现代光学导论第七次讲课教案

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1、1,高光谱遥感(Hyperspectral Remote Sensing),-具有高光谱分辨率的遥感科学与技术,图谱合一,在特定的光谱域以高光谱分辨率同时获得连续的地物光谱图像，使得遥感应用可以在光谱维上进行空间展开，定量分析地球表层物化特性和参数。,遥感成像技术的发展一直伴随着两方面的进步： 一是通过减少遥感器的瞬时视场角（Instantanious Filed of View,IFOV）而提高遥感图像的空间分辨率（Spectral Resolution); 二是通过增加波段数量和减少每个波段的带宽来提高遥感图像的光谱分辨率（Spectral Resolution）,光谱学 Spectros

2、copy,成像技术 Imaging Technology,成像光谱学 Imaging spectrometry,光谱学（spectroscopy）：是光学的一个分支学科，研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间相互作用。 简史 经典光谱学源于Isasc Newton（1642-1727）的棱镜分光实验，通过棱镜把可见光分成了单色光的光谱。 英国物理学家William Wollaston（1766-1828）发现当光投影到一个狭缝时产生的暗线。 德国的Joseph Fraunhofer（1787-1826）在18141815年之间，公布了太阳光谱中的许多条暗线，并以字母来命名，其中有些命名沿用至今

3、。此后便把这些线称为夫琅和费暗线。,一、电磁辐射及电磁波谱,光是电磁辐射的一种，是一种以巨大速度通过空间而不需要任何物质作为传播媒介的光子流，它具有波动性和微粒性。,波动天下,波动统治世界 水面波是我们能直接观察到的最常见的一种波，这是波动传播机械能的最直观和典型的例子。波动是自然界最广泛存在的一种运动形式，也是传递能量和信息最基本和最主要的形式。,波动天下,水波虽然直观形象，但它是一种复杂的波，因为形成水波的力主要是重力(有时还要考虑表面张力)。而机械波(广义的声波)和电磁波却主要是简单的波，也就是所谓的简谐波，也称正弦或余弦波,波动天下,我们与外界交换信息的感觉器官主要是耳朵和眼睛，耳朵可

4、以感知声波，眼睛可以感知电磁波，我们时时刻刻都处在这两种波的包围之中，所以在我们认识的自然界中，声波和电磁波占据了主导地位。,波动天下,推而广之，在非自然界领域，也有各种“力”的存在，有力就有运动的变化，这种变化常表现为波动的形式。比如，经济的波动、股市的波动、情绪的波动等等，社会学上的波动是群体的“合力”作用的结果。,电磁辐射及电磁波谱,2.电磁辐射的粒子性,普朗克认为物质对辐射能的吸收和发射是不连续的，是量子化的。当物质内的分子或原子发生能级跃迁时，若以辐射能的形式传递能量，则辐射能一定等于物质的能级变化。,电磁辐射及电磁波谱,著名的普朗克公式,电磁辐射及电磁波谱,从射线一直到无线电波都是

5、电磁辐射，光是电磁辐射的一部分，他们在性质上是完全相同的，区别在于波长或频率不同，即光子具有的能量不同。,*,辐射能的特性,(1) 吸收 物质选择性吸收特定频率的辐射能，并从低能级跃迁到高能级； (2) 发射 将吸收的能量以光的形式释放出； (3) 散射 丁铎尔散射和分子散射； (4) 折射 折射是光在两种介质中的传播速度不同； (5) 反射 (6) 干涉 干涉现象； (7) 衍射 光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象； (8) 偏振 只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光。,光谱,光学光谱包含着遥远天体丰富的物理信息，这些光线就如同生物体的“DNA”，标识着天体的组成成分及与我们的距离。,

6、光 谱,发射光谱,定义：由发光体直接产生的光谱,连续光谱,产生条件：炽热的固体、液体和高压气体发光形成的,光谱的形式：连续分布，一切波长的光都有,线状光谱,（原子光谱）,产生条件：稀薄气体、金属蒸气发光形成的光谱,光谱形式：一些不连续的明线组成，不同元素的明线光谱不同（又叫特征光谱）,吸收光谱,定义：连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱,产生条件：炽热的白光通过温度较白光低的气体后，再色散形成的,光谱形式：用分光镜观察时，见到连续光谱背景上出现一些暗线（与特征谱线相对应）,小结 ：各种光谱的特点及成因：,二、光谱分析的概念,光谱分析法是基于物质发射的电磁辐射及电磁辐射与物质的相互作用而

