = hv的关系时，将产生吸收光谱。 M + hv M* 通过测量物质的吸收光谱的波长和强度进行定性 和定量分析的方法叫做吸收光谱分析法。
仪器分析知识点总结大全
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）电位分析法通过测量电极电位来确定物质浓度的方法。
包括直接电位法和电位滴定法。
光学器件和光学仪器
特点：反射镜具有较高的反射率、 稳定性和耐久性，能够实现精确的 成像和光束控制。
分束器
分束器是一种将光束分成多个部分的光学器件
分束器通常由反射镜、棱镜或光栅等光学元件组成
分束器广泛应用于光学通信、光谱分析、光学传感等领域
分束器的性能指标包括分束比、光谱范围和透射率等
滤光片
定义：滤光片是能够 通过特定波长范围的 光学器件，用于过滤 不需要的光线
智能化和自动化
光学器件和仪器的发展趋势正朝着 智能化和自动化方向发展，以提高 测量精度和效率。
智能化和自动化技术将有助于光学 器件和仪器在各个领域的应用，如 医疗、工业、科研等。
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智能化和自动化技术将光学器件和 仪器与计算机技术相结合，实现自 动控制和数据处理。
光学器件和仪器的智能化和自动化 发展将促进相关产业的发展，提高 经济效益和社会效益。
应用：在摄影、显 微镜、望远镜等领 域广泛应用
反射镜
定义：反射镜是一种利用反射原理 成像的光学器件，其表面通常镀有 金属薄膜以提高反射率。
应用：反射镜广泛应用于光学仪器、 摄影、电影、电视、望远镜、显微 镜等领域，是光学系统中不可或缺 的重要元件之一。
添加标题
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分类：根据形状和用途的不同，反 射镜可分为球面反射镜、平面反射 镜、凹面反射镜和凸面反射镜等多 种类型。
医学诊断：光学器件如光谱仪、内窥镜等在医学诊断中发挥着重要作用， 可用于检测疾病和诊断病情。
通信技术：光学仪器和器件在光纤通信中扮演着关键角色，可以实现高速、 大容量的数据传输。
科学研究：光学仪器广泛应用于物理、化学、生物学等领域的研究，如光 谱仪、望远镜等。
光学器件与光学仪器
光学器件与光学仪器光学器件与光学仪器在现代科技中扮演着重要的角色。
它们通过利用光的性质来检测、操控和传输信息，广泛应用于通讯、医疗、制造业等领域。
本文将介绍光学器件和光学仪器的基本概念、工作原理以及应用。
一、光学器件1. 透镜透镜是最常见的光学器件之一。
它能够聚焦光线，使光线汇聚于一个点，或者分散光线，使光线偏离原来的路径。
透镜的主要分类有凸透镜和凹透镜，它们的形状和曲率决定了透镜的光学特性。
2. 滤光片滤光片是另一种重要的光学器件，在光的传播过程中起到选择性过滤不同波长的光的作用。
它们可以根据需要通过吸收、反射或透过的方式来调节光的颜色和强度。
滤光片在摄影、光学仪器校准和显示技术等方面有广泛的应用。
3. 波片波片是一种能够改变光的偏振状态的光学器件。
它们可以将自然光转化为具有特定偏振方向的偏振光，或者改变光的偏振方向。
波片在激光技术、光通信和显微镜等领域中起着重要的作用。
4. 光纤光纤是一种能够通过光的全内反射来传输光信号的光学器件。
它由一个或多个以特定方式排列的细长光导纤维组成。
光纤具有低损耗、大带宽和免受电磁干扰等优点，被广泛应用于光通信和传感技术领域。
二、光学仪器1. 显微镜显微镜是一种利用光学原理来观察微小物体的仪器。
它通过放大物体的细节，使得人眼能够看到肉眼无法观察到的微小结构。
显微镜在生物学、医学和材料科学等领域中被广泛使用。
2. 激光器激光器是一种能够产生具有高度一致和聚焦能力的激光光束的光学仪器。
激光器具有单色性、直线偏振性和高亮度等特点，广泛应用于激光切割、激光打印、光通信和医疗美容等领域。
3. 光谱仪光谱仪是一种用于分析物质的光学仪器。
它能够将复杂的光信号分解成不同波长的光谱，并通过光谱的强度和分布来获取物质的成分和性质。
光谱仪在光谱分析、化学分析和天文学研究中起着重要的作用。
