光学与光谱学
光学实验室简介研究光学成像与光谱分析技术
光学实验室简介研究光学成像与光谱分析技术光学实验室简介光学实验室是一个致力于研究光学成像与光谱分析技术的科研机构。
我们的实验室拥有先进的仪器设备和专业的研究团队，致力于推动光学领域的创新与发展。
一、实验室设备光学实验室拥有一系列先进的仪器设备，包括光学显微镜、光谱仪、激光器、干涉仪等。
这些设备能够帮助我们进行高精度的光学成像和光谱分析实验，为研究提供重要的数据支持。
光学显微镜是实验室中最常用的设备之一。
它能够通过聚焦和放大光线，使我们能够观察微观物体的细节和结构。
光学显微镜广泛应用于生物学、材料科学和纳米技术等领域的研究中。
光谱仪是另一个重要的设备。
它能够将光线分解成不同波长的光谱，并通过检测光谱的强度、频率等参数，来研究物质的组成和性质。
光谱仪在化学分析、生物医学和环境科学等领域都有广泛的应用。
激光器是光学实验室中的关键设备之一。
它产生的高强度、单色性好的激光光束，可用于光学成像、激光切割和光谱分析等方面。
激光器在光通信、医学治疗和材料加工等领域有着广泛的应用前景。
干涉仪是一种测量光波相位差的仪器，其利用光的干涉现象来研究光的性质。
干涉仪在光学成像、光学计量和光学检测等方面有着重要的应用，能够提供精确的测量结果。
二、研究方向本实验室的研究主要集中在光学成像与光谱分析技术领域。
我们利用先进的仪器设备和研究方法，开展以下研究方向：1. 高分辨率光学成像技术：利用光学显微镜和激光扫描成像技术，研究微观结构和生物细胞的高分辨率成像方法，并探索应用于生物医学和纳米技术领域的潜在应用。
2. 光谱分析与材料表征：应用光谱仪和干涉仪等设备，研究物质的光谱特性和表面形貌，通过光谱分析提取有关物质组成、纯度和结构的信息，为纳米材料、药物研发等领域提供技术支持。
3. 激光技术与光学探测：利用激光器和干涉仪等设备，研究激光在光学传感、光学计量和光学通信等方面的应用，探索激光技术在环境监测、无损检测和光纤通信等领域的新应用。
光学光谱学中的红外光谱技术
光学光谱学中的红外光谱技术红外光谱技术是光学光谱学中一项重要的分析方法，广泛应用于化学、物理、生物等领域。
本文将对红外光谱技术的基本原理、仪器设备以及应用进行介绍。
一、红外光谱技术的基本原理红外光谱技术是利用物质在红外辐射下吸收、散射和透射的特性来研究物质的结构和性质。
红外辐射的波长范围介于可见光和微波之间，通常以波长单位为cm^-1进行表示。
这种辐射具有穿透性，可以穿过许多物质并被吸收，因此能够提供物质的结构信息。
红外光谱仪主要由光源、样品室、光学系统、检测器和数据处理系统等组成。
光源通常采用红外光源，如红外线灯或红外线激光器。
样品室用于放置样品并调节光路，在通常情况下，样品室需要保持真空或者由干燥无氧气氛填充。
光学系统用于将入射的红外光聚焦到样品上，并收集经过样品后的光信号。
检测器负责将收集到的光信号转化为电信号，并通过数据处理系统进行处理和分析。
二、红外光谱技术的应用红外光谱技术在化学、物理、生物等领域有着广泛的应用。
化学应用方面，红外光谱技术可以用来研究物质的化学结构以及化学反应的机理。
通过红外光谱分析，我们可以判断有机化合物的官能团类型和位置，进而确定其结构。
此外，红外光谱还可用于鉴定和定量分析样品中的有机或无机成分。
物理应用方面，红外光谱技术可以用来研究固体材料的晶体结构以及分子之间的相互作用。
通过测量样品在不同温度下的红外光谱，可以研究材料的热性质和相变过程。
另外，红外光谱技术还可应用于表面科学研究，如表面吸附现象的研究以及薄膜的制备和表征等。
生物应用方面，红外光谱技术可以用来研究生物分子的结构和功能。
通过红外光谱分析，可以了解蛋白质、核酸、多糖等生物大分子的二级结构和构象变化。
此外，红外光谱还可用于研究细胞、组织和体液等生物样品中的化学成分和分子组成。
三、红外光谱技术的进展与挑战近年来，随着技术的不断发展，红外光谱技术在分析领域的应用得到了广泛拓展。
例如，近红外光谱技术已经应用于农业、食品和医药等行业，实现了对大规模样品的快速检测和分析。
第四章 激子光谱
分类： 分类：
紧束缚，Frenkel激子：绝缘体，分子晶体 紧束缚， 激子：绝缘体， 激子 弱束缚， 激子： 弱束缚，Wannier激子：半导体 激子
临界点的作用
∇KEc(K) = ∇KEv(K) = 0 ，∇KEc(K)−∇KEv(K) = 0 −∇ 1 临界点上波包的群速度 VK0 = ℏ [∇ K E ( K )]K0 相等
