光学分析法引论

1、光谱分析法光谱分析法 有关参考文献介绍： 1. Analytical Chemistry 2. The Analyst 3. Spectrochimica Acta 4. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 5. Applied Spectroscopy 6. Journal of Molecular Spectroscopy 7. Atomic Spectroscopy 8. Spectroscopy Letters 9. Analytical Letters 10.分析化学（荷兰、德国、俄罗斯） 11.分析化学（中国） 12.光谱学与光谱分析

2、（中国） 13.理化检验-化学分册（中国） 14.分析试验室 （中国） 15.分析测试学报 （中国） 相关书籍、教材资料和论文。 仪器分析方法的分类仪器分析方法的分类 仪器分析仪器分析 电化学分析法电化学分析法光分析法光分析法 色谱分析法色谱分析法 热分析法热分析法 分析仪器联用技术分析仪器联用技术 质谱分析法质谱分析法 光学分析法：光学分析法： 根据物质发射电磁辐射或电磁辐射与根据物质发射电磁辐射或电磁辐射与 物质相互作用而建立起来的一类分析方法。物质相互作用而建立起来的一类分析方法。 它研究物质的光辐射，或辐射与物质的相它研究物质的光辐射，或辐射与物质的相 互作用。互作用。 第一章第一章

3、光学分析法引论光学分析法引论 本章内容本章内容 1.1 电磁辐射的性质电磁辐射的性质 1.2 光学分析法分类光学分析法分类 1.3 光谱法仪器光谱法仪器 1.1 1.1 电磁辐射的性质电磁辐射的性质 电磁辐射电磁辐射 一种以极大的速度通过空间，不要任何物质作为一种以极大的速度通过空间，不要任何物质作为 传播媒介的能量。它包括无线电波、微波、红外光、传播媒介的能量。它包括无线电波、微波、红外光、 可见光、紫外光、可见光、紫外光、x射线、射线、射线等。射线等。 光光 是一种电磁辐射，能为正常人的视力所感受到的是一种电磁辐射，能为正常人的视力所感受到的 电磁辐射称电磁辐射称可见光可见光。 光具有波动

4、性和微粒性。光具有波动性和微粒性。 一、电磁辐射的波动性一、电磁辐射的波动性 光的三要素：光的三要素： 波长（波长（ ）、速度（）、速度（c c）、）、频率（频率（ ） 波动性的描述参数：波动性的描述参数： 1. 周期（周期（T） 单位：单位：s 2. 频率（频率（v） 单位：单位：Hz 3. 波长（波长（ ） 单位：单位：m，cm， mm， m，nm， 4. 波数（波数（ 或或 ）单位：单位：cm-1 5. 传播速度传播速度单位：单位：m/s 光具有折射、衍射、偏振和干涉光具有折射、衍射、偏振和干涉 等现象说明具有波动性。等现象说明具有波动性。 v 二、电磁辐射的微粒性二、电磁辐射的微粒性

5、Planck认为能量是认为能量是“量子化量子化”的。光是由光的。光是由光 子子 （光量子）所组成，（光量子）所组成， 光子是光子是能量的最小单位：能量的最小单位： /hcvhE h：普朗克普朗克(Planck)常数常数 6.62610-34Js ：频率频率 E：光量子具有的能量光量子具有的能量 单位：单位：J（焦耳）焦耳） eV (电子伏特电子伏特) 1eV=1.60210 19J 表表1 电磁波的波长范围电磁波的波长范围 波谱区波谱区 射线射线 射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线无线电波无线电波 波长波长nm 10-5- 3 10-2 10-2-3010-400400-750 7.