4. 智能手机摄像头智能手机摄像头是一种集成了光学器件和图像传感器的光学仪器。
它能够通过镜头和光学组件捕捉光线，并将光信号转换为数字图像。
原子光谱与分子光谱ppt课件
“雪亮工程"是以区（县）、乡（镇） 、村（ 社区） 三级综 治中心 为指挥 平台、 以综治 信息化 为支撑 、以网 格化管 理为基 础、以 公共安 全视频 监控联 网应用 为重点 的“群 众性治 安防控 工程” 。
一、 原子光谱
1.光谱项符号
原子外层有一个电子时，其能级可由四个量子数决定： 主量子数 n；角量子数 l；磁量子数 m；自旋量子数 s； 原子外层有多个电子时，其运动状态用总角量子数L；总 自旋量子数S；内量子数J 描述；
例：钠原子，一个外层电子， S =1/2；因此： M =2( S ) +1 = 2；双重线； 碱土金属：两个外层电子， 自旋方向相同时， S =1/2 + 1/2 =1， M = 3；三重线； 自旋方向相反时， S =1/2 － 1/2 =0， M = 1；单重线；
2024/7/28
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元素由基态到第一激发 态的跃迁最易发生，需要的 能量最低，产生的谱线也最 强，该谱线称为共振线 ，也 称为该元素的特征谱线；
2024/7/28
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第二章 光学分析法导论(2)
属组成。两片金属处于相同平面上且相互平行。
入射狭缝可看作是一个光源，在相应波长位置， 入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。 有效带宽：整个单色器的分辨能力除与分光元件的色 散率有关外，还与狭缝宽度有关。即单色器的分
辨能力（有效带宽S）应由下式决定：
W DS
D=线色散率；W=狭缝宽度。当单色仪的色散率固定时，波长间隔将
与PDA相比，CTD最大的优势在于其二维特性，可作为影像检测 器，在电视及航空等领域有广泛应用。
2012-12-27
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2. 热检测器 包括：热电偶，热释电检测器及热辐射计。 这类检测器主要用于红外及Raman光谱分析 中，拟在以后相关章节作介绍。
2012-12-27
31
不同：波长小的则衍射角小，谱线靠近0级；波 长大的，衍射角大，谱线距0级较远； 同样对于二级光谱而言，也有同样的情况。但可 能造成二级光谱与一级光谱的重叠，而且具有最
大强度的光处于0级（为未分开的白光）！
2012-12-27 12镜观察屏
f
2012-12-27
13
光栅的光学特性
K 角色散率d/d： d d d cos 线色散率D1: dl d Kf Kf f ( < 20o ） d d d cos d
第二章 光学分析法导论（2） (Optical methods of Analysis)
2012-12-27
1
2.3 光谱法仪器
以紫外-可见光为例，光吸收遵循Lambert-Beer定律
吸光度
I0 A lg bc I
摩尔吸光系数
物质的量浓度 吸收光程
构建仪器
1）测量入射光强度I0，和出射光强度I； 2）单色器； 3）对数转换器。
光学光谱各种仪器分析的基本原理及谱图表示方法
各种仪器分析的基本原理及谱图表示方法一一牛人总结，留着备用来源：刘艳的日志紫外吸收光谱UV分析原理：吸收紫外光能量，弓I起分子中电子能级的跃迁谱图的表示方法：相对吸收光能量随吸收光波长的变化提供的信息：吸收峰的位置、强度和形状，提供分子中不同电子结构的信息荧光光谱法FS分析原理：被电磁辐射激发后，从最低单线激发态回到单线基态，发射荧光谱图的表示方法：发射的荧光能量随光波长的变化提供的信息：荧光效率和寿命，提供分子中不同电子结构的信息红外吸收光谱法IR分析原理：吸收红外光能量，引起具有偶极矩变化的分子的振动、转动能级跃迁谱图的表示方法：相对透射光能量随透射光频率变化提供的信息：峰的位置、强度和形状，提供功能团或化学键的特征振动频率拉曼光谱法Ram分析原理：吸收光能后，引起具有极化率变化的分子振动，产生