光谱仪器设计PDF电子书下载

第一章 绪论 1

1-1 光谱仪器 1

1-2 光谱仪器特性 2

工作光谱区 2

色散率 3

分辨率 4

光强 5

工作效率 7

1-3 光谱仪器的分类 8

1-4 光谱仪器发展史概述 9

光谱仪器的形成阶段 10

光谱仪器作为实验室研究工具的阶段 11

光谱仪器在工业中应用的阶段即光谱仪器制造工业的形成和发展阶段 13

光谱仪器实行光电化、自动化和发展新原理的阶段 15

1-5 光谱仪器的应用 17

光谱仪器在重工业中的应用 18

光谱仪器在轻工业和农业中的应用 18

光谱仪器在生物学和医学中的应用 19

光谱仪器在物理学和化学中的应用 19

光谱仪器在天文学和空间物理学中的应用 20

参考文献 20

第二章 光谱和光谱技术 21

2-1 光谱 21

定义 21

特性 21

测量单位 22

2-2 光谱与物质结构 23

2-3 光谱的激发 29

2-4 光的吸收定律 32

2-5 谱线增宽效应 34

不同粒子的碰撞效应 34

同种粒子的碰撞效应 35

电场的作用——斯特克效应 35

磁场的作用——塞曼效应 37

热运动作用——多普勒效应 37

未激发原子的吸收作用——谱线自蚀效应 38

2-6 光谱分析 39

发射光谱分析 39

吸收光谱分析 40

赖曼光谱分析 40

荧光光谱分析 41

原子吸收光谱分析 42

参考文献 42

第三章 光谱仪器的配用光源 43

3-1 火焰、火花和电弧发生器 43

火焰 43

火花 46

电弧 48

3-2 气体放电灯源 50

气体放电的种类 50

气体放电灯源的基本特点 51

水银灯 51

钠光灯 53

铯光灯 54

光谱灯 55

氢弧灯 56

空心阴极灯 56

3-3 热辐射光源 58

绝对黑体的热辐射定律 58

钨丝灯 61

能斯脱灯 62

硅碳棒 63

3-4 激光器和它在光谱仪器中的应用 64

激光和普通光 64

激光器 64

激光在光谱仪器中的应用 66

参考文献 67

第四章 光谱仪器的色散元件 69

4-1 色散原理概述 69

透光物质的色散作用 69

衍射色散作用 69

干涉色散作用 69

干涉调制色散作用 70

4-2 三棱镜的色散原理 70

概述 70

三棱镜的分光原理 71

最小偏向的条件 71

角色散率 72

角色散宽度 72

增加三棱镜角色散率的途径 73

理论分辨率 74

角放大率 75

4-3 分光棱镜组的色散原理 76

角色散率 77

角色散宽度 77

理论分辨率 78

4-4 分光棱镜的种类 78

三棱镜 78

赖才尔福特棱镜 78

直视棱镜 79

利脱尔棱镜 79

赖才尔福特自准棱镜 80

阿贝恒偏向棱镜 80

瓦茨沃尔脱棱镜系统 80

科纽棱镜 82

阿贝棱镜系统 83

其他多棱镜组 83

棱镜-透镜系统 84

费利棱镜 84

4-5 棱镜非主截面的色散作用——光谱线的弯曲 84

4-6 光线在棱镜中的损失 87

4-7 温度对棱镜色散作用的影响 88

4-8 制造分光棱镜的材料 90

光谱透明区 90

色散率 90

光学均匀性 90

双折射 91

化学稳定性 91

4-9 分光棱镜的设计 97

4-10 反射式平面衍射光栅的色散原理 101

概述 101

色散原理和公式 102

光谱级和自由色散区 102

角色散率 103

角放大率 103

理论分辨率 104

非主截面内的色散作用（谱线的弯曲） 104

光谱级的强度分布 105

4-11 空间反射式平面衍射光栅的色散特性 108

概述 108

光栅的空间色散方程 109

角色散率 111

自由色散区 111

分辨率 111

光谱线的倾斜 112

光谱的弯曲 112

4-12 反射式衍射光栅的制造 113

概述 113

机械刻划 114

光电刻划 117

光栅复制 119

全息照相刻划 119

4-13 反射式阶梯光栅的色散原理 120

概述 120

色散原理 121

角色散率和色散区 121

分辨极限和分辨率 122

光谱强度分布 123

4-14 陆末-盖克平行板 123

4-15 法布里-珀罗干涉色散原理 127

