高分辨及常規(guī)光譜技術

高分辨及常規(guī)光譜實驗技術2009-11-12激發(fā)態(tài)室駱永石主要內(nèi)容:光譜的根本知識實驗室功能簡介常規(guī)光譜實驗室儀器及其功能高分辨光譜實驗實驗室儀器及其功能應用實例

光譜，全稱為光學頻譜，是復色光通過色散系統(tǒng)〔如光柵、棱鏡〕進行分光后，將光的強度依照光的波長〔或頻率〕的大小順次的分布展開形成的圖案光譜的根本知識760630600570500450430400nm紅外紅

橙

黃

綠

青

藍

紫紫外760630600570500450430400nm每一種分子、原子都有它固有的頻譜特性；氫原子能級結構確實定、氦元素的發(fā)現(xiàn)等都是利用光譜學的方法完成的。對物質結構的表征和研究也多依賴于光譜學。

光譜技術是利用光與物質相互作用來研究物質物理特性

和化學結構性質的重要方法。光譜學光譜學是研究光和物質之間相互作用的學科激發(fā)光譜、發(fā)射光譜可以研究材料的發(fā)光性能。紅外光譜技術可鑒別化合物官能團，分子的非對稱性測定，化合物的反響機理，高分子的鏈結構研究，物質的外表和界面成份及結構分析研究。拉曼光譜技術，在物理方面可用于研究晶體的晶格振動和晶格振動模，體內(nèi)與外表的電磁耦合聲子，固體能譜，鐵電體相變，半導體的雜質與局域態(tài)，等等；在化學方面可用于鑒別化合物中基團振動模，確定化合物的分子結構、分子對稱性等。激光光譜學：1960年，第一臺紅寶石激光器的問世，成為光譜學開展的新紀元。從此，衍生出一門嶄新的科學－激光光譜學。激光光譜學激光光譜學是以光譜的手段研究激光〔作為一種電磁波)與物質相互作用的科學。激光與物質相互作用－激光光譜學非線性光學量子光學激光同一般光源相比具有特殊性，決定了激光與物質相互作用的特殊性。光場的描述：

振幅，頻率，時間，位相

激光特性：頻率〔)單色性--高分辨光譜學(能量)時間(t)脈沖性--超快速光譜學〔時間〕位相()相干性--相干光譜學強度(A2)高密度--非線性光譜學高分辨光譜學:〔109102Hz)技術--激光選擇激發(fā)、熒光譜線窄化、光譜燒孔研究內(nèi)容--晶體場中能級劈裂，精細結構，超精細結構,能量傳遞，光譜擴散超快光譜學：〔ps(10-12-fs(10-15))技術：鎖模研究內(nèi)容：分子反響動力學，生物體的發(fā)光相干光譜學：

