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小火龙果

2024-07-17 16:14

光谱学 | RP 系列激光分析设计软件

术语“光谱学”表示利用光与物质相互作用的方法。通常，某些相互作用的强度是作为波长或频率的函数来测量的；即光谱起着重要作用。
本文仅涉及光谱学；还有各种其他领域，例如粒子光谱学。
光谱学的目的通常是检测某些物质或测量它们的特性。例如，气体光谱学通常用于测量气体的浓度或气体的温度。在其他情况下，物质的已知特性被用于某些目的，例如用于实现光频标。有时使用光谱测定法代替光谱学一词，是为了强调以定量方式测量某些量。
存在多种不同的光谱方法；本文只能提供课程概述。许多现代光谱方法涉及一个或多个激光器，因此被称为激光光谱法。由于激光器在时空相干性、窄线宽和波长可调性、光功率（特别是峰值功率）、超短脉冲等方面具有巨大潜力，自从激光出现以来，光谱学领域已经大大拓宽。甚至在此之前，光谱学就已经为许多现象提供了宝贵的见解。例如，在地球上发现氦之前，研究人员能够研究太阳的内部并在那里发现氦。
另请参阅有关激光光谱学和激光吸收光谱学的更具体文章。

利用光的物理效应

光的吸收
光与物质之间的不同相互作用可以在光谱学中利用。最常用的相互作用是光的吸收（→吸收光谱）。例如，原子和分子表现出不同的吸收特征，因此如果测量吸收与波长的关系，则可以轻松地区分不同的原子或分子。特别是在中红外光谱区域，分子具有与其振动和旋转模式相关的相对强且窄的吸收线。这使得人们能够以非常高的灵敏度检测多种物质。一个应用示例是检测微小浓度的空气污染物。
由于分子可以具有许多不同的吸收线，其中一些吸收线对于不同的物种可能重叠，因此单条吸收线的检测通常不足以区分不同的分子。然而，记录一些足够宽的波长范围的吸收光谱通常会产生清晰的光谱指纹。人们还可以区分不同的同位素。
中红外光谱区域对于许多气体（例如空气污染物）的敏感光谱非常理想。不幸的是，中红外激光源通常不如近红外激光源强大和/或更复杂和昂贵。例如，可以在非线性晶体材料中应用差频生成，需要两个输入波长并且通常导致相当低的光功率。其他挑战是获得在长波长下具有高透射率的光学材料以及灵敏的光电探测器更加困难。因此，人们经常利用其他方法，例如对应于较短波长的较高光学频率的吸收线，其中更容易实现合适的激光源并且可以获得更好的光电探测器（在极端情况下，甚至用于光子计数）。然而，这种方法吸收带较弱，因此常常导致较低的灵敏度。
吸收测量通常使用分光光度计进行。此类仪器可以覆盖较大的波长范围并提供相当高的波长分辨率。然而，它们只能利用介质中非常有限的传播长度，因此不适用于吸光度非常低的物质。
如果光的通过长度相应增加，则低吸收系数仍然可以实现高灵敏度。因此，人们使用多通道气体池，可以在相对紧凑的池中实现长路径长度。然而，只有当光具有相对较高的空间相干性时，该原理才允许大量通过。因此，多通道吸收池与激光结合使用最为有效。
激光吸收光谱还具有波长分辨率显着提高的优点，因为激光器的线宽可以远小于光谱仪的分辨率。分辨率提高的一个受欢迎的副作用是窄带吸收特征的灵敏度也大大提高。
