《光谱仪器》PPT课件.ppt

《《光谱仪器》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《光谱仪器》PPT课件.ppt（69页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第四章第四章 光谱仪器光谱仪器自由讨论：自由讨论：1，光的哪些物理量需要测量，分别是什么单位？，光的哪些物理量需要测量，分别是什么单位？2，你知道有哪些光的探测工具，简单工作原理是什么？，你知道有哪些光的探测工具，简单工作原理是什么？3，有哪些种类干涉仪，简单工作原理是什么？，有哪些种类干涉仪，简单工作原理是什么？4，你的实验室分别有哪些光探测仪器，分别探测什么物理量？，你的实验室分别有哪些光探测仪器，分别探测什么物理量？5，简单谈谈误差的分析？，简单谈谈误差的分析？摄谱仪与单色仪摄谱仪与单色仪干涉仪干涉仪波长计波长计光的灵敏探测光的灵敏探测讲课内容讲课内容波长波长强度强度（功率）（功率）线型

2、线型光谱仪测量的物理量：光谱仪测量的物理量：灵敏度灵敏度分辨率分辨率（时间，空间）（时间，空间）信噪比信噪比光谱仪主要指标：光谱仪主要指标：光谱仪（光谱仪（SpectrometerSpectrometer）将入射狭缝将入射狭缝S1成像为成像为S2()的光学仪器的光学仪器1，摄谱仪，摄谱仪(spectrograph):(CCD)成像成像 一次拍摄谱面上的分布一次拍摄谱面上的分布S2()x 2，单色仪，单色仪(Monochromator):(PhD)光电信号光电信号 谱面上安装出射狭缝谱面上安装出射狭缝S2，获，获得单色输出得单色输出第第4.1节节 摄谱仪与单色仪摄谱仪与单色仪谱色散谱色散 dn/

3、d：棱镜、光栅棱镜、光栅线性色散线性色散dx/d :取决于取决于dn/d 和和 f2。色散越大、焦距越长、狭缝越小，则分色散越大、焦距越长、狭缝越小，则分辨率越高辨率越高CCD:频率分辨，空间辨：空间辨：(将物上不同部分成像于像平面)，1 pixel=110 um 曝光时间：1 us 瞬时物理过程 1 h 提高信噪比 响应波长：200-1000 nmCCD:高空间和频率分辨，时间响应慢Photodiode:时间分辨率高，空间和频率分辨率小*CCD对冷原子成像，原子的空间密度分别，分析原子的统计特性（经典量子）Gaussian分别：热原子分别：热原子Thomas-Fermi分布分布：量子凝聚体：

4、量子凝聚体*Photodiode探测光强，原子频率的吸收，研究原子的能级结构87Rb 85Rb P3/2S1/21216329303626715772683580160D2780nmFFFF42012321132311饱和吸收谱实验装置饱和吸收谱实验装置Rb原子结构原子结构吸收谱吸收谱最大立体角匹配最大立体角匹配（最优化收集光（最优化收集光）一，光谱仪的一些注意事项一，光谱仪的一些注意事项激光束直接照射在狭缝上时，激光束直接照射在狭缝上时，1、光栅、光栅/棱镜不能被均匀照射，棱镜不能被均匀照射，从而减小分辨率；从而减小分辨率；2、光路对称性不保证，带来波长、光路对称性不保证，带来波长测量系统误

5、差；测量系统误差；3、激光的良好相干性导致附加的、激光的良好相干性导致附加的衍射峰衍射峰光源光源测量波长测量波长利用毛玻璃，产生非相关光，再测量利用毛玻璃，产生非相关光，再测量直接探测直接探测利用毛玻璃利用毛玻璃光谱透过率光谱透过率棱镜摄谱仪可用范围取决于材料的光谱透过特性（减少吸收）棱镜摄谱仪可用范围取决于材料的光谱透过特性（减少吸收）180nm（棱镜摄谱仪）：（棱镜摄谱仪）：真空，真空，LiF/CaF镜面和光栅可以渡高反射模镜面和光栅可以渡高反射模光栅优于棱镜光栅优于棱镜全息生产光栅全息生产光栅光栅光谱仪应用于真空紫外到远红外光栅光谱仪应用于真空紫外到远红外不同材料光谱范围不同材料光谱范围