7、建立起来的分析方法。,（1）由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定物质的组成成分。这种方法叫做光谱分析。 （2）光谱分析法由基尔霍夫开创的。 （3）优点：灵敏度高。样本中一种元素的含量达到10-10g时就可以被检测到。 （4） 同种物质吸收光谱中的暗线与它明线光谱中的明线相对应，明线光谱和吸收光谱中的谱线都是原子的特征光谱，都可以用于光谱分析。,光谱分析,三、原子光谱和分子光谱,原子光谱 是原子核外电子在不同能级间跃迁而产生的光谱。是由一条条明锐的彼此分立的谱线组成的线状光谱。,*,1.原子光谱,1）.光谱项符号 原子外层有一个电子时，其能级可由四个量子数决定： 主量

8、子数 n；角量子数 l；磁量子数 m；自旋量子数 s； 原子外层有多个电子时，其运动状态用总角量子数L；总自旋量子数S；内量子数J 描述；,*,2）电子能级跃迁的选择定则,根据量子力学原理，电子的跃迁不能在任意两个能级之间进行；必须遵循一定的“选择定则”： （1）主量子数的变化 n为整数，包括零； （2）总角量子数的变化L = 1； （3）内量子数的变化J =0， 1；但是当J =0时， J =0的跃迁被禁阻； （4）总自旋量子数的变化S =0 ，即不同多重性状态之间的跃迁被禁阻；,*,2）. 能级图,元素的光谱线系常用能级图来表示。最上面的是光谱项符号；最下面的横线表示基态；上面的表示激发态

9、； 可以产生的跃迁用线连接； 线系：由各种高能级跃迁到同一低能级时发射的一系列光谱线；如莱曼系紫外区,*,4. 共振线,元素由基态到第一激发态的跃迁最易发生，需要的能量最低，产生的谱线也最强，该谱线称为共振线 ，也称为该元素的特征谱线；,吸收光谱和发射光谱,原子发射光谱,原子吸收光谱,原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。,2.分子光谱,原子光谱为线状光谱， 分子光谱为带状光谱；为什么？,原子光谱图,分子光谱图,1）.分子中的能量,E=Ee+ Ev + Er + En + Et + Ei 分子中原子的核能： En 分子的平移能：Et 电子运动能： E

10、e 原子间相对振动能： Ev 分子转动能： Er 基团间的内旋能： Ei,在一般化学反应中， En不变； Et 、 Ei较小； E=Ee+ Ev + Er 分子产生跃迁所吸收能量的辐射频率： =Ee / h + Ev / h + Er / h,2）.跃迁类型与分子光谱,分子光谱复杂，电子跃迁时带有振动和转动能级跃迁； 分子的紫外-可见吸收光谱是由纯电子跃迁引起的，故又称电子光谱，谱带比较宽； 分子的红外吸收光谱是由于分子中基团的振动和转动能级跃迁引起的，故也称振转光谱； 分子的荧光光谱是在紫外或可见光照射下，电子跃迁至单重激发态，并以无辐射弛豫方式回到第一单重激发态的最低振动能级，再跃回基态或

11、基态中的其他振动能级所发出的光； 分子的磷光是指处于第一最低单重激发态的分子以无辐射弛豫方式回到第一最低三重激发态，再跃迁回到基态所发出的光；,光谱分析三个基本过程,（1）能源提供能量； （2）能量与被测物之间的相互作用； （3）产生被检测信号。,四、光谱仪,五个基本单元： 光源；单色器；样品；检测器；显示与数据处理；,四、光谱仪,1. 光源 依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电火花、电弧等；依据光源性质不同，分为：,连续光源：在较大范围提供连续波长的光源，氢灯、氘灯、钨丝灯等； 线光源：提供特定波长的光源，金属蒸气灯(汞灯、钠蒸气灯)、空心阴极灯、激光等；,2.单色器,单色器：获

