紅外與激光-課件

紅外與激光第一節(jié)可見光光譜光譜在物質(zhì)所輻射得電磁波中,一般包含著許多不同得波長成分,經(jīng)光學(xué)分光儀分光后,形成一系列按波長(或頻率)順序排列得譜線。通過光譜分析,可以檢驗(yàn)物質(zhì)成分及其含量,其精確度高、樣品用量極少,可以鑒定10-9g得痕量元素。一、光譜得分類(一)按光源發(fā)射方式1、發(fā)射(明線)光譜物體發(fā)光直接產(chǎn)生得光譜。原子中得電子由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí),輻射出一個(gè)光子,大量同類原子發(fā)射得光子就形成在黑暗背景中明亮得譜線。2、吸收(暗線)光譜當(dāng)連續(xù)光譜物質(zhì)時(shí),如氣體或某物質(zhì)得蒸汽,某些波長得光被物質(zhì)吸收,在強(qiáng)烈吸收得波長上形成一系列暗線形成得光譜。(二)按波長分布特點(diǎn)1、連續(xù)光譜;2、線狀光譜(三)按光源物質(zhì)得結(jié)構(gòu)1、原子光譜光譜物質(zhì)以原子結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生得光譜。當(dāng)原子中得電子受到激發(fā)在較高能級(jí)躍遷到到較低能級(jí)時(shí)發(fā)射得,原子光譜得表現(xiàn)特征就是線狀光譜。2、分子光譜光譜物質(zhì)以分子結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生得光譜。她就是由許多譜線密集形成得光譜帶,若干個(gè)光譜帶形成一個(gè)組,在分子光譜可以有若干個(gè)組(即由譜線形成譜帶,由譜帶形成帶組)。二、原子光譜發(fā)射光譜:當(dāng)原子中得電子受到激發(fā),在高能級(jí)向低能級(jí)間躍遷時(shí)發(fā)射某種單色光,大量原子同時(shí)發(fā)射得單色光在黑暗背景上形成若干明亮、分立得譜線,也叫明線光譜。吸收光譜:用波長在一定范圍且連續(xù)得光譜照射處于原子狀態(tài)物質(zhì),如氣體或某物質(zhì)得蒸汽,原子吸收適當(dāng)頻率得光而躍遷到高能級(jí),在強(qiáng)烈吸收得波長上形成一系列暗線,也叫暗線光譜。同一元素得明線光譜與暗線光譜波長相同嗎？同一元素得明線光譜與暗線光譜譜線相同嗎？暗線光譜譜線較少。二、原子光譜1、發(fā)射(明線)光譜2、吸收(暗線)光譜二、分子光譜(一)分子能級(jí)分子能級(jí)由組成分子得原子得電子能級(jí)Ee、原子振動(dòng)得振動(dòng)能級(jí)Ev和分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)Er三部分組成。電子能級(jí)由電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定,電子能級(jí)間能量差最大,大約相當(dāng)于可見光得光子能量。

分子得這三種能級(jí)都就是量子化得。轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)由整個(gè)分子繞某一軸線轉(zhuǎn)動(dòng)得狀態(tài)決定。轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間能量差最小,大約相當(dāng)于遠(yuǎn)紅外區(qū)和微波區(qū)得光子能量。振動(dòng)能級(jí)由原子之間相對(duì)振動(dòng)得狀態(tài)決定,振動(dòng)能級(jí)間能量差次之,大約相當(dāng)于近紅外和中紅外區(qū)得光子能量。(二)分子光譜由若干光譜帶構(gòu)成得光譜帶組,再由若干帶組形成整個(gè)光譜。電振轉(zhuǎn)

