在线检测技术光关系.docx

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在线检测技术光关系

光效应的关系及应用

1、塞曼效应

塞曼效应

现象

当光源放在足够强的磁场中时，光源发出的每条光谱线都分裂成若干条偏振化的光谱线，分裂的谱线条数随能级的类别而不同的现象。

历史

1896年，荷兰物理学家塞曼使用半径10英尺的凹形罗兰光栅观察磁场中的钠火焰的光谱，他发现钠的D谱线似乎出现了加宽的现象。

这种加宽现象实际是谱线发生了分裂。

随后不久，塞曼的老师、荷兰物理学家洛仑兹应用经典电磁理论对这种现象进行了解释。

他认为，由于电子存在轨道磁矩，并且磁矩方向在空间的取向是量子化的，因此在磁场作用下能级发生分裂，谱线分裂成间隔相等的3条谱线。

塞曼和洛仑兹因为这一发现共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。

1897年12月，普雷斯顿（T.supeston）报告称，在很多实验中观察到光谱线有时并非分裂成3条，间隔也不尽相同，人们把这种现象叫做为反常塞曼效应，将塞曼原来发现的现象叫做正常塞曼效应。

反常塞曼效应的机制在其后二十余年时间里一直没能得到很好的解释，困扰了一大批物理学家。

1925年，两名荷兰学生乌仑贝克和古兹米特提出了电子自旋假设，很好地解释了反常塞曼效应。

塞曼效应也可以用来测量天体的磁场。

1908年美国天文学家海尔等人在威尔逊山天文台利用塞曼效应，首次测量到了太阳黑子的磁场。

基本原理

塞曼效应证实了原子具有磁距和空间取向量子化的现象，至今塞曼效应仍是研究能级结构的重要方法之一。

正常塞曼效应可用经典理论给予很好的解释；而反常塞曼效应却不能用经典理论解释，只有用量子理论才能得到满意的解释。

塞曼效应的产生是原子磁矩和外加磁场作用的结果。

分类

1.若一条谱线分裂成三条、裂距按波数计算正好等于一个洛仑兹单位（L0=eB/4πmc）的现象称为正常塞曼效应；而分裂成更多条且裂距大于或小于一个洛仑兹单位的现象称为反常塞曼效应。

正常塞曼效应

2.实验中不仅可以观察到光谱发射线的塞曼效应，吸收线也会发生塞曼效应，这被称为逆塞曼效应。

实验仪器

（1）干涉滤光片：

其作用是只允许546.1nm的绿光通过，滤掉Hg原子发出的其它谱线，从而得到单色光。

（2）偏振片：

在垂直于磁场方向观察时用以鉴别

成分和

成分。

（3）CCD摄像头：

CCD是电荷耦合器件的简称，是一种金属氧化物——半导体结构的器件，具有光电转换，信息存储和信号传输（自扫描）的功能，在图像传感、信息处理和存储多方面有着广泛的应用。

本实验中，经由F—P标准具出射的多光束，经透镜会聚相干，呈多光束干涉条纹成像于CCD光敏面，利用CCD的光电转换功能，将其转换为电信号“图像”，由荧光屏显示，因为CCD是对弱光极为敏感的光放大器件，故荧屏上呈现明亮、清晰的F—P干涉图像。

（4）F—P标准具：

是由两块平行的光学玻璃（或石英）板中间夹有一个热胀系数很小的石英（或铟钢）间隔圈组成。

两玻璃板表面磨成光学平面，并且内表面要高精度的平行，间隔圈的厚度起伏<

；内表面镀有ZnS—MgF多层介质高反射膜，使波长为546.1nm的入射光反射率

，由于多次反射的结果，而获得多光束的干涉，从而使其具有极高的分辨率（105～107）；为了消除两平板的内、外表面反射光产生的干涉条纹的重叠，特别使外表面与内表面加工成1/6度左右的夹角；非固定式的标准具，还可更换不同厚度的间隔圈，用三个螺丝调节玻璃上三点压力，来达到精确的平行。