6、5 102- 106 7.5 105- 1014 表表2 光学光谱区光学光谱区 波谱区波谱区远紫外远紫外近紫外近紫外可见区可见区近红外近红外中红外中红外远红外波远红外波 波长波长 10- 200nm 200- 380nm 380- 780nm 780nm- 2.5 m 2.5-50 m 50-300 m 紫紫 外外 区区 可可 见见 区区 红红 外外 区区 高能辐射部分高能辐射部分 波长增加，能量降低波长增加，能量降低 射线射线 X射线射线微波微波 射频射频 c hhE 长波部分长波部分 光学光学 光谱区光谱区 三、电磁辐射的产生三、电磁辐射的产生 产生方式产生方式 热辐射（黑体辐射）热辐射（

7、黑体辐射） 特征：特征： 1. P T4 （Stefen-Boltzman定律）定律） 2. max 1/T（Wien位移定律）位移定律） 3. 一定一定T下，下，P 1/ 5 （PlanK定律）定律） 气体发射气体发射 X-ray发射发射 荧光和磷光荧光和磷光 四、电磁辐射与物质的相互作用四、电磁辐射与物质的相互作用 透射透射 色散色散 反射反射 折射折射 散射散射 偏振偏振 吸收吸收 原子吸收原子吸收 分子吸收分子吸收 磁场诱导吸收磁场诱导吸收 弛豫过程弛豫过程 光的折射及反射光的折射及反射 2 1 1 1.2 1.2 光学分析法的分类（光学分析法的分类（1 1） 光光 学学 分分 析析

8、法法 光谱法光谱法 分子光谱法分子光谱法（ UV/Vis、IR、MFS、MPS） 非光谱法非光谱法 原子光谱法原子光谱法（ AAS、AES、 AFS） （不以光的波长为特征讯号，只通过测量电（不以光的波长为特征讯号，只通过测量电 磁辐射的某些基本性质的变化的分析方法）磁辐射的某些基本性质的变化的分析方法） （以光的吸收、发射等作用而建立的分析方法，（以光的吸收、发射等作用而建立的分析方法， 通过检测光谱的波长和强度来进行定性和定量通过检测光谱的波长和强度来进行定性和定量 的方法）的方法） （折射法，衍射法，比浊法，旋光法）（折射法，衍射法，比浊法，旋光法） 1.2 1.2 光学分析法的分类（光

9、学分析法的分类（2 2） 根据电磁辐射与物质相互作用的结果分类根据电磁辐射与物质相互作用的结果分类 1.2.1 发射光谱发射光谱 1.2.2 吸收光谱吸收光谱 1.2.3 联合散射光谱联合散射光谱 1.2.1 1.2.1 发射光谱发射光谱 物质通过物质通过电致激发、热致激发或光致激发电致激发、热致激发或光致激发等激等激 发过程获得能量，变为发过程获得能量，变为激发态原子激发态原子或分子或分子M* ，当，当 从激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱。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通过测量物质的发射光谱的波长波长和和强度强度进行进行定定 性

10、性和和定量定量分析的方法叫做发射光谱分析法。分析的方法叫做发射光谱分析法。 根据激发光谱所在光谱区和激发方法不同，可以分为根据激发光谱所在光谱区和激发方法不同，可以分为 以下几种：以下几种： 1. 射线光谱法（原子核衰变）射线光谱法（原子核衰变） 2. X射线荧光分析法（内层电子）射线荧光分析法（内层电子） 3. 原子发射光谱分析法原子发射光谱分析法 4. 原子荧光分析法原子荧光分析法 5. 分子荧光分析法分子荧光分析法 6. 分子磷光分析法分子磷光分析法 7. 化学发光分析法化学发光分析法 1.2.2 1.2.2 吸收光谱吸收光谱 当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子当物质所吸收的电磁辐射

11、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核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量满 足足E = hv的关系时，将产生吸收光谱。的关系时，将产生吸收光谱。 M + hv M* 通过测量被吸收光的通过测量被吸收光的波长波长和和吸收强度吸收强度进行进行定定 性性和和定量定量分析的方法叫做吸收光谱分析法。分析的方法叫做吸收光谱分析法。 根据吸收光谱所对应的能级，可以分为以下几种：根据吸收光谱所对应的能级，可以分为以下几种： 1. Mssbauer谱法谱法 2. 紫外紫外-可见分光光度法可见分光光度法 3. 原子吸收光谱法原子吸收光谱法 4. 红外光谱法红外光谱法 5. 顺磁共振波谱

