光谱法仪器与光学器件

1、23:34:20第第第第第第3 3 3节节节节节节 光谱法仪器与光光谱法仪器与光光谱法仪器与光光谱法仪器与光光谱法仪器与光光谱法仪器与光学器件学器件学器件学器件学器件学器件一、一、光谱法的基本流程光谱法的基本流程general process of spectrometry二、二、光谱仪器的基本器件光谱仪器的基本器件main parts of spectrometry 第第第第第第2 2 2 2 2 2章章章章章章 光谱分析法导论光谱分析法导论光谱分析法导论光谱分析法导论光谱分析法导论光谱分析法导论an introduction to optical analysis instruments

2、for spectro-metry and optical parts23:34:21一、一、一、一、一、一、光谱分析法的基本流程光谱分析法的基本流程光谱分析法的基本流程光谱分析法的基本流程光谱分析法的基本流程光谱分析法的基本流程 generalgeneralgeneral process of spectrometry process of spectrometry process of spectrometry 光谱仪器通常包光谱仪器通常包括五个基本单元：括五个基本单元： 光源系统，分光光源系统，分光系统，试样引入系统系统，试样引入系统，检测系统，信号处，检测系统，信号处理与理与显示系统显

3、示系统。 分析流程有三种分析流程有三种，如右图所示。，如右图所示。23:34:22二、二、二、二、二、二、光谱仪的基本单元光谱仪的基本单元光谱仪的基本单元光谱仪的基本单元光谱仪的基本单元光谱仪的基本单元 mainmainmain parts of spectrometry parts of spectrometry parts of spectrometry 1. 1. 光源光源 产生辐射的装置。依据方法不同，可采用不同的光源。产生辐射的装置。依据方法不同，可采用不同的光源。依据性质不同，光源可分为：依据性质不同，光源可分为： 连续光源连续光源：在较大范围提供连续波长的光源，如氢灯、氘在较大范

4、围提供连续波长的光源，如氢灯、氘灯、钨丝灯等；灯、钨丝灯等； 线光源线光源：提供特定波长的光源，如金属蒸气灯提供特定波长的光源，如金属蒸气灯( (汞灯、钠汞灯、钠蒸气灯蒸气灯) )、空心阴极灯等。、空心阴极灯等。 脉冲光源脉冲光源：脉冲线光源或脉冲连续光源，如激光器等。：脉冲线光源或脉冲连续光源，如激光器等。23:34:2223:34:232.2.2.2.2.2.分光系统（单色器）分光系统（单色器）分光系统（单色器）分光系统（单色器）分光系统（单色器）分光系统（单色器）是指获得高光谱纯度辐射束的装置，将分析线与邻近线是指获得高光谱纯度辐射束的装置，将分析线与邻近线分开，而辐射束的波长可在很宽范

5、围内任意改变。分开，而辐射束的波长可在很宽范围内任意改变。主要部件主要部件：（1）进出口狭缝：控制光谱通带的宽度；）进出口狭缝：控制光谱通带的宽度；（2）准直装置）准直装置(透镜或反射镜透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光线；：使辐射束成为平行光线； （3）色散装置）色散装置(棱镜、光栅棱镜、光栅)：使不同波长的辐射以不同的：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；角度进行传播；23:34:23 （4 4）聚焦透镜或凹面反射镜，使每个单色光束在单色器）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聚焦成像。的出口曲面上聚焦成像。23:34:24棱镜色散器棱镜色散器棱镜色散器棱镜色散器棱镜

6、色散器棱镜色散器 棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长长的光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。，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。后在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱。 棱镜的分辨能力取棱镜的分辨能力取决于棱镜的几何尺寸和决于棱镜的几何尺寸和材料；棱镜的光学特性材料；棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来可用色散率和分辨率来表征。表征。23:34:2423:34:26棱镜的特性与参数棱镜的特性

7、与参数棱镜的特性与参数棱镜的特性与参数棱镜的特性与参数棱镜的特性与参数（1 1）色散率）色散率 角色散率角色散率：用：用d / /d 表示，即偏向角表示，即偏向角 对波长的变化率。对波长的变化率。dd2sin12sin2dd22nn棱镜的顶角棱镜的顶角 越大或折射率越大，角色散率越大，分开越大或折射率越大，角色散率越大，分开两两条条相邻相邻谱线的能力越强。但谱线的能力越强。但顶角越大，反射损失也增大，顶角越大，反射损失也增大，通常为通常为6060度角。角色散率与入射光波长有关，为度角。角色散率与入射光波长有关，为非均排光非均排光谱谱。23:34:26线色散率线色散率：用：用dl/d 表示，即两

8、条相邻谱线在焦面上被分开表示，即两条相邻谱线在焦面上被分开的距离对波长的变化率。即的距离对波长的变化率。即 在实际中，常采用在实际中，常采用倒线色散率倒线色散率 d /dl ，单位为，单位为nm/cm-1。dldfdd=sin L为焦面上不同入射光之间的距离，为焦面上不同入射光之间的距离，f为透镜焦距，为透镜焦距，为检为检测器平面测器平面(焦平面焦平面)与光轴间的夹角。与光轴间的夹角。23:34:27（2 2 2 2 2 2）分辨率）分辨率）分辨率）分辨率）分辨率）分辨率 是指相邻两条谱线分开程度的度量：是指相邻两条谱线分开程度的度量：ddnbR 为两条相邻谱线的平均波长，为两条相邻谱线的平均

