光分析法導(dǎo)論-第3節(jié)-光譜法儀器與光學(xué)器件課件

1、第四節(jié) 光譜法儀器與光學(xué)器件一、光譜法儀器的基本流程general process of spectrometry二、光譜儀器的基本器件main parts of spectrometry 第9章 光分析導(dǎo)論 an introduction to optical analysis instruments for spectro-metry and optical parts2022/10/17第四節(jié) 一、光譜法儀器的基本流程第9章 光分析導(dǎo)論 a一、光分析法儀器的基本流程 general process of spectrometry 光譜儀器通常包括五個(gè)基本單元：光源；單色器；樣品；檢測(cè)器；

2、顯示與數(shù)據(jù)處理；2022/10/17一、光分析法儀器的基本流程 general process二、光分析法儀器的基本單元 main parts of spectrometry 1. 光源 依據(jù)方法不同，采用不同的光源：火焰、燈、激光、電火花、電弧等；依據(jù)光源性質(zhì)不同，分為： 連續(xù)光源：在較大范圍提供連續(xù)波長(zhǎng)的光源，氫燈、氘燈、鎢絲燈等； 線光源：提供特定波長(zhǎng)的光源，金屬蒸氣燈(汞燈、鈉蒸氣燈)、空心陰極燈、激光等；2022/10/17二、光分析法儀器的基本單元 main parts of s2.單色器 單色器：獲得高光譜純度輻射束的裝置，而輻射束的波長(zhǎng)可在很寬范圍內(nèi)任意改變； 主要部件：（1）

3、進(jìn)口狹縫；（2）準(zhǔn)直裝置(透鏡或反射鏡)：使輻射束成為平行光線； （3）色散裝置(棱鏡、光柵)：使不同波長(zhǎng)的輻射以不同的角度進(jìn)行傳播；2022/10/172.單色器 單色器：獲得高光譜純度輻射束的裝置，而輻射束的波 （4）聚焦透鏡或凹面反射鏡，使每個(gè)單色光束在單色器的出口曲面上成像。2022/10/17 （4）聚焦透鏡或凹面反射鏡，使每個(gè)單色光束在單色器的出棱鏡 棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的折射率，波長(zhǎng)長(zhǎng)的光，折射率??；波長(zhǎng)短的光，折射率大。 平行光經(jīng)過(guò)棱鏡后按波長(zhǎng)順序排列成為單色光；經(jīng)聚焦后在焦面上的不同位置上成像，獲得按波長(zhǎng)展開的光譜； 棱鏡的分辨能力取決于棱鏡的幾何尺寸和材料； 棱鏡的光

4、學(xué)特性可用色散率和分辨率來(lái)表征；2022/10/17棱鏡 棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的折射率，波長(zhǎng)長(zhǎng)的光棱鏡的特性與參數(shù)（1）色散率 角色散率：用d/d表示，偏向角對(duì)波長(zhǎng)的變化率； 棱鏡的頂角越大或折射率越大，角色散率越大，分開兩條相鄰譜線的能力越強(qiáng)，但頂角越大，反射損失也增大，通常為60度角； 線色散率：用dl /d表示，兩條相鄰譜線在焦面上被分開的距離對(duì)波長(zhǎng)的變化率； 倒線色散率：用d/dl 表示，2022/10/17棱鏡的特性與參數(shù)（1）色散率 棱鏡的頂角越大或折射率（2）分辨率 相鄰兩條譜線分開程度的度量： 兩條相鄰譜線的平均波長(zhǎng)；：兩條譜線的波長(zhǎng)差；b：棱鏡的底邊長(zhǎng)度；n：棱鏡介質(zhì)材

5、料的折射率。 分辨率與波長(zhǎng)有關(guān)，長(zhǎng)波的分辨率要比短波的分辨率小，棱鏡分離后的光譜屬于非均排光譜。2022/10/17（2）分辨率 相鄰兩條譜線分開程度的度量： 兩條相光柵 透射光柵，反射光柵； 光柵光譜的產(chǎn)生是多狹縫干涉與單狹縫衍射共同作用的結(jié)果，前者決定光譜出現(xiàn)的位置，后者決定譜線強(qiáng)度分布；2022/10/17光柵 透射光柵，反射光柵；2022/10/15光柵的特性 ABCDE表示平面光柵的一段； 光線L在AJF處同相，到達(dá)AKI平面，光線L2M2要比光線L1M1多通過(guò)JCK這段距離。FEI=2JCK，其后各縫隙的光程差將以等差級(jí)數(shù)增加，3JCK 、4JCK等。 當(dāng)光線M1、M2、M3到達(dá)焦

6、點(diǎn)時(shí)，如果他們沿平面波陣面AKI同相位，他們就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明亮的光源相，只有JCK是光線波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)才能滿足條件。2022/10/17光柵的特性 ABCDE表示平面光柵的一段； 光柵的特性： 如果： d = AC = CE JC + CK = d (sin+sin) = n 即光柵公式：d (sin + sin) = n 、分別為入射角和反射角；整數(shù) n為光譜級(jí)次； d為光柵常數(shù)； 角規(guī)定取正值，如果角與角在光柵法線同側(cè)， 角取正值，反之取負(fù)值； 當(dāng)n = 0時(shí)，零級(jí)光譜，衍射角與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，無(wú)分光作用。2022/10/17光柵的特性： 如果： d = AC = CE 、分別光柵的特性： 將反射