技術：付立葉變換(時間－頻率)快的時間過程－寬的頻譜窄的頻譜－慢的時間過程非線性光譜學：

在高密度激發(fā)下，介質的極化率隨光強變化，出現(xiàn)了許多非線性光學現(xiàn)象，Raman散射，雙光子吸收，二次諧波，四波混頻等。

能級和躍遷二能級系統(tǒng)描述躍遷過程：A21

E2E1自發(fā)發(fā)射受激發(fā)射受激吸收

光的頻率由玻爾關系給出：B21B12激發(fā)態(tài)基態(tài)每一次受激吸收都使電磁波一個模中的光子數(shù)減少一個。每一次受激發(fā)射都使原激發(fā)光子模中的光子數(shù)增加一個。自發(fā)發(fā)射的K矢量是任意的，因此發(fā)射光子的模式也是任意的。測量躍遷能量可以得到能級之間的能量差的信息；測量躍遷的速率，可以得到躍遷過程的信息。能量狀態(tài)和躍遷過程的測量是光譜學中的兩類根本測量，這些測量建立了宏觀與微觀之間的聯(lián)系.吸收光譜：用經(jīng)過分光后的不同波長的光依次透過被測物質，得到吸收程度〔吸光度〕隨波長的關系，稱為吸收光譜。發(fā)射光譜：當發(fā)光物質被某固定波長的光照射〔稱激發(fā)〕時會產(chǎn)生熒光，該熒光經(jīng)系統(tǒng)分光處理后得到發(fā)光強度隨波長變化的光譜激發(fā)光譜：固定某一監(jiān)測波長，通過掃描連續(xù)改變激發(fā)光的波長，得到這一特定波長輻射強度隨激發(fā)波長變化的光譜IBeer-Lambert定律設吸收頻率為n的原子密度為ni(n)，強度I(n)的光束經(jīng)過面積A長度dx的樣品后的變化為

-dI(n)A=s(n)ni(n)dxI(n)A=a(n)dxI(n)A吸收截面s(n)吸收系數(shù)a(n)=ni(n)s(n)對上式積分，光通過長度為L的介質，強度由I0減小到I，dxAni(n)I0光譜測量1.吸收光譜：透射光強與頻率的關系稱為透射光譜，測量方法YX單色儀樣品探測器1光源PC處理記錄探測器2比較單色儀掃描同步信號將透射光譜取常用對數(shù)得到吸收光譜absorptionTransmission,opticallythinTransmission,opticallythickYX濾光片單色儀探測器PC處理記錄白光光源2.激發(fā)光譜：反映上能級結構樣品AbsorptionexcitationXY樣品光譜儀透鏡探測器光源PC處理記錄3.發(fā)射光譜：反映下能級結構測量發(fā)射和激發(fā)光譜的前提是該物質有光致發(fā)光。測量發(fā)射譜時，激發(fā)光的波長是固定的，對監(jiān)測位置連續(xù)掃描。測量激發(fā)譜時，激發(fā)光的波長是連續(xù)變化的，監(jiān)測位置是固定的。脈沖激發(fā)后的發(fā)光強度是時間和波長的函數(shù)，寫為I(t,l).固定l=l0，I(t,l0)是波長l0處發(fā)光的衰減曲線；固定取樣時間t=t0，I(t0，l)是時間分辨光譜.用時間分辨光譜可以直觀地區(qū)分衰減時間不同或激發(fā)后行為不同的發(fā)光峰.因此，它被廣泛地應用于動力學過程的研究.4.衰減曲線與時間分辨光譜時間分辨光譜測量脈沖光源延遲觸發(fā)取樣積分樣品透鏡光譜儀探測器信號微機光譜輸出衰減曲線測量脈沖光源延遲觸發(fā)示波器樣品透鏡光譜儀探測器信號微機衰減曲線測量熒光衰減應注意的事項：1.脈沖光的寬度和重復頻率如果一個體系激發(fā)態(tài)的壽命是ms量級，要測量這一過程，那么，兩個脈沖間的時間間隔必須大于ms.2.探測器的光電響應時間應短于ms;實驗室功能簡介一、常規(guī)光譜1、固體(粉末)液體樣品常規(guī)發(fā)射、激發(fā)光譜〔200-700nm〕，時間掃描〔日立F4500〕2、紫外-可見-近紅外吸收、透射光譜〔190-3200nm〕

(島津UV3101PC)3、紅外吸收光譜〔800cm-1-7000cm-1〕(BIO-RADFTS3000)4、熒光粉及LED色溫，色坐標分析(日立MPF-4)二、高分辨光譜光致發(fā)光(發(fā)射)[200-1700nm]〔10K－300K〕選擇激發(fā)光譜，時間分辨光譜，熒光壽命〔>100ns〕常規(guī)光譜實驗室儀器簡介

F4500熒光分光光度計：日立熒光儀具有高靈敏度、快速的波長掃描，實用的預掃描功能，獨特的光柵和水平狹縫光路設計世。適用于高靈敏度的熒光分析，應用于材料、生命科學等高科技領域和質控、教學等常規(guī)分析?？梢赃M行以下測量模式。波長掃描：