12、法顺磁共振波谱法 6. 核磁共振波谱法核磁共振波谱法 1.2.3 1.2.3 RamanRaman光谱光谱 频率为频率为 0 的单色光照射透明物质，物质分子的单色光照射透明物质，物质分子 会发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子会发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子 发生能量交换引起，即不仅光子的运动方向发生变发生能量交换引起，即不仅光子的运动方向发生变 化，它的能量也发生变化，则称为化，它的能量也发生变化，则称为Raman散射散射。 这种散射光的频率（这种散射光的频率（m）与入射光的频率不同，称与入射光的频率不同，称 为为Raman位移位移。 Raman位移位移的大小与分子的振动和

13、转动的能级有关，的大小与分子的振动和转动的能级有关， 利用利用Raman位移位移研究物质结构的方法称为研究物质结构的方法称为Raman光光 谱法谱法。 常用光谱分析法分类常用光谱分析法分类 E(ev) 光分析方法分类光分析方法分类 光分析法光分析法 原子吸收法红外法 原子发射法 核磁法 荧光法 紫外可见法 分子光谱分子光谱 原子光谱原子光谱 1.3 1.3 光谱法仪器光谱法仪器 用于研究与波长有关的光的吸收、发射的仪器统称用于研究与波长有关的光的吸收、发射的仪器统称 为为光谱仪或分光光度计光谱仪或分光光度计。 光谱仪或分光光度计一般包括五个基本单元：光谱仪或分光光度计一般包括五个基本单元： 光

14、源光源 单色器单色器 样品容器样品容器 检测器检测器 读出器件读出器件 各类光谱仪的结构各类光谱仪的结构 光源和样品光源和样品 h 单色仪单色仪 h 检测器检测器 I 读出设备读出设备 样品样品 h 单色仪单色仪 h 检测器检测器 I 读出设备读出设备 光源光源 h 样品样品 h 单色仪单色仪 h 检测器检测器 I 读出设备读出设备 光源光源 h 发射光谱仪发射光谱仪 吸收光谱仪吸收光谱仪 荧光和散射光谱仪荧光和散射光谱仪 一、光源一、光源 要求：要求： 足够的输出功率足够的输出功率 稳定性：稳定性：稳压电源稳压电源 参比光束参比光束 分类：分类： 连续光源：连续光源：用于分子吸收光谱法用于分

15、子吸收光谱法 线光源：线光源：用于荧光、原子吸收和用于荧光、原子吸收和Raman光谱法光谱法 连续光源（连续光源（1） 在在很大波长范围很大波长范围内主要发射内主要发射强度平稳强度平稳的具有连续光的具有连续光 谱的光源。谱的光源。 1. 紫外光源：紫外光源：氢灯氢灯 氘灯氘灯 波长范围：波长范围：160 375 nm 氘氘 灯灯 示示 意意 图图 石英石英 200 nm 熔融石英熔融石英 185 nm 连续光源（连续光源（2） 2. 可见光源：可见光源：钨灯钨灯氙灯氙灯 波长范围：波长范围：320-2500 nm250-700 nm 氙灯可同时用于氙灯可同时用于UV-Vis区！区！ 3. 红外