7、光柵的線槽加工成適當(dāng)形狀能使有效強(qiáng)度集中在特定的衍射角上。 圖所示反射光柵是由與光柵表面成角的小斜面構(gòu)成(小階梯光柵，閃耀光柵)，角叫做閃耀角。 選擇適宜的閃耀角，可以使90%的有效能量集中在單獨(dú)一級(jí)的衍射上。2022/10/17光柵的特性： 將反射光柵的線槽加工成適當(dāng)光柵的參數(shù)： 光柵的特性可用色散率和分辨率來(lái)表征，當(dāng)入射角不變時(shí)，光柵的角色散率可通過(guò)對(duì)光柵公式求導(dǎo)得到： d/d為入射角對(duì)波長(zhǎng)的變化率，即光柵的角色散率。 當(dāng)很小，且變化不大時(shí)，cos 1，光柵的角色散率決定于光柵常數(shù) d 和光譜級(jí)數(shù)n ，不隨波長(zhǎng)改變，均排光譜（優(yōu)于棱鏡之處）。 角色散率只與色散元件的性能有關(guān)；線色散率還與儀

8、器的焦距有關(guān)。2022/10/17光柵的參數(shù)： 光柵的特性可用色散率和分辨率來(lái)光柵的線色散率 f 為會(huì)聚透鏡的焦距。 光柵的分辨能力根據(jù)Rakleigh準(zhǔn)則來(lái)確定。 等強(qiáng)度的兩條譜線（I，II）中，一條（II）的衍射最大強(qiáng)度落在另一條的第一最小強(qiáng)度上時(shí)，兩衍射圖樣中間的光強(qiáng)約為中央最大的80%，在這種情況下，兩譜線中央最大距離即是光學(xué)儀器能分辨的最小距離（可分離的最小波長(zhǎng)間隔）；2022/10/17光柵的線色散率 f 為會(huì)聚透鏡的焦距。 等光柵的分辨率R 光柵的分辨率R 等于光譜級(jí)次（n）與光柵刻痕條數(shù)（N）的乘積： 光柵越寬、單位刻痕數(shù)越多、R 越大。 寬度50mm，N=1200條/mm，

9、一級(jí)光譜的分辨率： R=1501200=61042022/10/17光柵的分辨率R 光柵的分辨率R 等于光譜級(jí)次（n）狹縫 單色器的進(jìn)口狹縫起著單色器光學(xué)系統(tǒng)虛光源的作用。復(fù)合光經(jīng)色散元件分開后，在出口曲面上形成相當(dāng)于每條光譜線的像，即光譜。轉(zhuǎn)動(dòng)色散元件可使不同波長(zhǎng)的光譜線依次通過(guò)。 分辨率大小不僅與色散元件的性能有關(guān)，也取決于成像的大小，因此希望采用較窄的進(jìn)口狹縫。分辨率用來(lái)衡量單色器能分開波長(zhǎng)的最小間隔的能力；最小間隔的大小用有效帶寬表示： S = DWD為線色散率的倒數(shù)；W為狹縫寬度；2022/10/17狹縫 單色器的進(jìn)口狹縫起著單色器光學(xué)系統(tǒng)虛光 在原子發(fā)射光譜分析中， 定性分析時(shí)，減

10、小狹縫寬度，使相鄰譜線的分辨率提高； 定量分析時(shí)，增大狹縫寬度，可使光強(qiáng)增加。 狹縫兩邊的邊緣應(yīng)銳利且位于同一平面上；2022/10/17 在原子發(fā)射光譜分析中，2022/10/153.試樣裝置 光源與試樣相互作用的場(chǎng)所（1）吸收池 紫外-可見(jiàn)分光光度法：石英比色皿 熒光分析法： 紅外分光光度法：將試樣與溴化鉀壓制成透明片（2）特殊裝置 原子吸收分光光度法：霧化器中霧化，在火焰中，元素由離子態(tài)原子； 原子發(fā)射光譜分析：試樣噴入火焰； 詳細(xì)內(nèi)容在相關(guān)章節(jié)中介紹。2022/10/173.試樣裝置 光源與試樣相互作用的場(chǎng)所2022/14. 檢測(cè)器（1）光檢測(cè)器 主要有以下幾種： 硒光電池、光電二極管、光電倍增管、硅二極管陣列檢測(cè)器、半導(dǎo)體檢測(cè)器；（2）熱檢測(cè)器 主要有： 真空熱電偶檢測(cè)器：紅外光譜儀中常用的一種； 熱釋電檢測(cè)器：5. 信號(hào)、與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 現(xiàn)代分析儀器多配有計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果打印，工作站軟件系統(tǒng)；2022/10/174. 檢測(cè)器（1）光檢測(cè)器2022/10/15內(nèi)容選擇：第一節(jié) 光分析基礎(chǔ)fundamental