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0431-81702023
光學工程
光譜技術的簡介、應用及其發展

光波是由原子內部中運動的電子產生的。由于每種物質的原子內部電子的運動情況都不同,所以它們發射的光波也不同。研究不同物質的發光以及吸收光的情況,有很重要的理論和實際意義,現在已成為一門專業的學科——光譜學。

發射光譜物體發光直接產生的光譜叫做發射光譜。發射光譜有兩種類型,連續光譜和明線光譜。

連續分布的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續光譜。熾熱的固體、液體和高壓氣體的發射光譜是連續光譜。例如電燈絲發出的光、熾熱的鋼水發出的光都形成連續光譜。

只含有一些不連續的亮線的光譜叫做明線光譜。明線光譜中的亮線叫做譜線,各條譜線對應于不同波長的光。稀薄氣體或金屬的蒸氣的發射光譜是明線光譜。明線光譜是由游離狀態的原子發射的,所以也叫原子光譜。觀察氣體的原子光譜,可以使用光譜管,它是一支中間比較細的封閉的玻璃管,里面裝有低壓氣體,管的兩端有兩個電極。把兩個電極接到高壓電源上,管里稀薄氣體發生輝光放電,產生一定顏色的光。

觀察固態或液態物質的原子光譜,可以把它們放到煤氣燈的火焰或電弧中去燒,使它們氣化后發光,就可以從分光鏡中看到它們的明線光譜。

實驗證明,原子不同,發射的明線光譜也不同,每種元素的原子都有一定的明線光譜。每種原子只能發出具有本身特征的某些波長的光,因此,明線光譜的譜線叫做原子的特征譜線。利用原子的特征譜線可以鑒別物質和研究原子的結構。

吸收光譜高溫物體發出的白光(其中包含連續分布的一切波長的光)通過物質時,某些波長的光被物質吸收后產生的光譜,叫做吸收光譜。例如,讓弧光燈發出的白光通過溫度較低的鈉氣(在酒精燈的燈心上放一些食鹽,食鹽受熱分解就會產生鈉氣),然后用分光鏡來觀察,就會看到在連續光譜的背景中有兩條挨得很近的暗線,這就是鈉原子的吸收光譜。值得注意的是,各種原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的發射光譜中的一條明線相對應.這表明,低溫氣體原子吸收的光,恰好就是這種原子在高溫時發出的光。因此,吸收光譜中的譜線(暗線),也是原子的特征譜線,只是通常在吸收光譜中看到的特征譜線比明線光譜中的少。

光譜分析由于每種原子都有自己的特征譜線,因此可以根據光譜來鑒別物質和確定它的化學組成,這種方法叫做光譜分析。做光譜分析時,可以利用發射光譜,也可以利用吸收光譜。這種方法的優點是非常靈敏而且迅速。某種元素在物質中的含量達10-10克,就可以從光譜中發現它的特征譜線,因而能夠把它檢查出來。

光譜分析在科學技術中的應用

① 在檢查半導體材料硅和鍺是不是達到了高純度的要求時,就要用到光譜分析;

② 在歷史上,光譜分析還幫助人們發現了許多新元素,例如銣和銫就是從光譜中看到了以前所不知道的特征譜線而被發現的;

③光譜分析對于研究天體的化學組成也很有用。十九世紀初,在研究太陽光譜時,發現它的連續光譜中有許多暗線。最初不知道這些暗線是怎樣形成的,后來人們了解了吸收光譜的成因,才知道這是太陽內部發出的強光經過溫度比較低的太陽大氣層時產生的吸收光譜。仔細分析這些暗線,把它跟各種原子的特征譜線對照,人們就知道了太陽大氣層中含有氫、氦、氮、碳、氧、鐵、鎂、硅、鈣、鈉等幾十種元素。

復色光經過色散系統分光后按波長的大小依次排列的圖案,如太陽光經過分光后形成按紅橙黃綠藍靛紫次序連續分布的彩色光譜。有關光譜的結構,發生機制,性質及其在科學研究、生產實踐中的應用已經累積了很豐富的知識并且構成了一門很重要的學科~光譜學。光譜學的應用非常廣泛,每種原子都有其獨特的光譜,猶如人們的“指紋”一樣各不相同。它們按一定規律形成若干光譜線系。原子光譜線系的性質與原子結構是緊密相聯的,是研究原子結構的重要依據。應用光譜學的原理和實驗方法可以進行光譜分析,每一種元素都有它特有的標識譜線,把某種物質所生成的明線光譜和已知元素的標識譜線進行比較就可以知道這些物質是由哪些元素組成的,用光譜不僅能定性分析物質的化學成分,而且能確定元素含量的多少。光譜分析方法具有極高的靈敏度和準確度。在地質勘探中利用光譜分析就可以檢驗礦石里所含微量的貴重金屬、稀有元素或放射性元素等。用光譜分析速度快,大大提高了工作效率,還可以用光譜分析研究天體的化學成分以及校定長度的標準原器等。

