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1、第一章第一章光学分析方法导论光学分析方法导论 一、一、光学分析法及其分类光学分析法及其分类二、电磁辐射的描述二、电磁辐射的描述1.光的波动性光的波动性2.光的粒子性光的粒子性三、电磁波谱三、电磁波谱四、光谱仪器及其组成四、光谱仪器及其组成1.光源光源2.分光系统（棱镜和光栅、狭缝、光谱仪结构）分光系统（棱镜和光栅、狭缝、光谱仪结构）3.吸收池吸收池4.光谱分析检测器光谱分析检测器第1页/共48页光学分析方法：光学分析方法：利利用用光光电电转转换换或或其其它它电电子子器器件件测测定定“电电磁磁辐辐射射与与物物质质相相互互作作用用”之之后后的的辐辐射射强强度度等等光光学学特特性性，进进行行物物质的
2、定性、定量及结构分析的方法。质的定性、定量及结构分析的方法。历史上，此相互作用只是局限于历史上，此相互作用只是局限于电磁辐射电磁辐射与物质与物质的作用，这也是目前应用最为普遍的方法。现在，光的作用，这也是目前应用最为普遍的方法。现在，光谱方法已扩展到其它各种形式的能量与物质的相互作谱方法已扩展到其它各种形式的能量与物质的相互作用，如声波、粒子束（离子和电子）等与物质的作用。用，如声波、粒子束（离子和电子）等与物质的作用。第2页/共48页电磁辐射的描述电磁辐射的描述1.光的波动性光的波动性电磁辐射为正弦波（波长、频率、速度、振幅）。与电磁辐射为正弦波（波长、频率、速度、振幅）。与其它波，如声波不
3、同，电磁波不需传播介质，可在真空中其它波，如声波不同，电磁波不需传播介质，可在真空中传输。传输。磁场磁场传播方向传播方向电场电场光的传播光的传播y=Asin(t+)=Asin(2 vt+)第3页/共48页yt1/11/11/()频频率率相相同同的的正正弦弦波波叠叠加加得得相相同同频频率率的的合合成正弦波成正弦波频频率率不不同同的的正正弦弦波波叠叠加加得得不不同同频频率率的的非非正正弦弦波波；更多的正弦波叠加可形成更多的正弦波叠加可形成方波方波1）波的叠加）波的叠加（Superposition）第4页/共48页 平行光束平行光束单缝衍射单缝衍射双缝衍射双缝衍射2）光波的衍射（）光波的衍射（Dif
4、fraction）衍射：当一束平行光通过窄的开口如狭缝时发生弯曲的现象。衍射：当一束平行光通过窄的开口如狭缝时发生弯曲的现象。第5页/共48页3）光的干涉（光的干涉（Coherentinterference）当当频频率率相相同同、振振动动方方向向相相同同、周周相相相相等等或或周周相相差差保保持持恒恒定定的的波波源源所所发发射射的的相相干干波波互互相相叠叠加加时时，会会产产生生波波的的干干涉涉现现象象。通通过过干干涉涉现现象象，可可以以得得到到明明暗暗相间的条纹。相间的条纹。4）光的折射（）光的折射（Refraction）5）光的反射（光的反射（Reflection）6）光的传输（光的传输（Tr
5、ansmission）7）光的偏振（）光的偏振（Polarization）8）光的散射（）光的散射（Scattering）第6页/共48页2.光的粒子性光的粒子性当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时，当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时，就会发生能量跃迁。此时，电磁辐射不仅具有波的特就会发生能量跃迁。此时，电磁辐射不仅具有波的特征，而且具有粒子性，最著名的例子是光电效应现象征，而且具有粒子性，最著名的例子是光电效应现象的发现。的发现。1）光电效应（）光电效应（Photoelectriceffect）现象：现象：1887，HeinrichHetz（在光照时，两间隙间更（在光照时，两间
