激光光谱学的介绍.doc

1 -激光光激光光谱谱学的介学的介绍绍一、引言一、引言光谱学是研究物质和电磁波相互作用的科学，而激光光谱学是对在激光器 发明之后，使用激光作为光源来进行的原子、分子的发射光谱、吸收光谱以及 非线性效应所做研究的通称激光光谱学是自激光技术出现以来在传统光谱学基础上发展起来的一门新 兴学科传统光谱学已有 300 多年的历史1666 年伟大的科学家牛顿用棱镜 发现了光的色散现象，由此开始了光谱学的发展，不过在起初的一百多年内， 其发展极为缓慢，直到 1814 年著名的物理学家夫琅和费用他发明的棱镜光谱 仪观察到太阳谱线开始，才逐渐进入光谱学发展的盛期，除了对吸收与发射光 谱的研究外，还相应发展了对散射光谱的研究，特别是喇曼散射的发现，即在 光发生散射时，除了原有频率之外，散射光中还有一些其它频率的光出现，通 过喇曼散射可以研究物质的结构与组成等！其实光谱学作为一门实用性学科是 由物理学家和化学家共同开创起来的到 20 世纪初，传统光谱学已经十分成 熟并在冶金、电子、化工、医药、食品等工业部门都成为相当重要的分析手段尽管传统的光谱学在物质研究中获得了多方面的应用，但在激光问世之前， 它的进一步发展已经面临着不可逾越的鸿沟。

首先传统光谱学使用普通光源， 探测分辨率低，而增强其单色性，又不得不以降低光强为代价，这样又会影响 到探测的灵敏度，此外，在弱光辐射下光谱中的许多非线性效应表现不出来， 因此包含物质结构深层次的信息被阻断60 年代高强度、高单色性激光的出现 给光谱学这门学科注入了新的活力，在其后发展的激光光谱学中，激光光源的 优越性被发挥的淋漓尽致比如激光的单色性使分光器件分辨率提高，高强度 提高了探测的灵敏度，而且强光与物质粒子的相互作用中，产生了各种可观测 的非线性光谱效应；此外激光的高度方向性又使对微区或定点的光谱分析成为 可能在激光光谱学中，作为光谱分析手段的激光光谱技术由于其高空间分辨 率、高时间分辨率、高光谱分辨率也倍受重视，在许多科学技术领域有着非常 广泛的应用前景！二、激光光谱学技术的应用二、激光光谱学技术的应用1、化学 把激光光谱技术与光化学结合，工艺技术简单、设备小、效率高、成本 低 激光分离同位素：利用单色光对准一种同位素的谱线位置，将它光解 离或激励至激发态进行反应，而其余同位素不被光解或激发而存留于原来- 2 -物料中，达到同位素分离的目的 60 年代初，出现了激光由于激光的 单色性、高强度和短脉宽等优异性能，自然地成为同位素分离的理想光源。

激光诱导化学反应 ：在常温常压下不能进行但在激光的照射下可被诱 发的化学反应激光具有单色性、高强度和短脉宽等优越性能，是诱发光 化学反应最理想的光源激光诱导化学反应主要是指激光光解反应以及由 光解碎片引起的后续化学反应，例如，激光光解可以产生自由基或原子， 所产生的自由基又可以诱发链锁反应用各种波长激光（红外、可见、紫 外）诱发的化学反应大约有几百种根据波长的不同，激光诱发化学反应 的机理也不相同，一般可分为两类： ①红外激光诱导化学反应 ，②紫外 或可见激光光解反应 2、生物学光子学在生物学中有着重要的应用其中一个 重要的例子，采用激光光 谱学研究 DNA 和蛋白质取得重大进展有人认为这钟进展的意义堪与人造卫 星升空、人类登上月球相比美最近十年内，人类在研究 DNA 和蛋白质取得三大进展其一，流式细胞 计它用荧光标记物质对分离出来的细胞中的 DNA 进行染色当用一定波长 的激光激励时，单个细胞会发生荧光，其荧光强弱与 DNA 的含量有关当细 胞依次从一个喷咀中流出时，会形成一个一个的荧光脉冲利用一定的电子测 量仪器和计算机数据采集和处理系统就可以得到最常用的 DNA 的直方图直 方图的横坐标表示 DNA 的含量，纵坐标表示细胞的个数。

其二，DNA 的排序 研究它的基本做法为用荧光标记物对 DNA 进行染色其三，用瞬态激光光 谱学动态观察蛋白质的折叠蛋白质的氨基酸序列形成三维结构的过程仍是分 子生物学中最具有挑战性的问题之一激光光谱学可用于研究生物分子和细胞等例如激光微束仪又称为激光显 微镜，是激光器与显微镜相结合的一种光学仪器，可以研究各种 DNA 分子结 构等等；喇曼光谱是研究分子振动的有力工具，所以激光喇曼光谱可以研究生 物分子的结构和动力学等信息 3、激光遥感技术应用于大气和海洋环境监测：在环境科学方面，广泛应用于大气和海洋环 境监测的激光遥感技术是运用激光光谱技术来确定大气成分、浓度及空间分布 等，对人类是十分有意义的！激光遥感应用现状激光遥感应用范围非常广泛，主要包括对地形、建筑物 以及其他对象进行高精度测量1）带状地形测图数据采集地面三维激光影像 扫描仪可进行野外局部带状地形区域分段扫描在具有一定重复扫描区域内， 进行三维影像拼接和合并生成带状影像图通过少量的测量控制点转换到国家 或城市坐标系中，用地形和地物的三维点云数据建立模型，生成带状地形图 3 -（2）建立高精度的数字地面模型和城市模型三维激光扫描影像数据作为 gis 系 统和数据库更新的重要来源。