拉曼散射谱图的表示方法：散射光能量随拉曼位移的变化提供的信息：峰的位置、强度和形状，提供功能团或化学键的特征振动频率核磁共振波谱法NMR分析原理：在外磁场中，具有核磁矩的原子核，吸收射频能量，产生核自旋能级的跃迁谱图的表示方法：吸收光能量随化学位移的变化提供的信息：峰的化学位移、强度、裂分数和偶合常数，提供核的数目、所处化学环境和几何构型的信息电子顺磁共振波谱法ESR分析原理：在外磁场中，分子中未成对电子吸收射频能量，产生电子自旋能级跃迁谱图的表示方法：吸收光能量或微分能量随磁场强度变化提供的信息：谱线位置、强度、裂分数目和超精细分裂常数，提供未成对电子密度、分子键特性及几何构型信息质谱分析法MS分析原理：分子在真空中被电子轰击，形成离子，通过电磁场按不同m/e分离谱图的表示方法：以棒图形式表示离子的相对峰度随m/e的变化提供的信息：分子离子及碎片离子的质量数及其相对峰度，提供分子量，元素组成及结构的信息气相色谱法GC分析原理：样品中各组分在流动相和固定相之间，由于分配系数不同而分离谱图的表示方法：柱后流出物浓度随保留值的变化提供的信息：峰的保留值与组分热力学参数有关，是定性依据；峰面积与组分含量有关反气相色谱法IGC分析原理：探针分子保留值的变化取决于它和作为固定相的聚合物样品之间的相互作用力谱图的表示方法：探针分子比保留体积的对数值随柱温倒数的变化曲线提供的信息：探针分子保留值与温度的关系提供聚合物的热力学参数裂解气相色谱法PGC分析原理：高分子材料在一定条件下瞬间裂解，可获得具有一定特征的碎片谱图的表示方法：柱后流出物浓度随保留值的变化提供的信息：谱图的指纹性或特征碎片峰，表征聚合物的化学结构和几何构型凝胶色谱法GPC分析原理：样品通过凝胶柱时，按分子的流体力学体积不同进行分离，大分子先流出谱图的表示方法：柱后流出物浓度随保留值的变化提供的信息：高聚物的平均分子量及其分布热重法TG分析原理：在控温环境中，样品重量随温度或时间变化谱图的表示方法：样品的重量分数随温度或时间的变化曲线提供的信息：曲线陡降处为样品失重区，平台区为样品的热稳定区热差分析DTA分析原理：样品与参比物处于同一控温环境中，由于二者导热系数不同产生温差，记录温度随环境温度或时间的变化谱图的表示方法：温差随环境温度或时间的变化曲线提供的信息：提供聚合物热转变温度及各种热效应的信息示差扫描量热分析DSC分析原理：样品与参比物处于同一控温环境中，记录维持温差为零时，所需能量随环境温度或时间的变化谱图的表示方法：热量或其变化率随环境温度或时间的变化曲线提供的信息：提供聚合物热转变温度及各种热效应的信息静态热一力分析TMA分析原理：样品在恒力作用下产生的形变随温度或时间变化谱图的表示方法：样品形变值随温度或时间变化曲线提供的信息：热转变温度和力学状态动态热一力分析DMA分析原理：样品在周期性变化的外力作用下产生的形变随温度的变化谱图的表示方法：模量或tg 3随温度变化曲线提供的信息：热转变温度模量和tg 3透射电子显微术TEM分析原理：高能电子束穿透试样时发生散射、吸收、干涉和衍射，使得在相平面形成衬度, 显示出图象谱图的表示方法：质厚衬度象、明场衍衬象、暗场衍衬象、晶格条纹象、和分子象提供的信息：晶体形貌、分子量分布、微孔尺寸分布、多相结构和晶格与缺陷等扫描电子显微术SEM分析原理：用电子技术检测高能电子束与样品作用时产生二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线等并放大成象谱图的表示方法：背散射象、二次电子象、吸收电流象、元素的线分布和面分布等提供的信息：断口形貌、表面显微结构、薄膜内部的显微结构、微区元素分析与定量元素分析等原子吸收AAS原理：通过原子化器将待测试样原子化，待测原子吸收待测元素空心阴极灯的光，从而使用检测器检测到的能量变低，从而得到吸光度。
光谱仪器的光学系统
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式中 SI,SII,SII,ISIV ,SV 分别为：初级球差、慧差、象散、场曲、畸变 光谱仪器中，光学系统的相对孔径较小(<1/5)， 视场角较小(<15º)，二级以上象差较小，以初级 像差为主。