6、不同材料投射率不同材料投射率任何一个色散仪器的光谱分辨本领定任何一个色散仪器的光谱分辨本领定义为：义为：其中其中=1-2是可分辨的最小谱线是可分辨的最小谱线波长间隔波长间隔Rayleigh光谱分辨判据：光谱分辨判据：当一个波当一个波长的衍射极大与另一波长的衍射长的衍射极大与另一波长的衍射极小重合时，刚好分辨；更近则极小重合时，刚好分辨；更近则不可分辨不可分辨光谱分辨率光谱分辨率(0.81)谱仪的自由光谱区谱仪的自由光谱区（FSR）：谱仪的像面上强度分布谱仪的像面上强度分布 I()与波长与波长 之间存在单值之间存在单值关系的波长间隔。关系的波长间隔。自由光谱区（范围）自由光谱区（范围）棱镜谱仪：

7、棱镜谱仪：覆盖棱镜材料正常色散的整个波长范围覆盖棱镜材料正常色散的整个波长范围光栅谱仪：光栅谱仪：依赖于衍射级依赖于衍射级m,且随且随m增大而减小增大而减小干涉仪：干涉仪：m很大很大(104 108),因而因而很小很小二，棱镜摄谱仪二，棱镜摄谱仪分辨率分辨率Cauchys Formula 萤石萤石冕玻璃冕玻璃重火石玻璃重火石玻璃介质折射率与色散介质折射率与色散优点：自由光谱程大优点：自由光谱程大缺点：分辨率小缺点：分辨率小超重火石玻璃超重火石玻璃石英玻璃石英玻璃几种材料的光谱性质几种材料的光谱性质光栅谱仪：光栅谱仪：自由光谱程为自由光谱程为 的的（m+1）极大和）极大和+的的m极大重极大重合合

8、光栅谱仪：光栅谱仪：依赖于衍射级依赖于衍射级m,且随且随m增大而减小增大而减小干涉仪：干涉仪：自由光谱程为相邻干涉极大自由光谱程为相邻干涉极大自由光谱程（波长/频率表示）精细度（自由光谱程中能测量的谱线数量）精细度系数线宽/分辨率三，光栅摄谱仪三，光栅摄谱仪入射角折射率腔长光栅方程光栅方程闪耀角闪耀角：光栅法线与刻槽法线的夹角。闪耀角：Littrow结构：结构：=-（光线原路反射）光栅摄谱仪光栅摄谱仪光程差光程差狭缝间距狭缝间距半导体激光器Littrow 光路图调节入射角调节入射角调节波长调节波长http:/Voltage/current control1,Current/temperatur

9、e control2,Small sizeDiode laser in TopticaTemperature fastlinear response vs feasy to controlInternal modes:diode+diode facetExternal modes:diode+gratingOverall mode selection:tuning range for diode laser(20GHz)Littrow 与与 Littman 结构结构Sacher-laser Littrow 结构示意图光谱分辨率：光谱分辨率：R(,)反射率反射率干涉极大：干涉极大：=2m 光栅狭

10、缝数基本原理基本原理:多光束干涉（相干长度内）多光束干涉（相干长度内）第第4.2节节 干涉仪干涉仪自由光谱程自由光谱程一、一、Michelson干涉仪（干涉仪（2束）束）SM2SBSM2SBInterference平行光平行光1 1，不同角度光程差不同，不同角度光程差不同点光源经过点光源经过MichelsonMichelson干涉仪形成环形干涉条纹干涉仪形成环形干涉条纹2 2，移动，移动M M1 1或者或者M M1 1，干涉条纹直径变化，干涉条纹直径变化点光源点光源M3和和M4形成的腔体经过多次反射增加光程差，提高衍射量级从而提高形成的腔体经过多次反射增加光程差，提高衍射量级从而提高谱分辨率谱