6、隙间更易发生火花放电现象）易发生火花放电现象）解释：解释：1905，Einstein理论，理论，E=h 证明：证明：1916，Millikan（真空光电管）（真空光电管）第7页/共48页2）能态（能态（Energystate）量子理论量子理论(MaxPlanck，1900)：物物质质粒粒子子总总是是处处于于特特定定的的不不连连续续的的能能量量状状态态，即即能能量量是是量量子子化化的的；处处于于不不同同能能量量状状态态粒粒子子之之间间发发生生能量跃迁时的能量差能量跃迁时的能量差 E可用可用h 表示。表示。两个重要推论：两个重要推论：物物质质粒粒子子存存在在不不连连续续的的能能态态，各各能能态态具
7、具有有特特定定的的能能量量。当当粒粒子子的的状状态态发发生生变变化化时时，该该粒粒子子将将吸吸收收或或发发射完全等于两个能级之间的能量差；射完全等于两个能级之间的能量差；反之亦是成立的，即反之亦是成立的，即 E=E1-E0=h 第8页/共48页三、电磁波谱三、电磁波谱电磁辐射波谱图电磁辐射波谱图第9页/共48页第10页/共48页光学分析法及其分类光学分析法及其分类 光学分析法可分为光学分析法可分为光谱法光谱法和和非光谱法非光谱法两大类。两大类。光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。光谱法可分为光谱法可分为
8、原子光谱法原子光谱法和和分子光谱法分子光谱法。原子光谱法是由原子外层或内层电子原子外层或内层电子 能级的变化产生的，它的表现形式为线光谱线光谱。属于这类分析方法的有原子发射光谱法（AES）、原子吸收光谱法（AAS），原子荧光光谱法（AFS）以及X射线荧光光谱法（XFS）等。分子光谱法是由 分子中电子能级、振动和转动能级分子中电子能级、振动和转动能级 的变化产生的，表现形式为带光谱带光谱。属于这类分析方法的有紫外-可见分光光度法（UV-Vis），红外光谱法（IR），分子荧光光谱法（MFS）和分子磷光光谱法（MPS）等。第11页/共48页 非光谱法是基于物质与辐射相互作用时，测量辐射的某些性质，如
9、折射、散射、干涉、衍射、偏振等变化的分析方法。本章主要介绍光谱法。如果按照电磁辐射和物质相互作用的结果，可以产生发射、吸收和联合散射三种类型的光谱。第12页/共48页3.光谱组成光谱组成线光谱线光谱(Line spectra):由由处处于于气气相相的的单单个个原原子子发发生生电电子子能能级级跃跃迁迁所所产产生生的的锐线光谱，线宽大约为锐线光谱，线宽大约为10-4A。带状光谱带状光谱(Band spectra):由由气气态态自自由由基基或或小小分分子子振振动动-转转动动能能级级跃跃迁迁所所产产生生的的光光谱谱，由由于于各各能能级级间间的的能能量量差差较较小小，因因而而产产生生的的谱谱线线不不易易
10、分分辨辨开开而而形形成成所所谓谓的的带带状状光光谱谱，其其带带宽宽达达几几个个至至几几十十个个nm)；第13页/共48页线光谱线光谱带光谱带光谱第14页/共48页连续光谱连续光谱(Continuumspectra)：固固体体被被加加热热到到炽炽热热状状态态时时，无无数数原原子子和和分分子子的的运运动动或或振振动动所所产产生生的的热热辐辐射射，也也称称黑黑体体辐辐射射。通通常常产产生生背背景景干干扰扰。温温度度越越高高，辐辐射射越越强强，而而且且短短波长的辐射强度增加得最快！波长的辐射强度增加得最快！另另一一方方面面，炽炽热热的的固固体体所所产产生生的的连连续续辐辐射射是是红红外、可见及较长波长
11、的重要辐射源（光源）。外、可见及较长波长的重要辐射源（光源）。第15页/共48页电电子子或或者者其其它它基本粒子基本粒子原子原子,离子离子,分子分子轰击轰击原子原子*,离离子子*,分子分子*原子原子,离子离子,分子分子X激发激发激发态激发态基态基态基态基态能量能量发射发射电电弧弧,火火花花,火火焰焰,ICP原原子子,离离子子,分子分子原子原子*,离子离子*,分子分子*原子原子,离子离子,分子分子UV,VIS,IR激发激发激发态激发态基态基态基态基态能量能量发射发射电电磁磁辐辐射射或或者者化学反应化学反应原子原子,离子离子,分子分子光（一次光）光（一次光）原子原子*,离离子子*,分子分子*原子、
