光信息專業(yè)導(dǎo)論

1、0156甘偉0153劉永研究光譜理論及其應(yīng)用的光學(xué)學(xué)科分支光譜學(xué)是光學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，研究各種物質(zhì)的光譜的產(chǎn)生及其同物質(zhì)之間相互作用。光譜是電磁輻射按照波長的有序排列。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件的不同，各個(gè)輻射波長都具有各自的特征強(qiáng)度。通過光譜的研究，人們可以得到原子、分子等的能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命、電子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化學(xué)鍵的性質(zhì)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等多方面物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)。同時(shí)，在化學(xué)分析中它也提供了重要的定性與定量的分析方法。 （一）1666年，牛頓把通過玻璃棱鏡的太陽光分解成了從紅光到紫光的各種顏色的光譜，他發(fā)現(xiàn)白光是由各種顏色的光組成的。這是可算是最早對(duì)光譜的研究。（二）1802年，渥拉斯頓觀察到了光譜

2、線，其后在1814年夫瑯和費(fèi)也獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)它 （三）G.R.基爾霍夫與R.W.E.本生在19世紀(jì)60年代發(fā)展了實(shí)用光譜學(xué)，他們證明光譜學(xué)可以用作定性化學(xué)分析的新方法光纖穿過三棱鏡的動(dòng)畫模擬快速發(fā)展期1853年，A.J.埃斯特朗探測出來氫原子光譜中最強(qiáng)的一條譜線（光波波長的單位即以他的姓氏命名，1埃等于10-8厘米）1885年，J.J.巴耳末找到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來說明已知的氫原子譜線的位置。此后便把這一組線稱為巴耳末系。1889年，瑞典光譜學(xué)家J.R.里德伯發(fā)現(xiàn)了許多元素的線狀光譜系。1896年，P.塞曼發(fā)現(xiàn)塞曼效應(yīng)。次年，H.A.洛倫茲對(duì)于這個(gè)效應(yīng)作了滿意的解釋。1898年，T.普雷斯頓觀察到鋅線（

3、4722埃）與鎘線（4800埃）在磁場中分裂為四重線而非三重線后來人們便把譜線的三重線分裂稱為正常塞曼效應(yīng)，而把所有例外情況稱為反常塞曼效應(yīng)。1913年，N.玻爾對(duì)氫原子光譜線的波長的表示式作出了明確的解釋。量子力學(xué)能夠滿意地解釋光譜線的分裂以及其他復(fù)雜原子光譜。1925年G.E.烏倫貝克和S.A.古茲密特作為假設(shè)而引入光譜學(xué)電子自旋的概念，以便解釋堿金屬原子光譜的測量結(jié)果。在P.A.M.狄喇克的相對(duì)論性量子力學(xué)中，電子自旋（包括質(zhì)子自旋與中子自旋）的概念有了牢固的理論基礎(chǔ)牛頓渥拉斯頓本生巴末耳塞曼波爾根據(jù)研究光譜方法的不同，習(xí)慣上把光譜學(xué)區(qū)分為根據(jù)研究光譜方法的不同，習(xí)慣上把光譜學(xué)區(qū)分為發(fā)射

4、光譜學(xué)、吸收光譜學(xué)與散射光譜學(xué)。這些不同發(fā)射光譜學(xué)、吸收光譜學(xué)與散射光譜學(xué)。這些不同種類的光譜學(xué)，從不同方面提供物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)知識(shí)種類的光譜學(xué)，從不同方面提供物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)知識(shí)及不同的化學(xué)分析方法。及不同的化學(xué)分析方法。發(fā)射光譜可以區(qū)分為三種發(fā)射光譜可以區(qū)分為三種不同類別的光譜：線狀光不同類別的光譜：線狀光譜、帶狀光譜和連續(xù)光譜。譜、帶狀光譜和連續(xù)光譜。線狀光譜主要產(chǎn)生于原子帶狀光譜主要產(chǎn)生于分子連續(xù)光譜則主要產(chǎn)生于白熾的固體或氣體放電吸收光譜學(xué)：分子或原子團(tuán)在各個(gè)波段均有特征吸收，主要表現(xiàn)為分子光譜所特有的帶狀吸收譜（見光譜）。廣泛被采用的紅外吸收光譜是由分子的同一電子態(tài)內(nèi)不同振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的