由原子波函数构造激子波函数， 由原子波函数构造激子波函数，对一维原子链 基态 ϕ g = u1u2 ...u j ...uN −1uN 激发态 激发态的传播， 激发态的传播，紧邻相互作用 F激子波函数：调制的平面波 激子波函数： 激子波函数
ϕ j = u1u2 ...u j −1v j u j +1 ...uN
NaBr上的 激子基态：1S0(由Br- 或Kr原子组态 24p6决定 ， 上的F激子基态 原子组态4s 决定)， 上的 激子基态： 由 原子组态 激发态： 决定） 激发态：2P3/2, 2P1/2, ∆E=0.5eV, (由第一激发态 4p55s1决定） 由第一激发态
4.3 Wannier激子 弱束缚激子 激子—弱束缚激子 激子
自由激子发射与带边发射PL谱 自由激子发射与带边发射 谱
自由激子PL谱 谱线，精细结构；材料纯度高， 自由激子 谱：谱线，精细结构；材料纯度高，结晶质量好 带边发射：谱带，无精细结构；升温，掺杂，改变维度 带边发射：谱带，无精细结构；升温，掺杂，
(a) (b)
GaN的(a)低温下激子发光和 的 低温下激子发光和 低温下激子发光和(b) 室温下带边紫外发光
Hϕ j = Enϕ j + I (ϕ j −1 + ϕ j +1 )
ψk = ∑e
光谱学的基本知识
2、多普勒加宽
3、碰撞加宽
非弹性碰撞展宽洛仑兹线型
弹性碰撞展宽洛仑兹线型弹性和非弹性源自撞展宽洛仑兹线型4、饱和展宽
5、渡越时间展宽
6、均匀和非均匀加宽
参考书
第一章：光谱学的基本知识
1.1：光的发射和吸收
一、吸收、受激发射和自发发射 二、线光谱和连续光谱
1、吸收、受激发射和自发发射
2、线光谱与连续光谱
1.2：光的线宽和线型
一、自然线宽 二、多普勒展宽
三、碰撞展宽（压力展宽）
四、饱和展宽
五、渡越时间展宽
六、均匀展宽和非均匀展宽
1、自然线宽
光谱学的基本原理与分析方法
简介：固体光谱是由于 固体内部电子的跃迁而 产生的光谱，是光谱学 研究的重要领域之一。
分类：根据跃迁类型的 不同，固体光谱可以分 为带状光谱和连续光谱 等类型。
特点：固体光谱具有明 显的特征性和规律性， 可以用于研究固体的结 构、组成和性质等方面。
应用：固体光谱在材料科 学、物理、化学等领域有 着广泛的应用，如材料分 析、化学分析、光谱学研 究等。
定义：原子光谱是原子能级跃迁时发射或吸收的特定频率的光 分类：线状光谱、带状光谱和连续光谱
特点：线状光谱和带状光谱具有特定的波长和频率，可用于元素鉴定；连续光谱则反映了原子所处的热力学状态
应用：原子光谱分析广泛应用于元素分析、化学反应动力学和天体物理等领域
定义：由分子振动和转动能级跃迁产生的光谱 分类：基频、倍频、合频等 特点：与分子结构密切相关，可用于分子结构和化学键的研究 应用：在化学、物理、生物等领域有广泛应用
光的吸收：物质吸收特定波长的光， 产生光谱线
光的发射：物质受激发后，释放出 特定波长的光
光的散射：光在传播过程中，因物 质散射而改变方向和强度
光谱线的产生：原子能级跃迁的结果 光谱线的特征：与原子种类有关，不同原子具有不同的光谱线 光谱线的分类：发射光谱和吸收光谱 光谱线的应用：在化学、物理、天文学等领域有广泛应用
定义：通过测量物 质原子在激发状态 下发射的电磁辐射 来进行分析的方法
原理：不同原子发 射不同特征的光谱， 可用于定性和定量 分析
应用领域：地质、 环保、冶金、食 品等
优点：高灵敏度、 高精度、非破坏 性分析
定义：利用物质对光的吸收特性进 行光谱分析的方法
应用领域：环境监测、化学分析、 生物医学等
分
记录方式：采 用光谱图、表 格等形式记录 光谱数据，便 于查看和比较
光谱学
光谱『spectrum』光谱是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。
光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。
光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。