12、得高光谱纯度辐射束的装置，而辐射束的波长可在很宽范围内任意改变； 主要部件： （1）进口狭缝； （2）准直装置(透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光线； （3）色散装置(棱镜、光栅)：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播； （4）聚焦透镜或凹面反射镜，使每个单色光束在单色器的出口曲面上成像。,棱镜,棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长长的光，折射率小；波长短的光，折射率大。 平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦后在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱；,棱镜的分辨能力取决于棱镜的几何尺寸和材料； 棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征；,棱镜的特性与参数,（1）色散率 角

13、色散率：用d/d表示，偏向角对波长的变化率；,棱镜的顶角越大或折射率越大，角色散率越大，分开两条相邻谱线的能力越强，但顶角越大，反射损失也增大，通常为60度角； 线色散率：用dl /d表示，两条相邻谱线在焦面上被分开的距离对波长的变化率； 倒线色散率：用d/dl 表示，,（2）分辨率,相邻两条谱线分开程度的度量：,： 两条相邻谱线的平均波长；：两条谱线的波长差； b：棱镜的底边长度；n：棱镜介质材料的折射率。,分辨率与波长有关，长波的分辨率要比短波的分辨率小，棱镜分离后的光谱属于非均排光谱。,光栅,透射光栅，反射光栅； 光栅光谱的产生是多狭缝干涉与单狭缝衍射共同作用的结果，前者决定光谱出现的位

14、置，后者决定谱线强度分布；,光栅的特性,ABCDE表示平面光栅的一段；,光线L在AJF处同相，到达AKI平面，光线L2M2要比光线L1M1多通过JCK这段距离。FEI=2JCK，其后各缝隙的光程差将以等差级数增加，3JCK 、4JCK等。 当光线M1、M2、M3到达焦点时，如果他们沿平面波阵面AKI同相位，他们就会产生一个明亮的光源相，只有JCK是光线波长的整数倍时才能满足条件。,光栅的特性：,如果： d =AC=CE JC+CK=d (sin+sin)=n 即光栅公式：d (sin+sin)=n,、分别为入射角和反射角；整数n为光谱级次； d为光栅常数； 角规定取正值，如果角与角在光栅法线同

15、侧， 角取正值，反之区负值； 当n=0时，零级光谱，衍射角与波长无关，无分光作用。,光栅的特性：,将反射光栅的线槽加工成适当形状能使有效强度集中在特定的衍射角上。 图所示反射光栅是由与光栅表面成角的小斜面构成(小阶梯光栅，闪耀光栅)，角叫做闪耀角。 选择适宜的闪耀角，可以使90%的有效能量集中在单独一级的衍射上。,光栅的参数：,光栅的特性可用色散率和分辨率来表征，当入射角不变时，光栅的角色散率可通过对光栅公式求导得到：,d/d为入射角对波长的变化率，即光栅的角色散率。,当很小，且变化不大时，cos 1，光栅的角色散率决定于光栅常数 d 和光谱级数n ，常数，不随波长改变，均排光谱（优于棱镜之处

16、）。 角色散率只与色散元件的性能有关；线色散率还与仪器的焦距有关。,光栅的线色散率,f 为会聚透镜的焦距。 光栅的分辨能力根据Rakleigh准则来确定。,等强度的两条谱线（I，II）中，一条（II）的衍射最大强度落在另一条的第一最小强度上时，两衍射图样中间的光强约为中央最大的80%，在这种情况下，两谱线中央最大距离即是光学仪器能分辨的最小距离（可分离的最小波长间隔）；,光栅的分辨率R,光栅的分辨率R 等于光谱级次（n）与光栅刻痕条数（N）的乘积：,光栅越宽l、单位刻痕数越多b、R 越大。,宽度50mm，N=1200条/mm， 一级光谱的分辨率： R=1501200=6104,狭缝,单色器的进口狭缝起着单色器光学系统虚光源的作用。复合光经色散元件分开后，在出口曲面上形成相当于每条光谱线的像，即光谱。转动色散元件可使不同波长的光谱线依次通过。 分辨率大小不仅与色散元件的性能有关，也取决于成像的大小，因此希望采用较窄的进口狭缝。分辨率用来衡量单色器能分开波长的最小间隔的能力；最