5、躍遷產(chǎn)生。紅外吸收光譜主要用來研究分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)，或進(jìn)行分子的定性和定量分析等。對(duì)吸收光譜和發(fā)射光譜的研究?；檠a(bǔ)充喇曼光譜實(shí)驗(yàn)在散射光譜學(xué)中，拉曼光譜學(xué)是最為普遍的光譜學(xué)技術(shù)。拉曼光譜學(xué)在拉曼散射中，拉曼譜線起源于散射物質(zhì)分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，反映了分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，通過拉曼光譜可對(duì)化合物進(jìn)行定性和定量分析、測定分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及有關(guān)常數(shù)、了解分子內(nèi)部或分子間的作用力、推斷分子結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和幾何形狀等。拉曼光譜的應(yīng)用范圍遍及物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)的許多領(lǐng)域。新型光源激光的應(yīng)用有力地推動(dòng)了拉曼光譜學(xué)的發(fā)展。（一）空氣中有害氣體濃度的測量（二）水環(huán)境中重金屬離子濃度的測量（三）土壤中

6、重金屬離子濃度的測量（四）土壤成分測量而我們主要是關(guān)注氣體濃度檢測光學(xué)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢氣體檢測中心非光學(xué)分析法光學(xué)分析法：在光學(xué)分析中，主要基于光譜學(xué)利用光和大氣污染分子相互作用的特性來進(jìn)行檢測，具有大范圍，多組分，連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測等特點(diǎn)，已經(jīng)成為氣體濃度檢測的理想工具（一）差分吸收光譜技術(shù)：差分吸收光譜技術(shù)（DOAS)是根據(jù)大氣中痕量氣體成分在紫外和可見光譜波段的特征吸收性質(zhì)來反演其種類和濃度。利用doas技術(shù)對(duì)光譜進(jìn)行分析（二)傅里葉變換紅外光譜技術(shù)：傅里葉變換紅外光譜法是目前氣體濃度檢測最為理想的一種手段，典型的FTIR系統(tǒng)紅外光源被測氣體輔助光源FTIR光譜儀計(jì)算機(jī)光譜擬合分析結(jié)果

7、（三）可調(diào)諧激光二極管激光吸收光譜技術(shù)：它是最近發(fā)展起來的一種高靈敏，高分辨率的大氣痕量氣體吸收光譜檢測技術(shù)，通過調(diào)節(jié)電流的大小控制激光波長掃描氣體吸收峰和吸收峰外的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，用非線性最小二乘法對(duì)所測得譜線進(jìn)行擬合，從 而得到被測氣體的成分和濃度。還有差分吸收激光雷達(dá)和拉曼散射激光雷達(dá)，激光誘導(dǎo)熒光光譜技術(shù)，激光光聲光譜技術(shù)等等。氣體監(jiān)控系統(tǒng)各種氣體檢測技術(shù)中非光學(xué)分析方法在大氣污染成分的檢測中得到了廣泛的應(yīng)用，但由于其響應(yīng)速度慢，不能對(duì)被測對(duì)象進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，也無法對(duì)氣體進(jìn)行遙感監(jiān)測，因此應(yīng)用范受到很大限制。相比較，基于光學(xué)分析的氣體濃度檢測技術(shù)探測靈敏度高，選擇性強(qiáng)，應(yīng)用廣，響應(yīng)速度快，適合現(xiàn)場的實(shí)時(shí)檢測，成本也較低，必將成為未來氣體濃度檢測的理想工具。（一）研制小型化，操作簡單化，專用化，適合個(gè)人家庭使用的常見有害氣體檢測儀。（二）近年來虛擬儀器技術(shù)發(fā)展迅速，已成為一種儀器儀表方面新興的