復色光經過色散系統(如棱鏡、光柵)分光后,按波長(或頻率)的大小依次排列的圖案。例如,太陽光經過三棱鏡后形成按紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫次序連續分布的彩色光譜。紅色到紫色,相應于波長由7700-3900埃的區域,是為人眼所能感覺的可見部分。紅端之外為波長更長的紅外光,紫端之外則為波長更短的紫外光,都不能為肉眼所覺察,但能用儀器記錄。

因此,按波長區域不同,光譜可分為紅外光譜、可見光譜和紫外光譜;按產生的本質不同,可分為原子光譜、分子光譜;按產生的方式不同,可分為發射光譜、吸收光譜和散射光譜;按光譜表觀形態不同,可分為線光譜、帶光譜和連續光譜。

光譜分如下幾種形式

① 線狀光譜。

由狹窄譜線組成的光譜。單原子氣體或金屬蒸氣所發的光波均有線狀光譜,故線狀光譜又稱原子光譜。當原子能量從較高能級向較低能級躍遷時,就輻射出波長單一的光波。嚴格說來這種波長單一的單色光是不存在的,由于能級本身有一定寬度和多普勒效應等原因,原子所輻射的光譜線總會有一定寬度(見譜線增寬);即在較窄的波長范圍內仍包含各種不同的波長成分。原子光譜按波長的分布規律反映了原子的內部結構,每種原子都有自己特殊的光譜系列。通過對原子光譜的研究可了解原子內部的結構,或對樣品所含成分進行定性和定量分析。

② 帶狀光譜。

由一系列光譜帶組成,它們是由分子所輻射,故又稱分子光譜。利用高分辨率光譜儀觀察時,每條譜帶實際上是由許多緊挨著的譜線組成。帶狀光譜是分子在其振動和轉動能級間躍遷時輻射出來的,通常位于紅外或遠紅外區。通過對分子光譜的研究可了解分子的結構。

③ 連續光譜。

包含一切波長的光譜,赤熱固體所輻射的光譜均為連續光譜。同步輻射源(見電磁輻射)可發出從微波到X射線的連續光譜,X射線管發出的軔致輻射部分也是連續譜。

④ 吸收光譜。

具有連續譜的光波通過物質樣品時,處于基態的樣品原子或分子將吸收特定波長的光而躍遷到激發態,于是在連續譜的背景上出現相應的暗線或暗帶,稱為吸收光譜。每種原子或分子都有反映其能級結構的標識吸收光譜。研究吸收光譜的特征和規律是了解原子和分子內部結構的重要手段。吸收光譜首先由J.V.夫瑯和費在太陽光譜中發現(稱夫瑯和費線),并據此確定了太陽所含的某些元素。具體的元素光譜:紅色代表硫元素,藍色代表氧元素,而綠色代表氫元素。

 

譜技術和光譜儀器持續向高科技知識密集化方向發展

20世紀末已經發展和成熟的數字化、智能化、網絡化光譜分析檢測技術和光譜儀器,目前已成為光譜技術和光譜儀器持續發展的主要方向;以光學原理為基礎、以精密機械為構架、以電子信號處理為顯示的傳統光-機-電一體化光譜儀器已經退縮為現代光譜儀器中的二等地位組成,而數字化、智能化、網絡化等部分已成為儀器的核心組成。近期國內外新穎光譜儀器新產品層出不窮,其主要變化或進展大部分都體現在核心數字化組成方面,光機電%基本組成沒有實質性的變化。

可以預計,雖然光機電%基本組成也會隨著全球高科技發展而不斷更新,例如2004年德國Zeiss公司推出應用連續光源、交叉色散系統的contrAA連續光源原子吸收分光光度計構成的核心組成的不斷吸收最新高科技發展成果而不斷更新,而且使光譜儀器發生出人意料的革命性變化,將是今后若干年光譜儀器事業持續發展的主流方向。例如,在數字化高科技基礎上將光譜分析技術與光學成像技術巧妙結合發展出光譜成像技術,將光譜技術進化到既能完成定性、定量分析,又可進行定位分析的新科技,滿足新世紀提出的?看到人腦組織中化學、生化成分分布圖%之類的新要求。

現代科技在高集成器件技術(如芯片技術)、傳感器、微型器件、硅工藝方面的成果日新月異,其功能、性能常有驚人的進展,而現代信息理論、數學處理方法、計算軟件系統也在不斷發展,這些成果都會很快被吸收入新穎光譜儀器事業的持續發展進程中。例如,傳統的一維信息獲取、處理思維正在被多維信息獲取和處理思維所取代,這必然將目前一臺儀器只能針對一個檢測目標獲取單一分析檢測信息的光譜儀器?進化%到借助復合多維、多功能傳感器和多維信息實時處理、運算手段,從而同時給出實時多維信息的全新面貌;也就是說,一臺光譜儀器不單可以給出檢測試樣的光譜曲線(從而獲得試樣成分信息),而是可同時給出試樣成分及其變化,以及諸如化學結構、物理形態、活性狀態等相關信息及其變化等。發展多維信息化光譜儀器就可避免瞎子摸象式只能給出?象是彎曲的管狀物(只摸到象鼻)或象是圓柱狀的(只摸到象腿)的單維信息造成的片面或錯誤理解或判斷,不但可給出象的整體描述,而且可以給出例如象皮粗糙程度、象體重量、象走動速度、象體不同部位溫度分布等多維信息。新世紀科技、經濟、社會、軍事發展,迫切需求掌握事物的實時多維信息,用很多臺只能分別給出不同單維信息的儀器去描述、記錄,評判復雜、多變、多相關的科技、經濟、社會和軍事對象,給出一大堆互不相關、難以比對分析的信息,確實已不能適應新發展形勢的新要求。