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二级象差表示为：
2n uy(T 二 A)级 SIIy(2 yz2)2SII II(52 yz2)SIIII2(5y23y2z) SIIV2y(y2z2)SIIIII3(5y2z2) SIIV I 3(3y2z2)1 2(5SIIII II SIIV V ) 4ySV V 5
2f1
2f2
角放大率
子午面内线放大率
a2 V 1 a 编辑ppt 1
f2A f1A
f2
f1
一般地，色散元件处于对称的最小偏向位置，
1
则
V1 V2
f2 f1
（2）视场 (视场角为 2w)
准直物镜的视场
子午面内 弧矢面内
2tgw1
2a1 f1t
成象（暗箱）物镜的视场
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离轴角
由初级象差理论，易得凹球面反射式准光物镜倒光路 的象差，设 l=0,求得初级象差系数为
SI
1 4
h4 f 3
S II
jh 2 (1 2 f
x) 2 f
S III
j 2 (1 x ) 2 f 2f
S IV
j2 f
2 jl 2
x
x
SV
f 3
x (1 )( 1 ) 2 f 4 f 编辑ppt
波象差W与几何象差 TAy和TAy的关系为：
nuTA
{
nuTA
y
W y
z
W z
单色光与高斯象面交点离高斯象点的坐标为：
第五章_光电测量仪器
第五章光电测量仪器在光谱测量过程中，获得光谱线的准确波长值是非常重要的环节，通过波长的测量可以获得原子和分子微观能级结构的信息，进而深入了解物质的结构。
此外，对光谱谱线的线形和线宽的测量可以给出原子分子间的微观相互作用机制和弛豫过程。
光谱仪和干涉仪就是可以测量谱线波长或波长间隔的仪器，本章将介绍它们在这方面的应用以及它们的核心器件，如光栅、棱镜和干涉仪。
在实验中只有正确使用和选择这类仪器和器件，合理地设计实验方案，才能获得正确的结果。
5.1 光谱仪光谱仪（spectrometer）是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器，例如棱镜光谱仪和用光栅制成的摄谱仪（spectrograph）和单色仪（monochromator）。
它们都是将入射到光谱仪输入狭缝上的光波，经过棱镜或光栅色散后，成像在输出狭缝附近的焦平面上，不同的波长在焦平面上对应于不同的位置。
图5.1为棱镜光谱仪和光栅光谱仪的示意图，在焦平面B处用感光板或光电探测器即可记录光谱。
光谱仪通常具有以下四个主要指标；（1）分辨本领（spectral resolving power）：指光谱仪能分开两条波长（波长差值为Δλ）相近的光谱线的能力，用λ／Δλ来表示，它与棱镜或光栅的色散性能以及成像的距离长短有关。
（2）光谱测量范围（spectral range）：需要区分两种光谱测量范围，一种是指光谱仪能工作的全部波长范围；另一种是指能单值地确定波长的范围，称为自由光谱区（free spectral range，简称为FRS）。
（3）集光率（light gathering power）：指光谱仪接收被测光源辐射通量的能力，它由光谱仪的最大收集角决定，相当于图5.1（a）棱镜光谱仪中的准直透镜L l的直径a和焦距f 的比值a／f，或图5.1（b）光栅光谱仪中M1准直反射镜的直径和焦距之比。
集光率也常被认为是光谱仪的“速率”。
（4）光谱透射率（spectral transmittance）T(λ)：反映了光谱仪对入射光信号的损耗程度，是入射光波长的函数，与光谱仪中各光学元件的性能，例如透镜或棱镜的透射率、反射镜和光栅的反射率以及光路有关。
§7.3光谱分析仪器进行光谱分析的仪器设备主要由光源、分
第15讲
原子发射光谱仪、AES定性分析
第20页
IRIS Advantage 中阶梯光栅分光系统（实物图）
第15讲
原子发射光谱仪、AES定性分析
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表明分光能力的指标为：
(nm/mm), (nm).
