激光光谱学原理与技术.doc

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 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。 　　②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。通过对分子光谱的研究可了解分子的结构。 ③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。 ④吸收光谱。具有连续谱的光波通过物质样品时，处于基态的样品原子或分子将吸收特定波长的光而跃迁到激发态，于是在连续谱的背景上出现相应的暗线或暗带，称为吸收光谱。每种原子或分子都有反映其能级结构的标识吸收光谱。研究吸收光谱的特征和规律是了解原子和分子内部结构的重要手段。吸收光谱首先由J.V.夫琅和费在太阳光谱中发现（称夫琅和费线），并据此确定了太阳所含的某些元素。 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． 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． 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