16、光源红外光源: 能斯特灯、硅碳棒能斯特灯、硅碳棒 波长范围：波长范围： 6000-5000 cm-1（光强最大区）光强最大区） 线光源线光源 1. 金属蒸气灯金属蒸气灯: 钠灯：钠灯：589.0 nm，589.6 nm汞灯：汞灯：254 734 nm 2. 空心阴极灯：空心阴极灯： 用于原子吸收光谱，能提供许多元素的线光谱用于原子吸收光谱，能提供许多元素的线光谱 3. 激光激光 强度高，方向性和单色性好强度高，方向性和单色性好 红宝石激光器（红宝石激光器（693.4 nm）He-Ne激光器（激光器（632.8 nm） Ar离子激光器（离子激光器（514.5 nm，488.0 nm） 单色器的主

17、要作用是将复合光分解成单色光单色器的主要作用是将复合光分解成单色光 或有一定宽度的谱带。或有一定宽度的谱带。 单色器由单色器由入射狭缝和出射狭缝、准直镜入射狭缝和出射狭缝、准直镜以及以及 色散元件色散元件（如（如棱镜棱镜或或光栅光栅等）组成等）组成。 二、单色器（波长选择器）二、单色器（波长选择器） 1. 滤光片滤光片 2. 棱镜分光系统棱镜分光系统 棱镜的作用是把棱镜的作用是把复合光复合光分解为分解为单色光单色光。由于不。由于不 同波长的光在同一介质中具有不同的折射率，同波长的光在同一介质中具有不同的折射率，波长波长 短短的光的光折射率大折射率大，波长长波长长的光的光折射率小折射率小。因此，

18、平。因此，平 行光经色散后按波长顺序分解为不同波长的光，经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，得到按波长展开的聚焦后在焦面的不同位置成像，得到按波长展开的 光谱。光谱。 棱镜分光系统的光路图棱镜分光系统的光路图 常用镜棱常用镜棱 棱镜一般安置在棱镜一般安置在最小偏向角最小偏向角的位置（入射光通过棱镜时与底边的位置（入射光通过棱镜时与底边平行平行） Cormu型型 Littrow型型 （左旋（左旋+右旋右旋-消除双像）消除双像） （镀膜反射）（镀膜反射） 3. 光栅分光系统光栅分光系统 光栅：光栅：由玻璃片或金属片制成，其上准确地刻有大量宽由玻璃片或金属片制

19、成，其上准确地刻有大量宽 度和距离都相等的平行线条（刻痕），可近似地将它看成度和距离都相等的平行线条（刻痕），可近似地将它看成 一系列等宽度和等距离的透光狭缝。最常用的是一系列等宽度和等距离的透光狭缝。最常用的是1200 1400刻槽刻槽/mm（紫外可见）及紫外可见）及100 200刻槽刻槽/mm（红外）。红外）。 透射光栅透射光栅 反射光栅：反射光栅：平面反射光栅平面反射光栅（闪耀光栅）（闪耀光栅） 凹面反射光栅凹面反射光栅 光栅光谱产生的原因：光栅光谱产生的原因： 多狭缝干涉：多狭缝干涉：决定光谱线出现的决定光谱线出现的位置位置 单狭缝衍射：单狭缝衍射：决定光谱线的决定光谱线的强度强度分布

20、分布 光栅分光系统光栅分光系统 光栅分光系统光栅分光系统 平面透射光栅平面透射光栅 d P0 P1 P0（0级）级） P1 P1 P2P2 距离距离 相对强度相对强度 入射光为单色光，那么入射光为单色光，那么 1. 当入射线垂直于光栅时，当入射线垂直于光栅时， =0，n = d sin 2. 当入射线不垂直于光栅时当入射线不垂直于光栅时 n = d（sin + sin ） 3. 在零级光谱有最大的光强在零级光谱有最大的光强！ 光栅分光系统光栅分光系统 入射光为复合光，那么入射光为复合光，那么 1. 0 级光级光P0处是未经色散的白光；处是未经色散的白光； 2. 其它波长的光因波长不同，产生的一