12、离原子、离子、分子子、分子荧光（二次光）荧光（二次光）激发激发激发态激发态基态基态基态基态能量能量发射发射4.4.电磁波的发射电磁波的发射光谱图光谱图AESX-rayAFS,MFS,XFS产生的辐射通称为发射光谱，以辐产生的辐射通称为发射光谱，以辐射能对辐射频率或波长作图可得到发射射能对辐射频率或波长作图可得到发射光谱图：光谱图：第16页/共48页H2-O2火焰中海水的发射光谱图火焰中海水的发射光谱图第17页/共48页5.电磁波的吸收电磁波的吸收现象：当电磁辐射通过固体、液体或气体时，具一定现象：当电磁辐射通过固体、液体或气体时，具一定频率频率(能量能量)的辐射将能量转移给处于基态的原的辐射将
13、能量转移给处于基态的原子、分子或离子，并跃迁至高能态，从而使这子、分子或离子，并跃迁至高能态，从而使这些辐射被些辐射被选择性地选择性地吸收。吸收。原子吸收：原子吸收光谱分析原子吸收：原子吸收光谱分析(AAS);分子吸收：紫外可见光度分析分子吸收：紫外可见光度分析(UV-Vis)；分子吸收：红外光谱分析分子吸收：红外光谱分析(IR)及拉曼光谱及拉曼光谱(Raman)；核吸收：核磁共振光谱核吸收：核磁共振光谱(NMR)。电磁辐射电磁辐射原子、离原子、离子、分子子、分子光光原子原子*、离、离子子*、分子、分子*原子、离原子、离子、分子子、分子激发激发激发态激发态基态基态基态基态能量能量吸收吸收第18
14、页/共48页Raman散射散射 频频率率为为 0 0的的单单色色光光照照射射到到透透明明物物质质上上，物物质质分分子子会会发发生生散散射射现现象象。如如果果这这种种散散射射是是光光子子与与物物质质分分子子发发生生能能量量交交换换的的，即即不不仅仅光光子子的的运运动动方方向向发发生生变变化化，它它的的能能量量也也发发生生变变化化，则则 称称 为为 RamanRaman散散 射射。散散 射射 光光 的的 频频 率率（mm）与与入入射射光光的的频频率率不不同同，称称为为RamanRaman位位移移。RamanRaman位位移移的的大大小小与与分分子子的的振振动动和和转转动动的的能能级级有有关关，利利
15、用用RamanRaman位位移移研研究究物物质质结结构构的的方方法称为法称为RamanRaman光谱法。光谱法。第19页/共48页四、光谱仪器四、光谱仪器组成：光源，单色器，样品池，检测器（光电转换器、电子读组成：光源，单色器，样品池，检测器（光电转换器、电子读出、数据处理及记录），出、数据处理及记录），读出器件读出器件光源或光源或炽热固体炽热固体样品容器样品容器分光系统分光系统光电转换光电转换信号处理器信号处理器光源灯或光源灯或激光激光样品容器样品容器分光系统分光系统光电转换光电转换信号处理器信号处理器光源光源+样品样品分光系统分光系统光电转换光电转换信号处理器信号处理器吸收吸收荧光荧光发射
16、发射第20页/共48页1、光源、光源对光源的要求对光源的要求：强度大（分析灵敏度高）、稳定（分析重现性好）。：强度大（分析灵敏度高）、稳定（分析重现性好）。*Laser=light amplification by stimulated emission of radiation 第21页/共48页2.分光系统分光系统（monochromator,wavelength selector）定定义义：将将由由不不同同波波长长的的“复复合合光光”分分开开为为一一系系列列“单单一一”波长的波长的“单色光单色光”的器件。的器件。理想的理想的100%的单色光是不可能达到的，实的单色光是不可能达到的，实际际