还有一些谐振技术，其中使用无源光学谐振腔内的吸收（例如腔衰荡光谱）或激光谐振腔内的吸收（腔内激光吸收光谱）。在后一种情况下，例如可以使用宽带光纤激光器，其中在施加短泵浦脉冲之后检测输出光谱一段时间。即使吸收特征很弱，也可能导致测量光谱明显下降，因为该吸收适用于许多后续的谐振器往返过程。
光谱学不仅适用于微观粒子，还适用于光学谐振器等宏观物体。例如，高精度稳定的光学谐振器可以用作光学频率标准并用光谱方法进行探测。
吸收的其他影响
通常，测量到的光谱效应是由于吸收而导致的光功率降低。然而，还有其他可能性。例如，在光声光谱中，人们利用从功率调制源吸收光来产生声音。吸收的光会产生一些热量，从而导致气体膨胀，从而产生声波，可以用灵敏的麦克风检测到。
光的发射或散射
物质也可以被激发以发射或散射具有特征的光。通过简单的加热或阳光照射，这已经成为可能。例如，卫星上的光谱仪可以记录来自地球表面的散射光的光谱，以区分岩石、植物、湖面等。
在天文学中，人们分析来自遥远恒星和星系的光谱，其中包含温度、化学成分、运动速度等信息。在实验室中，人们经常使用气体放电来激发原子或分子，使它们辐射光。
许多先进的光谱方法使用激光源照射样品。吸收的光不仅会导致加热，还会激发原子或分子，然后发出荧光。人们可以记录发射光的光谱和/或激发强度作为泵浦光波长的函数；这两种方法都可以对某些物质进行高度特异性的检测，或者允许人们测量材料的某些微观特性。有关更多详细信息，请参阅有关荧光光谱的文章。
另一种选择是激光诱导击穿光谱，其中用强激光脉冲激发样品，形成等离子体，然后检测样品在可见和/或红外光谱区域发出的光。
这种方法的一个例子是激光增益介质的研究。具有合适光频率的激光束可以将激光活性离子激发到亚稳态，从亚稳态它们可以被进一步激发（以获得足够高的光强度）或回到基态，发射荧光。荧光光谱与波长相关的发射截面有关，这与可实现的激光增益相关。人们还可以检测短激光脉冲激发后荧光强度的衰减，以确定上态寿命。通过结合光谱技术，人们可以对激光晶体或稀土掺杂光纤等激光增益介质的物理细节进行全面表征。人们甚至可以研究微妙的效应，例如不同激光活性离子之间的相互作用，从而导致能量转移现象。
另一个例子是拉曼光谱，其中用高光功率水平的窄带光（通常从激光获得）照射物质，并且检测到由自发和/或自发和/或产生的波长稍长的微弱光发射。受激拉曼散射，一种非弹性散射。拉曼散射光的光谱（通过特殊的窄带二向色滤光片（如梳状滤光片）与泵浦光分离）包含分子振动的信息。有关更多详细信息，请参阅有关拉曼光谱的文章。
高能激光雷达系统（例如在大气研究中使用）允许远距离远程光谱测量。在这里，我们可以利用反向散射光的多普勒频移来揭示纵向风速。人们已经开发了多种方法，可以远程测量温度、压力、痕量气体浓度和云粒子密度等许多特性。
光学相位的变化
在一些光谱方法中，人们利用光学相位的变化。通常，感兴趣的相互作用发生在干涉仪的一个臂中。由此产生的相位变化可以被灵敏地检测到，因为它们在干涉仪输出处转化为功率变化。吸收线引起的相位变化也与调频光谱有关。