光波是由原子内部运动的电子产生的．各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同．研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为一门专门的学科——光谱学．下面简单介绍一些关于光谱的知识．分光镜观察光谱要用分光镜，这里我们先讲一下分光镜的构造原理．图6-18是分光镜的构造原理示意图．它是由平行光管A、三棱镜P和望远镜筒B组成的．平行光管A 的前方有一个宽度可以调节的狭缝S，它位于透镜L1的焦平面①处．从狭缝射入的光线经透镜L1折射后，变成平行光线射到三棱镜P上．不同颜色的光经过三棱镜沿不同的折射方向射出，并在透镜L2后方的焦平面MN上分别会聚成不同颜色的像（谱线）．通过望远镜筒B的目镜L3，就看到了放大的光谱像．如果在MN那里放上照相底片，就可以摄下光谱的像．具有这种装置的光谱仪器叫做摄谱仪．种类发射光谱物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱．发射光谱有两种类型：连续光谱[1]和明线光谱．连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱（彩图6）．炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱．例如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱．只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱（彩图7）．明线光谱中的亮线叫做谱线，各条谱线对应于不同波长的光．稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱．明线光谱是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子光谱．观察气体的原子光谱，可以使用光谱管（图6-19），它是一支中间比较细的封闭的玻璃管，里面装有低压气体，管的两端有两个电极．把两个电极接到高压电源上，管里稀薄气体发生辉光放电，产生一定颜色的光．观察固态或液态物质的原子光谱，可以把它们放到煤气灯的火焰或电弧中去烧，使它们气化后发光，就可以从分光镜中看到它们的明线光谱．实验证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种元素的原子都有一定的明线光谱．彩图7就是几种元素的明线光谱．每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此，明线光谱的谱线叫做原子的特征谱线．利用原子的特征谱线可以鉴别物质和研究原子的结构．吸收光谱高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。
光谱学是光学的一个分支学科解析
光谱学光谱学是光学的一个分支学科，它主要研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。
光谱是电磁辐射按照波长的有序排列，根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。
通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。
但是，光谱学技术并不仅是一种科学工具，在化学分析中它也提供了重要的定性与定量的分析方法。
光谱学的发展简史光谱学的研究已有一百多年的历史了。
1666年，牛顿把通过玻璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，他发现白光是由各种颜色的光组成的。
这是可算是最早对光谱的研究。
其后一直到1802年，渥拉斯顿观察到了光谱线，其后在1814年夫琅和费也独立地发现它。
牛顿之所以没有能观察到光谱线，是因为他使太阳光通过了圆孔而不是通过狭缝。
在1814～1815年之间，夫琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线，并以字母来命名，其中有些命名沿用至今。
此后便把这些线称为夫琅和费暗线。
实用光谱学是由基尔霍夫与本生在19世纪60年代发展起来的；他们证明光谱学可以用作定性化学分析的新方法，并利用这种方法发现了几种当时还未知的元素，并且证明了太阳里也存在着多种已知的元素。
从19世纪中叶起，氢原子光谱一直是光谱学研究的重要课题之一。
在试图说明氢原子光谱的过程中，所得到的各项成就对量子力学法则的建立起了很大促进作用。
