激光光譜法
關注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-04
激光光譜法的實例教程
術語“光譜學”表示利用光與物質相互作用的方法。通常，某些相互作用的強度是作為波長或頻率的函數(shù)來測量的；即光譜起著重要作用。
本文僅涉及光譜學；還有各種其他領域，例如粒子光譜學。
光譜學的目的通常是檢測某些物質或測量它們的特性。例如，氣體光譜學通常用于測量氣體的濃度或氣體的溫度。在其他情況下，物質的已知特性被用于某些目的，例如用于實現(xiàn)光頻標。有時使用光譜測定法代替光譜學一詞，是為了強調以定量方式測量某些量。
存在多種不同的光譜方法；本文只能提供課程概述。許多現(xiàn)代光譜方法涉及一個或多個激光器，因此被稱為激光光譜法。由于激光器在時空相干性、窄線寬和波長可調性、光功率（特別是峰值功率）、超短脈沖等方面具有巨大潛力，自從激光出現(xiàn)以來，光譜學領域已經(jīng)大大拓寬。甚至在此之前，光譜學就已經(jīng)為許多現(xiàn)象提供了寶貴的見解。例如，在地球上發(fā)現(xiàn)氦之前，研究人員能夠研究太陽的內部并在那里發(fā)現(xiàn)氦。
另請參閱有關激光光譜學和激光吸收光譜學的更具體文章。
利用光的物理效應
光的吸收
光與物質之間的不同相互作用可以在光譜學中利用。最常用的相互作用是光的吸收（→吸收光譜）。例如，原子和分子表現(xiàn)出不同的吸收特征，因此如果測量吸收與波長的關系，則可以輕松地區(qū)分不同的原子或分子。特別是在中紅外光譜區(qū)域，分子具有與其振動和旋轉模式相關的相對強且窄的吸收線。這使得人們能夠以非常高的靈敏度檢測多種物質。一個應用示例是檢測微小濃度的空氣污染物。
由于分子可以具有許多不同的吸收線，其中一些吸收線對于不同的物種可能重疊，因此單條吸收線的檢測通常不足以區(qū)分不同的分子。然而，記錄一些足夠寬的波長范圍的吸收光譜通常會產生清晰的光譜指紋。人們還可以區(qū)分不同的同位素。
中紅外光譜區(qū)域對于許多氣體（例如空氣污染物）的敏感光譜非常理想。
展開 為了獲得平坦的輸出光譜,該范例研究了如何對自發(fā)輻射源的反射率進行自動優(yōu)化。迭代過程采用數(shù)行代碼實現(xiàn)。迭代步驟如下:
計算全部自發(fā)輻射功率,即可獲得自發(fā)輻射功率與各光譜之間的關系。
根據(jù)目標功率與實際功率的比值,針對每一個光波長,調節(jié)光纖左端面的反射率。調節(jié)整個反射曲線,最大值達到100%。
通過迭代獲得目標值。
這被定義為頻域中電場的相位，即函數(shù)的復相位
完整的脈沖表征不僅包括測量光譜，即平方模量 E(v)，還有光譜相位，其中包含額外的信息。例如，使用頻率分辨光門控 (FROG) 和用于直接電場重建的光譜相位干涉測量法 (SPIDER→光譜相位干涉測量法) 也可以做到這一點。
注意到波動光學中存在不同的符號約定；上述方程是物理學家約定俗成的。
光譜相位和群延遲
光學元件或裝置中光的群延遲可以定義為光譜相位延遲相對于角光學頻率的導數(shù)：
這可以通過考慮光脈沖來理解，其中峰值強度是在所有光譜分量處于同相位的時候發(fā)現(xiàn)的。在通過光學元件后，導致頻率相關的相位變化，該條件在脈沖峰值的最初時間不再滿足，而是在稍后的時間滿足，光譜元件再次獲得相同的相位。脈沖的時間位移是由群延遲決定的，前提是基礎的線性近似是有效的——也就是說，可能不適用于經(jīng)歷更復雜的頻譜相位變化的寬帶脈沖。
思考
你能在不做計算的情況下，找出弱克爾非線性對 sech2 型脈沖的光譜相位的影響嗎?作為提示，在基本孤子脈沖中，除了剩余的恒定相移之外，群延遲色散和克爾非線性的影響可以相互抵消。
舉例說明
考慮與某些操作相關的光譜相位變化是有指導意義的：
01
時間相位的恒定變化直接轉化為光譜相位的相同變化(對于依賴時間的相位變化，這種關系就不那么明顯了)，并且沒有群延遲。
02
時間延遲T對應于光譜相位的變化，即 2πvT 與光頻率成正比。
03
色散直接影響光譜相位，也會引起群延遲。例如，三階色散的影響相當于在光譜相位上添加一項，該項隨頻率偏移的三次方而變化。