11、分辨率引力波的测量引力波的测量二、二、Mach-Zehnder干涉仪（干涉仪（2束）束）B1M2B2B1M1B2InterferenceB1=B2Michelson干涉仪干涉仪一支上介质的吸收产生光程差，从衍射条纹介质吸收系数BSM3M2M1BSBSM1M2M3BSInterference三、三、Sagac干涉仪（两束）干涉仪（两束）整个体系的转动产生两光束的光程差整个体系的转动产生两光束的光程差干涉条纹的变化，探测体系的转动，对体系的姿态进行定位干涉条纹的变化，探测体系的转动，对体系的姿态进行定位光学陀螺仪光学陀螺仪军舰军舰飞机飞机坦克坦克飞船飞船汽车汽车军用军用民用民用面积面积折射率折射率

12、旋转角频率旋转角频率Wave Interference and GyroscopePhotonAtomQuantum MechanicsWave-particle dualityinterference+Sagnac effectYoungs double-slit Exp.光学/原子陀螺仪光陀螺原子陀螺比值陀螺仪灵敏度的比较 1010(相同环路面积相同环路面积A)原子陀螺仪/2/2基础：原子干涉仪技术目标：转动测量方案：双向对抛干涉环路抛射角度：76度抛射速度：2.5米/秒MOT1MOT2Raman lightInterference四、四、Fabry-Perot干涉仪（多束）干涉仪（多束）

13、自由光谱区自由光谱区(FSR):透过极大峰半宽度：透过极大峰半宽度：精细度精细度(finesse):精细度精细度(finesse):精细度精细度F*、线宽、线宽、Q值与值与R的关系的关系RF*(=3GHz)Q=/(=3.8E14Hz)0.93101100 MHz3.8E60.99310210 MHz3.8E70.99931031 MHz3.8E80.99993104100 KHz3.8E90.99999310510 KHz3.8E100.99999931061 KHz3.8E11垂直入射垂直入射四、双折射滤光片四、双折射滤光片（Lyot滤光片）滤光片）不同的不同的 和和 ，其透过率不同，其透过

14、率不同滤波滤波当当 =45，两偏振分量两偏振分量两垂直方向不同两垂直方向不同折射率产生相位差折射率产生相位差五、干涉仪扫描的方法：五、干涉仪扫描的方法：1、改变、改变Fabry-Perot干涉仪中间的介质气压干涉仪中间的介质气压改变折射率改变折射率n：扫描速度慢：扫描速度慢2、PZT（电压）（电压）d:扫描速度快扫描速度快kHz(频谱分析仪频谱分析仪)锯齿波电压加在锯齿波电压加在PZT上，单次扫描可以得上，单次扫描可以得到不同的衍射极大（自由光谱程）到不同的衍射极大（自由光谱程）3、改变标准柱相对于入射光的夹角：、改变标准柱相对于入射光的夹角：和扫描和扫描PZT速度一样速度一样4、改变双折射滤

15、波片的电压，改变、改变双折射滤波片的电压，改变n0和和ne：高速高速105Hz光谱仪与干涉仪的比较光谱仪与干涉仪的比较棱镜光谱仪棱镜光谱仪光栅光谱仪光栅光谱仪MIFPI工作原理要点工作原理要点棱镜色散光栅色散2束干涉多束干涉光谱分辨本领光谱分辨本领R=/=Sm/g(dn/d)mNS/F*2nd/自由光谱范围自由光谱范围=/mc/Sc/2nd优点优点波长单值线性色散缺点缺点分辨率低主要用途主要用途宽范围波长扫描一般波长测量精密波长测量精而不准精而不准准而不精准而不精又精又准又精又准精：精：精密精密 precision 标准偏差标准偏差 “精益求精精益求精”准：准：准确准确 accuracy “投

16、篮很准投篮很准”稳稳定度定度(stability/unstability)：Allan 方差方差精精-准（精准（精-确）确）精确度与准确度精确度与准确度第第4.3节节 精密波长测量精密波长测量精确度与准确度（续）精确度与准确度（续）测量意味着测量意味着:将物理量与一个标准比较将物理量与一个标准比较测量误差测量误差:统计误差、系统误差统计误差、系统误差测量同一个物理量n次，结果为 X1，X2,.,Xi,Xn,平均值为这一组测量值 可获得的精确度(precision)由统计误差决定，且主要受单次测量的信噪比和总测量次数n决定。精确度由标准偏差(standard deviation)来表征：平均值