9、波长， 为两条谱线的波长差，为两条谱线的波长差，b为为棱镜的底边长度，棱镜的底边长度，n为为棱镜介质材料的折射率。棱镜介质材料的折射率。 分辨率与波长有关分辨率与波长有关，长波的分辨率要比短波的长波的分辨率要比短波的分辨率小。分辨率小。23:34:28光栅色散器光栅色散器光栅色散器光栅色散器光栅色散器光栅色散器 分为分为透射光栅和反射光栅，透射光栅和反射光栅，表面上有许多等间隔、等宽表面上有许多等间隔、等宽的平行刻纹。光栅光谱的产生是多狭缝干涉与单狭缝衍射共的平行刻纹。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，后者决定谱线强同作用的结果，前者决定光谱出现的位

10、置，后者决定谱线强度分布。度分布。23:34:2823:34:29光栅的特性光栅的特性光栅的特性光栅的特性光栅的特性光栅的特性 ABCDE表示平面透射光表示平面透射光栅的一段，光线栅的一段，光线L在在AJF处处同相，到达同相，到达AKI平面，光线平面，光线L2M2要比光线要比光线L1M1多通过多通过JCK这段距离。这段距离。FEI=2JCK，其后各缝隙的光程差将以，其后各缝隙的光程差将以等差级数增加，等差级数增加，3JCK 、4JCK等。等。23:34:30 当光线当光线M1、M2、M3到达焦点时，如果他到达焦点时，如果他们沿平面波阵面们沿平面波阵面AKI同同相位，他们就会产生一相位，他们就会

11、产生一个明亮的光源相，个明亮的光源相，只有只有JCK是光线波长的整数倍是光线波长的整数倍时才能满足条件。时才能满足条件。23:34:31光栅方程光栅方程光栅方程光栅方程光栅方程光栅方程 如果如果 AC = CE = d ，则则 JC+CK = d(sin sin ) = n 即为即为光栅方程光栅方程：d(sin sin ) = n 式中式中 、 分别为入射角和衍射角，整数分别为入射角和衍射角，整数n为光谱级次，为光谱级次，d为为光栅常数。光栅常数。 角规定取正值，如果角规定取正值，如果 角与角与 角在光栅平面法线角在光栅平面法线的同侧，则的同侧，则 角取正值，反之取负值。角取正值，反之取负值。

12、 由光栅方程可见，当平行复合光以一定的入射角照射光由光栅方程可见，当平行复合光以一定的入射角照射光栅平面时，对于给定的光谱级次，衍射角随波长的增长而增栅平面时，对于给定的光谱级次，衍射角随波长的增长而增大，即大，即产生光的色散产生光的色散。 当当n=0时，则时，则 = ，即零级光谱无分光作用。当，即零级光谱无分光作用。当 n1 1 = n2 2 时，就会出现时，就会出现谱线重叠现象谱线重叠现象，对测定造成干扰。，对测定造成干扰。23:34:31闪耀光栅闪耀光栅闪耀光栅闪耀光栅闪耀光栅闪耀光栅 将反射光栅的刻线槽加将反射光栅的刻线槽加工成适当形状能使有效光强工成适当形状能使有效光强度集中在特定的

13、衍射角上。度集中在特定的衍射角上。 如图所示的反射光栅是如图所示的反射光栅是由与光栅表面成由与光栅表面成角的小斜面角的小斜面构成，称为构成，称为定向光栅或闪耀定向光栅或闪耀光栅光栅，角叫做角叫做闪耀角闪耀角。 选择适宜的闪耀角，可选择适宜的闪耀角，可以使以使90%的有效能量集中在的有效能量集中在单独一级的衍射上。单独一级的衍射上。23:34:32光栅的参数光栅的参数光栅的参数光栅的参数光栅的参数光栅的参数 角色散率：角色散率：当入射角不变时，光栅的角色散率可通过对当入射角不变时，光栅的角色散率可通过对光栅方程求导得到：光栅方程求导得到：ddcosndd /d 为衍射角对波长的变化率，即两条波长

14、相差为衍射角对波长的变化率，即两条波长相差d 的光线的光线被分开的角度。一般被分开的角度。一般 很小，且变化不大时，很小，且变化不大时，cos 1，因此因此光栅的角色散率决定于光栅常数光栅的角色散率决定于光栅常数 d 和光谱级数和光谱级数n ，不随波长不随波长改变，色散后得到的是改变，色散后得到的是均排光谱均排光谱。23:34:32光栅的光栅的光栅的光栅的光栅的光栅的线色散率线色散率线色散率线色散率线色散率线色散率D D Dddddcosln Fn FDFdd线色散率线色散率D 是指在焦平面上是指在焦平面上两条波长相差两条波长相差d 的光线被分开的光线被分开的距离（的距离（mm/）。）。f 为

