激光光谱仪

书名：激光光谱学(原书第4版第1卷基础理论)作者：(德)沃尔夫冈·戴姆特瑞德出版社：科学出版社出版时间：2012-02-01页数：387装帧：平装ISBN：9787030331670封面：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305061328_438559_1617441_3.jpg内容介绍：《激光光谱学(原书第4版第1卷基础理论)》是W. Demtrcjder教授撰写的两卷本激光光谱学教科书的第1卷，由姬扬译。这套教科书全面地介绍了激光光谱学的基本原理和实验技术，详尽描述了激光光谱学当前研究的全貌。作者多年从事激光光谱学的研究工作，对学科前沿动态了如指掌。全书的文笔简练、叙述翔实，更配有大量插图和实例，是一本非常优秀的教科书。 第1卷介绍了激光光谱学的基本原理。在简短的导论(第1章)之后，概述了光吸收和光发射(第2章)以及谱线的宽度和形状(第3章)中所涉及的基本概念，然后详细介绍了各种类型的光谱仪器(第4章)和激光器(第5章)，从理论和实验两个方面为深入理解激光光谱学奠定了坚实的基础。第2卷具体介绍激光光谱学的实验技术、最新进展以及多种应用范例。 目录：译者的话第四版序言第三版序言第二版序言第一版序言第1章 导论第2章 光的吸收和发射2.1 腔模2.2 热辐射和普朗克定律2.3 吸收、受激辐射和自发辐射2.4 基本光度学量2.4.1 定义2.4.2 大面积上的照明2.5 光的偏振2.6 吸收谱和发射谱2.7 跃迁几率2.7.1 自发辐射跃迁和无辐射跃迁的寿命2.7.2 半经典描述：基本方程2.7.3 弱场近似2.7.4 宽带激发下的跃迁几率2.7.5 唯象地考虑衰减现象2.7.6 与强场的相互作用2.7.7 跃迁几率、吸收系数和谱线强度之间的关系2.8 辐射场的相干性质2.8.1 时间相干性2.8.2 空间相干性2.8.3 相干体积2.8.4 相干函数和相干度2.9 原子系统的相干性2.9.1 密度矩阵2.9.2 相干激发2.9.3 相干激发系统的弛豫2.10 习题第3章 谱线的宽度和形状3.1 自然线宽3.1.1 发射谱的洛伦兹线形3.1.2 线宽与寿命之间的关系3.1.3 吸收跃迁的自然线宽3.2 多普勒宽度3.3 谱线的碰撞展宽3.3.1 唯象描述3.3.2 相互作用势与谱线展宽和位移的关系3.3.3 碰撞引起的谱线变窄3.4 渡越时间展宽3.5 谱线的均匀展宽和非均匀展宽3.6 饱和展宽和功率展宽3.6.1 光学泵浦引起的能级粒子数饱和3.6.2 均匀展宽谱线的饱和展宽3.6.3 功率展宽3.7 液体和固体中的谱线形状3.8 习题第4章 光谱仪器4.1 光谱仪和单色仪4.1.1 基本性质4.1.2 棱镜光谱仪4.1.3 光栅光谱仪4.2 干涉仪4.2.1 基本概念4.2.2 迈克耳孙干涉仪4.2.3 傅里叶光谱4.2.4马赫–曾德尔干涉仪4.2.5 萨格纳克干涉仪4.2.6 多光束干涉4.2.7平面法布里–珀罗干涉仪4.2.8共焦型法布里–珀罗干涉仪4.2.9 多层介质膜4.2.10 干涉滤光片4.2.11 双折射干涉仪4.2.12 可调谐的干涉仪4.3 光谱仪和干涉仪的比较4.3.1 谱分辨本领4.3.2 采光本领4.4 波长的精确测量4.4.1 波长测量的精密度与准确度4.4.2 当代的波长计4.5 光的探测4.5.1 热探测器4.5.2 光电二极管4.5.3 光电二极管阵列4.5.4 电荷耦合器件4.5.5 光电发射探测器4.5.6 探测技术和电子仪器4.6 结论4.7 习题第5章 激光：光谱测量中的光源5.1 激光的基本知识5.1.1 激光器的基本元件5.1.2 阈值条件5.1.3 速率方程5.2 激光共振腔5.2.1 开放式光学共振腔5.2.2 开放式共振腔中的场分布5.2.3 共焦式共振腔5.2.4 一般性的球型共振腔5.2.5 开放式共振腔的衍射损耗5.2.6 稳定共振腔和非稳定共振腔5.2.7 环形共振腔5.2.8 被动式共振腔的频谱5.3 激光发射谱的特性5.3.1 主动式共振腔和激光模式5.3.2 增益饱和5.3.3 空间烧孔5.3.4 多模激光和增益竞争5.3.5 模式拖曳5.4 单模激光的实现5.4.1 选择谱线5.4.2 横向模式的抑制5.4.3 单纵模的选择5.4.4 光强的稳定5.4.5 波长的稳定5.5 单模激光器的波长可控调谐15.5.1 连续可调谐技术5.5.2 波长的校准5.5.3 频率偏移的锁定5.6 单模激光的线宽5.7 可调谐激光器5.7.1 基本概念5.7.2 半导体二极管激光器5.7.3 可调谐固体激光器5.7.4 色心激光器5.7.5 染料激光器5.7.6 准分子激光器5.7.7 自由电子激光器5.8 非线性光学混频技术5.8.1 物理背景5.8.2 相位匹配5.8.3 二次谐波生成5.8.4 准相位匹配5.8.5 和频与高阶谐波的产生5.8.6 X射线激光器5.8.7 差频谱仪5.8.8 光学参量振荡器5.8.9 可调谐的拉曼激光器5.9 高斯光束5.10 习题习题解答参考文献阅读心得：我的工作是直读光谱分析，在一次搜索相关书籍时找到这套书，马上拍了下来，介绍了很多理论性的知识，虽然有点难懂，但是阅读完后再理解直读的理论会有很大的帮助。其他方面的知识也长了不少，很值得一读。