17、与未知的真值X之间可能存在一个偏差 ，准确度(accuracy)为 ，表示真值X处于 之间的可信度。因为准确度不仅由统计误差决定，还特别依赖于装置和测量过程的系统误差，因此准确度永远小于精确度。Allan variance:2点取样平均，定义为：联系两个取样周期内频率偏差之差的平方(yn+1-yn)2的时间平均值的一半：其处理由于噪声引起的误差，其处理由于噪声引起的误差，而不是由频率飘逸和温度等引起的系统不完备或者误差。而不是由频率飘逸和温度等引起的系统不完备或者误差。直接表达为：Allan deviation:Hadamard variance:3点平均。Hadamard方差能够包含Alla

18、n方差所不能包含的几种相位噪声，对漂移不敏感。Allan方差与方差与Hadamard方差方差variance:（均）方差（均）方差deviation:偏差，均方根差（对偏差，均方根差（对variance开根号）开根号）http:/原子钟的频率稳定度原子钟的频率稳定度 （见“原子频标”专题）Allan deviation（Quantum Limited Instability）:Michelson波长计波长计Reference BRSignal BxPD1:BR BS1T1M3M4T2BS2Pd1 BR BS1PT3PBS2Pd1PD2:Bx BS2T2M4M3T1BS2PD2 Bx BS2PT

19、3PBS1Pd12束干涉束干涉通过移动通过移动T1和和T2，观察，观察reference和和signal干涉条纹的相干涉条纹的相对变化，确定对变化，确定signal 的波长的波长已知频率已知频率未知频率未知频率Sigma波长计波长计反射棱镜：对不同的偏振光产生不同的相差反射棱镜：对不同的偏振光产生不同的相差棱镜角棱镜角相差相差Michleson interferometer不同偏振矢量不同偏振矢量Michelson固定光程差固定光程差 比较不同的干涉条纹，得到波比较不同的干涉条纹，得到波长值长值适用于：适用于：cw laser and pulsed laser未知频率未知频率FPI 波长计波长

20、计Ring diameterRing numberSuppose:m0 is known不同的波长，产生不同直径的不同的波长，产生不同直径的干涉条纹干涉条纹Fizeau（斐索）（斐索）波长计波长计cw laser and pulsed laserDifferent position on the wedge cause phase different.由干涉条纹的极大之间的由干涉条纹的极大之间的距离获得波长距离获得波长楔形物倾楔形物倾斜角斜角折射角折射角第第4.4节节 光的灵敏检测光的灵敏检测分辨力：分辨力：指探测器可能感受到的被测量的最小变化的能力指探测器可能感受到的被测量的最小变化的能力。

21、（也就是说，如果输入量从。（也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化某一非零值缓慢地变化,当输入变化值未超过某一数值时，探测器的输出不会发生变化，即探测当输入变化值未超过某一数值时，探测器的输出不会发生变化，即探测器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。通常探测器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶化。通常探测器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程

22、的百分比表示，则称为分辨率。）跃变化的输入量中作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。）静态参数：静态参数：线性度、灵敏度、分辨力等线性度、灵敏度、分辨力等动态特性：动态特性：时间响应，频率（波长）响应。时间响应，频率（波长）响应。探测器探测器灵敏度：灵敏度：放大倍数放大倍数（输入和输出量纲相同）（输入和输出量纲相同）提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。往往愈差。光探测器的性质光探测器的性质光谱相对响应光谱相对响应R():决定探测器可用的波长范围。用于比

23、较不同波长的相对光强绝对灵敏度绝对灵敏度S()=Vs/P:探测器输出信号Vs与入射光功率P之比。输出为电压(V/W)（热敏电阻，光压管等）；输出为电流（A/W）（光电倍增管）信噪比：信噪比：SNR=Vs/Vn，或者，或者SNR=P/NEP，其中 NEP(Noise Equivalent input Power,噪声等价功率)是SNR=1所需的输入光功率。线性响应范围线性响应范围:探测器可以线性响应的最大光强范围响应时间响应时间/响应频率（时间常数响应频率（时间常数）:探测器对时间变化信号响应的速度热探测器：热电压（热敏电阻）光探测器:光电二极管CCD:空间分辨的成像（1 pixel=110 u

