激光光谱学原理与技术

1、中 国 地 质 大 学研究生课程论文封面课程名称 激光光谱学原理与技术 教师姓名 程永进教授 研究生姓名 尹俊 研究生学号 120091062 研究生专业 光学 所在院系 数学与物理学院 类别: 硕士 日期: 2010 年 1 月 15 日 一、 光谱光波是由原子内部运动的电子产生的各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同。光谱是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱分如下几种形式。 线状光谱。由狭窄谱线组成的光谱。单原子气体或金属蒸气所发的光波均有线状光谱，故线状光谱又称原子光谱。当原子能量从

2、较高能级向较低能级跃迁时，就辐射出波长单一的光波。严格说来这种波长单一的单色光是不存在的，由于能级本身有一定宽度和多普勒效应等原因，原子所辐射的光谱线总会有一定宽度（见谱线增宽）；即在较窄的波长范围内仍包含各种不同的波长成分。原子光谱按波长的分布规律反映了原子的内部结构，每种原子都有自己特殊的光谱系列。通过对原子光谱的研究可了解原子内部的结构，或对样品所含成分进行定性和定量分析。带状光谱。由一系列光谱带组成，它们是由分子所辐射，故又称分子光谱。利用高分辨率光谱仪观察时，每条谱带实际上是由许多紧挨着的谱线组成。带状光谱是分子在其振动和转动能级间跃迁时辐射出来的，通常位于红外或远红外区。通过对分子

3、光谱的研究可了解分子的结构。连续光谱。包含一切波长的光谱，赤热固体所辐射的光谱均为连续光谱。同步辐射源（见电磁辐射）可发出从微波到X射线的连续光谱，X射线管发出的轫致辐射部分也是连续谱。 二、 光谱分析每种原子都有其独特的光谱，犹如人们的“指纹”一样各不相同它们按一定规律形成若干光谱线系原子光谱线系的性质与原子结构是紧密相联的，是研究原子结构的重要依据应用光谱学的原理和实验方法可以进行光谱分析，每一种元素都有它特有的标识谱线，把某种物质所生成的明线光谱和已知元素的标识谱线进行比较就可以知道这些物质是由哪些元素组成的，用光谱不仅能定性分析物质的化学成分，而且能确定元素含量的多少光谱分析方法具有极

4、高的灵敏度和准确度由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成这种方法叫做光谱分析做光谱分析时，可以利用发射光谱，也 可以利用吸收光谱这种方法的优点是非常灵敏而且迅速某种元素在物质中的含量达10的负10次方克，就可以从光谱中发现它的特征谱线，因而能够把它检查出来三、 光谱分析在科学技术中有广泛的应用例如，在检查半导体材料硅和锗是不是达到了高纯度的要求时，就要用到光谱分析在历史上，光谱分析还帮助人们发现了许多新元素例如，铷和铯就是从光谱中看到了以前所不知道的特征谱线而被发现的光谱分析对于研究天体的化学组成也很有用十九世纪初，在研究太阳光谱时，发现它的连续光谱中有许

5、多暗线如下图：最初不知道这些暗线是怎样形成的，后来人们了解了吸收光谱的成因，才知道这是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱仔细分析这些暗线，把它跟各种原子的特征谱线对照，人们就知道了太阳大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元素 在地质勘探中利用光谱分析就可以检验矿石里所含微量的贵重金属、稀有元素或放射性元素等用光谱分析速度快，大大提高了工作效率还可以用光谱分析研究天体的化学成分以及校定长度的标准原器等四、 光栅光栅也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片。光栅

6、的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。反射式光栅光路图：衍射光栅产生的光谱线的位置，可用式d·sinq=kl表示。式中d=狭缝宽度a+狭缝间距b，称作光栅常数；q为衍射角，l是波长，k=0，±1，±2是光谱级数。用此式可以计算光波波长。光栅产生的条纹具有强度大、条纹窄、彼此间隔宽的特点，有极好的分辨性能。因为利用光栅衍射可

7、以精确地测定波长。衍射光栅的分辨本领R=l/Dl=kN。其中N为狭缝数，狭缝数越多明条纹越亮、越细，光栅分辨本领就越高。增大缝数N提高分辨本领是光栅技术中的重要课题。五、 自制光谱仪的原理：其中光栅与步进电机相连，可以通过编程控制步进电机，进而控制光栅转动角度。光敏元件可以是CCD。控制电路用C8051。1.标定单色仪 1.1 首先点亮汞灯，直接照射在光谱仪的入射狭缝上，接通光谱仪的电源后再启动计算机软件。进入光谱仪控制程序后，先对光谱仪进行初始化。 1.2 初始化完成后，将扫描范围设置成350nm750nm，调节步进电机步数，以此可以改变光栅角度，即改变了汞灯光的入射角度。1.3 扫描过程中

8、，每获得一个峰值，记录下步进电机转过的步数。附表：Hg灯谱线波长（nm）365366.3404.7435.8546.1577.0579.1步进电机转过的步数（n）1.4经过光栅后，复色光波分解成单色光，在可见光范围内的各种颜色的光的波长是已知的，可以通过查表得到。而各个单色光可以按照波长顺序依次从出射夹缝射出。坐下记录使得步进电机转过的角度和汞灯波长一一对应。下表给出常用的高压汞灯、低压汞灯在可见光波段的主要谱线。颜色/mm相对强度颜色/mm相对强度红708.19690.75671.65极弱强弱绿536.51535.41弱弱橙623.44612.33607.26强度相近青496.03491.6

9、0弱强黄588.95587.20585.94579.07576.96弱弱弱强强蓝435.84434.75433.92强弱弱紫410.84407.78404.66弱次强强绿567.59546.07弱强紫外498.40390.64389.39几乎看不见2.以氢灯为例，用自制光谱仪测量氢光谱 2.1 点亮氢灯，并使氢灯的出光口尽可能的靠近光谱仪的入射狭缝。将扫描范围设置为400nm700nm，进行扫描2.2扫描过程中，每获得一个峰值，记录下步进电机转过的步数。2.3根据汞灯步进电机转过的步数和氢灯步进电机转过的步数相比较，估算出氢原子光谱的波长。2.4 在坐标纸上以ni-2作横轴，波数作纵轴画出直线，求得其斜率即为（-R），并和里