光谱技术及应用复习提纲整理.docx

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光谱技术及应用复习提纲整理

复习提纲

第一章光谱学基础知识（填空、简答、判断）

（1）光是一种电磁波（横波），它的传播方向与电、磁分矢量方向垂直；

（2）光与物质的相互作用主要是电场E的作用；电场E的振动方向定义为光的偏振方向；

（3）光具有能量，也具有动量；

（4）从量子论角度，光具有波粒二象性；

（5）光的波动理论可以成功的解释光的干涉、衍射、折射、反射、散射等许多

光学现象，然而用光的波动性却无法解释光电效应；

（6）光子的自旋量子数为1；

（7）光子的能量与动量。

（8）光的相干性；

光的相干性，是指在不同空间点上和不同时刻的光波电场之间的相关性。

（9）光与原子、分子作用的三种过程，什么是受激发射？

吸收、自发发射、受激发射。

受激发射是在外界辐射场的激发下产生的发射过程。

考虑一个二能级系统，当外界辐射场的频率ν和相应的跃迁能级间距相等时，，便发生高能级对低能级的跃迁，并发射一个与激发辐射场属同一模式的光子，即受激发射光子与激发辐射场光子具有相同的频率、相位、偏振方向和传播方向。

（10）激光光谱学研究的光波段；

红外、可见和紫外波段。

（11）光谱的分类；

按产生机制：

发射谱，吸收谱；按谱线特征：

分立谱，连续谱

（12）分子内部存在的三种运动；

分子内部存在着下列三种运动：

（1）价电子在键连着的原子间运动；

（2）各原子间的相对运动-振动；（3）分子作为一个整体的转动。

（13）光谱线的宽度定义；

谱线强度下降到一半时相应的两个频率之间的间隔。

称半宽度，简称线宽，用FWHM（Fullwidthathalfmaximumintensity）表示。

（14）光谱线加宽的三种机制；

自然线宽、多普勒展宽、碰撞加宽。

第二章光谱仪及光电探测器件（论述题）

（1）光谱仪的主要作用及主要色散元件；

光谱仪是光谱检测和分析的基本设备。

它的任务是分光，即将包含多种波长的复合光以波长（或频率）进行分解。

通过分解，不同波长光强分布便以波长（或频率）为坐标进行排列。

主要色散元件是光栅。

（2）光谱仪通常为何使用闪耀光栅？

闪耀光栅的工作原理，及它与透射式光栅的不同点;

平面光栅零级衍射的能量最大，随着衍射级次的增高，衍射能量将逐渐减少。

由于零级衍射没有色散，对分光无用，而色散高的二级、三级等强度较低，不利于使用光栅色散大的高级次。

为了解决衍射能量的利用问题，现代光谱仪中经常采用闪耀光栅。

它可使最大衍射能量集中在所需的级次上。

（不同点，透射最大在零级，闪耀则不是）

单缝衍射光强主极大发生在：

i=r即满足反射定律的反射方向上。

闪耀角条件:

，则衍射角，反射系数R（）围绕为中心的最大值两侧有一个较宽的分布，而光强I（）也受到R（）的调制，中心极大已经不再零级，闪耀波长。

在闪耀方向上，闪耀波长的光强可达到入射光强的80%。

（3）会画出单光栅单色仪的结构框图，知道各元器件的作用。

S1、S2分别为入射狭缝和出射狭缝；G为反射光栅，被放置在装有电动马达的平台上；M1、M2为凹面反射镜。

入射狭缝S1处在凹面反射镜M1的焦平面上，透过狭缝S1的入射光经反射镜M1反射后投射到光栅G，光栅G将入射光色散成许多平行的单色光射到凹面反射镜M2上，M2将这许多单色光汇聚。

出射狭缝S2处在M2的焦平面上。

当光栅G绕其转动中心转动时，在出射狭缝可以得到不同波长的出射光束。

（4）法布里─珀罗标准具的特性；

多光束等倾干涉，处在透镜焦平面的屏上出现同心干涉圆环；对光的波长具有选择性即具有滤光特性；能分辨很小的波长差，但也只能分辨两条靠的很近的波长（常常需要将光源经过单色仪后再输入F-P）；分辨本领很高，常被用作研究光谱线的精细结构。