塞曼效应实验仪器

应用

科学中的应用：

1.由塞曼效应实验结果去确定原子的总角动量量子数J值和朗德因子g值，近而去确定原子总轨道角动量量子数L和总自旋量子数S的数值。

2.由物质的塞曼效应分析物质的元素组成。

传感器上的应用：

（激光稳频，制成双频激光干涉仪）

双拼激光干涉仪采用双频氦氖激光器作为光源。

通常将单频氦氖激光器置于轴向磁场中，由于塞曼效应（外磁场使粒子获得附加能量而引起能级分裂和谱线分裂）使激光的谱线在磁场中分裂成两个旋转方向相反的圆偏振光，从而得到两种频率的双频激光。

双频激光干涉仪在精密长度计量中得到了广泛地应用，如线纹尺、光栅的检定，量块自动测量，精密丝杆动态测量，工件尺寸、坐标尺寸的精密测量等，还应用于精密定位，如感应同步器的刻划、集成电路制作等的定位。

双频激光干涉仪测量机床的定位精度

2、多普勒效应

多普勒效应

现象

物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。

在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；在运动的波源后面时，会产生相反的效应，波长变得较长，频率变得较低；波源的速度越高，所产生的效应越大。

根据波频率变化的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。

恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度，除非波源的速度非常接近光速，否则多普勒位移的程度一般都很小。

所有波动现象都存在多普勒效应。

历史

1842年奥地利一位名叫多普勒的数学家、物理学家。

一天，他正路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车从远而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从近而远时汽笛声变弱，音调变低。

他对这个物理现象感到极大兴趣，并进行了研究。

发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的现象。

这就是频移现象。

因为，声源相对于观测者在运动时，观测者所听到的声音会发生变化。

当声源离观测者而去时，声波的波长增加，音调变得低沉，当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调就变高。

音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关。

这一比值越大，改变就越显著，后人把它称为“多普勒效应”。

基本原理

波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。

当观察者移动时也能得到同样的结论。

产生原因：

声源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数，而观察者听到的声音的音调，是由观察者接受到的频率，即单位时间接收到的完全波的个数决定的。

当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率会改变．在单位时间内，观察者接收到的完全波的个数增多，即接收到的频率增大．同样的道理，当观察者远离波源，观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少，即接收到的频率减小。

分类

多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波，包括电磁波。

声波的多普勒效应光波的多普勒效应

实验仪器

根据多普勒效应制作的仪器种类繁多，军事、医疗、交通、工业等行业均有相关的实验仪器。

超声波多普勒流速计激光多普勒测速仪

多普勒胎心仪激光多普勒干涉仪

应用

医学应用：

声波的多普勒效应可以用于医学的诊断，也就是我们平常说的彩超。

此法应用多普勒效应原理，当声源与接收体（即探头和反射体）之间有相对运动时，回声的频率有所改变，此种频率的变化称之为频移。

彩色多普勒超声一般是用自相关技术进行多普勒信号处理，把自相关技术获得的血流信号经彩色编码后实时地叠加在二维图像上，即形成彩色多普勒超声血流图像。

为了检查心脏、血管的运动状态，了解血液流动速度，可以通过发射超声来实现。

由于血管内的血液是流动的物体，所以超声波振源与相对运动的血液间就产生多普勒效应。

血管向着超声源运动时，反射波的波长被压缩，因而频率增加。

血管离开声源运动时，反射波的波长变长，因而在单位时向里频率减少。

反射波频率增加或减少的量，是与血液流运速度成正比，从而就可根据超声波的频移量，测定血液的流速。

交通应用：

交通警向行进中的车辆发射频率已知的超声波同时测量反射波的频率，根据反射波的频率变化的多少就能知道车辆的速度。

装有多普勒测速仪的监视器有时就装在路的上方，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印。

移动通信中的应用：

在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以我们在移动通信中要充分考虑"多普勒效应"。

虽然在日常的生活中我们步行或者坐车因为速度的缘故不能产生明显的多普勒效应即频率的偏差，但是一旦换作了飞机等高速移动的设备时，这种偏差就被N倍放大了，这也就是通信收到了多普勒效应的影响，从而导致通信的混乱，所以在现代通信中必须充分考虑到他的影响，从而也使通信工程增加了更多的复杂性。