21、级光谱位置不同：其它波长的光因波长不同，产生的一级光谱位置不同： 波长小的则衍射角波长小的则衍射角 小，谱线靠近小，谱线靠近0级；波长大的，衍射级；波长大的，衍射 角角 大，谱线距大，谱线距0级较远；级较远； 3. 同样对于二级光谱而言，也有同样的情况。但可能造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，而且具有最强度的光处成二级光谱与一级光谱的重叠，而且具有最强度的光处 于于0级（为未分开的白光）！级（为未分开的白光）！ 光栅分光系统光栅分光系统 平面反射光栅（闪耀光栅、小阶梯光栅）平面反射光栅（闪耀光栅、小阶梯光栅） 平面透射光栅中，平面透射光栅中，0级光谱

22、聚集了大部分能量，但是却级光谱聚集了大部分能量，但是却 没有色散能力，因此需要将光栅刻痕刻成一定的形状（通没有色散能力，因此需要将光栅刻痕刻成一定的形状（通 常是三角形槽线），使衍射的能量集中到某个衍射角附近，常是三角形槽线），使衍射的能量集中到某个衍射角附近， 即可将大部分能量集中于某一级光谱上（通常为一级）这即可将大部分能量集中于某一级光谱上（通常为一级）这 种现象称为种现象称为闪耀闪耀，辐射能量最大的波长称为，辐射能量最大的波长称为闪耀波长闪耀波长 （ ），），槽面与光栅表面的夹角称为槽面与光栅表面的夹角称为闪耀角（闪耀角（ ） 光栅公式：光栅公式： nsind2 光栅适用波长范围：光栅

23、适用波长范围： 5 . 0n 平面闪耀光栅平面闪耀光栅 光栅特性表示：光栅特性表示： 光栅分光系统光栅分光系统 光栅公式：光栅公式： nsinsind ：入射角：入射角 ：衍射角：衍射角 d d：光栅常数光栅常数 n n：光谱级数光谱级数 角色散率：角色散率： cos n d d 不变时候：不变时候： d 变化不大且很小时：变化不大且很小时：coscos1 1 n d d d 常数常数 同一级光谱中，色散率基本不变（均排光谱）同一级光谱中，色散率基本不变（均排光谱） 光谱级次越高，色散率越大光谱级次越高，色散率越大 光光 栅栅 缝缝 间间 距距 线色散率：线色散率： 光栅分光系统光栅分光系统

24、nf cos nf f d d d dl dd 分辨率：分辨率： nNR n:光谱级次光谱级次 N：总刻痕数总刻痕数 例：例：求宽为求宽为50 mm，刻痕数为刻痕数为1200条条/mm的光栅的的光栅的 分辨率。分辨率。 解：解： 4 1061200501nNR 一级光谱时：一级光谱时： 分辨率远分辨率远 高于棱镜高于棱镜 相当于底边为相当于底边为500mm的棱镜的棱镜 光栅分光系统光栅分光系统 光谱重叠及消除光谱重叠及消除 由光栅方程由光栅方程 ： nsinsind 可见，当可见，当d、 一定时，衍射角的大小和入射角的波长有一定时，衍射角的大小和入射角的波长有 关。当关。当n与与 的乘积相同的

25、辐射将分散在同一空间位置，的乘积相同的辐射将分散在同一空间位置， 即谱线重叠。即谱线重叠。例如：例如：波长为波长为400nm的的级线，与波长为级线，与波长为 200nm的的级线，波长为级线，波长为133.33nm的的级线，互相重叠，级线，互相重叠， 造成干扰。造成干扰。 利用滤光片吸收干扰波长利用滤光片吸收干扰波长 利用感光板的灵敏区不同，消除干扰波段利用感光板的灵敏区不同，消除干扰波段 利用谱级分离器（低色散棱镜）消除干扰利用谱级分离器（低色散棱镜）消除干扰 凹面光栅凹面光栅 光栅分光系统光栅分光系统 在半径为在半径为 r 的半球内侧刻划一系列平行刻槽而制的半球内侧刻划一系列平行刻槽而制 成