包括激發(fā)光譜、發(fā)射光譜測量。主要用于液體、固體粉末、薄膜等材料在常溫及條件下的熒光分析、發(fā)光分析、磷光分析。時間掃描：長余輝材料的余輝衰減等靈敏度高S/N≥100:1(水的拉曼峰，EX350nm,帶寬5.0nm,響應2.0sF4500熒光分光光度計：樣品室固體樣品架液體樣品架電源開關氙燈指示氙燈觸發(fā)系統(tǒng)運行開機：從左到右依次翻開F4500熒光分光光度計光路使用中的一些問題1濾光片的使用UV3101PC紫外-可見-近紅外分光光度計紫外-可見吸收光譜的應用紫外-可見吸收光譜除主要可用于物質的定量分析外，還可以用于物質的定性分析、純度鑒定、結構分析。定性分析每一種化合物都有自己的特征光譜。測出未知物的吸收光譜，原那么上可以對該未知物作出定性鑒定，但對復雜化合物的定性分析有一定的困難。紫外-可見-近紅外吸收透射光譜〔190-3200nm〕UV3101PC紫外-可見-近紅外分光光度計使用中的一些問題1、樣品不夠大2、測試中要進行Autozero操作3、測試近紅外波段需要將探測器選為Auto,適當調大狹縫寬度(5.0,5.0以上)2mm厚摻鉺玻璃的紫外-可見-近紅外吸收光譜FTS3000傅立葉紅外光譜儀傅立葉變換紅外光譜儀：在傅立葉變換紅外光譜儀中，首先是把光源發(fā)出的光經(jīng)干預儀變成干預光，再讓干預光照射樣品。經(jīng)檢測器獲得干預圖，不直接得到我們常見的紅外吸收光譜，實際吸收光譜是由計算機將干預圖進行傅立葉變換得到的。傅立葉變換紅外光譜儀與紅外光柵分光光度計相比，具有以下特點光通量大可以一次取得全波段光譜測量精度高

測量速度快分辨率高

信噪比高FTS3000傅立葉紅外光譜儀探測器需要液氮制冷光柵紅外傅立葉變換紅外光譜儀光學部件復雜，帶有多種易磨損的部件，有機械公差光學部件簡單，只有一個可動鏡在實驗過程中運動受色散元件材料和光學元件材料限制，測量波段窄測量范圍寬測量精度低，需用外部標準校正利用He-Ne激光器提供0.01cm-1的測量精度為了獲得高分辨率光譜需要用光闌限制，光通量小光束全部通過，光通量大，檢測靈敏度高掃描速度慢掃描速度快雜散光易造成虛假讀數(shù)樣品只接受調制波，不受雜光影響1、高分辨光譜技術：

利用高單色性的固定波長激光，或輸出波長可以在一定范圍內(nèi)可調諧的，激光線寬壓縮，穩(wěn)頻的高單色性激光光源，及具有高分辨率光譜儀器，可以實現(xiàn)能量分辨率高的發(fā)射及激發(fā)光譜。在激發(fā)光譜中，極限分辨率是由光源的譜線寬度和穩(wěn)定度確定的.高分辨光譜實驗實驗室儀器簡介本實驗室可承擔的測試內(nèi)容：光致發(fā)光[200-1800nm]〔10K－300K〕激發(fā)光譜選擇激發(fā)光譜熒光壽命(>100ns)時間分辨光譜2、儀器性能指標

1〕SunliteEXOPO系統(tǒng)Precision8000重復頻率：10HZ波長：355nm脈寬：5-7ns能量：310mjSunliteEXOPO調諧范圍：445-1750nm線寬：≤0.075cm-1脈寬：3-6ns能量：40mjFX-1調諧范圍：222.5-450nm