概述 127

干涉极大值条件 127

角色散率和色散区 128

光强分布及其与反射膜和介质的关系 129

分辨极限和分辨率 132

光束渐晕对强度的影响，球面法布里-珀罗干涉仪 133

反射面的加工精度对分辨率的影响 134

温度对分辨率的影响 134

法布里-珀罗干涉仪的主要优缺点 135

复合法布里-珀罗干涉仪 135

4-16 光谱滤光片 137

光学滤光片的种类 137

固体吸收滤光片 139

干涉滤光片 140

干涉滤光片的光谱特性与光束入射角和周围环境的关系 146

剩余反射滤光片 147

衍射光栅和网格反射滤光片 149

磨砂反射滤光片 150

散射滤光片 151

组合滤光片 153

参考文献 153

第五章 光谱仪器的成象系统 155

5-1 光谱仪器理想成象系统的基本特点 155

概述 155

线放大率 155

视场 156

光瞳和相对孔径 157

5-2 象差和它的种类，象差在光谱仪器成象系统中的作用 157

象差的不可避免性 157

单色象差的种类 158

球差 160

彗差 162

象散和象面弯曲 163

畸变 165

色差 165

轴向色差 166

倍率色差 166

5-3 象差和成象系统的设计 166

光谱仪器光学设计的目的和任务 166

光谱仪器成象系统的初级象差系数 167

光谱仪器成象系统的象差校正要求 168

5-4 透射式物镜的设计 172

概述 172

未消色差物镜 176

消色差物镜 177

平谱面物镜的设计方法 178

5-5 反射式物镜的设计 180

概述 180

凹球面镜 180

凹抛物面镜 182

双反射面物镜（卡谢克连物镜） 183

5-6 反射式成象系统 185

反射式成象系统的特点 185

水平成象系统的轮廓概算 185

摄谱仪水平成象系统的象差计算 187

单色仪水平成象系统的象差计算 190

垂直对称成象系统 194

自准成象系统 196

5-7 凹面衍射光栅理论 199

光程差函数 199

衍射极大值的条件 200

聚焦条件 200

凹面光栅光谱的一些特性 201

凹面光栅的象差计算 203

狭缝象的象散结构 205

5-8 凹面衍射光栅成象系统 206

罗兰成象系统 206

艾伯尼成象系统 207

巴森-隆成象系统 207

依格尔成象系统 208

垂直入射成象系统 209

径向成象系统 210

掠入成象系统 211

谢亚-那米欧卡（Seya-Namioka）成象系统 211

欧那卡（Onaka）成象系统 212

沃茨握尔成象系统 213

凹面光栅的消象散系统 214

5-9 色散棱镜和平面光栅在非平行光束中所产生的象差 215

色散棱镜在非平行光束中的象差 215

平面光栅在非平行光束中的象差 216

落入色散元件的光束的非平行性的影响 217

参考文献 218

第六章 光谱仪器的接收系统 220

6-1 概述 220

6-2 眼睛和它的主要特性 221

眼球的结构 221

视觉生理 222

眼睛的象差 222

眼睛的分辨率 222

亮度的对比能力 223

视见函数——光谱相对灵敏度 224

眼睛的适应性 224

6-3 感光材料与它的主要特性 225

潜象的构成 225

潜象的处理——显影和定影 225

乳胶特性曲线 226

乳胶的衬度（对比度） 226

乳胶的宽容度L 226

乳胶的分辨率 227

光谱灵敏度 227

谱片的背景和谱线的扩散 228

乳胶特性曲线的制作法和阶梯减光板 229

6-4 摄谱接收法的主要附属设备 230

光谱投影仪 230

测微光度计 231

光谱比长仪 231

6-5 光电元件和它的电子线路 232

光电元件的基本特性 232

内光电效应的光电元件——真空光电管 233

外光电效应的光电元件——光电倍增管 235

光电倍增管的接线线路和供电 237

光电管与光电倍增管的信号与噪音比 238

光敏电阻与它的线路 240

光电池和它的接线电路 240

6-6 热电元件和它的特性 242

真空热电堆与它的特性 242

热辐射计和它的接线图 243

气体接收器和它的结构 245

6-7 光电信号的放大 246