[align=center][b][font=黑体]激光诱导荧光光谱的构建：弱荧光半导体性能初探[/font][/b][/align][align=center][font=宋体]魏[/font][font=宋体]巍[/font], [font=宋体]朱倩倩，李莉，李军，李艳肖[/font][/align][align=center][font=宋体]江苏大学[/font][font=宋体]分析测试中心[/font], [font=宋体]江苏[/font] [font=宋体]镇江[/font] 212013[/align][b][font=黑体]摘[/font][font=黑体]要[/font]: [/b][font=宋体]通过激光诱导荧光光谱测试模块的搭建，利用激光诱导荧光光谱对氧化钛、多氧酸盐等半导体固体材料的稳态荧光测试手段，通过多组分调控稳态荧光强度，发现光催化材料的协同作用影响荧光强度，为新型光催化材料体系筛选提供理论指导。将检测模块扩大到物理、化学、生物、医药和材料科学等研究领域。作为学校公共服务平台，支撑了学校的物理、化学、材料、环境等学科的发展。[/font][b][font=黑体]关键词[/font]: [/b][font=宋体]激光诱导荧光；弱荧光[/font][font=宋体]；荧光光谱；测试[/font][align=center][b]Construction of laser induced fluorescence spectrum module:Study on properties of weak fluorescence semiconductor[/b][/align][align=center] WEI Wei, ZHU Qian-qian, LI Li, LIJun, LI Yan-xiao[/align][align=center]Analysis &Testing Center, Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China[/align][b]Abstract:[/b]Through the construction oflaser-induced fluorescence spectroscopy test module, laser induced fluorescencespectroscopy was used to test steady-state fluorescence of semiconductor solidmaterials such as titanium oxide and polyoxate. Through multi-componentregulation of steady-state fluorescence intensity, it was found that thesynergistic effect of photocatalytic materials affects the fluorescenceintensity, providing theoretical guidance for the screening of newphotocatalytic material systems. The detection module will be expanded to theresearch areas of physics, chemistry, biology, medicine and materials science.As a public service platform for the school, it supports the development ofphysics, chemistry, materials, environment and other disciplines of the school.[b]Key words:[/b] Laser inducedfluorescence Weak fluorescence Fluorescence spectrum test[font=宋体]众所周知，荧光光谱（[/font]Photoluminescence Spectroscopy[font=宋体]）是研究材料的电子结构和光学性能的有效方法，特别是对于一些缺陷的判断，并且能获得光生载流子的迁移、捕获和复合等信息。分析测试中心的稳态瞬态荧光测量系统中的稳态荧光模块由激发光源、单色器、试样池、光检测器及读数装置等部件组成。采用的激发光源为[/font]75W[font=宋体]的氙灯。该灯通常具有较宽的连续输出波长范围，在稳态荧光光谱仪上的应用最多，通常对于分子荧光检测以及光致发光材料的检测都具有较好的信号，系统信噪比一般为[/font]6000:1[font=宋体]，最高可达[/font]10000:1[font=宋体]，采样频率：[/font]50000[font=宋体]点[/font]/[font=宋体]秒～[/font]1[font=宋体]点[/font]/100[font=宋体]秒，波长范围从紫外到近红外[/font]185 [font=宋体]～[/font] 1700nm[font=宋体]，样品所处的环境温度可调变温条件下荧光测量[/font]77[font=宋体]～[/font] 320K[font=宋体]。