第15讲
原子发射光谱仪、AES定性分析
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三、观测设备 1.光谱投影仪（映谱仪） 在进行光谱定性分析及观察谱片时需用此设备。 一般放大倍数为20倍左右。
第15讲
原子发射光谱仪、AES定性分析
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ICP焰炬的3个区域
焰心区 （预热区）：温度
10000 K。试样气溶胶通过这一 区域时被预热、挥发溶剂和蒸 ICP的工作温度比其他光源高； 发溶质。 由于中心温度比外围温度低，不会出现自吸现象 内焰区（测光区）：温度 6000-8000 K，是分析物质原子 化、激发、电离与辐射的主要 区域，也是光谱分析区。
第15讲
原子发射光谱仪、AES定性分析
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§7.7 光电直读等离子体发射光谱仪 光电直读光谱仪利用光电法直接测定光谱线 的强度.由于ICP激发光源的突出优点而使 其得到广泛使用。这种光谱仪可同时测定 几十种元素，分析速度快，准确度高，线 性范围宽。
第15讲
在摄谱仪中色散系统
原子发射光谱仪、AES定性分析
3. 应用
定量分析：低熔点金属、合金的丝状、箔状 样品，难激发元素，高含量元素。灵敏度较差， 背景大，不宜作痕量元素分析。
第15讲
原子发射光谱仪、AES定性分析
第9页
(四)电感耦合高频等离子体(ICP)光源
等离子体光源－外观上类似火焰的放电光源，
这是当前发射光谱分析中 发展迅速、极受重视 的一种新型光源。
光谱分析仪的原理
光谱分析仪的原理光谱分析仪是一种用于分析物质的成分和结构的仪器。
它基于光的特性和光与物质相互作用的规律，通过测量物质与光的相互作用过程中产生的光谱信息，从而对物质进行分析和鉴定。
光谱分析仪的原理主要包括光的分光、信号转换和光谱分析三个部分。
一、光的分光光的分光是光谱分析仪中最关键的部分之一。
它通过将进入光谱分析仪的光束分解成不同波长的光线，从而得到连续的光谱。
常用的分光方法有色散法和干涉法。
1. 色散法色散法是利用物质对光的色散性质进行波长分离的方法。
当光通过物质介质时，不同波长的光线因为折射率的不同而发生不同程度的偏折。
通过使用棱镜或光栅等光学元件，可以将光线按照波长进行分散，从而得到连续的光谱。
2. 干涉法干涉法是基于光的干涉原理进行波长分离的方法。
常用的干涉法有马赫-曾德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪。
干涉法通过光的干涉现象，在干涉器件中使波长不同的光线相位差发生变化，从而实现光谱的分离。
二、信号转换信号转换是将光谱信号转化为可以被检测和显示的电信号的过程。
这一步骤是光谱分析仪实现数据采集和处理的关键环节。
1. 光电转换光电转换是将光信号转换为电信号的过程。
常见的光电转换器件有光电二极管、光电倍增管和光电子学器件等。
光电转换器件能够将不同波长的光信号转化为相应的电信号，从而实现光谱信息的转换。
2. 信号放大和处理光电转换后的电信号一般较小，需要经过信号放大和处理才能得到准确的光谱数据。
信号放大器可以增加电信号的幅度，使其能够被更好地检测和测量。
信号处理包括滤波、增益控制、噪声抑制等，以确保得到的光谱信号质量优良。
三、光谱分析光谱分析是对光谱信号进行解读和分析的过程。
通过对光谱信号的特征波长、强度等进行分析，可以获得物质的组成、结构等信息。
1. 光谱标准光谱标准是对不同波长下的光谱特征进行精确测量和记录的样品。
通过与光谱标准进行比较，我们可以确定物质的光谱特征，从而实现物质的定性和定量分析。
2. 数据处理和解读光谱数据的处理和解读是光谱分析的关键环节。
掌握光学仪器的光谱分析和光学传感器
掌握光学仪器的光谱分析和光学传感器光学仪器在科学研究、工业生产和医疗诊断等领域扮演着重要的角色。
其中，光谱分析和光学传感器是光学仪器中广泛应用的两个关键技术。
本文将介绍光学仪器中的光谱分析和光学传感器，并探讨如何掌握它们的应用。
一、光谱分析光谱分析是一种通过测量物质与电磁辐射相互作用的光谱特性来分析物质组成、结构和性质的方法。
它基于光的波长和强度变化，利用光学仪器将光谱信息转化为有关物质的定量和定性参数。
1. 传统光谱分析方法传统光谱分析方法主要包括紫外可见吸收光谱、红外光谱和拉曼光谱。
紫外可见吸收光谱通过测量吸光度来定量分析物质浓度，常用于有机物和无机物的分析。