當脈沖的頻譜相位恒定或與頻率線性相關時，脈沖是無啁啾的，這意味著它處于變換極限。
展開 基于波長穩(wěn)定的激光器，可以制作出光功率大得多、光線寬小得多的波長標準。由于高度的空間相干性，它們的輻射亮度以及光譜輻射亮度也高出許多數(shù)量級。例如，基于這種高度復雜技術的光學頻率標準用于光學時鐘。
電氣方面
低發(fā)射體積和低功率密度意味著低輸出功率和低電輸入功率。然而，工作電壓可能高達數(shù)百伏，對于點火來說更高。這可能會導致安全隱患，例如燈具未正確隔離。
燈具供應商通常還提供合適的插座燈電源。一些燈具甚至配有E27等標準插座，可通過內部電源電路利用線電壓直接工作。
燈罩
校準燈通常集成在外殼中，提供各種附加功能，例如易于安裝、防電擊、抑制不需要方向的光輸出和保護燈具。外殼還可以包含光學過濾器用于阻止不需要的部分光譜。例如，為了避免使用防護眼鏡、衣服和手套，人們可能想要阻擋紫外線。
通常，人們在某個相當大的角度范圍內獲得漫射光發(fā)射，但也有帶有光纖輸出的燈。最簡單的解決方案是將單模光纖或多模光纖的末端靠近燈殼放置。利用透鏡可以實現(xiàn)改善的光耦合。然而，由于光源的低空間相干性，耦合效率總是相當?shù)汀?性能參數(shù)
首先，光譜燈必須提供所需的譜線，這可以通過使用相應的發(fā)射物質來簡單地實現(xiàn)。波長精度通常沒有規(guī)定，但通常相當高。此外，發(fā)射線寬通常相當小，但通常沒有規(guī)定。
由于光譜燈的功率密度適中，直接光功率或輻射通量不是很高，特別是輻射度通常很低；如果燈具被宣傳為“高亮度燈具”，那只意味著比平時更亮。然而，對于典型的應用來說，低功率和低輻射并不是一個嚴重的問題。
詳細的輻射測量規(guī)格，例如輻射通量和輻射率，通常不可用。潛在用戶可能不得不根據(jù)他們的經(jīng)驗粗略估計光輸出是否足以達到目的。此外，不同譜線中的相對功率通常沒有規(guī)定，并且可能隨著操作條件（例如驅動電流）以及燈的老化而顯著變化。
展開 一般來說，光譜儀是一種用于研究光、物質或物體的波長相關特性的儀器；它的用途相當廣泛：
· 光譜儀是一種可以在空間上分離光的光譜成分的儀器，單獨分析光譜成分——例如使用照相底片或外部光電探測器。所使用的分光測色儀通常是衍射光柵或棱鏡。
· 光譜儀通常還包含一些用于分析光強的光電探測器。包含大型探測器陣列的光譜儀可用于記錄光源的光譜，而且無需在光柵方向掃描。當配備強度校準時，此類設備更具體地稱為光譜輻射計。
· 其他光學光譜儀用于分析物質或物體的光譜特性，例如與波長相關的透射率或反射率。它們更具體地稱為分光光度計，并在化學等領域得到應用。使用包含一些窄線寬 可調諧激光器的激光光譜儀可以獲得特別高的光譜分辨率和高靈敏度。然而，這些通常只能覆蓋相當有限的光譜區(qū)域。
還有光學和光子學領域之外的多種光譜儀，例如用于測量顆粒速度或顆粒尺寸分布的設備。然而，本文完全聚焦于對光進行光譜分析的光譜儀。當對物質或物體的分析感興趣時，請參閱有關分光光度計的文章。
使用光譜儀進行的測量通常會提供波長或頻率函數(shù)作為光的光功率譜密度(PSD) 。并非所有光譜儀都提供經(jīng)過校準的 PSD；通常，強度讀數(shù)未經(jīng)校準，而且對于波長來說可能與校準因子（響應度）有很大相關性。
還有光譜相位干涉測量方法，不僅可以測量功率譜密度，還可以測量光譜相位。
有些光譜儀也具有成像功能，稱為成像光譜儀。請參閱有關高光譜成像和多光譜成像的文章。
如果僅需要測量激光束的光譜線寬，而不需要測量詳細的光譜形狀，則可以使用其他方法，例如進行自外差線寬測量。通過這種方法，人們可以測量非常小的線寬，其遠低于典型光譜儀的分辨率。
光譜儀的類型
基于衍射光柵或棱鏡的光譜儀
大多數(shù)光譜儀都基于某種多色儀，即可以在空間上分離光的不同波長成分的裝置。
展開 
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設備簡介
設備名稱：激光共聚焦顯微拉曼光譜儀
設備型號：DXR 3xi