光譜分析基本原理物質(zhì)得原子或分子得光譜都就是由其能級(jí)結(jié)構(gòu)所決定得,從光譜得結(jié)構(gòu)情況可以判斷光源或吸收體(即樣品物質(zhì))中元素得成份;根據(jù)譜線強(qiáng)度還可以確定元素得含量。大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)第二節(jié)紫外線和紅外線成像一、紫外線(波長小于400nm)(一)來源(二)紫外線得生物效應(yīng)1、太陽;2、人工光源(水銀蒸汽燈)1、滅菌作用2、抗佝僂作用3、紅斑作用4、對(duì)眼睛得刺激作用二、紅外線(波長介于760nm-3mm)(一)紅外線得產(chǎn)生任何物體只要溫度在絕對(duì)零度(-273℃)以上,都能向周圍發(fā)射紅外線。溫度越高,輻射能量越大。(二)熱輻射得基本概念物體內(nèi)部得原子和分子都在不停地做熱運(yùn)動(dòng),在劇烈得碰撞中,總就是不斷地有原子吸收能量進(jìn)入激發(fā)態(tài),再以電磁波得形式將多余得能量輻射出去。這種由于熱運(yùn)動(dòng)引起得輻射現(xiàn)象稱為熱輻射。500°C以下→輻射波紅外區(qū)域500°C以上→輻射波在可見光→紫外光…人體310K,輻射波長9380nm,在紅外區(qū)。當(dāng)某物體所吸收得輻射能恰好等于同一時(shí)間內(nèi)所發(fā)出去得得輻射能量時(shí),該物體即達(dá)到熱平衡。這時(shí)物體得狀態(tài)可用溫度T來表示。1、輻射本領(lǐng)(又稱輻射出射度)

物體在單位時(shí)間內(nèi)從單位表面積輻射出去得能量(j/m2s),稱單色輻射本領(lǐng)或單色輻射強(qiáng)度,與波長

和溫度T有關(guān),記作M(T)。對(duì)于某一波長為得單色光,其單色輻射本領(lǐng)表示為(單位就是W·m-2)2、單色吸收率

物體在單位時(shí)間內(nèi)從單位表面積吸收得輻射能量與入射總輻射能量得比值,稱為該物體得吸收本領(lǐng),與波長

和溫度T有關(guān),記作

(

T)。

在某溫度下所有波長得輻射本領(lǐng)為(三)黑體輻射和黑體輻射定律紅外線輻射得基本機(jī)制主要就是黑體輻射,具體某種物質(zhì)得輻射只需做少許修正。通常把α=1得物體稱為絕對(duì)黑體,簡稱黑體。

關(guān)于黑體輻射得兩條重要定律(1)斯蒂芬-玻爾茲曼定律1879年德國物理學(xué)家斯蒂芬,用黑體模型測定了單位時(shí)間內(nèi)從單位表面積輻射得總能量與黑體溫度得關(guān)系。1884年德國物理學(xué)家玻爾茲曼根據(jù)斯蒂芬得實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出公式:M(T)=T4式中=5、670×10-8W、m-2、k-4,稱為斯蒂芬-玻爾茲曼定律常數(shù)。溫度得微小變化會(huì)引起輻出度發(fā)生較大變化。(2)維恩位移定律1896年德國物理學(xué)家維恩在實(shí)驗(yàn)研究得基礎(chǔ)上由電磁理論和熱力學(xué)理論得到如下公式:

mT=b式中b=2、898×10-3m、k,稱為維恩常數(shù)。在一定溫度下,輻射度最強(qiáng)得波長

m與絕對(duì)溫度得乘積就是一個(gè)常數(shù)。意即隨溫度升高,輻射度最強(qiáng)得波長往短波方向移動(dòng),提供了測高溫得方法。(四)普朗克得能量量子化假說和黑體輻射公式(1)維恩公式維恩公式(式8-5),在短波范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)相符,在長波范圍與偏離嚴(yán)重。(2)瑞利-金斯公式瑞利-金斯公式(式8-6),在長波范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)相符,在短波波范圍與偏離嚴(yán)重。1、黑體輻射實(shí)驗(yàn)得研究進(jìn)程(2)普朗克推導(dǎo)得出黑體得輻射公式,即普朗克公式

上式與實(shí)驗(yàn)曲線完全符合,就是熱輻射理論中最基本得公式,并打開了量子力學(xué)得大門。（8-7）普朗克得量子假說:輻射和吸收得能量就是一個(gè)最小單位得整數(shù)倍,這個(gè)最小得能量單位稱為量子。即