这些法则不仅能够应用于氢原子，也能应用于其他原子、分子和凝聚态物质。
氢原子光谱中最强的一条谱线是1853年由瑞典物理学家埃斯特朗探测出来的。
此后的20年，在星体的光谱中观测到了更多的氢原子谱线。
1885年，从事天文测量的瑞士科学家巴耳末找到一个经验公式来说明已知的氢原子诺线的位置，此后便把这一组线称为巴耳末系。
继巴耳末的成就之后，1889年，瑞典光谱学家里德伯发现了许多元素的线状光谱系，其中最为明显的为碱金属原子的光谱系，它们也都能满足一个简单的公式。
什么是光谱学？
什么是光谱学？
光谱学是一门研究光的物理特性和化学成分的学科。
它的发展历史可以追溯到18世纪，成为现代科学发展不可或缺的一部分。
从最初的可见光到今天的整个电磁光谱，光谱学已成为了研究物质性质和各种天文现象的重要工具。
那么，究竟什么是光谱学呢？
1. 光的性质
光谱学的研究对象之一是光本身。
我们都知道，光是一种电磁波，是由电场和磁场共同作用而产生的。
光的频率和波长不同，可以分成很多种不同的光线，如红光、橙光、黄光、绿光、蓝光、紫光等，这就是彩虹的现象。
同时，光还具有波粒二象性，即光既可以看做一种波动，也可以看做一种粒子。
2. 光的分析与测量
光谱学的研究对象之二是物质的性质。
物质主要是由原子和分子构成的，不同的原子和分子由于其自身的结构和能级组成，会对不同频率的光的传播产生不同的反应。
利用这一特性，科学家们通过将物质样品照射光线，测量其发射或吸收光谱，来研究物质的组成、结构和性质。
光谱学已经广泛应用于天文学、化学、物理学、材料科学、光学等诸多领域。
例如，透过天体光谱观测，我们可以了解宇宙中的物质构成和演化过程，透过元素的光谱分析，我们可以判断物质中元素的种类和比例，透过生物分子的光谱分析，我们可以探究它们的构造和生物活性等诸多信息。
总之，光谱学是一门学科，它的研究目标是进行物质性质的分析和测量，它的研究方法是通过光的分析和测量实现的。
光谱学虽然面对的研究对象和问题都不一样，但是它们共同的特点是使用同样的工具和技术，从不同的角度来研究物质。
这也是光谱学与其他学科相比具有独特性的原因。
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麦克斯韦电磁理论的缺陷：假定光波是 通过“以太”传播的。
为了寻找“以太”介质，迈克尔逊 （A.A.Michelson）和莫雷（E.W.Moley） 于1887年设计出了一台精密干涉仪，试 图以此观察地球相对“以太”的运动。
结论：通过任何实验都不可能观察到地 球相对于以太运动的任何效应。
1905年，爱因斯坦 （A.Einstein）发表了 著名的狭义相对论。 彻底否定了“以太” 的存在；同时还假设， 光在真空中始终以恒 定的速度传播，与光 源或观察者运动状态 无关。
（6）麦克斯韦电磁理论（19世纪60年代初）
麦克斯韦（J.C.Maxwell）的贡献： 得出了著名的麦克斯韦方程组，预言 出电磁波的存在，并推算出电磁波在 真空中的传播速度与测量得到的光速 值极为接近，进一步预言光是一种电 磁波动，诞生了光的电磁理论。
电磁波的实验证实：
赫兹（H.R.Hertz）通过一系列实验 于1888年证实了电磁波的存在。
现代光学
• 传统光学的研究对象： 以望远镜、显微镜、光谱仪、干涉仪、照 相机等为代表的各种光学仪器及其在精密 测量、光谱分析以及成像等方面的应用。
• 现代光学的重要标志： • 激光技术，信息光学，非线性光学，波导
光学
激光器的发明
• 激光名称的由来：light amplification by stimulated emission of Radiation（受激辐射激发的光放大），缩写 为LASER。故最初的中文名称音译为“镭射”“莱塞”。 1964年由钱学森教授取名为“激光”。
气。发光谓之吐气，受光谓之含气。
• （2）牛顿（Isaac.Newton）的微粒说 （17世纪）光是一种高速运动着的微粒流。 微粒说能够很好地解释光在均匀介质中的直线 传播以及在两种介质分界面上的反射定律，但 在解释折射现象时，会得出与实际情况相反的 结果，并且微粒说也不能解释光的干涉、衍射 和偏振等现象。
（7）电磁波动学说的困境
对于黑体辐射和光电效应实验，无论采用任何假设，只要 是以电磁理论为前提，所得结论都与实验结果相矛盾。
（8）量子论的提出
普朗克（M.Planck）的黑体辐射公式 爱因斯坦的光电效应方程 “光子（photon）”概念的提出