2〕QUANTA–RAYYAG：Nd脈沖染料激光器

重復頻率：10HZ波長：1064、532、355、266nm染料調諧范圍：575-610nm線寬：＜0.2cm-1脈寬：8-9ns能量：260/110mj(532nm)3).SPEX-1403 雙光柵單色儀分辨率：0.15cm-1光譜掃描范圍：30000-13000cm-1593nm固體激光器的激光光譜4)．TRIAX550 光柵單色儀分辨率：0.025nm(1200g/mm)光譜掃描范圍：200-1700nm光電倍增管200-850nm光電二極管850-1700nm500nm處分辨率1cm-1ARS8000低溫系統(tǒng)(10-300K)500MHz示波器(測量衰減曲線)BoxCar(各類高分辨光譜)2.高分辨光譜實驗根據(jù)儀器條件：YAG:Nd泵浦的的線寬可到達0.075cm-1的連續(xù)可調諧OPO激光器和YAG:Nd泵浦的的線寬可到達0.2cm-1的脈沖染料激光器.SPEX雙光柵單色儀極限分辨率0.15cm-1。根據(jù)實驗條件所能建立的實驗有激光選擇激發(fā)，時間分辨光譜測量，衰減曲線測量等?？梢岳酶叻直婀庾V技術研究晶體場中的能級劈裂，精細，超精細結構等。研究、區(qū)分發(fā)光材料中的不同的發(fā)光中心激發(fā)態(tài)的運動，能量傳遞過程。1〕、Sr2MgSiO5:Eu2+白光熒光粉的發(fā)光性質及應用白光LED用的熒光粉普遍采用紅、綠、藍三種基色熒光粉混合的方法制得。由于混合物之間存在顏色再吸收和配比調控問題，流明效率和色彩復原性能會受到較大影響。白光發(fā)射的熒光粉因為可以回避調控各個基色粉的比例問題，具有十分重要的意義。在這些熒光粉中，激活劑占據(jù)不同的格位而有兩個或三個發(fā)射峰，或者Eu2+向Mn2+能量傳遞使Mn2+發(fā)射紅光，多個發(fā)射峰混合出白光。研究背景應用實例ComparisonofthephotoluminescenceofSr2SiO4：Eu2+,MgOandSr2SiO4：Eu2+.ComparisonofthephotoluminescenceexcitationspectraofSr2SiO4：Eu2+,MgOandSr2SiO4：Eu2+.1.MgO對Sr2SiO4:Eu2+樣品發(fā)光的影響參加MgO，樣品的藍光發(fā)射峰明顯增強，可以改善Sr2SiO4:Eu2+熒光粉在近紫外光激發(fā)下的發(fā)光。2.MgO的量與2SrO·xMgO·SiO2:Eu2+發(fā)光強度的關系樣品2SrO·xMgO·SiO2:Eu2+的發(fā)光強度與MgO的量的關系(λem=400nm).調節(jié)2SrO·xMgO·SiO2:Eu2+熒光粉中MgO的量，在400nm激發(fā)波長下，隨MgO的量增加，樣品2SrO·xMgO·SiO2:Eu2+熒光粉的發(fā)光強度先上升后下降。MgO的量在1.0附近，樣品的發(fā)光強度最好。且只有MgO的量在1.0附近時，樣品的發(fā)光顏色最接近白色。3.SiO2對2SrO·MgO·xSiO2:Eu2+樣品發(fā)光的影響在385nm激發(fā)下不同SiO2量的2SrO·MgO·xSiO2:Eu2+發(fā)射譜隨SiO2的量的增加，藍光發(fā)射逐漸變強，黃光變?nèi)?，在x=1.2時黃光消失，僅剩下藍光發(fā)射；隨SiO2的量的減少，藍光發(fā)射變?nèi)酰趚=0.8時，藍光只有很微弱的發(fā)射，黃光發(fā)射很強。在x=1.0附近可獲得白光發(fā)射的熒光粉。4.樣品的XRD譜分析