24、m）快速二极管：ps时间常数时间常数 引起探测器输出信号上升慢于输入信号。当调制频率满足f=1/(2)时，Vs为了DC信号的1/2。当探测器响应为电流时，输出电压的动态过程时间常数频率响应G 探测器与热沉之间的热导率；H 热探测器的热容量；功率调制频率；入射光被吸收的比例一、热探测器一、热探测器（激光导致加热（激光导致加热测量激光功率）测量激光功率）温度探测器温度随调制频率响应T=0 温度恒定光功率RC等效电路：等效电路：R2 1/G,C H,=H/G如果光功率进行调制如果光功率进行调制调制频率调制频率 ，位相延迟，位相延迟当当幅度为直流条件下的幅度为直流条件下的优点优点:灵敏度与波长无关缺点

25、缺点:响应慢，灵敏度低不同的金属产生不同的电压优点：优点：温度范围大，温度范围大，-200-2000 0C 1300C 13000 0C C缺点缺点：灵敏度低灵敏度低线性系数占主导类型：类型：K,E,J,NK,E,J,N，不同类型温度系，不同类型温度系数不同数不同热电偶热电偶（温度测量）（温度测量）测量表面温度测量表面温度（抽真空）（抽真空）电压随温度变化电压随温度变化直接利用热电偶测量温度热敏电阻热敏电阻（温度测量）（温度测量）优点：灵敏高缺点：温度范围小，-900C 1300C激光器温度控制二、光二极管二、光二极管光压光压 响应快响应快光导光导 灵敏灵敏光压管：电压光压管：电压光导管：电阻

26、光导管：电阻快速二极管快速二极管（光压管（光压管+偏置电压）偏置电压）偏置电压偏置电压U小电容小电容 Cs小负载电阻小负载电阻 RL外加电压RD:没有光照电阻没有光照电阻RI：有光照电阻有光照电阻并联电阻串联电阻负载电阻光频光二极管光频光二极管（相应时间相应时间10-14s探测光频率范围探测光频率范围）Tungsten钨钨MOxideINickelM工作原理工作原理：利用光电效应，电子从金属释放，聚聚在绝缘体间：利用光电效应，电子从金属释放，聚聚在绝缘体间上产生电压上产生电压Avalanche diode 雪崩二极管雪崩二极管大的偏置电压大的偏置电压U灵敏度高（放大倍数大灵敏度高（放大倍数大1

27、06）放大倍数依赖温度放大倍数依赖温度在足够大的外加反在足够大的外加反向电压下，加速电向电压下，加速电子和空穴的运动子和空穴的运动放大倍数放大倍数放大倍数放大倍数反向击穿电压反向击穿电压外加电压外加电压n=26,取决于材料取决于材料三、光二极管阵列三、光二极管阵列对一维情况对一维情况大的自由光谱程大的自由光谱程光多通光多通道分析仪道分析仪/光谱分析仪光谱分析仪多个光二级管集成在芯片上。多个光二级管集成在芯片上。二极管大小二极管大小二极管间距二极管间距二极管数目二极管数目自由光谱程自由光谱程光谱分辨率光谱分辨率色散关系色散关系单个二极管单个二极管二极管阵列二极管阵列CCD阵列阵列由由MOS管阵列

28、组成：管阵列组成：带电粒子在外加电压下，带电粒子在外加电压下，可以在不同可以在不同MOS管间传递，增加最终的响应管间传递，增加最终的响应电压电压灵敏度高灵敏度高对原子进行高灵敏的空间分布成像对原子进行高灵敏的空间分布成像产生电子数目产生电子数目量子效率量子效率（波长依赖）（波长依赖）量子效率量子效率入射光子数目入射光子数目CCD：电子电子CCD相关参数相关参数(2D)读取电压过程中波动，读取电压过程中波动，单位：电荷数单位：电荷数Geoge SmithBell Lab:CCD(charged coupled device)Standard communication Lab,UK and Ch