红外光谱则通过检测物质在红外波段的吸收特性来识别化合物的结构和功能基团。
而拉曼光谱则利用样品与光子相互作用而发生的散射现象，分析物质的分子振动、晶体结构等信息。
2. 光谱成像技术光谱成像技术将传统光谱分析与图像处理相结合，实现了对样品不同位置的光谱信息的获取。
通过光谱成像技术，我们可以获取样品在不同波长下的光谱图像，并可利用图像处理算法对光谱图像进行分析和处理，提取出所需的特征参数。
3. 光谱分析的应用领域光谱分析技术广泛应用于材料科学、环境监测、食品安全、生物医学等多个领域。
例如，通过红外光谱技术可以准确鉴别和定量分析食品中的添加剂和污染物；通过紫外可见光谱技术可以快速检测水质中的重金属离子浓度。
二、光学传感器光学传感器是将光学信号转换成电信号或其他形式信号的传感器。
它利用光的特性与待测物质发生相互作用，通过测量光的吸收、散射、干涉、透射等变化，来获得待测物质的信息。
1. 光纤传感技术光纤传感技术是一种基于光纤的传感器技术，将光学传感器与光纤相结合，具有高灵敏度、抗电磁干扰等优点。
光纤传感技术可应用于温度、压力、应变、化学成分等多个领域的监测与测量。
2. 光学微波传感器光学微波传感器通过光和微波的相互作用实现物理量测量，具有宽带、高灵敏度和抗干扰能力强等特点。
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光栅的分辨率R
光栅的分辨率R 等于光谱级次（n）与光栅刻痕条数（N）
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（4）聚焦透镜或凹面反射镜，使每个单色光束在单色器 的出口曲面上成像。
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棱镜
棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长长的光， 折射率小；波长短的光，折射率大。
平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦 后在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱；
棱镜的分辨能力取 决于棱镜的几何尺寸和 材料；
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3.试样装置
光源与试样相互作用的场所 （1）吸收池
分辨率大小不仅与色散元件的性能有关，也取决于成 像的大小，因此希望采用较窄的进口狭缝。分辨率用来衡 量单色器能分开波长的最小间隔的能力；最小间隔的大小 用有效带宽表示：
S = DW D为线色散率的倒数；W为狭缝宽度；
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在原子发射光谱分析中， 定性分析时，减小狭缝宽度，使相邻谱线的分辨率提高； 定量分析时，增大狭缝宽度，可使光强增加。 狭缝两边的边缘应锐利且位于同一平面上；
的乘积：
R nN
光栅越宽、单位刻痕数越多、R 越大。
宽度50mm，N=1200条/mm， 一级光谱的分辨率： R=1×50×1200=6×104
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狭缝
单色器的进口狭缝起着单色器光学系统虚光源的作用 。复合光经色散元件分开后，在出口曲面上形成相当于每 条光谱线的像，即光谱。转动色散元件可使不同波长的光 谱线依次通过。
连续光源：在较大范 围提供连续波长的光源， 氢灯、氘灯、钨丝灯等；
线光源：提供特定波 长的光源，金属蒸气灯( 汞灯、钠蒸气灯)、空心 阴极灯、激光等；
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2.单色器
单色器：获得高光谱纯度辐射束的装置，而辐射束的波长 可在很宽范围内任意改变；
主要部件： （1）进口狭缝； （2）准直装置(透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光线； （3）色散装置(棱镜、光栅)：使不同波长的辐射以不同的 角度进行传播；
线色散率：用dl /dλ表示，两条相邻谱线在焦面上被分开
的距离对波长的变化率；
倒线色散率：用dλ/dl 表示，
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（2）分辨率
