光谱学与光谱技术[004]

罗丹明6G： 560-635nm
可调谐固体激光器 固体的荧光发射曲线覆盖一定的光谱范围，钛宝石激光器覆盖近红外波段
二氧化碳激光器 转动能级间跃迁形成的发射曲线覆盖一定波长范围
*00 对称振动伸缩能级 0*0 弯曲振动能级 00* 非对称振动伸缩能级
半导体激光器 通过注入电流在一个小范围的激活区内形成导带电子相对于价带空穴的粒子数反转
° 色散——将光按波长分解开来 ° 光强探测——测得所需波长的光能
¯ 名称
° 分光镜，Spectroscope ° 摄谱仪，Spectrograph ° 分光光度计，Spectrophotometer ° 单色仪，Monochromator
光
光源
提供待测光谱范围内的光辐射， 或激发待测光谱
谱 仪
色散系统 核心部件，将复色光分解为单色光
微型光纤光谱仪 Miniature fiber spectrometer
单色仪 Monochromator
Raman measurement system
Fluorescence measurement system
3.1 光谱仪器的组成和性能参数
¯ 光谱仪器：按波长或频率顺序记录光强分布的光学仪器 ¯ 功能
上海光谱仪器
www.spectrum-cn.com 原子吸收光谱
Ocean Optics www.oceanoptics.cn
QE65 Pro
Bruker www.bruker.com
Vertex FT-IR
Ocean Optics www.oceanoptics.cn
PeakSeekerTM
500
0
300
400
500
600
700
800
900
Wavelength / nm
3.3 探测器
¯ 探测器不是光谱仪器的必须部件
° 比如：用人眼直接观察光谱信号
¯ 探测器类型
° 热探测器 ° 光电探测器（内、外）
(1) 热探测器
¯ 探测原理
° 光辐射 -> 温度 -> 物理量(电阻、电压)
3.2 光源
¯ 光源不是光谱仪器的必须部件？
° 比如：所测的对象是一个发光体
¯ 三类光源
° 线光源 ° 激光 ° 连续光源
(1) 线光源
¯ 能发射半宽窄、强度高、稳定性好的原子特征谱线的光源 ¯ 常用于原子吸收(发射)或原子荧光光谱 ¯ 激发的方式——燃烧(火焰法)、电极放电、射频放电
燃烧
电极放电
1次光谱需几个小时，光电型光谱仪记录1次光谱则 仅需几秒钟
色散元件 检测器 波长范围（nm） 分辨能力 波长准确度（nm） 波长重复性（nm） 光度范围 基线漂移
光栅 高灵敏度宽光谱范围低噪声光电倍增管 190~900 可分辨Mn的279.5 nm和279.8 nm吸收线 ±0.20 ≤0.05 0~125%T，-0.1~3.00A ±0.003A/30min
普通光源 氪灯605.7nm线宽4.7×10-4nm 探照灯为10-2弧度 无线电波10-9秒
¯ 固定波长和可调谐激光器
红宝石激光 3能级系统
掺钕YAG激光 4能级系统
He-Ne激光 碰撞能量转移
氮分子激光 向上跃迁几率不一样
染料激光器 上下能级分裂为连续能带， 泵浦到上能级后向下跃迁 发出荧光，通过谐振腔形 成激光以及选择出射波长
² ±×××%T或±×××A
° 光度重复性，多次测量所得光度值的标准差
² ±×××%T或±×××A （仪器稳定性的体现）
° 杂散光，除要求的分析光外到达探测的光
² <×××% （导致仪器测量非线性的主要因素）
¯ 扫描速度
° 在光谱范围内完成1次光谱测量所需时间，或单位 时间内完成光谱测量的次数
° 反映仪器工作效率的主要参数 ° 不同类型的光谱仪扫描速度相差很大，摄谱仪记录
第3章 光谱仪器系统
3.1 光谱仪器的组成和性能参数 3.2 光源 3.3 探测器 3.4 色散元件 3.5 光谱分析
分光镜 Spectroscope
摄谱仪 Spectrograph
Atomic emission spectroscopy measurement system
傅里叶变换红外光谱仪(分光光度计) FT-IR spectrometer (spectrophotometer)
注入电流
激活区
p区 n区
反射镜面
激光
激光二极管 Laser diode
(3)连续光源
¯ 辐射强度在一定波长范围内连续存在
黑体辐射 灰体辐射 选择体辐射
波长
辐射强度
¯ 紫外光源
° 氘灯 190-360nm
° 高压汞灯
° 氙灯
¯ 可见近红外光源
° 卤钨灯 320-2500nm，中心波长随温度升高蓝移
4000 K 3000 K
Energy
0Hale Waihona Puke Baidu
500 1000 1500 2000 2500 3000
波长（nm）
¯ 红外光源
¯ LED，半导体光源，与LD发光原理近似，但无谐振腔，是非相干光
光谱拼接
4000
3500
白光LED光谱
3000
2500
Intensity / a.u.
2000
1500
1000
器
探测器
检测光谱范围内光辐射
计算机
已成为现代光谱仪器不可缺少的一 部分，控制、显示、记录、分析
¯ 与光谱特性相关的参数
° 工作光谱范围，仪器所能测量的波长或频率范围
² ×××nm ~ ×××nm 或 ×××cm-1~ ×××cm-1
° 光谱分辨率，能分辨的最小波长或频率间距
² nm 或 cm-1 （主要取决于色散系统）
阳极：钨 阴极：待测元素金属或合金 缓冲气体：氖、氩 优点：元素可再空心阴极多 次被溅射和激发（强度高）， 灯丝温度低、充气压力低 （谱线窄）
无极放电
ICP lamp
(2) 激光
¯ 常用作激发光源
¯ 具有以下优点(与普通光源比较)
单色性 发散角
脉宽 亮度
激光
氦氖激光器632.8nm线宽10-8nm 10-4弧度 10-18秒 1mw的氦氖激光器亮度比太阳 光高出100倍
° 波长准确度，测得的标准物质谱峰与其标定波长或频 率之差
² nm 或 cm-1
° 波长重复性，多次测量某一谱峰位置的标准差
² nm 或 cm-1 （仪器稳定性的体现）
¯ 与光度特性相关的参数
° 光度范围，可测得的透射率或吸光度范围
² ×××%~×××%T(透射率)或×××~×××A(吸光度)
° 光度准确性，测得标准物质的光度值与其标定值之差