26、的光栅，多用于光电直读光谱仪。由于此类光栅除成的光栅，多用于光电直读光谱仪。由于此类光栅除 具有具有分光作用分光作用外，也具有外，也具有聚焦作用聚焦作用，因此分光系统中，因此分光系统中 不需要会聚透镜等光学部件不需要会聚透镜等光学部件:光能损失小光能损失小,节省费用节省费用。 cosd nr d dl 光栅分光系统光栅分光系统 中阶梯（中阶梯（Echelle）光栅光栅 精密刻制的具有宽平刻痕的特殊衍射光栅，类似于精密刻制的具有宽平刻痕的特殊衍射光栅，类似于 普通的闪耀平面光栅，区别在于光栅每一阶梯的宽度是普通的闪耀平面光栅，区别在于光栅每一阶梯的宽度是 其高度的几倍，阶梯之间的距离是欲色散波长

27、的其高度的几倍，阶梯之间的距离是欲色散波长的10 200 倍，倍，闪耀角大闪耀角大。 当入射光与衍射光夹角很当入射光与衍射光夹角很 小时：小时： cosd nfftg2 d dl 光栅分光系统（光栅分光系统（11） 提高线色散率的途径：提高线色散率的途径： 普通光栅：普通光栅：增大焦距增大焦距f 中阶梯光栅：中阶梯光栅：增大闪耀角（增大闪耀角（60 70 ）；利用高级次光谱（）；利用高级次光谱（40 120级）级） 当入射光与衍射光夹角很小时：当入射光与衍射光夹角很小时： nN sinNd2 R 可以通过增大闪耀角，提高光谱级次和光栅常数来提高分辨率可以通过增大闪耀角，提高光谱级次和光栅常数来

28、提高分辨率 中阶梯光栅的特点中阶梯光栅的特点 二维色散光谱二维色散光谱，只需要很小的谱区面积就可以容纳，只需要很小的谱区面积就可以容纳 190-900 nm全范围的光谱（普通光栅光谱需要全范围的光谱（普通光栅光谱需要2m的的 谱区），因此仪器可以做的很紧凑；谱区），因此仪器可以做的很紧凑； 具有很具有很高的色散率、分辨率和集光本领，利用光谱高的色散率、分辨率和集光本领，利用光谱 区广区广，因此在降低检测限、谱线轮廓测量、多元素，因此在降低检测限、谱线轮廓测量、多元素 同时测定及制造使用连续光源的同时测定及制造使用连续光源的AAS仪器有着很大仪器有着很大 的作用。的作用。 中阶梯光栅示意图中阶梯

29、光栅示意图 小阶梯光栅与中阶梯光栅的性能比较小阶梯光栅与中阶梯光栅的性能比较 光栅参数光栅参数常规闪耀光栅常规闪耀光栅中阶梯光栅中阶梯光栅 焦距焦距f0.5 m0.5 m 刻槽密度刻槽密度1200/mm79/mm 衍射角衍射角11 22 63 26 级次级次175 分辨率（分辨率（300nm）R62400763000 倒色散率倒色散率d /dl16埃埃/mm1.5埃埃/mm 聚光本领聚光本领f/9.8f/8.8 狭缝（狭缝（1） 由两片经过精密加工，且具有锐利边缘的金属由两片经过精密加工，且具有锐利边缘的金属 片组成，其两边必须保持互相平行，并且处于同一片组成，其两边必须保持互相平行，并且处于

30、同一 平面上。平面上。 狭缝宽度狭缝宽度对分析有重要意义。连续光源经过单对分析有重要意义。连续光源经过单 色器后所获得色器后所获得“单色光单色光”的宽度分辨率、狭缝宽度的宽度分辨率、狭缝宽度 和光学材料性质等，用和光学材料性质等，用有效带宽有效带宽S表示表示 S = DW D为线色散率倒数为线色散率倒数 W为狭缝宽度为狭缝宽度 狭缝（狭缝（2） 当仪器的色散率固定时，当仪器的色散率固定时，S将随将随W而变化而变化 原子发射光谱原子发射光谱: 定性分析时用较窄的狭缝，可提高分辨率，使邻近的谱线清定性分析时用较窄的狭缝，可提高分辨率，使邻近的谱线清 晰分开。晰分开。 定量分析时用较宽的狭缝，可得到