X-raydiffractionpatternofthephosphorswithvariousx.隨SiO2的量增加，熒光粉中Sr3MgSi2O8含量增加，Sr2SiO4含量減少。但2SrO·MgO·xSiO2不是這兩種物質的簡單固溶體，這個組分并不能精確的僅形成這兩種物質，MgO是過剩的。但是制得的材料穩(wěn)定，發(fā)光均勻，而且比這兩種熒光粉的混粉發(fā)光亮度要好。因此，MgO不僅參加反響生成Sr3MgSi2O8，可能還起助熔等作用。5.Sr2MgSiO5:Eu2+白光熒光粉5.1Sr2MgSiO5:Eu2+白光熒光粉的發(fā)光性質

Sr2MgSiO5:Eu2+白光熒光粉發(fā)射光譜由兩個發(fā)射帶組成，分別位于470nm和570nm處，它們混合成白光。這兩個發(fā)射帶的相對強度隨激發(fā)波長的變化而變化。當激發(fā)波長在360-400nm范圍時，材料的發(fā)射接近標準白光。EmissionspectraofSr2MgSiO5:Eu2+atdifferentUVexcitationwavelengths.5.2Sr2MgSiO5:Eu2+白光熒光粉的熒光衰減曲線Timedecaypatternsof470nmand570nmbandsinSr2MgSiO5:Eu2+.它們的壽命差異不大，說明藍光中心向黃光中心的能量傳遞不發(fā)生或不有效，這種情況有利于不同激發(fā)密度下色度參數(shù)的穩(wěn)定。5.3Sr2MgSiO5:Eu2+熒光粉在白光LED中的應用Excitationspectraofthe470nmand570nmbandsinSr2MgSiO5:Eu2+phosphorandemissionspectrumofawhiteLEDpumpedbya400nmUVchip.Sr2MgSiO5:Eu2+熒光粉的激發(fā)光譜均分布在250-450nm的紫外區(qū)。正向驅動電流為20mA時，色溫為5664K；色坐標為x=0.33,y=0.34；顯色指數(shù)為85.這兩個參數(shù)隨正向驅動電流的變化起伏很小，均小于5%，顏色穩(wěn)定，優(yōu)于目前商用的藍光管芯泵浦白光LED。CIEandCRIundervariousforward-biascurrentforthewhiteLEDbasedonSr2MgSiO5:Eu2+phosphor.小結在Sr2SiO4:Eu2+熒光粉中參加MgO，提高了藍光發(fā)射而黃光發(fā)射不變?nèi)?。調節(jié)2SrO·MgO·xSiO2:Eu2+熒光粉中SiO2的量。隨SiO2的量的增加，藍光發(fā)射變強，黃光發(fā)射變?nèi)?，最后只剩下藍光發(fā)射。當MgO和SiO2的量為1.0時，獲得了Sr2MgSiO5:Eu2+白光熒光粉。把白光熒光粉Sr2MgSiO5:Eu2+應用于近紫外芯片的白光LED，獲得了較好的色坐標和顯色指數(shù)。白光LED的顏色穩(wěn)定。非化學劑量比燒制熒光粉也可能得到較好性能的熒光粉。2)研究組分對一種體系的摻鉺玻璃的上轉換發(fā)光不同P2O5含量樣品的吸收光譜980nm激光泵浦下上轉換綠光及紅光發(fā)射光譜不同P2O5含量樣品Er3+4I13/2能級壽命τ1TD3)高分辨光譜光譜相關實驗的設計方法首先用常規(guī)光譜來進行初步的研究根據(jù)結果改進實驗樣品利用其它的光譜手段進行深入研究謝謝大家?。〕Ｓ玫墓馓綔y元件：1.光電池如硒光電池、光電二極管利用光生伏特效應，即物體受到光照產(chǎn)生電動勢。G+-