在稳态光谱测量中，通过使用光子计数技术，提供最高的微弱信号检出能力，可对荧光物质进行定性检测和定量分析。但是对于荧光信号较弱的半导体固体材料，由于弧光灯光源经单色器分光后，其光强较弱相应发射谱信号也较弱，这时[b][u]很难探测到半导体固体材料的微弱荧光信号[/u][/b]。[/font][font=宋体]光催化材料作为当今国际材料研究领域中的重大科学前沿存在亟待解决的诸多问题，如：由于缺少光催化材料设计理论，认识不足，导致高效光催化材料开发研究进展缓慢。在光催化及光伏材料研究中，对于光诱导电荷分离及其迁移过程的深入认识是一个非常关键的科学问题。通过研究半导体光催化材料的荧光衰减动力学信息，对于理解纳米尺度电荷及能量的传输过程都异常重要。[/font][b] 1[font=宋体]研究背景[/font]1.1[font=黑体]选题背景[/font][/b][font=宋体]江苏大学分析测试中心于[/font]2009[font=宋体]年[/font]12[font=宋体]月购置美国[/font]Photon Technology International[font=宋体]公司（现被日本[/font]HORIBA[font=宋体]公司收购，致力于高性能荧光光谱测量技术和系统的研发与生产）所生产的高级稳态瞬态荧光测量系统（英文名称：[/font]QuantaMaster & TimeMasterSpectrofluorometer[font=宋体]，产品型号：[/font]QuantaMaster[sup]TM[/sup]40[font=宋体]）。该系统是一套高性能荧光光谱测量系统，用于测试材料的激发发射光谱、磷光[/font]/[font=宋体]荧光寿命、量子化产率、变温及显微荧光测试。主要应用于物理、化学、生物、医药和材料科学等研究领域荧光性能测试。作为学校公共服务平台，该测试系统服务江苏大学相关研究团队的光催化剂的荧光性能分析和评价，近[/font]3[font=宋体]年（[/font]2015[font=宋体]年至[/font]2018[font=宋体]年）支撑学校光催化领域发表[/font]SCI[font=宋体]论文[/font]303[font=宋体]篇，含[/font]16[font=宋体]篇高被引论文，总被引频次达[/font]3579[font=宋体]，在[/font]web of science[font=宋体]中以“[/font]photocatalyst”[font=宋体]（光催化）关键词检索，江苏大学位列全球发文量排名第二位，促使江苏大学在国际光催化领域的发展，支撑了学校的物理、化学、材料、环境等学科的发展（工程学、材料科学、化学、农业科学进入[/font]ESI[font=宋体]排名全球前[/font]1%[font=宋体]），为荧光光谱在若干新型光催化材料设计中的应用提供了重要的理论基础和工艺参数，达到国内领先水平。[/font][font=宋体]与此同时，光催化材料作为当今国际材料研究领域中的重大科学前沿存在亟待解决的诸多问题，如：由于缺少光催化材料设计理论，认识不足，导致高效光催化材料开发研究进展缓慢。在光催化及光伏材料研究中，对于光诱导电荷分离及其迁移过程的深入认识是一个非常关键的科学问题。通过研究半导体光催化材料的荧光衰减动力学信息，对于理解纳米尺度电荷及能量的传输过程都异常重要。伴随着校内样品体系的多样性和测试要求的可选性，运行近十年的稳态瞬态荧光测量系统面临着前所未有的升级挑战。[/font][b]1.2[font=黑体]拟改进的问题[/font][font=宋体]如何探测半导体固体材料的微弱荧光信号[/font][/b][font=宋体]由荧光的发光原理可知，分子荧光光谱与激发光源的波长无关，只与荧光物质本身的能级结构有关，所以，可以根据荧光谱线对荧光物质进行定性分析鉴别。照射光越强，被激发到激发态的分子数越多，因而产生的荧光强度越强，测量时灵敏度越高。一般由激光诱导荧光测量物质的信号比由一般光源诱导荧光所测的灵敏度提高[/font]2~10[font=宋体]倍。利用激光光源强度大，单色性好的特点，可以大大提高荧光测定的灵敏度和检测限，以激光为光源的荧光检测技术被称为[b][u]激光诱导荧光光谱（[/u][/b][/font][b][u]Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy, LIF[font=宋体]谱）[/font][/u][font=宋体]。[/font][/b][font=宋体]激光诱导荧光光谱（图[/font]2[font=宋体]为核心部件）可用于测量原子与分子的浓度、能态布居数分布、探测分子内的能量传递过程等方面。[/font][font=宋体]激光诱导荧光光谱仪器组成：与普通的荧光检测器一样，激光诱导荧光检测器主要由光源、光学系统、检测池和光检测元件组成，两者最重要的区别是[b][u]激光诱导荧光检测器的光源是激光器[/u][/b]。[/font][font=宋体]核心激光器：激光器是激光诱导荧光检测器的重要组成部分，用脉冲激光为光源，采用时间分辨技术可消除瑞利散射光（半径比光或其他电磁辐射的波长小很多的微小颗粒对入射光束的散射）和拉曼散射光（光波在被散射后频率发生变化）对测定的干扰，同时增加被测成分之间测定的选择性。