在樣品分子結構和空間分布分析時，通常會遇到很多具有一定透明度的樣品如超薄多層聚合物、半導體多層膜、鍍層、多層纖維、生物細胞等，不僅需要實現(xiàn)表層信息的分析，同時需要探測內部成分和空間分布信息，而這些樣品大多數(shù)不能或不易切片，需要尋求具有無損探測樣品內部信息的分析手段
許多現(xiàn)代光譜方法涉及一個或多個激光器，因此被稱為激光光譜法。由于激光器在時空相干性、窄線寬和波長可調性、光功率（特別是峰值功率）、超短脈沖等方面具有巨大潛力，自從激光出現(xiàn)以來，光譜學領域已經(jīng)大大拓寬。甚至在此之前，光譜學就已經(jīng)為許多現(xiàn)象提供了寶貴的見解。例如，在地球上發(fā)現(xiàn)氦之前，研究人員能夠研究太陽的內部并在那里發(fā)現(xiàn)氦。
另請參閱有關激光光譜學和激光吸收光譜學的更具體文章。
一般來說，光譜儀是一種用于研究光、物質或物體的波長相關特性的儀器；它的用途相當廣泛：
· 光譜儀是一種可以在空間上分離光的光譜成分的儀器，單獨分析光譜成分——例如使用照相底片或外部光電探測器。所使用的分光測色儀通常是衍射光柵或棱鏡。
· 光譜儀通常還包含一些用于分析光強的光電探測器。包含大型探測器陣列的光譜儀可用于記錄光源的光譜，而且無需在光柵方向掃描。當配備強度校準時，此類設備更具體地稱為光譜輻射計
光脈沖的電場可以在時域或頻域中描述。在頻域中，不僅要知道功率譜密度(即強度譜)，還要知道譜相位。這被定義為頻域中電場的相位，即函數(shù)的復相位
完整的脈沖表征不僅包括測量光譜，即平方模量 E(v)，還有光譜相位，其中包含額外的信息。例如，使用頻率分辨光門控 (FROG) 和用于直接電場重建的光譜相位干涉測量法 (SPIDER→光譜相位干涉測量法) 也可以做到這一點。
注意到波動光學中存在不同的符號約定
對于一些光源，例如氣體放電燈和各種激光器，光譜顯示出清晰定義的譜線，即具有相當大的功率譜密度的窄光譜特征。這些與原子、離子或分子從激發(fā)態(tài)到較低電子能級的躍遷有關。光子能量 hν=hc/λ 接近于能級差，因此能級差決定了光譜發(fā)射線的光波長。
有時，在連續(xù)譜的頂端會觀察到離散的發(fā)射譜線。
連續(xù)光譜也會出現(xiàn)離散的凹陷，這是由于某些波長的光被吸收造成的。這樣的吸收線通常也與電子躍遷有關，這時候從較低的能級到較高的能級
氣體放電燈發(fā)射某些標準譜線的光，主要用于光譜校準目的。這種燈被稱為光譜燈或基于其作為校準燈的應用。產生的光線可以在可見、紅外或紫外光譜區(qū)。
典型的發(fā)射物質包括氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)和氙(Xe)等惰性氣體以及鈉(Na)、銫(Cs)、汞(Hg)和鎘(Cd)等金屬蒸氣。光輻射幾乎總是來自于單個原子或離子，而不是來自于分子。在某些情況下，為了獲得更多的譜線或通過能量轉移過程來提高性能
術語“光譜光束組合”（也稱為波長光束組合或簡稱波長組合，或非相干光束組合）表示通過光束組合進行功率縮放的更一般領域的一類技術。目標是將多個高功率激光束組合在一起，以便獲得單個光束，不僅具有相應的更高功率，而且或多或少地保留了光束質量，從而增加了亮度。在另一篇文章中討論的另一種技術是相干光束組合。
涉及光譜束組合的激光源可以被認為是多線激光器。
光譜束組合原理
光譜光束組合的一般原理是將多個具有非重疊光譜的光束組合在一起
摘要 在干涉儀中，條紋的對比度可能取決于光源的相干特性。例如，在具有一定帶寬的光源的邁克爾遜干涉儀中，干涉條紋對比度隨光程差的不同而變化。通過測量可動鏡不同位置的干涉圖對比度，可以得到光源的相干長度。典型的傅里葉變換光譜通常基于這種類型的光路。
建模任務
橫向干涉條紋——50 nm帶寬
橫向干涉條紋——100 nm帶寬
可調諧二極管激光吸收光譜法測量環(huán)境空氣中的甲烷含量[J]. 物理學報，2005, 54(4):1927–1930.
引文格式：符祥覽，聞浩誠，王兵.
煙氣含氧量在線監(jiān)測技術主要有氧化鋯分析器（插入式及抽取式）、順磁式氧分析器及燃料電池式氧分析器等，激光光譜法也可以用于特殊情況下的氧含量測試燃煤鍋爐煙氣在線監(jiān)測在650℃，大多采用插入式氧化鋯分析器直接測量。