29、inese Uni of Hongkong:fiber for communication2009 Nobel PrizedGaussian分别：热原子分别：热原子Thomas-Fermi分布分布：量子凝聚体：量子凝聚体实例实例四、光发射探测器四、光发射探测器原理原理:基于（外）光电效应步骤一：步骤一：光照射阴极产生电子光照射阴极产生电子步骤二：步骤二：电子在外电场电子在外电场V0下加速到阳下加速到阳 极，产生电信号极，产生电信号photocellOpaque photocathodeSemitransparent photocathodePhotomultiplier 光电倍增管光电倍增管高

30、的工作电压高的工作电压（200v），），进行弱光探测进行弱光探测光照阴极产生一个电子，在高电压下，一个电子在光照阴极产生一个电子，在高电压下，一个电子在1电极板上产生电极板上产生q个电个电子，接着在子，接着在2电极板间产生电极板间产生q*q个电子个电子.对弱信号进行放大对弱信号进行放大放大倍数依赖：放大倍数依赖：外加电压；光入射角度；电极板材料外加电压；光入射角度；电极板材料阴极阴极微通道板（微通道板（Microchannel plane MCP）Channeltron（通道电子倍增器）（通道电子倍增器）在公共光阴极下，由很多小孔。在高电压情况下，每个小孔相当于一个在公共光阴极下，由很多小孔。

31、在高电压情况下，每个小孔相当于一个光电倍增管光电倍增管（小孔壁为放大电极板）（小孔壁为放大电极板）一个通道一个通道多个公阴极通道多个公阴极通道Photoelectric imagine intensifier 像增强器像增强器光信号经过阴极后变成电子信号，电子信号经过放大，由磁场或电场成像在光信号经过阴极后变成电子信号，电子信号经过放大，由磁场或电场成像在二极管阵列上二极管阵列上电视机等显示器电视机等显示器五、光探测系统五、光探测系统光子计数器光子计数器（单光子计数）（单光子计数）一个电子在光电倍增管一个电子在光电倍增管PM上产生一个电压，此电压经过快速分辨仪上产生一个电压，此电压经过快速分辨

32、仪(Fast discriminator)产生一个产生一个5v的的TTL信号，此信号通过信号，此信号通过counter或者或者数模转换数模转换(DAC)进入记录仪。进入记录仪。Boxcar积分器（测量超短脉冲过程）积分器（测量超短脉冲过程）在一个在一个time base时间内，有一个脉冲输出，时间内，有一个脉冲输出，trigger pulse以采样重以采样重复频率输出，慢速扫描信号将采样脉冲放置于复频率输出，慢速扫描信号将采样脉冲放置于time base不同时间点，不同时间点，这样，在足够多的采样点下，可以对短脉冲进行平均这样，在足够多的采样点下，可以对短脉冲进行平均大幅度提高短脉大幅度提高短

33、脉冲采样信噪比冲采样信噪比采样采样适用：重复的脉冲信号，多个采样点覆盖整个采样周期，再进行平均瞬态记录器瞬态记录器（记录单个脉冲的物理过程）（记录单个脉冲的物理过程）适用：单次波形记录 一个与信号同步的一个与信号同步的trigger信号触发模数转换器信号触发模数转换器ADC，将其存储在半，将其存储在半导体不同通道上，如果存储器有导体不同通道上，如果存储器有100个通道，则可以记录个通道，则可以记录100个单次脉冲个单次脉冲波形波形光学示波器光学示波器（测量光强在不同波长的分布）（测量光强在不同波长的分布）光在光在cathode上产生电子，电子经过磁场偏移后经过狭缝到达成像板上产生电子，电子经过磁场偏移后经过狭缝到达成像板上，再经过光电倍增管记录下来。不同波长的光产生不同速度的电子，上，再经过光电倍增管记录下来。不同波长的光产生不同速度的电子，电子偏转不一样，从而再示波器上处于不同的时间位置。电子偏转不一样，从而再示波器上处于不同的时间位置。磁场偏转磁场偏转