17、上上只只能能获获得得的的是是具具有有一一定定“纯纯度度”的的单单色色光光，即即该该“单色光具有一定的宽度（有效带宽）。有效单色光具有一定的宽度（有效带宽）。有效带宽越小，分析的灵敏度越高、选择性越好、带宽越小，分析的灵敏度越高、选择性越好、分析物浓度与光学响应信号的线性相关性也越分析物浓度与光学响应信号的线性相关性也越好。好。第22页/共48页构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜物镜物镜棱镜棱镜焦面焦面出射狭缝出射狭缝f入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜光栅光栅物镜物镜出射狭缝出射狭缝f其中最主要的分光元件为棱镜和光栅。其中
18、最主要的分光元件为棱镜和光栅。第23页/共48页1）棱镜）棱镜（Prism）：棱棱镜镜的的色色散散作作用用是是基基于于构构成成棱棱镜镜的的光光学学材材料料对对不不同同波波长长的的光光具具有有不不同同的的折折射射率率。波波长长大大的的折折射射率率小小，波波长长小小的的折折射射率率大大。n=A+B/2+C/4式中n为折射率，为波长，A、B、C为常数Cornu棱镜棱镜 b Littrow棱镜棱镜（左旋（左旋+右旋右旋-消除双像）消除双像）（镀膜反射）（镀膜反射）第24页/共48页棱镜特性棱镜特性色散率：色散率：角角色色散散率率d/d，表表示示偏偏向向角角 对对波波长长的的变变化化。在在最最小小偏偏向
19、向角角时时（折射线平行于棱镜底边），可以导出：（折射线平行于棱镜底边），可以导出：可见角色散率与折射率可见角色散率与折射率n 及棱镜顶角及棱镜顶角 有关。有关。因此，增加角色散率因此，增加角色散率d/d 的方式有三：的方式有三：改变棱镜材料，玻璃比石英的折射率大，但玻璃只适于可见改变棱镜材料，玻璃比石英的折射率大，但玻璃只适于可见光区；光区；增加棱镜顶角，多选增加棱镜顶角，多选 600；增加棱镜数目，但由于设计及结构上的困难，最多用增加棱镜数目，但由于设计及结构上的困难，最多用2个。个。第25页/共48页线线色色散散率率dl/d 或或倒倒线线色色散散率率d/dl：它它表表示示两两条条谱谱线线在
20、焦面上被分开的距离对波长的变化率：在焦面上被分开的距离对波长的变化率：可可见见线线色色散散率率除除与与角角色色散散率率有有关关外外，还还与与会会聚聚透透镜镜焦焦距距f 及焦面和光轴间夹角及焦面和光轴间夹角 有关。有关。因因此此，增增加加透透镜镜焦焦距距、减减小小焦焦面面与与光光轴轴夹夹角角棱棱镜镜色散能力提高。色散能力提高。第26页/共48页分分辨辨率率R：指指将将两两条条靠靠得得很很近近的的谱谱线线分分开开的的能能力力（Rayleigh准则），可表示为准则），可表示为其中，其中，m-棱镜个数；棱镜个数；b底边有效长度（底边有效长度（cm）可可见见，分分辨辨率率随随波波长长变变化化而而变变化化
21、，在在短短波波部部分分分分辨辨率率较较大大，即即棱棱镜镜分分光光具具有有“非非匀匀排排性性”，色色谱谱的的光光谱谱为为“非匀排光谱非匀排光谱”。这是棱镜分光最大的不足。这是棱镜分光最大的不足。第27页/共48页2）光栅）光栅制制作作：以以特特殊殊的的工工具具（如如钻钻石石），在在硬硬质质、磨磨光光的的光光 学学平平面面上上刻刻出出大大量量紧紧密密而而平平行行的的刻刻槽槽。以以此此为为母母板板，可可用用液液态态树树脂脂在在其其上上复复制制出出光光栅栅。制制作作的的光光栅栅有有平平面面透透射射光光栅栅、平平面面反反射射光光栅栅（或称闪耀光栅）及及凹凹面面反反射射光光栅栅。刻刻制制质质量不高的光栅易