光谱学方法

透射光的光谱分解
人们可以使用宽带光源（白光源），然后在光电检测系统中应用光谱分解。通常，通过将光电探测器与某种单色仪相结合来获得高光谱灵敏度。例如，高分辨率光谱仪允许测量许多不同的窄波长段，而无需精确控制光源。如果每个波长被分开处理并且存在许多窄波长段，则测量时间可能会很长，但是一些光谱仪可以同时记录许多波长，例如当它们包含CCD阵列而不是单个光电二极管时。
获得光谱分辨率的一种特殊方法是使用干涉仪，在测量过程中扫描臂长。对于窄带光源，这将导致输出功率的简单正弦振荡。然而，使用宽带源，可以获得许多不同振荡的叠加。使用傅立叶变换，可以检索频谱。（干涉波长计具有类似的工作原理。）这种方法称为傅里叶变换光谱法。这通常应用于红外光谱区域，因此也称为傅里叶变换红外光谱（= FTIR 光谱）。许多现代红外光谱仪都是基于这种技术。
光谱波长的变化
在许多情况下，光谱学是使用波长可调光源完成的。（下面讨论各种这样的源。）然后，例如，可以测量样品的吸收作为激光发射波长的函数。由于制造广泛可调谐的窄带激光源更加困难，因此该技术通常会导致较小的调谐范围 – 小于简单宽带光源可能的范围。然而，该方法提供了卓越的分辨率以及低噪声的快速数据采集，因为可以获得相对较强的探测器信号。请注意，所有可用的光功率都集中在感兴趣的特定波长上，而不是分布在整个测量范围内。
由于光功率通常随波长（也可能随时间）而有所变化，因此高精度需要监控该功率。例如，这可以在双光束光谱仪中完成，其中来自光源的光被分成两束。仅将一束光束（样本光束）（而不是参考光束）发送通过所研究的介质，并且测量两束光束的功率或强度。使用平衡光电探测器可以获得特别高的灵敏度，其中直接测量两束光电流的差异。
非线性效应的利用
当使用高强度光源（通常是激光）时，可以利用光谱学的各种非线性光学效应。在无多普勒激光光谱中利用了吸收的饱和度。拉曼光谱在上面已经提到过。双光子吸收已被利用很长时间[6]。另一个重要的例子是相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS），其中两个输入波通过四波混合产生具有稍高光频率的检测信号。各种其他非线性效应，例如布里渊散射，可以通过其他方法来利用。
消除多普勒效应
气体中的原子和分子由于热运动而表现出吸收线的显着多普勒展宽。然而，存在多种无多普勒光谱方法。例如，这可能涉及反向传播激光束，其中一个方向的探测光束通过吸收饱和度选择特定的速度等级[1]，而另一束光束则检测该饱和度。这种方法称为无多普勒饱和光谱 [27]。
太赫兹光谱学
一个相对较新的领域是太赫兹光谱学[21]，其中使用太赫兹辐射（频率为数百千兆赫到数太赫兹）代替光。尽管激光器不能直接发射太赫兹辐射，但它们可以以不同的波用于产生这种辐射，例如通过使用电光采样或非线性频率转换技术。此外，超短脉冲激光器可用于时间分辨检测太赫兹波。由于许多光学不透明材料对太赫兹辐射具有相当大的透明度，因此太赫兹光谱可用于广泛的科学和技术研究。例如，它现在用于飞机零件的故障定位和安全检查。
光频梳
现代激光光谱学的一些技术采用锁模激光器产生的频率梳[15]。由于这样的频率梳在频谱中包含一定数量的完全等距的线，因此如果仅固定两个参数（可能通过某些反馈技术来稳定），则其所有频率分量都是已知的（除了一些噪声）：梳间距，即与脉冲重复率和载波包络偏移频率有关。因此，如果频率梳具有高光学带宽，则可以在宽波长范围内进行极其精确的频率测量（有时超过八度音程）并且具有适当的频率稳定性。在频率计量（特别是超精密光学时钟）和其他领域有各种重要的应用。
高时间分辨率的时间分辨光谱学
光谱学还可能涉及具有极高时间分辨率的时间分辨测量。在泵浦-探测光谱中，使用超短泵浦脉冲，然后使用具有几飞秒到几纳秒之间可变时间延迟的探测脉冲。泵浦脉冲对样品的影响以及对探测脉冲的影响可以作为时间延迟的函数来测量，该时间延迟通常通过可变光学延迟线简单地调整。另一种方法是使用两个锁模激光器，不同的脉冲重复率，使得一定范围的时间延迟被连续扫描。

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