以上这些特性使激光诱导荧光检测器的信噪比大大增强，显示出最高的灵敏度和较好的选择性。[/font][b]1.3[font=黑体]拟采取的方法[/font][/b][font=宋体]现有的高级稳态瞬态荧光测量系统为多重模块（光源模块、样品室模块、检测器模块）组成，主机光路系统：[/font]X-[font=宋体]型结构（图[/font]1,2[font=宋体]），极易拆卸装载新模块，在改造方面具有独特的优势。搭建以激光为光源的荧光检测技术被称为激光诱导荧光光谱。从仪器各模块的布局来判定，目前稳态瞬态荧光测量系统已拥有样品室、检测器等模块，缺少的是激光器，将购置的新型激光器作为配件装载至测试系统，通过调整光路。采用对应的长通滤光片可实现激光诱导荧光光谱的测试。但是由于激光光源波长单一，因此实际测试中需选取合适的激发波长进行相应的检测。选择合适的波长以应对测试需求。[/font][align=center][img=,690,259]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310101625013372_3443_5248244_3.png!w690x259.jpg[/img][/align][align=center][b][font=宋体]图[/font]1. [font=宋体]主机光路系统及光源模块[/font][/b][/align][align=center][img=,690,255]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310101625122837_8467_5248244_3.png!w690x255.jpg[/img][/align][align=center][b][font=宋体]图[/font]2. [font=宋体]样品室模块和检测器模块[/font][/b][/align][b] 2 [/b][font=宋体]结果与分析[/font][b]2.1 [font=宋体]设计思路[/font][/b][align=center][img=,645,267]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310101625230462_867_5248244_3.png!w645x267.jpg[/img][/align][align=center][b][font=宋体]图[/font]3 [font=宋体]激光诱导荧光光谱测试模块[/font](a)[font=宋体]搭建前[/font] (b)[font=宋体]搭建后[/font][/b][/align][font=宋体]伴随着校内样品体系的多样性和测试要求的可选性，运行近十年的稳态瞬态荧光测量系统面临着前所未有的升级挑战。改进的问题：如何探测半导体固体材料的微弱荧光信号作为主要研究问题。借助江苏大学自制实验仪器设备项目（[/font][b]ZZYQSB201910[/b][font=宋体]）的资助下[/font][font=宋体]，明确激光诱导荧光光谱模块所需激光器的测试要求，利用所购置的配件（样品架，激光光源，载样台等），完成原测试系统的拆卸和搭建。对现有高级稳态瞬态荧光测量系统的样品室模块组成（图[/font]3 (a)[font=宋体]），进行样品室搭建（图[/font]3 (b)[font=宋体]），对小功率光纤耦合激光器的波长进行筛选以应对测试需求，申请发明专利：一种含外接激光光源的高级稳态荧光光谱仪[/font]([font=宋体]发明专利号：[/font]202110297550.4) [font=宋体]，利用激光光路搭建以激光为光源的荧光检测技术被称为激光诱导荧光光谱（[/font]Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy, LIF[font=宋体]谱）。[/font][align=center][img=,534,296]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310101625329704_3414_5248244_3.png!w534x296.jpg[/img][/align][align=center][b][font=宋体]图[/font]4 [font=宋体]激光诱导荧光光谱调制模块及测试数据[/font][/b][/align][font=宋体]搭建的激光诱导荧光光谱，可用于测量原子与分子的浓度、能态布居数分布、探测分子内的能量传递过程等方面。对于荧光信号较弱的半导体固体材料，采用激光诱导方式，持续激光光源经单色器分光后，其光强较弱相应发射谱信号也相对增强，通过调节激光调制器（图[/font]4[font=宋体]左所示）探测到半导体固体材料的微弱荧光信号，如图[/font]4[font=宋体]右，测量到三氧化钨，氧化铋及其二者复合材料的荧光信号。[/font][b][font=宋体]代表性案例[/font][/b][font=宋体]：（[/font][b][i]ChineseJournal of Catalysis[/i][/b], 2021, 42(1), 87-96.