31、较大的谱线强度。定量分析时用较宽的狭缝，可得到较大的谱线强度。 原子吸收光谱：原子吸收光谱： 由于吸收线的数目比发射线少得多，谱线重叠的几率小，因由于吸收线的数目比发射线少得多，谱线重叠的几率小，因 此常采用较宽的狭缝，以得到较大的光强。此常采用较宽的狭缝，以得到较大的光强。 如果背景发射太强，则要适当减小狭缝宽度。一般原则，在如果背景发射太强，则要适当减小狭缝宽度。一般原则，在 不引起吸光度减少的情况下，采用尽可能大的狭缝宽度。不引起吸光度减少的情况下，采用尽可能大的狭缝宽度。 光栅与棱镜的比较光栅与棱镜的比较 1. 光栅的色散几乎与波长无关光栅的色散几乎与波长无关 2. 在相同色散率时，光

32、栅的尺寸要小在相同色散率时，光栅的尺寸要小 3. 光栅对棱镜不适用的远紫外远红外区可以用光栅对棱镜不适用的远紫外远红外区可以用 4. 光栅的杂散辐射，高级光谱干扰等问题已经可以光栅的杂散辐射，高级光谱干扰等问题已经可以 解决解决 5. 比较高的光栅价格已经降下来比较高的光栅价格已经降下来 作为色散元件，光栅比棱镜要好作为色散元件，光栅比棱镜要好 三、吸收池三、吸收池 用来盛放样品，由光透明的材料制成，根据不同需用来盛放样品，由光透明的材料制成，根据不同需 要有不同的规格。要有不同的规格。 石英或熔融石英：石英或熔融石英：紫外光区紫外光区可见光区可见光区3 m 玻璃：玻璃：可见光区（可见光区（3

33、50 2000 nm） 透明塑料透明塑料：可见光区（：可见光区（350 2000 nm） 盐窗（盐窗（NaCl，NaBr晶体）：晶体）：红外光区红外光区 四、检测器（四、检测器（1） 光电转换器光电转换器 c DKIG G:电信号电信号 K:常数（决定于灵敏度）常数（决定于灵敏度） I:入射光强入射光强 Dc:暗电流（可扣除）暗电流（可扣除） 理想的光电转换器要求：理想的光电转换器要求： 1. 灵敏度高；灵敏度高； 2. S/N大；大； 3. 暗电流小；暗电流小； 4. 响应快且在宽的波段内响应恒定响应快且在宽的波段内响应恒定 将光辐射转化为可以测量的电信号的器件将光辐射转化为可以测量的电信号

34、的器件 检测器种类及应用波段检测器种类及应用波段 检测器检测器种类种类原理原理应用波段应用波段 人眼、相板人眼、相板UV-Vis 硒光电池硒光电池 单道检测器单道检测器 光电效应光电效应 350-500-750 nm 光电管光电管和光敏材料相关和光敏材料相关 光电倍增管光电倍增管同上同上 硅二极管硅二极管 热电效应热电效应 190-1100 nm 热电偶热电偶 IR辐射热计辐射热计 热释电热释电 电导检测器电导检测器 UV-Vis 二极管阵列二极管阵列 多道检测器多道检测器光电效应光电效应 电荷转移器件电荷转移器件 电荷注入器件电荷注入器件 电荷耦合器件电荷耦合器件 硒光电池硒光电池 四、检测