相邻两条谱线分开程度的度量：
R b dn d
： 两条相邻谱线的平均波长；△λ：两条谱线的波长差；
b：棱镜的底边长度；n：棱镜介质材料的折射率。
分辨率与波长有关，长波的分辨率要比短波的分辨率小， 棱镜分离后的光谱属于非均排光谱。
当光线M1、M2、M3到达焦点 时，如果他们沿平面波阵面AKI 同相位，他们就会产生一个明亮 的光源相，只有JCK是光线波长 的整数倍时才能满足条件。
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光栅的特性：
如果： d =AC=CE JC+CK=d (sinα+sinθ)=nλ
即光栅公式：d (sinα+sinθ)=nλ
α、θ分别为入射角和反射角；整数n为光谱级次； d为光 栅常数；
棱镜的光学特性可 用色散率和分辨率来表 征；
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棱镜的特性与参数
（1）色散率
角色散率：用dθ/dλ表示，偏向角θ对波长的变化率；
d d
2sin
2
dn
1 n2 sin 2 d
2
棱镜的顶角越大或折射率越大，角色散率越大，分开两
条相邻谱线的能力越强，但顶角越大，反射损失也增大，通
常为60度角；
α角规定取正值，如果θ角与α角在光栅法线同侧， θ角取 正值，反之区负值；
当n=0时，零级光谱，衍射角与波长无关，无分光作用。
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光栅的特性：
将反射光栅的线槽加工 成适当形状能使有效强度集中 在特定的衍射角上。
图所示反射光栅是由与光 栅表面成β角的小斜面构成(小 阶梯光栅，闪耀光栅)，β角叫 做闪耀角。
定于光栅常数 d 和光谱级数n ，常数，不随波长改变，均排 光谱（优于棱镜之处）。
角色散率只与色散元件的性能有关；线色散率还与仪器 的焦距有关。
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光栅的线色散率
dl d f n f n f d d d cos d
f 为会聚透镜的焦距。 光栅的分辨能力根据
Rakleigh准则来确定。
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光栅
透射光栅，反射光栅； 光栅光谱的产生是多狭缝干 涉与单狭缝衍射共同作用的结果 ，前者决定光谱出现的位置，后 者决定谱线强度分布；
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光栅的特性
ABCDE表示平面光栅的一段；
光 线 L 在 AJF 处 同 相 ， 到 达 AKI 平面，光线L2M2要比光线L1M1多 通过JCK这段距离。FEI=2JCK， 其后各缝隙的光程差将以等差级 数增加，3JCK 、4JCK等。
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一、光分析法仪器的基本流程
general process of spectrometry
光谱仪器通常包括五 个基本单元： 光源；单色器；样品；检 测器；显示与数据处理；
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二、光分析法仪器的基本单元
main parts of spectrometry 1. 光源
依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电 火花、电弧等；依据光源性质不同，分为：
选择适宜的闪耀角，可以 使90%的有效能量集中在单独 一级的衍射上。
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光栅的参数：
光栅的特性可用色散率和分辨率来表征，当入射角不变 时，光栅的角色散率可通过对光栅公式求导得到：
d n d d cos
dθ/dλ为入射角对波长的变化率，即光栅的角色散率。 当θ很小，且变化不大时，cosθ ≈1，光栅的角色散率决
第十二章 光分析导论
an introduction to仪器的基本流程 general process of spectrometry 二、光谱仪器的基本器件 main parts of spectrometry
光谱法仪器与光 学器件
instruments for spectrometry and optical parts