Se鋼片透明電極引出電極絕緣層硒光電池++-+-+-+＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋---------pn平衡時++-+-+-+＋-光照時電場方向P(+)N(-)光電二極管2.光電管某些金屬由于吸收了光輻射的能量后，內(nèi)部電子的動能增加，如能克服外表勢壘逸出金屬，那么有光電子發(fā)射，即光電效應。G恒壓電源光電管檢流計

3.光電倍增管最常用、最重要的光電器件，適合測弱光。放大倍數(shù)高，一般有105倍，可達1010倍。G_+光陰極檢流計高壓電源

倍增管R陽極4.電荷耦合器件〔CCD－Charge-CoupledDevice〕可以做成較大的尺寸〔一維和二維〕，具有較高的靈敏度和較快的響應時間。應用非常廣泛。5.半導體輻射熱電偶熱探測器，僅與接收的輻射能量〔功率〕有關，無波長選擇性，用于輻射功率的測量。原理：利用半導體熱電材料制成的器件，受輻射的一端溫度升高，由兩端的溫差產(chǎn)生電位差。6.黑體接收器〔熱電堆〕多個熱電偶串聯(lián)，光譜響應中性是其特點。7.光敏電阻〔光導管〕隨著光照強度不同阻值發(fā)生變化的器件。選頻器件1、光學棱鏡可制作低分辨率的單色儀。特點是光的損耗比較小，本錢較低，如使用NaCl三角棱鏡。2、光柵可制作高分辨率的單色儀，光損耗比較大。3、濾光片利用材料本身的光譜透過特性對透過光的頻譜進行選擇，如截止濾光片。4、干預濾光片〔帶通〕鍍有多層介質膜，利用干預的原理使得某特定的波長通過。一般帶寬為10納米左右。5、二相色片對某些波長具有高的透過率，而對另一些波長具有高的反射率。如，腔內(nèi)倍頻激光器的輸出鏡。6、Fabry-Perot標準具兩塊精密的平面玻璃板〔分束板〕，鍍有反射層的面相互平行。非單色光入射時，由于干預，在很寬的頻譜范圍內(nèi)只有某些特定的波長通過。3.常用測量儀器簡介信息處理激發(fā)源光譜儀探測器光光電光電熱化學…...樣品室樣品1)光譜儀(1)光柵單色儀設光柵刻痕間的間距為a,被光照射的總條數(shù)為N,光束的入射角為a.在b方向上的電場強度aba光柵法線asin

asin由105條刻槽組成相鄰兩條光線間的光程差：a〔sin－sin〕等比級數(shù)光強當a(sina-sinb)p/l=mp,即a(sina-sinb)=ml時,I最大,m=0,1,2...…稱為0級衍射(反射),1級,2級......衍射.衍射強度的空間分布mm-1m+1出口狹縫凹面鏡光柵入口狹縫凹面鏡LD光柵的分辨率R=l/Dl=mN+1≈mN光柵單色儀的極限分辨率由光柵的分辨率決定,線色散(出口狹縫單位寬度對應的光譜范圍)由光柵常數(shù)a及光譜儀的長度L決定.光譜儀的D/L稱為相對孔徑,為保證高的效率及分辨率,入射光路的相對孔徑應與之一致.最近的極小值出現(xiàn)在:Na(sin

-sin

)=(mN+1)λ即：l'=[N/(mN+1)]a(sina-sinb)與極大值處波長的差為Dl=l-l'=l/(mN+1).(2)Fourier變換光譜儀(參看：趙凱華《光學》上冊P.309－320〕用Michelson干預儀測量強度與反射鏡位移x的關系,然后用計算機進行快速Fourier變換得到光譜.EeiwtEei(wt+2pxs)I(x)=C+2F(x)半反半透鍍膜層xg(s)探測器補償片反射鏡M1分束器反射鏡M2計算機M’Michelson干預儀雙線結構對干預條紋反襯度的影響反襯度設光譜密度為i(σ),來自兩臂的光分別為：σ=1/λ,波數(shù)余弦Fourier變換:假設f(t)是偶函數(shù)，且那么，稱F()為f(t)的余弦Fourier變換，式子稱為F(