放大器工作特性的主要指标 247

放大器的干扰 249

电子管放大器 251

半导体（晶体管）放大器 254

6-8 光电信号的显示 256

参考文献 258

第七章 光谱仪器的装校调试 260

7-1 概述 260

7-2 常用的装校调试仪器 261

水准器 261

放大镜 261

显微镜 262

平行光管 263

望远镜 263

自准平行光管 265

经纬仪 266

刀口仪 266

7-3 主要组件的装校 266

狭缝组 266

棱镜台与光栅台 268

物镜 269

7-4 总体装校 269

7-5 补角棱镜自准定位法 271

7-6 标记定位法 273

7-7 五角棱镜定位法和测角定位法 275

7-8 刀口法（阴影法） 277

工作原理 277

反射式物镜位置的校正 278

反射镜的装配质量的检查 280

7-9 星点法 280

星点法的工作原理 280

轴上象差对衍射象的影响 282

轴外象差对衍射象的影响 283

典型的星点彩色衍射象 284

7-10 总体精密调试和摄谱精调法 286

7-11 凹面光栅光谱仪的装调 289

绕x轴转动的成象关系的变化 289

绕y轴转动的成象关系的变化 289

绕z轴转动的成象关系的变化 290

7-12 法布里-珀罗干涉仪的调整 291

参考文献 291

第八章 光谱仪器的结构设计 292

8-1 概述 292

结构设计的任务和要求 292

结构设计程序 293

基准选择和尺寸标注 294

8-2 光学零件的结构设计 295

透镜 295

反射镜 297

棱镜 297

8-3 狭缝结构的设计 298

刀口的设计 298

狭缝宽度的调节机构 299

狭缝高度的调节 300

狭缝倾斜机构 302

狭缝的调焦机构 302

8-4 光学零件的固定 302

滚边固定法 302

压圈固定法 303

压板固定法 305

胶接固定法 306

色散棱镜的固定法 307

8-5 棱镜和光栅的转动机构 308

杠杆传动机构 308

蜗轮蜗杆传动机构 310

钢带滚轮传动机构 310

读数机构 311

8-6 凸轮的设计 312

8-7 暗盒和板移结构 315

参考文献 317

第九章 光谱仪器的总体设计 318

9-1 总体设计的目的和内容 318

9-2 光学系统的选择 319

概述 319

摄谱仪系统的选择 320

单色仪系统的选择 322

9-3 接收系统的选择 324

9-4 总体结构的安排 325

9-5 模型试验和新产品试造 328

9-6 实际线色散率的测定 329

9-7 实际分辨率和它的测定 330

真实谱线宽度α＇？ 331

衍射宽度α＇？ 331

几何宽度α＇？ 332

象差宽度α＇α 332

照明光束的相干性对分辨率的影响 332

接收系统对分辨率的影响 334

摄谱试验法 334

干涉测量法 335

电磁场分谱法 335

偏振分谱法 336

光电扫描法 337

9-8 杂散光的产生和它的消除 338

9-9 产品技术质量标准的制定 340

制定产品技术质量标准的必要性 340

摄谱仪的主要技术质量标准 340

分光光度计的主要技术质量标准 340

参考文献 341

第十章 看谱仪和摄谱仪 342

10-1 看谱仪 342

概述 342

34W型验钢镜 342

工业看谱仪 343

10-2 摄谱仪的概述 345

一般说明 345

棱镜摄谱仪与光栅摄谱仪的比较 346

摄谱仪与光电光谱仪的比较 347

10-3 摄谱仪的照明系统 348

对摄谱仪照明系统的设计要求 348

照明方式的分类 349

三透镜照明系统的性能和它的设计 350

10-4 棱镜摄谱仪 352

中型石英摄谱仪 353

大型石英自准摄谱仪 354

组合式万能玻璃棱镜摄谱仪 355

特大型组合式玻璃棱镜摄谱仪 358

10-5 光栅摄谱仪 361

概述 361

平面光栅摄谱仪的光学性能 361

平面光栅摄谱仪的结构特点 365

固定式大型光栅摄谱仪 366

10-6 真空紫外摄谱仪 367

应用 367

空气对远紫外光谱的吸收 367

光学系统的选择 368

远紫外光谱区的反射膜 369