[font=宋体]）[/font][align=center][img=,690,306]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310101625433210_7114_5248244_3.png!w690x306.jpg[/img][/align][align=center][b][font=宋体]图[/font]5[font=宋体]激光诱导荧光光谱测试模块的应用案例[/font][/b][/align][font=宋体]图[/font]5[font=宋体]左显示了[/font]Zn[sub]0.1[/sub]Cd[sub]0.9[/sub]S [font=宋体]和[/font] 25% MO-ZnCdS[font=宋体]的稳态荧光光谱，可以清晰的看到[/font] 25% MO-ZnCdS[font=宋体]具有更低的荧光强度，说明[/font]25% MO-ZnCdS [font=宋体]在光照激发下产生的光生电子[/font]-[font=宋体]空穴对更不容易发生复合猝灭，而光生电子[/font]-[font=宋体]空穴对的快速复合是限制材料光催化活性的重要因素。[/font]Zn[sub]0.1[/sub]Cd[sub]0.9[/sub]S [font=宋体]和[/font]25% MO-ZnCdS [font=宋体]的时间分辨荧光衰减光谱被呈现在了图[/font]5[font=宋体]右，[/font]Zn[sub]0.1[/sub]Cd[sub]0.9[/sub]S [font=宋体]的平均荧光寿命为[/font] 2.76 ns[font=宋体]，[/font]25% MO-ZnCdS [font=宋体]的平均荧光寿命为[/font] 2.76 ns[font=宋体]。[/font]25% MO-ZnCdS [font=宋体]具有更低的平均荧光寿命，说明其光生载流子更容易分离和转移到催化剂的表面。以上结果证明了，[/font]Zn[sub]0.1[/sub]Cd[sub]0.9[/sub]S [font=宋体]在与[/font] MoO[sub]3-x[/sub] [font=宋体]复合形成[/font] 1D/2D Zn[sub]0.1[/sub]Cd[sub]0.9[/sub]S/MoO[sub]3?x[/sub][font=宋体]复合光催化剂后，光生电荷的分离和迁移效率提高了，而光生电子[/font]-[font=宋体]空穴对的复合猝灭被抑制了。这可能是由于一维的[/font] Zn[sub]0.1[/sub]Cd[sub]0.9[/sub]S[font=宋体]与二维的[/font] MoO[sub]3?x [/sub][font=宋体]纳米片之间形成了紧密的界面接触，二者之间形成了异质结构，在两相界面处产生了内建电场，这会促进光生载流子的分离和转移。[/font][b]3[font=宋体]结[/font][font=宋体]论[/font][/b][font=宋体]搭建的激光诱导荧光光谱测试模块，对于荧光信号较弱的半导体固体材料，采用激光诱导方式，持续激光光源经单色器分光后，其光强较弱相应发射谱信号也相对增强，通过调节激光调制器探测到半导体固体材料的微弱荧光信号，筛选激光器以达到探测半导体固体材料的荧光信号。将新功能应用更好地应用于物理、化学、医药和材料科学等研究领域，以满足日益增长的科研测试需求，从而进一步反馈学校科研项目的发展和高质量科技成果的产出，系统的研制将对我国在激光诱导荧光光谱测量方面取得重要进展。[/font][b][font=宋体]参考文献：[/font][/b][1][font=宋体]朱倩倩[/font], [font=宋体]李艳肖[/font],[font=宋体]魏巍；一种含外接激光光源的高级稳态荧光光谱仪。申请发明专利号：[/font]202110297550.4[font=宋体]。[/font][2]Peng, J., Shen, J., Yu, X., Tang, H., Liu, Q. (2021). Construction ofLSPR-enhanced 0D/2D CdS/MoO[sub]3?x[/sub] S-scheme heterojunctions forvisible-light-driven photocatalytic H[sub]2 [/sub]evolution. [b][i]ChineseJournal of Catalysis[/i][/b], 42(1), 87-96.[3]Li, L., She, X., Yi, J., Pan, L., Xia, K., Wei, W., Li, H. (2019). IntegratingCoO[sub]x [/sub]cocatalyst on hexagonal α-Fe[sub]2[/sub]O[sub]3[/sub] foreffective photocatalytic oxygen evolution. [b][i]Applied Surface Science[/i][/b], 469,933-940.[hr/]