光谱衡量技能

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所属分类:光谱仪器
光谱测量技术_电力/水利_工程科技_专业资料。课程教学大纲 课程名称(中文) :激光光谱学与光谱测量技术 课程名称(英文) :Laser spectroscopy and spectral detection technique 课程性质:
光谱衡量技能

光谱衡量技能

  光谱测量技术_电力/水利_工程科技_专业资料。课程教学大纲 课程名称(中文) :激光光谱学与光谱测量技术 课程名称(英文) :Laser spectroscopy and spectral detection technique 课程性质: (通

  课程教学大纲 课程名称(中文) :激光光谱学与光谱测量技术 课程名称(英文) :Laser spectroscopy and spectral detection technique 课程性质: (通识必修、通识选修、学科基础、专业必修、专业选修、 教师教育)专业必修 学分:2 学时:36 ,其中理论学时:36 ,实践(实验)学时:0 授课对象:电子科学与技术 授课语言:中文 开课院系:物理与材料科学学院 课程网址:(没有请填写“无”)无 撰写人:邓莉 审定人:无 一、课程简介(中文) 《激光光谱学与光谱测量技术》是电子科学技术的专业必修课程。该课程围 绕激光光谱学基本原理及检测方法展开。知识点涵盖基础光学、原子物理学、非 线性光学、光电子技术等学科领域。本课程主要突出激光光谱学基本原理、基础 知识与基本方法, 让学生了解激光光谱新技术与发展方向,为本科生掌握激光光 谱学基础知识及起步相关专业方向研究奠定扎实基础。 本课程适用于具有一定光 学、原子物理基础的高年级学生学习,总学时为 36 学时左右(每周 2 学时,共 1 学期) 。 课程简介(英文) Laser spectroscopy and spectral detection technique is the required course for the students of Electronic Science Technique major. This course mainly revolves around the basic principles and the measurement methods of laser spectroscopy. All the knowledges are related with basic optics, atomic physics, nonlinear optics and electric technique. This course can help students gain the new techniques and the development of the laser spectroscopy, meanwhile is to lay a solid foundation for the students’ further study. It is suitable for the students who have already learned optics and atomic physics. This course has about 36 hours in total (2 hours per week, 18 weeks in one semester). 二、课程目标 通过本课程的学习,使学生对各种光谱测量技术的原理,实现方法,技术技 巧有比较全面的了解。 对各种光谱学技术学习的过程中,可以培养学生根据实际 问题结合物理原理提出解决方案思维能力, 提升全面思考方案可行性并不断优化 方案的理念。 