22、产生散射线及鬼线（量不高的光栅易产生散射线及鬼线（Ghost lines）。）。通通常常的的刻刻线线数数为为300-2000刻刻槽槽/mm。最最常常用用的的是是1200-1400刻刻槽槽/mm（紫紫外外可可见见）及及100-200刻刻槽槽/mm（红外）。（红外）。第28页/共48页光栅的分光原理光栅的分光原理1.光的干涉光的干涉 当频率相同、振动方向相同、周相相等或周相差当频率相同、振动方向相同、周相相等或周相差保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时，会产保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时，会产生波的干涉现象。生波的干涉现象。若两波光程差若两波光程差 等于波长等于波长 的整数倍时，两波的整
23、数倍时，两波将互相加强到最大程度，形成明条纹。将互相加强到最大程度，形成明条纹。=K K （K=0K=0，1 1，2 2）相反，当两波的光程差等于半波长的奇数相反，当两波的光程差等于半波长的奇数倍时，两波将相互减弱到最大程度，倍时，两波将相互减弱到最大程度，形成暗条纹。形成暗条纹。=（2 K+12 K+1）/2 /2 （K=0K=0，1 1，2 2）第29页/共48页2.2.光的衍射光的衍射 光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象，称为波光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象，称为波的衍射现象。的衍射现象。若以平行光束通过狭缝若以平行光束通过狭缝ABAB，狭缝宽度为，狭缝宽度为a a，入射
24、角为，入射角为 角角方向传播，经透镜聚焦后会聚于方向传播，经透镜聚焦后会聚于P P点则点则APAP与与BPBP的光程差的光程差ACAC（）为）为 =a sin=a sin P P点的明暗取决于光程差点的明暗取决于光程差。对应于某确定角度。对应于某确定角度，如果，如果狭缝可以分成为偶数波带（狭缝可以分成为偶数波带（/2/2），则在），则在P P点出现暗条纹。点出现暗条纹。如果狭缝可以分成为奇数波带，则出现明条纹如果狭缝可以分成为奇数波带，则出现明条纹单缝衍射aABP0P第30页/共48页3.3.光栅光栅 光栅分为透射光栅和反射光栅，常用的是反射光栅。光栅分为透射光栅和反射光栅，常用的是反射光栅。
25、光栅是一种多狭缝部件，光栅光谱的产生是光栅是一种多狭缝部件，光栅光谱的产生是多狭缝干涉多狭缝干涉和单狭缝衍射和单狭缝衍射两者联合作用的结果。它的色散作用可用光两者联合作用的结果。它的色散作用可用光栅公式表示栅公式表示 d d（sinsin +sin+sin）=n=n 公式中公式中 和和 分别为入射角和衍射分别为入射角和衍射 角，整数角，整数n n为光谱级次，为光谱级次，d d为光栅常数。为光栅常数。当当n=0n=0时，即零级光谱，衍射角与波时，即零级光谱，衍射角与波 长无关，也就是无分光作用。当长无关，也就是无分光作用。当n n 不等于零时，衍射角或反射角不等于零时，衍射角或反射角 随波长随波
26、长 而异，即不同波长的辐射经光栅反射而异，即不同波长的辐射经光栅反射 后将分散在不同空间位置上，这就是光栅进行分光的依据后将分散在不同空间位置上，这就是光栅进行分光的依据。第31页/共48页平面反射光栅平面反射光栅（闪耀光栅，小阶梯光栅）：（闪耀光栅，小阶梯光栅）：将平行的狭缝刻制成具有相同形状的刻槽（多为将平行的狭缝刻制成具有相同形状的刻槽（多为三角形），此时，入射线的小反射面与夹角三角形），此时，入射线的小反射面与夹角 一定，一定，此时反射线集中于一个方向，从而使光能集中于所需此时反射线集中于一个方向，从而使光能集中于所需要的一级光谱上。此种光栅又称闪耀光栅。当要的一级光谱上。此种光栅又称
27、闪耀光栅。当=时，在衍射角时，在衍射角 方向可获得最大的光强，方向可获得最大的光强，也称为闪耀也称为闪耀角。角。如下图所示。如下图所示。第32页/共48页 A AB BC CD Dd d P P0 0距离距离相相对对强强度度P P1 1由于由于 CAB=，DAB=，因此，因此，CB=d sin,BD=dsin 显然，衍射光束显然，衍射光束2的运行距离比衍射光束的运行距离比衍射光束1长长（CB+BD）当当（CB+BD）是是入入射射波波长长的的整整数数倍倍，即即当当（CB+BD）=n 时时，两衍射光束发生叠加，并产生明线。两衍射光束发生叠加，并产生明线。因此可得光栅方程：因此可得光栅方程：12第3