)的余弦Fourier逆變換。根據(jù)這個原理設計的光譜儀－－－－Fourier變換光譜儀。優(yōu)點：分辨本領高；測量時間短；受干擾?。恍旁氡雀?；結構簡單。2)探測器(1)光電倍增管光電倍增管是可見光區(qū)最常用的探測器.光陰極在光照射下發(fā)射電子,在外電場作用下加速,在倍增電極上倍增,最后為陽極收集,在外電路中產(chǎn)生電流.光譜響應光子能量hn大于光陰極的功函數(shù)j0時,光陰極發(fā)射光電子,電子動能為(1/2)mv2=hn-j0.堿金屬光陰極：可見區(qū)和近紫外區(qū)GaAs光陰極：長波側可到900nmAgOCs(銫酸銀)光陰極：可到1.1mm..增益被加速的電子到達D1時的動能很大，使D1發(fā)射多個電子.如果每一級倍增都是3,經(jīng)11級后,光電流將增大311放大2x105倍.可以放大：105-107動態(tài)范圍8個數(shù)量級下限為暗電流所限,熱電子發(fā)射通常是暗電流的主要因素,將光電倍增管冷卻可以顯著降低暗電流.上限為空間電荷效應所限,光過強時,在最后一個倍增極和陰極之間的空間中,可能形成很高的電子密度,對離開倍增極向陽極運動的電子產(chǎn)生排斥作用.(2)紅外探測器光子探測器 截止波長上升時間工作溫度Sip-i-n二極管 1.1mm 400pS RTInGaAsShottky二極管1.65mm 9pS RTInGaAspin二極管 1.8mm 500pS RTGe探測器 1.8mm ms-ms LNPbS 4mm ms LNHgCdTe 15mm LNGe:Cu,Au,Hg,Zn 幾十至100mm LHe熱探測器用各種溫度效應測量吸收光產(chǎn)生的溫度變化，具有平坦的光譜響應特性,但響應時間慢.溫差電堆測量熱電動勢,測輻射熱器(bolometer)測量電阻,熱電探測器測量熱電晶體極化,Golay池測量池中氣體壓力.并行串行PMTCCD光譜測量(3)陣列探測器陣列探測器結合了照相膠片并行的優(yōu)點以及光電探測器線性、大動態(tài)范圍及快速響應的優(yōu)點。目前二極管陣列的最高分辨率已接近感光膠片,但數(shù)據(jù)處理比較復雜以及價格較高仍是它被廣泛使用的主要障礙。隨著計算機的開展,陣列探測器的使用將越來越普遍.最常用的陣列探測器是硅光電二極管一維和二維陣列.這種器件的光譜響應范圍為200nm-1mm,量子效率為60%-70%,動態(tài)范圍4-5個數(shù)量級。光柵單色儀使用的一維陣列有1024/2048個單元,間隔小于25mm。陣列探測器通常以電荷耦合器件(CCD)方式工作,每個光電二極管的電流在與它相聯(lián)的電容上積分,電容上存儲的電荷與光強成正比。存儲信號的讀出速度最高可到達數(shù)MHz。信號檢測及儀器

信號和噪聲的相關性、相關檢測利用信號和噪聲在相關性上具有不同的特點，是微弱信號檢測的一種常用方法。一、自相關函數(shù)函數(shù)x(t)的自相關函數(shù)Rxx(