15、会聚透镜的焦距，显然线色散率还为会聚透镜的焦距，显然线色散率还与仪器的焦距有关。与仪器的焦距有关。 实际中常用实际中常用倒线色散率倒线色散率（/mm）这一术语，即）这一术语，即1dcosdddDln Fn F23:34:33 光栅的光栅的分辨率分辨率R 是表示仪器分辨相邻是表示仪器分辨相邻两条谱线的能力，根据两条谱线的能力，根据Rakleigh准则来确定。等准则来确定。等强度的两条谱线（强度的两条谱线（I，II）中，一条谱线波长的极大中，一条谱线波长的极大值正好落在另一条的极小值正好落在另一条的极小值上时，两衍射图样中间值上时，两衍射图样中间的光强约为中央最大的的光强约为中央最大的80%，则认

16、为这两条线是，则认为这两条线是可分辨的。可分辨的。23:34:33光栅的光栅的光栅的光栅的光栅的光栅的分辨率分辨率分辨率分辨率分辨率分辨率R R R 光栅的分辨率光栅的分辨率R等于光谱级次（等于光谱级次（n）与光栅刻痕条数（与光栅刻痕条数（N） 的乘积：的乘积：NnR光栅越宽、单位刻痕数越多，则光栅越宽、单位刻痕数越多，则R 越大。越大。例：宽度例：宽度50mm，N=1200条条/mm，一级光谱的分辨率为：一级光谱的分辨率为： R=1501200=610423:34:34光栅与棱镜的比较光栅与棱镜的比较 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：(1)棱镜的色散率与波长有关，

17、光栅的棱镜的色散率与波长有关，光栅的色散率几乎与波长无关；色散率几乎与波长无关； (2) 在相同色散率时，光栅的尺寸要比在相同色散率时，光栅的尺寸要比棱镜小；棱镜小；(3) 棱镜不适用于远紫外、远红外区，棱镜不适用于远紫外、远红外区，光栅可用；光栅可用；(4) 光栅价格高，棱镜价格低光栅价格高，棱镜价格低23:34:34狭缝狭缝狭缝狭缝狭缝狭缝 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。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狭缝像。光谱线的狭缝像。 仪器的分辨率大小不仅与

18、色散元件的色散率有关，也取仪器的分辨率大小不仅与色散元件的色散率有关，也取决于成像的大小，因此为提高分辨率，总希望采用较窄的狭决于成像的大小，因此为提高分辨率，总希望采用较窄的狭缝。但是狭缝宽度太窄，出射光强度就太弱。这就需要用适缝。但是狭缝宽度太窄，出射光强度就太弱。这就需要用适当的色散率与狭缝宽度配合，构成适于测定的当的色散率与狭缝宽度配合，构成适于测定的通带宽度通带宽度来满来满足上述要求。足上述要求。通带宽度是指通过出口狭缝的光束波长范围通带宽度是指通过出口狭缝的光束波长范围。23:34:35单色器通带宽度单色器通带宽度W()的计算公式为：的计算公式为： W = D-1 S10-3式中式

19、中D-1(/mm)为线色散率的倒数，为线色散率的倒数，S( m)为狭缝宽度。为狭缝宽度。 在原子发射光谱分析中，在原子发射光谱分析中，定性分析时，应减小狭缝定性分析时，应减小狭缝宽度，使相邻谱线的分辨率提高；定量分析时，则增大宽度，使相邻谱线的分辨率提高；定量分析时，则增大狭缝宽度，使光强增加以提高灵敏度。狭缝宽度，使光强增加以提高灵敏度。 对狭缝的要求是：两边的边缘应锐利且位于同一平对狭缝的要求是：两边的边缘应锐利且位于同一平面上。面上。23:34:353.3.3.3.3.3.试样引入系统试样引入系统试样引入系统试样引入系统试样引入系统试样引入系统 电磁辐射与试样相互作用的场所电磁辐射与试样

20、相互作用的场所（1）吸收池）吸收池 紫外紫外-可见分光光度法和荧光分析法：玻璃或石英比可见分光光度法和荧光分析法：玻璃或石英比色皿；红外分光光度法：吸收池、固体试样与溴化钾压制色皿；红外分光光度法：吸收池、固体试样与溴化钾压制成透明片。成透明片。23:34:35（2）特殊装置）特殊装置原子吸收光谱法：原子吸收光谱法： 火焰法为将溶液喷雾火焰法为将溶液喷雾进样；石墨炉法为有微量进样；石墨炉法为有微量注射器进样。注射器进样。原子发射光谱法：原子发射光谱法： 将固体试样放置在下将固体试样放置在下电极凹槽内；直接将金属电极凹槽内；直接将金属试样制成电极；试样制成电极；将溶液喷将溶液喷雾进样。雾进样。（原子吸收）（原子吸收）23:34:364. 4. 4. 4. 4. 4. 检测系统检测系统检测系统检测系统检测系统检测系统（1）光电检测器）光电检测器 主要原理是光电效应，用于紫外和可见光区检测。如：主要原理是光电效应，用于紫外和可见光区检测。如：硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器、电荷转移器件