三、教学内容、学时分配和作业要求 第一章 光谱学基础知识(学时 2) 本章总结了光谱学的基础知识。首先在了解光本性的基础上,介绍光与物质 相互间的作用。基于能级跃迁理论,揭示光谱中所反映的物质能级信息,光谱的 宽度和线型表征光谱的重要参数。 教 学 内 容 学时 2 习题要求 思考题: 掌握光的本性; 熟练掌握原子的振荡模 型; 光在介质中传播的吸收 与色散; 掌握能级布居的概念, 跃迁模型和爱因斯坦跃 迁几率 光谱的特征,区分原子 光谱、分子光谱;电子 光谱、振动光谱、转动 光的基本特性 (以经典的波动 光学为主) 发射、吸收和色 散的经典理论 教 学 要 点 和 建 议 这部分知识主要是对光谱 测量中需要的光谱学知识 进行梳理和汇总,理清知 识点之间的关系,为介绍 光谱测量技术打基础。 能级跃迁 光与物质相互作 用的光谱效应 光谱;区分荧光、磷光 谱线宽度和线型的定 义, 会在光谱图中标出; 掌握自然展宽;多普勒 展宽的线型;掌握不同 展宽的机制和相对应的 线型 谱线宽度与线型 第二章 光谱仪与弱信号检测仪(学时 5) 本章主要介绍光谱仪中最常用的光栅光谱仪、F-P 干涉仪的结构和分光原 理;对于弱信号,需要用到一些特殊的表征参数,对干扰信号的噪声进行甄别和 特殊处理; 探测弱信号需要用到特殊的探测设备, 如: 光电探测器、 锁相放大器、 取样平均器、单光子计数器、光学多通道分析仪等,这些探测设备都用到特殊的 原理和技术避开噪声的干扰,需要学生认真学习体会。 教 学 内 容 光谱仪 (光栅光谱仪、干 涉仪、傅里叶光谱 仪) 学时 习 题 要 求 3 衍射光栅的分光原 理、表征参数;闪耀 光栅的特殊构造和 强度分布特点; 光栅 单色仪的工作原理 教 学 要 点 和 建 议 在这部分教学内容中,需要比 较光栅和 F-P 干涉仪的干涉原 理以及它们各自的应用特点, 以加强学生的记忆;光电探测 器的工作原理、材料构成、使 用方法需要学生掌握,利用光 F-P 干涉原理;扫描 电探测器组装成的微通道板 干涉仪的工作原理; 和 CCD 是在不同的探测需求下 傅里叶变换光谱仪 进行应用,其功能有所不同。 的构造和工作原理 噪声源的分类, 如何 减少噪声的干扰; 信 号噪声比的概念 光电倍增管结构与 原理; 光电倍增管的 分类和适用范围, 响 应特性; 微通道板和 CCD 的工作原理 2 模拟相关器的原理; 在这部分教学内容中,需要学 锁相放大器的组要 生要掌握光谱学技术常用的 信号与噪声 光电探测器 微弱信号测量: 锁相放大器 取样平均器 构成; 锁相放大器的 仪器的工作原理、参数设置、 放大原理; 调制技术 应用范围,为在后面实际光谱 的实现 技术实现的仪器选择打下基 础。 取样平均原理; BOXCAR 平均器工作 原理;参数的设置 光子计数系统的原 理; 光子计数的噪声 和计数误差产生原 因 光学多道分析仪的 结构;CCD 光电阵列 的工作原理 单光子计数器 光学多通道分析仪 第三章 光谱技术中的激光光源 (学时 2) 此章节在《激光原理及技术》这门课程基础上,首先介绍激光光源与非 相干光源相比在光谱检测方面存在着明显的优势, 然后简单介绍常用激光器和用 激光器用于光谱测量的优势, 然后根据各种激光器的特点,介绍其在光谱探测方 面的应用选择。 教 学 内 容 学时 习 题 要 求 2 介绍激光光源与非相 干光源相比在光谱检 测方面存在着明显的 优势 介绍常见的几种固 体、气体、染料、半 导体、光纤激光器、 超短脉冲激光器以及 它们在光谱检测中的 应用选择 教 学 要 点 和 建 议 在这部分教学内容中,让学 生掌握在光谱测量中常见激 光器产生激光的共性和个 性,了解不同类型的激光器 在光谱测量中的不同优势和 对于提高光谱测量的精准度 的不同贡献。由于激光器更 新发展得很快,这章的介绍 需要与激光器最新产品同 步,以拓展学生的视野。 