28、3页/共48页光栅特性光栅特性角色散率角色散率d/d：线色散率线色散率dl/d:从从上上式式中中可可见见，色色散散率率近近似似与与衍衍射射角角无无关关，或或者者说说，在在同同一一级级光光谱谱上上，各各谱谱线线是是均均匀匀排排列列的的！可可通通过过增加增加f 值和减小值和减小d 值来提高色散率。值来提高色散率。分辨率分辨率R：N光栅总刻线数（条）；光栅总刻线数（条）；W光栅被照亮的宽度（光栅被照亮的宽度（mm）；）；d光栅常数光栅常数(mm)第34页/共48页3）狭缝（）狭缝（Slit）构成：狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的金构成：狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的金属组成。两片金属处
29、于相同平面上且相互平行。属组成。两片金属处于相同平面上且相互平行。入射狭缝可看作是一个光源，在相应波长位置，入射狭缝可看作是一个光源，在相应波长位置，入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。有效带宽：整个单色器的分辨能力除与分光元件的色有效带宽：整个单色器的分辨能力除与分光元件的色散率有关外，还与狭缝宽度有关。即单色器的分散率有关外，还与狭缝宽度有关。即单色器的分辨能力（有效带宽辨能力（有效带宽S）应由下式决定：）应由下式决定：D=倒线色散率；倒线色散率；W=狭缝宽度。当单色仪的色散率固定时，波长间隔将狭缝宽度。当单色仪的色散率固定时，波长间隔将随狭缝宽度变化。随狭
30、缝宽度变化。第35页/共48页狭缝宽度的选择原则狭缝宽度的选择原则 定性分析：选择较窄的狭缝宽度定性分析：选择较窄的狭缝宽度提高分辨率，提高分辨率，减少其它谱线的干扰，提高选择性；减少其它谱线的干扰，提高选择性；定量分析：选择较宽的狭缝宽度定量分析：选择较宽的狭缝宽度增加照亮狭缝增加照亮狭缝 的亮度，提高分析的灵敏度；的亮度，提高分析的灵敏度；应根据样品性质和分析要求确定狭缝宽度。并通应根据样品性质和分析要求确定狭缝宽度。并通 过条件优化确定最佳狭缝宽度。过条件优化确定最佳狭缝宽度。与发射光谱分析相比，原子吸收光谱因谱线数少，与发射光谱分析相比，原子吸收光谱因谱线数少，可采用较宽的可采用较宽的
31、狭缝。但当背景大时，可适当减小狭缝。但当背景大时，可适当减小 缝宽。缝宽。第36页/共48页3.吸收池（吸收池（Samplecontainer，Cell，Cuvette）除除发发射射光光谱谱外外，其其它它所所有有光光谱谱分分析析都都需需要要吸吸收收池池。盛放试样的吸收池由光透明材料制成。盛放试样的吸收池由光透明材料制成。v石英或熔融石英：紫外光区石英或熔融石英：紫外光区可见光区可见光区3 m；v玻璃：可见光区（玻璃：可见光区（350-2000nm）；）；v透明塑料：可见光区（透明塑料：可见光区（350-2000nm）；）；v盐窗（盐窗（NaCl,NaBr晶体）：红外光区。晶体）：红外光区。第3
32、7页/共48页4.4.光电转换器光电转换器（Transducer）A A）定定义义：光光电电转转换换器器是是将将光光辐辐射射转转化化为为可可以以测测量量的的电电信号的器件。信号的器件。S=kP+kd=kPK:K:校正灵敏度；校正灵敏度；P P：辐射功率；：辐射功率；k kd d:暗电流（可通过线路补偿，使为暗电流（可通过线路补偿，使为0 0）B B）理想的光电转换器要求：）理想的光电转换器要求：灵敏度高；灵敏度高；S/NS/N大；大；暗电流小；暗电流小；响应快且在宽的波段内响应恒定。响应快且在宽的波段内响应恒定。第38页/共48页第39页/共48页硒光电池硒光电池+-SeFe(Cu)h 玻璃玻
