第四节 光谱法仪器与光学器件.ppt

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1、03:33:48,第四节 光谱法仪器与光学器件,一、光谱法仪器的基本流程 general process of spectrometry 二、光谱仪器的基本器件 main parts of spectrometry,第十二章 光分析导论,an introduction to optical analysis,instruments for spectro-metry and optical parts,03:33:48,一、光分析法仪器的基本流程 general process of spectrometry,光谱仪器通常包括五个基本单元： 光源；单色器；样品；检测器；显示与数据处理；,03:

2、33:48,二、光分析法仪器的基本单元 main parts of spectrometry,1. 光源依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电火花、电弧等；依据光源性质不同，分为：,连续光源：在较大范围提供连续波长的光源，氢灯、氘灯、钨丝灯等；线光源：提供特定波长的光源，金属蒸气灯(汞灯、钠蒸气灯)、空心阴极灯、激光等；,03:33:48,2.单色器,单色器：获得高光谱纯度辐射束的装置，而辐射束的波长可在很宽范围内任意改变；主要部件： （1）进口狭缝； （2）准直装置(透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光线； （3）色散装置(棱镜、光栅)：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；,03:

3、33:48,（4）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成像。,03:33:48,棱镜,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。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；,棱镜的分辨能力取决于棱镜的几何尺寸和材料；棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征；,03:33:48,棱镜的特性与参数,（1）色散率 角色散率：用d/d表示，偏向角对波长的变化率；,棱镜的顶角越大或折射率越大，角色散率越大，分开两条相邻谱线的能力越强，但顶角越大，反射损失也增大，通常为60度角；线色散率：用dl

4、/d表示，两条相邻谱线在焦面上被分开的距离对波长的变化率；倒线色散率：用d/dl 表示，,03:33:48,（2）分辨率,相邻两条谱线分开程度的度量：,： 两条相邻谱线的平均波长；：两条谱线的波长差； b：棱镜的底边长度；n：棱镜介质材料的折射率。,分辨率与波长有关，长波的分辨率要比短波的分辨率小，棱镜分离后的光谱属于非均排光谱。,03:33:48,光栅,透射光栅，反射光栅；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，后者决定谱线强度分布；,03:33:48,光栅的特性,ABCDE表示平面光栅的一段；,光线L在AJF处同相，到达AKI平面，光线L2M2要比光线

5、L1M1多通过JCK这段距离。FEI=2JCK，其后各缝隙的光程差将以等差级数增加，3JCK 、4JCK等。当光线M1、M2、M3到达焦点时，如果他们沿平面波阵面AKI同相位，他们就会产生一个明亮的光源相，只有JCK是光线波长的整数倍时才能满足条件。,03:33:48,光栅的特性：,如果： d =AC=CEJC+CK=d (sin+sin)=n即光栅公式：d (sin+sin)=n,、分别为入射角和反射角；整数n为光谱级次； d为光栅常数； 角规定取正值，如果角与角在光栅法线同侧， 角取正值，反之区负值；当n=0时，零级光谱，衍射角与波长无关，无分光作用。,03:33:48,光栅的特性：,将反

6、射光栅的线槽加工成适当形状能使有效强度集中在特定的衍射角上。图所示反射光栅是由与光栅表面成角的小斜面构成(小阶梯光栅，闪耀光栅)，角叫做闪耀角。选择适宜的闪耀角，可以使90%的有效能量集中在单独一级的衍射上。,03:33:48,光栅的参数：,光栅的特性可用色散率和分辨率来表征，当入射角不变时，光栅的角色散率可通过对光栅公式求导得到：,d/d为入射角对波长的变化率，即光栅的角色散率。,当很小，且变化不大时，cos 1，光栅的角色散率决定于光栅常数 d 和光谱级数n ，常数，不随波长改变，均排光谱（优于棱镜之处）。角色散率只与色散元件的性能有关；线色散率还与仪器的焦距有关。,03:33:48,光栅

7、的线色散率,f 为会聚透镜的焦距。光栅的分辨能力根据Rakleigh准则来确定。,等强度的两条谱线（I，II）中，一条（II）的衍射最大强度落在另一条的第一最小强度上时，两衍射图样中间的光强约为中央最大的80%，在这种情况下，两谱线中央最大距离即是光学仪器能分辨的最小距离（可分离的最小波长间隔）；,03:33:48,光栅的分辨率R,光栅的分辨率R 等于光谱级次（n）与光栅刻痕条数（N）的乘积：,光栅越宽、单位刻痕数越多、R 越大。,宽度50mm，N=1200条/mm，一级光谱的分辨率：R=1501200=6104,03:33:48,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。复合光经

8、色散元件分开后，在出口曲面上形成相当于每条光谱线的像，即光谱。转动色散元件可使不同波长的光谱线依次通过。分辨率大小不仅与色散元件的性能有关，也取决于成像的大小，因此希望采用较窄的进口狭缝。分辨率用来衡量单色器能分开波长的最小间隔的能力；最小间隔的大小用有效带宽表示：S = DW D为线色散率的倒数；W为狭缝宽度；,03:33:48,在原子发射光谱分析中，定性分析时，减小狭缝宽度，使相邻谱线的分辨率提高； 定量分析时，增大狭缝宽度，可使光强增加。狭缝两边的边缘应锐利且位于同一平面上；,03:33:48,3.试样装置,光源与试样相互作用的场所 （1）吸收池紫外-可见分光光度法：石英比色皿荧光分析法

9、：红外分光光度法：将试样与溴化钾压制成透明片 （2）特殊装置原子吸收分光光度法：雾化器中雾化，在火焰中，元素由离子态原子；原子发射光谱分析：试样喷入火焰；详细内容在相关章节中介绍。,03:33:48,4. 检测器,（1）光检测器主要有以下几种：硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器、半导体检测器； （2）热检测器主要有：真空热电偶检测器：红外光谱仪中常用的一种；热释电检测器： 5. 信号、与数据处理系统现代分析仪器多配有计算机完成数据采集、信号处理、数据分析、结果打印，工作站软件系统；,03:33:48,内容选择：,第一节 光分析基础 fundamental of optical analysis 第二节 原子光谱与分子光谱 atom spectrum and molecular spectrum 第三节 光谱法仪器与光学器件 instruments for spectrometry and optical parts,结束,