光谱学中常用的激 光光源 第四章 激光吸收光谱技术 (学时 4) 本章从常规的吸收光谱开始介绍,然后引出激光吸收光谱,在激光吸收光 谱的设备上加入锁相放大技术、谐振腔等就可以实现高灵敏度吸收光谱的测量。 耦合双共振光谱技术拓展了测量的频谱范围, 快速吸收光谱技术则将吸收光谱测 量从频域拓展到了时域, 外场扫描吸收光谱技术则利用外加磁场或电场改变物质 自身的吸收频率, 以克服光源频谱范围的局限。光声与光热光谱技术则是通过测 量声与热的变化间接测量吸收光谱。 学生可以从此章节的学习感受到吸收光谱发 展的脉络, 和不断利用新技术突破测量极限的思路。这一思路也贯穿于以后章节 的学习中。 教 学内容 基本吸收光谱技 术 学时 2 习题要求 Lambert-Beer 定 律; 吸收光谱的特点 和应用; 频率、 波长调制光谱 技术的原理和特点; 腔内吸收光谱技术 的原理、特点;外腔 吸收光谱技术的原 理和特点; 掌握如何 从光谱中提取被测 物的能级信息 光学-光学耦合双共 振的的原理和能级 示意图; 快速吸收光谱技术 测量能级布居的原 理和具体实验光路 激光磁共振光谱的 测量原理; 斯塔克光 谱技术的的测量原 理和特点; 具体的实 验装置实现 高灵敏度吸收光 谱技术 教 学 要 点 和 建 议 本章节的内容是光谱测量技 术的基础,第六章无多普勒 光谱技术将会运用此章节的 知识。学生可将基本吸收光 谱技术、高灵敏度吸收光谱 技术、耦合双共振与快速吸 收光谱技术的原理和实现进 行对比学习, 它们既有联系,都是吸收光 谱技术,但又解决不同的问 题,光谱信息提取的方式也 大不相同。 耦合双共振与快 速吸收光谱技术 外场扫描吸收光 谱技术 2 光声与光热光谱 技术 外场扫描吸收光谱技术、光 声与光热光谱技术都需要添 加其它的特殊设备实现光谱 测量,以克服光源频率和被 测物能级不匹配或解决测量 环境特殊性问题。很好地理 光声光谱技术原理 解光谱的测量原理,有助于 和相关设备; 光热偏 学生拓展解决问题的思路。 转光谱技术的原理 和相关设备 第五章 激光诱导发射光谱技术(学时 4) 发射光谱技术在光谱测量技术中与吸收光谱技术的地位相同,是其它光谱 技术的基础。 本章节在激光诱导荧光光谱技术的基础上,添加其它调制放大技术 和特殊设备, 可以实现时域的时间分辨荧光光谱测量,也可以将多光子荧光结合 超声射流技术实现高灵敏发射光谱测量, 根据等离子光谱特点研究激光烧蚀等实 际问题。 教 学 内 容 激光诱导荧光光 谱技术 学 时 2 习题要求 各种荧光发射的原 理;荧光的速率方 程;荧光光谱的特 点;测量荧光的实 验装置; 荧光寿命的测量原 理;时间分辨荧光 测量技术特点;实 验装置图 多光子激发的原 理; 什么是虚能级; 单光子和双光子的 跃迁定则的本质区 别;超声射流技术 的原理和特点; 等离子体的产生过 程,光谱特点;激 光烧蚀与等离子体 形成之间的关系; 如何利用等离子光 谱实时监测激光烧 蚀的过程 教 学 要 点 和 建 议 在这部分教学内容中,速率 方程是需要学生必须掌握的 理论部分。区分实现荧光频 域和时域测量中所使用的不 同的原理和技术。 时间分辨荧光 多光子荧光与超 声射流技术 2 激光等离子体发 射光谱技术 首次引入非线性光学中的 “虚能级”的概念,应帮助 学生充分理解。要区分多光 子跃迁的本质。超声射流技 术在光谱测量中是常用的技 术,应掌握它的技术特点, 相关的设备要求。等离子体 的光谱是比较复杂的,需要 学生充分理解,从等离子体 光谱到监测激光烧蚀过程, 是光谱技术在工程中使用的 实用化过程,可引导学生仔 细体会。 第六章 无多普勒展宽光谱技术 (学时 4) 基于第四章激光吸收光谱技术学习的基础上,采用特殊手段克服光谱测量 中的多普勒展宽效应,实现高灵敏度测量,因此提出无多普勒展宽光谱技术。