)定義為：自相關函數(shù)Rxx(

)是t時刻的x(t)在此時刻以后能夠持續(xù)多長時間的度量，通常記為：R(

)自相關函數(shù)的重要性質：1、R()=R(-)；偶函數(shù)2、R()R(0)；3、假設x(t)是一個平穩(wěn)隨機過程，由各態(tài)歷經(jīng)定理，那么：4、假設x(t)為周期函數(shù)，那么R()是具有相同周期的函數(shù)。R()中將包含x(t)的基波和所有的諧波成分，但丟掉了x(t)基波和所有諧波的相位信息。即，R()的基波和諧波只與x(t)的基波和對應諧波的幅度有關?！白韵嚓P函數(shù)喪失了原函數(shù)全部的相位信息”5、假設x(t)是非周期函數(shù)，那么它的自相關函數(shù)從R(0)隨增加而單調下降，迅速衰減到x(t)的平均值的平方。噪聲是非周期函數(shù)。白噪聲的自相關函數(shù)為函數(shù)，不存在相關性。二、互相關函數(shù)兩個函數(shù)x(t)和y(t)的互相關函數(shù)Rxy(

)定義為：它可以描述t時刻的x(t)和t-時刻的y(t)之間的相關程度?；ハ嚓P函數(shù)的重要性質：1、Rxy()=Ryx(-)；即，Rxy()和Ryx()互為鏡像對稱。2、如果兩個函數(shù)(過程)的發(fā)生互相完全沒有關系(如信號與隨機噪聲)，那么它們的互相關函數(shù)將是一個常數(shù)，等于兩個函數(shù)的平均值的積，假設其中一個函數(shù)(如噪聲)的平均值為零，互相關函數(shù)恒為零。3、具有相同基波頻率的兩個周期函數(shù)的互相關函數(shù)保存了它們基波的成分以及兩者共有的諧波成分，互相關函數(shù)基波(或諧波)的相位為兩個原函數(shù)對應波的相位差?；ハ嚓P函數(shù)的波幅與原波波幅和相位差都有關。所以，互相關函數(shù)保存了原函數(shù)局部相位信息。三、相關檢測－－計算相關函數(shù)的儀器原理1、自相關檢測乘法器平均器延時Vi(t)R()Vi(t)=s(t)+n(t)輸入信號噪聲由前述，信號s(t)與噪聲n(t)不相關，并且噪聲的平均值為零，因此，對于充分大的，可得：它只包含了s(t)的某些信息。3)幾種常用電子儀器(1)鎖相放大器(lock-inamplifier)如果激發(fā)光強度隨時間變化(例如方波),那么信號也與它相關地隨時間變化,而噪聲卻與之無關。鎖相放大器基于這個原理，用相敏檢測抑制與參考信號不相關的噪聲,只把與之相關的信號放大,這樣,就可以檢測出掩沒在噪聲中的信號。通常用斬光器(chopper)把連續(xù)光變?yōu)榉讲?激發(fā)樣品,參考信號也從斬光器獲得。低通濾波器選頻測量能有效地抑制系統(tǒng)中的背景噪聲，提高信噪比。通常用光斬波器調制入射的連續(xù)光，以獲得確定頻率的交變光源。由于選頻放大器的通頻帶仍相當寬，抑制噪聲的能力有限，因此開展了鎖相放大技術。它不僅能選頻，而且能精確地鎖定相位。這樣只有被鎖定在某個頻率內(nèi)確實定相位上的光譜信號和噪聲才被放大，其通頻帶比選頻放大要窄幾個數(shù)量級，等效噪聲帶寬可達0.0004Hz，能十分有效地抑制噪聲。工作原理：信號通道－－選頻放大器，初步抑制噪聲以防相敏檢波器過載，通道內(nèi)的信號和噪聲都放大。參考通道－－給出參考信號和相位鎖定信號。調節(jié)參考信號的相位，可以實現(xiàn)對信號相位的鎖定。相敏檢波器－－一個模擬乘法器，Lock-In的核心。Es和Er分別為輸入信號〔伴有噪聲〕和參考信號。簡單起見，設：Es=Es0cos[(+Δ)t+]Er=Er0cos(t)式中，＝2f，斬波器的角頻率，f，斬波頻率；Δ為噪聲的頻