33、璃Ag(Au)透明膜透明膜-收集极收集极塑塑料料-(当外电阻当外电阻400，i=10-100 A)优点：优点：光电流直接正比于辐射能；光电流直接正比于辐射能；使用方便、便于携带（耐用、成本低）；使用方便、便于携带（耐用、成本低）；缺点：缺点：电阻小，电流不易放大；响应较慢。电阻小，电流不易放大；响应较慢。只在高强度辐射区较灵敏；只在高强度辐射区较灵敏；长时间使用后，有长时间使用后，有“疲劳疲劳”(fatigue)现象。现象。第40页/共48页真空光电管真空光电管90V DC直流放大直流放大阴极阴极R-+光束光束e阳极丝（阳极丝（Ni）抽真空抽真空阴阴极极表表面面可可涂涂渍渍不不同同光光敏敏物物
34、质质：高高灵灵敏敏(K,Cs,Sb其其中中二二者者)、红红光光敏敏(Na/K/Cs/Sb,Ag/O/Cs)、紫紫外外光光敏敏、平平坦坦响响应应(Ga/As，响响应应受受波波长长影影响响小小)。产生的光电流约为硒光电池的。产生的光电流约为硒光电池的1/10。优点：优点：阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。缺点：缺点：有微小暗电流（有微小暗电流（Darkcurrent，40K的放射线激发）。的放射线激发）。第41页/共48页光电倍增管（光电倍增管（photomultipliertube,PMT）石英套石英套光束光束1个光子产生个光子产生106107个电子个电子阴
35、极，阴极，Grill阳极阳极屏蔽屏蔽光电倍增管示意图光电倍增管示意图共有共有9个打拿极个打拿极(dynatron)，所加直流电压共为，所加直流电压共为90 10V第42页/共48页900Vdc90V123456789阳极阳极阴极阴极石英封石英封读出装置读出装置R光电倍增管（光电倍增管（PMT）电路图）电路图优点：优点：高灵敏度；响应快；适于弱光测定，甚至对单一光子均可响应。高灵敏度；响应快；适于弱光测定，甚至对单一光子均可响应。缺点：缺点：热发射强，因此暗电流大，需冷却（热发射强，因此暗电流大，需冷却（-30oC)。不得置于强光。不得置于强光(如如日光日光)下，否则可永久损坏下，否则可永久损坏
36、PMT！第43页/共48页光电二极管阵列，光电二极管阵列，PDASiO2窗窗p型硅型硅n 型硅基型硅基pnpnpnpnpnpn0.025mm2.5mm侧视侧视(crosssection)顶视顶视(topview)光束光束说明：说明：i.在一个硅片上，许多在一个硅片上，许多pn 结以结以一维线性排列一维线性排列，构成，构成“阵列阵列”；ii.每个每个pn 结或元（结或元（element，64-4096个）相当于一个硅二极管检测器；个）相当于一个硅二极管检测器；iii.硅片上布有集成线路，使每个硅片上布有集成线路，使每个pn 结相当于一个独立的光电转换器；结相当于一个独立的光电转换器；iv.硅片上
37、置于分光器焦面上，经色散的不同波长的光分别被转换形成电信号；硅片上置于分光器焦面上，经色散的不同波长的光分别被转换形成电信号；v.实现多波长或多目标实现多波长或多目标同时（同时（simultaneously）检测。检测。PDA在灵敏度、线性范围和在灵敏度、线性范围和S/N方面不如光电倍增管。应用较少。方面不如光电倍增管。应用较少。第44页/共48页第45页/共48页热检测器热检测器包括：热电偶，热辐射计及热释电检测器。包括：热电偶，热辐射计及热释电检测器。这这类类检检测测器器主主要要用用于于红红外外及及Raman光光谱谱分分析析中，拟在以后相关章节作介绍。中，拟在以后相关章节作介绍。第46页/共48页教学要求了解光学分析法的分类，掌握光学分析法的基本特性。掌握光谱分析法的组成仪器，了解单色器的分光特征。第47页/共48页感谢您的欣赏！感谢您的欣赏！第48页/共48页