饱 和吸收光谱技术、偏振调制光谱技术、双光子无多普勒光谱技术,线性无多普勒 光谱技术是基于多普勒效应产生的原理,技术上实现消除多普勒效应后,不断提 升测量灵敏度的测量技术。 教 学 内 容 学时 习题要求 教 学 要 点 和 建 议 饱和吸收光谱技 术 2 拉姆凹陷与饱和 吸收的原理;对 比几种无多普勒 饱和吸收光谱技 术的原理的特点 偏振调制光谱的 原理和技术实 现;对光谱图的 分析 双光子无多普勒 光谱的测量原理 与实验光路 量子拍频的基本 原理和测量技术 特点;能级交叉 光谱技术原理; 光学-微波双共 振技术原理和技 术特点 在这部分教学内容中,对拉姆 凹陷与饱和吸收的原理要充分 理解,这是实现无多普勒光谱 测量的基本原理。注意对比几 种无多普勒光谱技术的原理和 实现方案。 偏振调制光谱技 术 双光子无多普勒 光谱学 2 线性无多普勒光 谱技术 采用吸收相向传播的两光子和 量子拍频、能级交叉、光学微波双共振等技术手段达到提 高无多普勒光谱测量的灵敏 度。这两节的学习需要对原理 进行充分的理解。 第七章 其它光谱测量技术(学时 6) 本章节将书中的第七、八章节内容整合在一起,介绍其它一些光谱技术。 激光拉曼光谱技术是无损伤测量物质信息的常用技术手段, 拉曼光谱属于非线性 光谱测量技术。 光电离谱属于物质间接测量技术, 通过将物质的电离, 利用电流、 飞行质谱对离子进行研究,间接反映物质的能级结构。学生通过对本章的学习, 对光谱测量技术的思路将有进一步拓展。 教学内容 激光拉曼光谱技 术: 自发拉曼光谱技 术 学时 3 习题要求 拉曼散射理论(从 经典和量子理论两 方面理解) ; 区分拉 曼活性和红外活 性;拉曼光谱实验 装置的特点;超拉 曼散射原理;表面 增强拉曼光谱原理 三阶非线性极化系 数;区分相干反斯 教 学 要 点 和 建 议 本章涉及到了非线性光谱学 的知识,如非线性极化率、 耦合波方程等,需要仔细讲 解,帮助同学理解到位。在 理论理解的基础上,帮助同 学理解实验装置的布局的特 点,从而获得高信噪比的拉 曼光谱图。 相干反斯托克斯 光电流光谱技术 3 托克斯与斯托克斯 拉曼散射;利用耦 合波方程得到相位 匹配关系;相干 CARS 光的实验装置 及光谱特点 光电流效应;产生 光电流的相关实验 装置;光电流光谱 的原理和实验装置 原子与分子的光激 发电离;相关速率 方程;电子与粒子 的检测的设备及方 法 质谱仪的工作原 理;激光共振电离 质谱的实验装置和 技术特点;共振增 强多光子电离技术 原理和技术特点 原子与分子的光 电离光谱 本章节的学习,学生需要充 分理解原子、分子的高激发 态的特点,和如何产生原子、 分子的高激发态;光电流光 谱技术需要注意使用的特殊 设备实现光电流的灵敏测 量。学生应充分理解质谱仪 的工作原理和所反映的信 息。注意对比激光共振电离 质谱技术、共振增强多光子 电离技术的特点。 光电离质谱检测 四、教材、参考书目或其他学习材料 教材: 激光光谱技术原理及应用 (第二版) 陆同兴, 路铁群 年 9 月 第二版 ISBN:978-7-312-02474-0 中国科技大学出版社 2006 参考书目: 1. 《分子光谱学和激光光谱学导论》 夏慧荣 王祖庚 华东师范大学出版社 1989 年 2.《仪器分析》 刘密斯 罗国安 清华大学出版社 2006 年 3.《非线性激光光谱学导论》 Marc.D 利文森 宇航出版社 1988 年 4. 《非线性光学》钱世雄 王恭明 复旦大学出版社 2001 年 1 月 ISBN:7309029534 5.《激光光谱学》J.L 霍尔 J.L 卡尔斯登 科学出版社 1985 年 五、考核办法与评价结构比例 平时作业和课堂互动占 20%;期中闭卷考试占 20%;期末闭卷考试占 60%。

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