真空摄谱仪的结构设计 371

10-7 超宽光谱范围的光栅摄谱仪 371

参考文献 374

第十一章 光电直读光谱仪（光电析钢仪和光量计） 375

11-1 概述 375

应用 375

分类 375

光电直读光谱分析的基本原理 376

电子计算机在光电直读光谱仪器中的应用 377

11-2 光电析钢仪 378

概述 378

内标光道的选择 379

分析光道的扫描方法 380

光电接收系统 381

11-3 光谱的激发和照明系统 382

光谱激发过程中的电干扰和它的消除 383

氩气在光谱激发中的作用 383

氩气火花架和供氩系统 385

照明系统 386

11-4 光量计的光学系统 387

概述 387

棱镜光学系统 388

平面光栅光学系统 389

凹面光栅成象系统 389

11-5 光量计的接收系统 390

概述 390

聚光镜系统 391

接收元件 392

积分器和控制系统 392

放大-记录系统 393

11-6 谱线位移的校正和消除 395

谱线位移的产生原因 395

谱面位移的校正方法 396

谱线位移消除的根本办法 398

参考文献 399

第十二章 单色仪和分光光度计 400

12-1 概述 400

12-2 单色仪 400

透射式单色仪 400

反射式棱镜单色仪 402

反射式光栅单色仪 404

强光单色仪 405

12-3 双单色仪 406

双单色仪的色散率和分类 406

色散相加的双单色仪 407

色散相减的双单色仪 408

几点设计注意事项 409

12-4 多次色散的单色仪系统 410

12-5 紫外可见和近红外分光光度计 411

概述 411

光源和照明系统 412

分光系统 413

光度光学系统 415

接收系统 415

荧光分光光度计 416

12-6 红外分光光度计 417

概述 417

双光束红外分光光度计的测量原理 419

光源和光度光学系统 419

分光系统 422

光电接收元件和它的聚光系统 425

光电接收系统 425

12-7 远红外光栅分光光度计 428

概述 428

远红外光源和接收元件 428

单光束远红外光栅分光光度计 429

双光束远红外光栅分光光度计 429

参考文献 437

第十三章 高分辨率光谱仪（经典干涉光谱仪） 439

13-1 概述 439

13-2 阶梯光栅摄谱仪 439

透射式阶梯光栅摄谱仪 439

外平行光反射式阶梯光栅摄谱仪 440

内平行光反射式阶梯光栅摄谱仪 441

13-3 陆末-盖克板干涉光谱仪 442

13-4 法布里-珀罗干涉摄谱仪 445

概述 445

外平行光法布里-珀罗干涉摄谱仪 446

内平行光法布里-珀罗干涉摄谱仪 447

会聚光法布里-珀罗干涉摄谱仪 448

复合法布里-珀罗干涉摄谱仪 448

13-5 法布里-珀罗分光计 449

概述 449

仪器函数和实际分辨率 450

法布里-珀罗分光计的光强和预色散器 451

法布里-珀罗分光计的成象系统 451

倾斜法布里-珀罗分光计 451

变光学厚度法布里-珀罗分光计 452

环形和圆孔出射光栏的设计 453

变焦距法布里-珀罗分光计 455

参考文献 455

第十四章 干涉调制光谱仪 456

14-1 基本思想 456

14-2 栅栏分光计 458

概述 458

狭缝和栅栏 459

单光束栅栏分光计 460

双光束红外栅栏分光光度计 462

14-3 干涉调幅分光计（SISAM） 464

迈克尔逊干涉仪 464

选择性调幅原理 465

干涉图象的变迹 466

设计中几点说明 466

14-4 干涉调频光谱仪 467

工作原理 467

分辨率与立体角 468

迈克尔逊干涉调频光谱仪 469

片光栅干涉调频光谱仪 471

参考文献 471

第十五章 光谱仪器的使用和保养 472

15-1 概述 472

15-2 光学零件的清洗与保养 472

15-3 光谱仪器工作环境的要求 473

15-4 操作安全 474

附表 476

附表1 几种常用晶体材料性能表 476

附表2 常用晶体材料的折射率表 477

附表3 常用晶体的折射率的温度关系表 481

附表4 石英玻璃的折射率表 483