激光吸收光谱技术PPT课件

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传统吸收光谱
发射连续 谱的光源
图4-1 传统吸收光谱实验装置
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分子吸收入射光束在传输过程中要产生衰减，用
光谱仪作波长选择器，由光电检测器检测记录下以频 率(或波长)为函数的透射光强IT(υ)，就得到该分子在 这个光谱区上的吸收光谱。
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当一束强度为I0的光穿过充满气体的吸收池后，其强度会因 分子吸收而衰减。入射光在穿过厚度为dl的分子层时其强度的 衰减量dI与传输到这里的光强I成正比表：示单位路程上
光的衰减量dI∝能级1上的粒子数与辐射场的能量密度
ρ(υ)的乘积
吸收跃迁几率
dI B12()N1()hdl
能级1→2跃迁的爱因斯坦系数
() SXP
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什么是吸收线型
χ: cm
() SXP
χ 为面积归一化函数 （可能是：Lorentz、 Gauss、Voigt函数中 的一种）
L
1
0
/2
2
2
4
D 2
ln 2 / D
exp
2
ln
2
D
0
2
( 0 )d 1
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什么是吸收线强
分子吸收线强
浓度
压力
() SXP
S: cm-2/atm X: Concentration P: atm
Laser spectrPosPcTo交py流a学nd习its application
图4-2 SF6分子的υ3带的吸收光谱
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(2) 很高的检测灵敏度 ① 根据朗伯-比尔定律，吸收强度随吸收光程增
加而增加，因而增加吸收光程亦可提高检测灵敏度。 普通光源的强度低发散角大，不能通过增长样品
池来提高检测灵敏度。 激光是单色亮度高、准直性能好，可以用多次来
回反射的样品池增加吸收光程。 对于吸收系数小，被检测粒子稀疏的物质，增加
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因此当使用线宽很窄的激光光源时，光谱分辨率 主要决定于被测分子的谱线的展宽效应，不再受到光 谱仪器的限制。激光光源的线宽一般可以达到10-5~108cm-1数量级(也就是说MHz~KHz)，用这样的窄谱光 源就可获得原子分子的一些谱线中的精细结构。
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用半导体激光器测量到的SF6分 子的υ3带的高分辨红外吸收光谱， 其 分 辨 率 达 到 3•10-5cm-1 ， 图 中 还给出了用采用性能优良的光栅 红外光谱仪测量(分辨率～ 0.07cm-1)所测的同一个光谱，可 见如用传统技术就不能记录到在 950cm-1 波 段 附 近 的 复 杂 光 谱 结 构。
I0
S: cm-2/atm
X: Concentration
L: cm
P: atm
χ: cm
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激光吸收光谱
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激光吸收光谱特点
激光所具有的特点是：
➢谱线宽度极窄
➢相干性优良
➢光谱功率密度高
➢波长可调谐(频率与幅度
进行调制等)
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(1) 有很高的光谱分辨率
在传统吸收光谱技术中，光谱的分辩率受到谱线 展宽效应的限制，又受仪器分辨率的限制，例如受到 分光元件(如光栅)分辨率和狭缝宽度等因素的影响。
激光光谱中使用线宽很窄的激光光源，只要通过 逐一调谐激光波长，就可从光电检测器直接给出以波
长(或频率)为函数的透射光强I1(υ)。当波长扫过所需
测量的光谱区后，就得一幅吸收光谱谱图。
吸收系数
dI ()Idl
当α(υ)为与光强无关的常数时，这种线性吸收(dI∝I)称为朗伯比尔(Lambert – Beer)定律。 初始光强
I () / I0 exp[ ()L]
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光谱的形成：
I () I0 exp[ ()L]
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在光谱工作中，吸收系数α(υ)是一个重要得测量参数， 由Beer定律可知，它可由吸收光程L与测量透过样品的 光强IT(υ)来计算
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什么是吸收线强
配分函数
普朗克常数
跃迁对应的 低能级能量
波数 cm-1
S(T ) S
T0
Q T0 QT
T0 T
e
hcE k
1 T
1 T0
hc0
1 e kT
hc0
1 e kT0
Kelvin 温度
波尔兹曼常数
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什么是吸收系数α(υ)
考虑到α(υ)围绕中心频率υ0存在线形分布：
IT () I0 () exp[ ()L]
1 L
一般气体样品 吸收系数α(υ) 比较小： α(υ)•x<<1
ln I0 /IT L
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什么是吸收系数α(υ)
爱因斯坦的能级跃迁:入射光频率υ=(ε2- ε1)/h，分子才能 吸收入射光。在厚度为dl的分子层内，强度为I的入射
吸收光程是一种很有效的提高检测灵敏度的办法。
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图4-3 激光吸收光谱测量原理装置
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② 激光光源的光谱功率密度很高，因此探测器 本身的噪声可以忽略不计。虽然激光强度起伏会影响 灵敏度，但可以采用平衡检测方法克服激光强度起伏 引起的影响。
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• 如：将入射激光I(υ)分成探测光束I1(υ)=βI(υ)与参 考光束I2 (υ)=(1-β)I(υ) ，β为分束器的分束比。参 考光束I2(υ)直接到达探测器PD2; 探测光束I1(υ)在 穿过样品池后到达探测器PD1，光强为I1′(υ) ，设 被样品吸收的光强为ΔI(υ) ，则
第四章 激光吸收光谱技术
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第一节 基本吸收光谱技术 第二节 高灵敏度吸收光谱技术 第三节 耦合双共振与快速吸收光谱技术 第四节 外场扫描吸收光谱技术 第五节 光声与光热光谱技术
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第一节 基本吸收光谱技术
1. Beer定律 当一束光穿过某种介质时，介质分子要对光产生吸
收。为了获得某种分子在某个波段上的吸收光谱，通常 采用一个发射连续谱的光源，通过透镜L1将光源发出的 光变成平行光束，然后通过充满该分子的吸收池，透射 光束经会聚透镜L2会聚到光谱仪(单色仪)的入口狭缝。
α(υ)=α0(υ0)χ’(υ- υ0):
()
0(
0 )
SXP 2
L
L
0
2 =SXP
D
ln 2
D
0
用来估算吸收光 谱技术的探测灵
敏度
( 0 )为峰值归一化函数
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用吸收系数α(υ)表示Beer定律：
I () I0 () exp[ ()L]
() SXP
ln( I ) SXP L