（5）傅立叶变换光谱仪的技术构成、应用的光谱段；

傅立叶变换光谱仪（FTIR）是将迈克尔逊干涉仪、调制技术与计算机技术相结合的一种新型光谱仪。

只适用于红外波段。

（6）光电探测器的大类；每大类的典型器件、主要表征参数；

光电探测器主要有光电子发射探测器与半导体探测器。

光电子发射探测器主要有光电倍增管和微通道管探测器。

半导体探测器有：

半导体二极管型光电探测器、红外探测器、固体成像探测器等几种。

主要表征参数有光谱响应、灵敏度、探测率、时间响应等。

（7）光电倍增管PMT的工作原理和使用中的注意事项；

光阴极受光照射发射电子，在极间电场的作用下，飞向第一倍增级。

在电子的轰击下，倍增级发射二次电子，这些电子又飞向第二倍增级，再发射二次电子，如此继续下去，最后被阳极所收集后以电流输出。

设倍增级的二次电子发射系数为，经N次倍增，可得电流增益。

注意事项：

（1）光电倍增管的选择：

①光谱响应区，它取决于光阴极材料；②响应度，根据待测光源的光谱特性和光通量大小来确定响应度的要求；③暗电流，在测量微弱光信号时要特别注意挑选暗电流小的管子；④阴极尺寸，要与入射光面积相匹配。

（2）不得在加电压的情况下，有强光照射。

（3）电源：

一般用专用电源。

光电倍增管的供电一般以负压供电居多。

（4）在冷却器中使用可减少暗电流发射和降低热噪声。

（8）ＣＣＤ工作过程的信号电荷的产生，存储，传输，和检测；

信号电荷的产生与存贮：

在光谱测量中，被探测的光直接入射到耗尽层处，在此处产生电子─空穴对，外加电场将电子吸引到势阱内，形成信号电荷。

Q=ηq△AT

η为材料的量子效率；q为电子电荷量；△为入射光的光子流速（与入射的光谱辐通量成正比）；A为光敏单元的受光面积；T为光注入时间（由CCD驱动器的转移脉冲的周期决定）。

信号电荷的转移：

三相电荷传递方式即加以三相交叠的脉冲，使电荷包逐个地沿单元列移动。

如上图所示取了四个CCD单元来演示三相电荷传递时的电荷耦合。

假定在t1时刻，第二栅极处于10V高电位，其余各极均处于低电位。

到了t2时刻，各极电位变为如中间图所示的状况，第二栅极仍保持10V高电位，第三极则有低电位升高为高电位10V。

由于两极相邻很近，它们对应的势阱将合并在一起。

第二栅极的电荷向第三栅极移动。

在t2时刻第二栅极的电位变为低电位，相应的第三栅极变为10V高电位。

这就完成了电荷由一个单元向另一个单元的转移。

第三章微弱信号检测技术

（1）微弱信号检测的三种主要方法及典型仪器；

相干检测，典型仪器：

锁相放大器；重复信号的时域平均，典型仪器：

BOXCAR平均器；离散信号的统计处理，典型仪器为单光子计数器、光学多道分析器。

（2）锁相放大器的构成及原理；

信号通道、参考通道与相关器三部分。

利用参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同频率和同相位的被测信号，而利用噪声与信号的互不相关性来抑制噪声的。