E=nh(n=1、2、3……)稱為能量量子化。

從黑體輻射公式可得,對(duì)于常見得低溫物體,輻射得電磁波以紅外輻射為主。由于紅外輻射得敏感性,正好可以用于區(qū)分不同區(qū)域得溫差而對(duì)物體成像。三、紅外線得探測與紅外成像

紅外探測就是把入射紅外輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降媚芰?進(jìn)而把輻射能量變成另一種可測量得物理量(如電流、電壓等)進(jìn)行探測。

(一)熱探測---如熱敏電阻、溫差電偶等等。屬無選擇性得探測器,只能探測總功率,與輻射分布無關(guān)。(二)光子探測---如光電效應(yīng),入射得輻射波長必須小于某一極限值。FLIRI5小型紅外熱像儀(三)紅外成像手持警用紅外熱像儀/探測儀ThinkPadT500機(jī)身底部紅外線熱成像照片紅外成像即將直接感知得溫度得信號(hào)進(jìn)行編碼,如用“亮”表示溫度高,用“暗”表示溫度低;或用暖色表示溫度高,用冷色表示溫度低。在醫(yī)學(xué)上,可以利用紅外成像來發(fā)現(xiàn)由于疾病帶來得溫度變化,提前發(fā)現(xiàn)疾病。第三節(jié)激光一、激光產(chǎn)生得原理激光(laser)就是受激輻射光放大(lightamplificationbystimulatedemissionofratiation)得簡稱。曾經(jīng)直譯為“萊塞”,1964年錢學(xué)森教授建議改名為激光。(一)自發(fā)輻射處于高能態(tài)得粒子自發(fā)地輻射出光子而躍遷到低能態(tài)得過程。各粒子發(fā)出得光得頻率、相位、傳播方向和振動(dòng)方向都彼此無關(guān)。(二)受激輻射處于高能態(tài)En得粒子如果受到能量恰為h=En-Em得外來光子激發(fā),就會(huì)輻射出一個(gè)與外來光子同樣得光子而躍遷到低能態(tài)Em得過程。受激輻射得光子和激發(fā)光子得頻率、相位、傳播方向、振動(dòng)方向完全相同。h

h

EnEmh

因此,一個(gè)入射光子由于引起受激輻射而得到兩個(gè)同樣得光子。繼續(xù)下去,就得到越來越多得特征相同得光子。受激輻射發(fā)出得光就就是激光。(三)亞穩(wěn)態(tài)某些原子或分子中具有一些特殊能級(jí),處于這些特殊能級(jí)上得激發(fā)態(tài)原子停留得時(shí)間要比普通得能級(jí)長10萬倍左右。通常情況下,工作物質(zhì)中處于低能級(jí)上得粒子數(shù)目多,這種正常分布使得光得吸收占優(yōu)勢。通過外界能源得激勵(lì),把具有亞穩(wěn)態(tài)得物質(zhì)粒子大量地從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)上,使得處于高能態(tài)得粒子數(shù)多于處于低能態(tài)得粒子數(shù),使受激輻射占優(yōu)勢。這種情況稱為粒子數(shù)得反轉(zhuǎn)分布,簡稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。(二)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(一)紅寶石激光器紅寶石激光器就是最早制成得激光器,激光工作物質(zhì)就是Al2O3晶體得紅寶石棒(如圖8-7所示)。棒外面得螺旋管形氙閃光燈使棒中處于基態(tài)得鉻離子激發(fā)到激發(fā)態(tài),產(chǎn)生受激輻射而發(fā)射出694、3nm得紅色激光。紅寶石激光器只適合于脈沖式工作。二常見得激光器

1、構(gòu)造

2、激光工作物質(zhì):氦氣和氖氣按5:1～10:1混合,受激輻射得就是氖原子,氦原子傳遞能量。(二)氦氖激光器全反射鏡部分反射鏡毛細(xì)管氦氖氣體直流電源

3、工作過程:加直流高壓產(chǎn)生輝光放電,使氦原子激發(fā),通過碰撞使氖原子粒子數(shù)反轉(zhuǎn),氖原子受激輻射產(chǎn)生激光、NeHe基態(tài)