光譜儀器事業繼續沿著全方位發展的道路持續發展光譜技術和光譜儀器在現代科技、現代大產業(大規模自動化生產、大規模可控科技農業等)的持續發展要求下,不但會繼續發展高精度、多功能大型光譜分析檢測儀器或相應的系統,以滿足諸如現代航空航天、環境生態保護、自然災害預測預報、全球性傳染病(愛滋、禽流感、非典、瘧疾)控制、大規模戰爭和恐怖活動控制等領域的分析檢測要求,會發展大量新的高靈敏、高分辨、高可靠、多維信息的科學型光譜儀器或系統,并得到快速推廣應用;而且會更多地出現可在現場、生產線、戰場實地工作、無人監守、聯網工作的種種新穎的實用型光譜儀器或系統,成為大批量生產在線測控、野外環境監測等領域必不可少的分析檢測手段。這種光譜儀器必須跳出實驗室設備%、大型精密貴重儀器%的框子,能忍受現場、野外(包括太空)的嚴酷工作環境及強、亂、變化多端的干擾(如強電磁干擾、惡劣氣候變化等)、能無人值守、脫離電網長期工作、自動監測、自動調整最佳工作狀態、自動聯網交換信息。因此,大型精密研究級光譜儀器與現場、在線測控實用級光譜儀器或系統,今后一二十年都會受到重視會得到顯著發展。

光譜儀器的應用面繼續拓寬

今后光譜儀器仍會沿著上世紀末已開始的應用面拓寬、轉移的方向發展,將由傳統科技基礎學科(理、化、天文、生物)、礦物分析、工業產品質量控制等理論研究、物質生產領域繼續向生物醫學、環境生態、社會安全、國防建設等與人直接相關的領域拓展。近年來,國內外已經發展種種直接與人相關的光譜儀器,可直接獲取來自人體皮膚的熒光,從而檢測化妝品、藥品的應用效果、皮膚增生、頭發損傷、紫外線防護效果等,儀器不必樣品制備、也無樣品池,使用方便;也可用于水質分析、土壤分析、環境分析以及農產品、食品、化妝品分析等。

 

可以預計,今后相當長時期內光譜儀器事業仍然將繼續拓展應用面:科技部門將不斷提出開發出新的應用領域或新的應用要求,尤其是直接與人相關的應用新要求;儀器研發、生產單位會不斷根據種種新的應用需求、推出種種新穎光譜儀器,而且市場前景將會成為光譜儀器或系統的研發、生產重點;在多領域大發展形勢下,光譜分析檢測的應用會不斷更新,廣大的光譜分析用戶會開發出種種新的光譜分析方法,提出新的應用要求和對新穎光譜儀器的開發要求。我們會面臨前所未見的光譜儀器事業方方面面的不斷獲得新應用成果的持續發展局面。

近紅外光譜分析技術和儀器不斷成熟和推廣應用

上世紀后期,由于發展形勢提出的要求以及化學計量學%、新穎數學方法、計算機軟硬件等方面的發展,近紅外光譜分析技術得到復興,多種近紅外光譜儀器不斷涌現。由于近紅外光譜分析技術有樣品制備簡便(甚至不需制備處理可直接分析)、可實現在線分析檢測、可完成多組分同時分析等優點,全球范圍出現近紅外光譜的發展熱潮;我國石油化工研究院、中國農業大學等單位也正開發出油品檢測近紅外光譜儀、農產品分析近紅外光譜儀等,在科研、應用領域獲得很大發展成果。

光譜儀器小型化成為目前和今后的發展潮流

傳統光譜儀器不但是大型精密、貴重儀器,而且對工作環境條件(溫度、濕度、振動、電磁干擾要求嚴酷,必須要由專業分析人員)。為適應全球發展形勢,上世紀后期已有強烈的光譜儀器小型化、便攜式、現場化的需求,并已出現光譜儀器小型化的潮流,研發小型化光譜儀器成為各國科技、產業部門的關注重點。至于現代軍事科技發展迫切需求的戰場、現場快速放射、生物、化學武器偵查的便攜式光譜儀,今后若干年會成為全球各國研發重點。

可以預見,全球多領域的發展對小型化光譜儀器的研發、生產和應用需求會更加的迫切,小型化光譜儀器一定會成為今后相當長時期內備受關注的話題和研究的方向!

 


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