光谱测量技术.doc

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 容学时习题要求教 学 要 点 和 建 议光的基本特性(以经典的波动光学为主)发射、吸收和色散的经典理论能级跃迁光与物质相互作用的光谱效应谱线宽度与线型2 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。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 容学时习 题 要 求教 学 要 点 和 建 议光谱仪（光栅光谱仪、干涉仪、傅里叶光谱仪）信号与噪声光电探测器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F-P干涉原理；扫描干涉仪的工作原理；傅里叶变换光谱仪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，利用光电探测器组装成的微通道板和CCD是在不同的探测需求下进行应用，其功能有所不同。微弱信号测量：锁相放大器取样平均器单光子计数器光学多通道分析仪2模拟相关器的原理；锁相放大器的组要构成；锁相放大器的放大原理；调制技术的实现取样平均原理；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在这部分教学内容中，需要学生要掌握光谱学技术常用的仪器的工作原理、参数设置、应用范围，为在后面实际光谱技术实现的仪器选择打下基础。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 求教 学 要 点 和 建 议光谱学中常用的激光光源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。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 学内容学时习题要求教 学 要 点 和 建 议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2Lambert-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。外场扫描吸收光谱技术光声与光热光谱技术2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光声光谱技术原理和相关设备；光热偏转光谱技术的原理和相关设备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。很好地理解光谱的测量原理，有助于学生拓展解决问题的思路。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 容学 时习题要求教 学 要 点 和 建 议激光诱导荧光光谱技术时间分辨荧光2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。多光子荧光与超声射流技术激光等离子体发射光谱技术2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偏振调制光谱技术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。双光子无多普勒光谱学线性无多普勒光谱技术2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。教学内容学时习题要求教 学 要 点 和 建 议激光拉曼光谱技术：自发拉曼光谱技术相干反斯托克斯3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。光电流光谱技术原子与分子的光电离光谱光电离质谱检测 3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。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 中国科技大学出版社2006年9月 第二版 ISBN:978-7-312-02474-0参考书目：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:73090295345.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%。