农业中的应用：

多普勒效应不仅运用于各种工业和军事领域，农业也因此而受惠了。

植物声频控制技术是建立在植物经络系统的理论基础上，利用He-Ne激光多普勒效应测振仪，精确地测定出植物自发声和接受声的频率，并测定出植物自发声频率与环境因子如温度、湿度及组织含水量之间的关系，做了频普分析，进而研制了植物声频发生器。

利用声频发生器对植物施加特定频率的声波，与植物发生共振，促进各种营养元素的吸收#传输和转化，从而增强植物的光和作用和吸收能力，促进生长发育，达到增产、增收、优质、抗病的目的。

3、拉曼效应

拉曼效应

现象

当光照射到物质上时会发生散射，散射光中除了与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光的波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。

由分子振动、固体中的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非弹性散射称为拉曼散射，一般把瑞利散射和拉曼散射合起来所形成的光谱称为拉曼光谱。

历史

1921年夏天，航行在地中海的客轮“纳昆达”号上，有一位印度学者正在甲板上用简易的光学仪器俯身对海面进行观测。

他对海水的深蓝色着了迷，一心要研究海水颜色的来源。

这位印度学者就是拉曼。

他正在去英国的途中，是代表了印度的最高学府——加尔各答大学，到牛津参加英联邦的大学会议，还准备去英国皇家学会发表演讲。

这时他才33岁。

对拉曼来说，海水的蓝色并没有什么稀罕。

他上学的马德拉斯大学，面对本加尔海湾，每天都可以看到海湾里变幻的海水色彩。

事实上，他早在16岁（1904年）时，就已熟悉著名物理学家瑞利用分子散射中散射光强与波长四次方成反比的定律（也叫瑞利定律）对蔚蓝色天空所作的解释。

不知道是由于从小就养成的对自然奥秘刨根问底的个性，还是由于研究光散射问题时查阅文献中的深入思考，他注意到瑞利的一段话值得商榷，瑞利说：

“深海的蓝色并不是海水的颜色，只不过是天空蓝色被海水反射所致。

”瑞利对海水蓝色的论述一直是拉曼关心的问题。

他决心进行实地考察。

于是，拉曼在启程去英国时，行装里准备了一套实验装置：

几个尼科尔棱镜、小望远镜、狭缝，甚至还有一片光栅。

望远镜两头装上尼科尔棱镜当起偏器和检偏器，随时都可以进行实验。

他用尼科尔棱镜观察沿布儒斯特角从海面反射的光线，即可消去来自天空的蓝光。

这样看到的光应该就是海水自身的颜色。

结果证实，由此看到的是比天空还更深的蓝色。

他又用光栅分析海水的颜色，发现海水光谱的最大值比天空光谱的最大值更偏蓝。

可见，海水的颜色并非由天空颜色引起的，而是海水本身的一种性质。

拉曼认为这一定是起因于水分子对光的散射。

基本原理

当光线从一个原子或分子散射出来时，绝大多数的光子，都是弹性散射的，这称为瑞利散射。

在瑞利散射下，散射出来的光子，跟射入时的光子，它的能量、频率与波长是相同的。

然而，有一小部份散射的光子（大约是一千万个光子中会出现一个），散射后的频率会产生变化，通常是低于射入时的光子频率，原因是入射光子和介质分子之间发生能量交换。

这即是拉曼散射。

拉曼效应的机制和荧光现象不同，并不吸收激发光，因此不能用实际的上能级来解释，玻恩和黄昆用虚的上能级概念说明了喇曼效应。

下图是说明拉曼效应的一个 简化的能级图 。

设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如图所示。

当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态（Virtualstate），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。