35、器（四、检测器（2） 优点：优点： 1. 光电流直接正比光电流直接正比 于辐射能于辐射能 2. 使用方便、便于使用方便、便于 携带（耐用、成本携带（耐用、成本 低）低） 缺点：缺点：1. 电阻小，电流不易放大；响应较慢电阻小，电流不易放大；响应较慢 2. 只在高强度辐射区较灵敏只在高强度辐射区较灵敏 3. 长时间使用后，有长时间使用后，有“疲劳疲劳”(fatigue)现象现象 光电管光电管 四、检测器（四、检测器（3） 90V DC 直流放大直流放大 阴极阴极 R -+ 光束光束 e阳极丝（阳极丝（Ni） 抽真空抽真空 阴极表面可涂渍不同光敏物阴极表面可涂渍不同光敏物 质：高灵敏（质：高灵敏（

36、K，Cs，Sb其中二其中二 者）、红光敏（者）、红光敏（Na/K/Cs/Sb， Ag/O/Cs）、）、紫外光敏、平坦响紫外光敏、平坦响 应（应（Ga/As，响应受波长影响响应受波长影响 小）。产生的光电流约为硒光电小）。产生的光电流约为硒光电 池的池的1/10。 优点：优点：阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。 缺点：缺点：有微小暗电流（有微小暗电流（Dark current，40K的放射线激发）。的放射线激发）。 光电倍增管（光电倍增管（PMT） 四、检测器（四、检测器（4） 优点：优点：高灵敏度；响高灵敏度；响 应快；适于弱光测定，应快；适于弱光测定，

37、甚至对单一光子均可响甚至对单一光子均可响 应应 缺点：缺点：对外加电压变化极为敏感，因此光电倍增管的电压对外加电压变化极为敏感，因此光电倍增管的电压 必须严格控制；热发射强，暗电流大；不适合在温度波动较必须严格控制；热发射强，暗电流大；不适合在温度波动较 大或高温下工作，不得置于强光（如日光大或高温下工作，不得置于强光（如日光)下，否则可永久下，否则可永久 损坏损坏 PMT！ 硅二极管硅二极管 四、检测器（四、检测器（5） p 区区n 区区 pn 结结 p 区区n 区区(反向偏置反向偏置) 耗尽层耗尽层 空穴空穴 电子电子 1. 反向偏值反向偏值耗尽层（耗尽层（depletion layer）

38、pn结电导趋于结电导趋于0 (i=0)； 2. 光照光照耗尽层中形成空穴和电子耗尽层中形成空穴和电子空穴移向空穴移向p区并湮灭区并湮灭外外 加电压对加电压对pn“电容器电容器”充电充电产生充电电流信号产生充电电流信号 (i 0) 。 特点：特点：灵敏度介于真空管和倍增管之间灵敏度介于真空管和倍增管之间 n硅二极管阵列（硅二极管阵列（PDA） 四、检测器（四、检测器（6） SiO2窗窗 p 型硅型硅 n 型硅基型硅基 侧视侧视(cross section) 光束光束 2.5mm pnpnpnpnpnpn 0.025mm 顶视顶视(top view) 1. 在一个硅片上，许多在一个硅片上，许多 p

39、n 结以结以一维线性排列一维线性排列，构成，构成“阵列阵列”； 2. 每个每个 pn 结或元（结或元（element，64-4096个）相当于一个硅二极管检测器；个）相当于一个硅二极管检测器； 3. 硅片上布有集成线路，使每个硅片上布有集成线路，使每个 pn 结相当于一个独立的光电转换器；结相当于一个独立的光电转换器； 4. 硅片上置于分光器焦面上，经色散的不同波长的光分别被转换形成电信号硅片上置于分光器焦面上，经色散的不同波长的光分别被转换形成电信号 5. 实现多波长或多目标实现多波长或多目标同时（同时（simultaneously）检测。检测。 6. PDA在灵敏度、线性范围和在灵敏度、线性范围和S/N方面不如光电倍增管。应用较少。方面