（3）BOXCAR对怎样的信号进行测量，两种工作方式及特点。

利用BOXCAR平均器恢复可重复性信号波形的工作原理；（门的移动）

微弱的重复脉冲信号。

有单点与扫描两种工作方式，单点式特点：

取样点相对于信号起始时刻是固定延时，门宽不变，所测量的是离原点为固定延时的重复信号的某点瞬时平均值，而不是观察波形；扫描式特点：

测量在确定的波长上谱线强度是随时间变化。

利用扫描式工作方式即变换取样法来恢复可重复性信号。

为了实现变换取样，取样门脉冲的延时就要逐步增加（或减少），使之依次扫过整个被测信号的持续时间。

比较器将一个快斜坡和一个慢斜坡电压进行比较，当快斜坡电压大于慢斜坡将输出正电压，反之输出负电压。

在慢斜坡电压时间Ts内产生不断变窄的矩形波电压，而同时用这些电压触发门发生器，这样就得到延时不断增大的门脉冲。

（4）单光子技术的原理。

（一般了解）

非常微弱的光信号，如被测光的强度仅有W以下时入射的光子流将出现离散的状态，每秒几百个光子，即光以粒子的形式分离地到达光检测器。

于是光电倍增管的输出将是一个个分立的脉冲，而非连续信号。

一个光子入射时，光电倍增管输出一个电脉冲。

已知光阴极在入射光波长的量子效率，就可以采用计数电脉冲数的方法推算出光子流的强度。

第四章激光光谱学中的光源

（1）普通光源的发光与激光有何不同；

能量集中，高方向性、高强度，高亮度、单色性好、相干性强。

（2）何为激光？

何为受激辐射；

由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光。

原子中处于高能级的电子,会在外来光子（其频率恰好满足）的诱发下向低能级跃迁,并发出与外来光子一样特征的光子,这叫受激辐射。

（3）激光器的基本结构、激光产生的条件、实现这一条件的技术手段叫什么、泵浦两能级系统是否能实现粒子数的分布反转；

激光工作物质、激励源（泵）、谐振腔。

如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。

泵浦。

不能，泵浦源是无法对二能级系统造成粒子数反转的，需要用多能级系统，常用的有三能级与四能级系统。

（4）激光器的类型（按激活介质形态来分）及工作方式；

固体激光器，一般脉冲方式运转；气体激光器，利用放电产生的等离子体中大量的电子与原子或分子之间或它们之间的碰撞使激光能级间实现粒子数反转；染料激光器是以染料作为激光工作物质的激光器；半导体激光器，利用正向偏置的PN结中电子与空穴复合发光；光纤激光器利用掺杂光纤为介质的激光器。

（5）激光的横模、纵模及含义。

横模：

反映激光输出横截面上的光强度分布情况，定义：

谐振腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布；

纵模：

反映激光器的工作频率，当光在腔内往返一周其相位变化为π的整数倍时，形成驻波，这时腔内的稳定光场分布称为纵模。

（6）几种常见激光器的输出波长

激光器

输出波长

YAG激光器

基波1.06m倍频532nm,355nm

钛宝石激光器

0.67µm到1.1µm

He-Ne激光器

0.6328µm

氩离子激光器

0.5145µm和0.4880µm的两条谱线最强

CO2激光器

10.6µm线附近,还有10.57，10.59与10.61,9.6µm

准分子激光器

KrF（248.4nm）ArF（193.3nm）XeF（351.1nm）XeCl（308nm）

液体激光器

可以实现从紫外的320nm到近红外的1.168mm内调谐；使用倍频技术，还可以扩展到200nm附近。

（7）染料激光器的工作特点

染料激光器是以染料作为激光工作物质的激光器；大多数是将染料溶于乙醇、苯、丙酮或水等溶剂中，配成10-5~10-3级浓度的溶液；染料激光器的突出优点是可以实现输出波长在一个较大的波长范围内调谐。

（8）He-Ne激光是利用哪个原子发的光？

Ne原子。

第五章激光吸收光谱技术（论述题）

（1）简单吸收光谱有何缺点，如何改进；

基本为透明。

不利于高灵敏度的检测。

增加吸收光程。

（2）外腔式吸收光谱可测量得到绝对吸收系数的原理；

两块高反射率的共焦腔镜构成一个光学谐振腔，n次反射振荡后的光强为吸收系数。

从光在光腔内衰荡的时间考虑：

（3）何为耦合双共振吸收？

耦合双共振吸收是一个分子体系同时地对频率为、两束激光的共振吸收，并且通过一个公共能级或弛豫过程使两个共振跃迁间具有一定的耦合。

（4）就公共能级耦合方式解释光学-光学双共振实验的的原理。

强的泵浦光束使跃迁达到饱和状态，于是能级1的布居数将明显少于热平衡分布的布居数。

当另一束强度较弱、频率可调谐的探测激光，与分子的另一跃迁发生共振时，因能级1的布居数已为泵浦光抽空，对探测光的吸收将变得很弱。

测量有泵浦激光照射与没有照射时，探测光束的透射光强差。

（5）简述光声光谱技术。

受激分子通过无辐射跃迁返回基态时，常常会将激发能（内能）转变成为热能（平动能），使样品池内压力增加。

通过检测压力的变化来获取光谱信息，称为光声光谱技术。

分子共振吸收→池内压力增大→微音器输出信号→锁相放大器采集信号。

第六章激光发射