（9）光的本质的再认识
激光与新效应 光是一种特殊的粒子，具有波粒二象性。
光谱学
光谱学是光学的一个分支学科，研究物质 的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。 光谱是电磁辐射按照波长的有序排列。根 据实验条件的不同，各个辐射波长都具有 各自的特征强度。通过光谱研究，人们可 以得到原子、分子等的能级结构、能级寿 命、电子的组态、分子的几何形状、化学 键的性质、反应动力学等多方面物质结构 和性能的知识。光谱学本身是一门科学， 同时它也是一种科学手段。
4、检测器：检测器是将光信号 变为电信号的装置（硒光电池、 光电管、光电倍增管和CCD）
红外吸收光谱仪
（中）红外吸收光谱：当一束具有连续波长的红外 光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或 转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能 量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的 振(转)动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和 转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。 所以，红外光谱法实质上是一种根据分子内部原 子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分 子结构和鉴别化合物的分析方法。将分子吸收红 外光的情况用仪器记录下来，就得到红外光谱图。
仪器原理图
拉曼散射光谱
Raman scattering spectroscopy
THZ
光谱的分类
• 频率 X射线衍射，紫外-可见吸收光谱仪，红外 吸收光谱仪……
• 电磁波传播和接收方式 衍射、散射、透射、吸收和发射光谱
紫外-可见吸收光谱
紫外吸收光谱和可见吸收光谱都属于分子 光谱，他们是由于价电子的跃迁产生的。 利用物质的分子或离子对紫外和可见光的 吸收所产生的紫外可见吸收程度可以对物 质的组成、含量和结构进行分析、测定和 推断。
光学—光谱学—高压原位光谱学
——物理学院
光学
• 定义：光学是研究光的传播以及它和物质 相互作用问题的学科。
• 光学的研究对象、地位和特点： 光是一种重要的自然现象
光学是物理学的一个重要分支 光学学科是一门应用性极强的基础学科
光的本质
• （1）古代元气说（公元前400多年的《墨经》） 光，即火。火属五行之一，五行生于元气，故光生于元
1、光源：提供入射光装置。钨灯（3501000nm）和氘灯（180-360nm）。
2、单色器：是将光源辐射的复合光分成单色 光的光学装置。单色器一般由狭缝、色散 元件和透镜系统组成，其中色散元件是单 色器的核心部件，最常见的色散元件是棱 镜和光栅。
3、吸收池：是用于成装被测量 溶液的装置。一般可见光区使 用玻璃吸收池，紫外区用石英 吸收池（规格有很多）。
பைடு நூலகம் （3）惠更斯（C.Huygens）的波动说
光是在充满整个空间的特殊介质“以太” 中传播的某种弹性波，因此服从波动的传 播规律——惠更斯原理。
利用惠更斯原理不仅能够正确解释光的直 线传播和反射定律，也能够正确解释光的 折射定律以及双折射现象。
• （4）杨氏（T.Young）双缝干涉实验与波 动学说的重新兴起。
• 爱因斯坦的预言（1916）：在组成物质的原子中，有不同 数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，高能级上的粒 子受到某种光子的激发，会从高能级跃迁到低能级上，相 应地会辐射出与激发它的光相同性质的光——受激辐射。 在一定条件，如果能使原子和分子的受激辐射去激发其它 粒子，造成连锁反应，雪崩似的获得放大效果，就可能获 得单色性极强的辐射。
分别通过两个缝的两束光在屏幕上的重 叠区域内形成一组明暗相间的条纹。包涵 了光波波长的概念，并初步测定出了光波 波长的大小。
•。
（5）菲涅耳（A.J.Fresnel） 对光的波动说的贡献
设计了双平面镜和双棱镜干 涉实验，进一步证实了杨氏 关于双缝干涉现象解释的正 确性；发现并解释了菲涅耳 衍射；总结出了菲涅耳公式 及方程