设仍回到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。

因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为拉曼线。

在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。

瑞利线与拉曼线的波数差称为喇曼位移，因此喇曼位移是分子振动能级的直接量度。

下图给出的是一个拉曼光谱的示意图 。

实验仪器

当拉曼光谱仪一束频率为v0的单色光照射到样品上后，分子可以使入射光发生散射。

大部分光只是改变方向发生散射，而光的频率仍与激发光的频率相同，这种散射称为瑞利散射；约占总散射光强度的10-6～10-10的散射，不仅改变了光的传播方向，而且散射光的频率也改变了，不同于激发光的频率，称为拉曼散射。

拉曼散射中频率减少的称为斯托克斯散射，频率增加的散射称为反斯托克斯散射，斯托克斯散射通常要比反斯托克斯散射强得多，拉曼光谱仪通常测定的大多是斯托克斯散射，也统称为拉曼散射。

   散射光与入射光之间的频率差v称为拉曼位移，拉曼位移与入射光频率无关，它只与散射分子本身的结构有关。

拉曼散射是由于分子极化率的改变而产生的。

拉曼位移取决于分子振动能级的变化，不同化学键或基团有特征的分子振动，ΔE反映了指定能级的变化，因此与之对应的拉曼位移也是特征的。

这是拉曼光谱可以作为分子结构定性分析的依据。

激光拉曼光谱仪及工作原理框图

激光拉曼光谱仪

分布式温度传感系统

拉曼型分布式光纤传感器

应用

拉曼型分布式光纤传感器DTS是国内外应用较成熟的分布式光纤测温技术，利用

自发拉曼散射效应和光时域反射技术实时获得沿光纤分布的温度信息，结合智能火灾判断算法，可及时预警火灾隐患，并精确定位火灾发生位置。

适合高压电缆在线监测、电力载流量分析、交通隧道火情监测、油气储罐火情监测、输煤皮带火情监测、大坝渗漏监测应用。

电力线路监控动态电流监控输油管道泄漏监控大坝泄漏监控

拉曼光谱除了鉴别物质种类，主要测量分子振动频率，定量了解分子间作用力和分子内作用力情况，并推断分子的对称性，几何形状，分子中原子排列。

无机材料：

很多无机材料是中心对称的振动，红外光谱不敏感。

而拉曼光谱具有很明显的优势；

高分子材料：

单体结构测定，结晶度，骨架分子解析，组分分析，裂解原位研究，纤维拉伸应力应变；

催化材料：

表面吸附研究（排除基体干扰），原位条件下（高温、高压）催化过程动力学研究，分子筛骨架结构分析，物相变化；

纳米材料：

纳米尺度的表面效应，体积效应，量子尺寸效应以及物理特性（如碳管的半导体特性与金属效应）都会在拉曼光谱上得到体现；

生命科学：

蛋白质、核酸、磷脂在正常生理条件下的结构、构相。

药物与细胞作用；

司法鉴定：

理化分析、油漆、橡胶、纤维、毒品，爆炸物，文检，痕迹检验；

考古/艺术品：

分析颜料、锈蚀氧化物、青铜器、玉器、陶瓷、粘土、赝品；

地质/珠宝：

珠宝鉴定，矿物分析，包裹体成分分析，矿物随温度压力相变；

药学：

晶型检验、原材料辅料分析鉴别、药片成分分布，候选新药筛选，假药鉴别，杂质分析，注射液成分分析，溶出度分析；

半导体：

应力/应变，表面损伤，掺杂等；

环境科学：

温室气体与燃烧气体与建筑物反应研究，大气污染，重金属污染；

碳材料：

纳米碳管，石墨，碳纤维，DLC膜，C60。