采集的三维点云数据经过拼接和合并后，进行数 据预处理剔除粗差数据，运用数据滤波和分类算法获得地面高程数据以及地物 数据3）古文物建筑物测量及逆向工程应用地面三维激光影像扫描技术可为 三维数字化设计、三维测量及逆向工程、快速模具制造等相关技术方面提供服 务4）其它方面的应用此外，地面三维激光影像扫描仪可应用于复杂工业设 备的测量与建模、房屋建模与房产图测量、工程建筑物变形监测、灾害三维实 时监测、事故灾害评估、矿山及隧道测量和大型水利工程安全监测与研究等方 面4、医学医学上，运用激光光谱技术可以治疗各种疾病，比如光敏疗法可进行诊断 和治疗癌症；光化学方法应用激光光谱技术治疗皮肤病；激光喇曼光谱可用于 检测体内气体激光光谱学在癌症研究方面的应用1）癌症的光谱诊断：白血病的病 况和早期诊断探讨利用光声光谱技术可研究被氧化和还原的细胞 C 处于固态 或结晶态时的光声光谱殷庆瑞等应用 OAS400 型光声光谱仪研究了血液病患 者的全血样光声吸收光谱图结果表明 ,光声光谱技术能够明显地区分出健康 和患者之间的光谱差异并且该实验操作简单 ,只需一滴血 ,在五分钟内就可得 出结果这种核技术可能在红细胞膜的表面分析以及在血液学研究方面获得进 一步的应用。

Poulet 等报道了用光声光谱技术研究人血中血红蛋白和载氧血红 蛋白的光声光谱 ,并研究了人血的氧化作用的沉降速率等到问题郭周义等用 光声光谱法对正常、白血病缓解、急性淋巴细胞白血病等不同类型的多例血样 的全血谱的二个吸收峰进行了对比 ,并通过全血涂片染瑞士兰的方法 ,观察了血 样中白细胞含量变化在图谱上的反映2）荧光光谱诊断：a 外加光敏物质诊 断；b 自体荧光光谱诊断激光光谱学在动脉粥样硬化斑块光谱诊断的应用1)人类动脉粥样硬化斑 块从化学成分和物理结构来看;可分为两人类: 1 钙化型 ,由钙的沉积物形成;(2) 非钙化形 ,它又可分为三类:纤维型(白色斑块)、脂肪型(黄色斑块)及混合型（纤 维和脂肪等人对上述几种不同类型的动脉粥化硬化斑块）,应采用不同的激发波 长 ,由此可产生几种不同类型的荧光谱 ,于是就产生了不同的光谱识别算法或识 别判据三、激光光谱学前景三、激光光谱学前景1、激光偏振光技术特点是用两束激光同时入射，其中至少一束为可调谐，两束激光与待测样 品作用的结果，导致其中探测激光束偏振状态发生变化，通过检偏振装置进行 检测以获得样品的有关光谱信息激光偏振光技术在一定使用条件下具有一些- 4 -独特的优点。

代表性的有饱和吸收偏振光谱术、双光子吸收偏振光谱术、 CARS 偏振光谱术及偏振标定吸收光谱术等2、激光光声光谱术激光光声光谱术是利用可调谐激光的部分光能被待测样品吸收后转变为热 能和声能，通过对所产生的光-声信号的探测来间接测量样品的吸收光谱特性 光能转变为热能的物理机制可以是多种多样的3、激光光电流光谱术激光光电流光谱是最新出现的新型光谱分析技术其原理是基于可调谐激 光引起气体放电介质共振吸收跃迁，和随之而产生的气体放电特性的变化，通 过对气体放电电流或电压信号的变化，来间接分析和记录待测气体介质中原子 或分子吸收光谱跃迁特性实验上，在连续调谐入射激光频率的同时，同步扫 描记录气体放电电压信号的变化，就可间接获得待测气体粒子共振跃迁的光电 流光谱曲线，在某一共振吸收频率处所发生的气体放电电压信号变化的大小和 极性，与气态粒子本身的种类、能级跃迁的性质以及放电工作条件等因素有关四、激光光谱学的应用展望四、激光光谱学的应用展望激光光谱学技术的巨大应用潜力，主要表现在它所能提供的高光谱分辨率、 高时间分辨率、高空间分辨率、高激发选择性、高分析灵敏度以及测试效率等 方面因此，除了被成功地用于传统光谱学的所有应用方面以外，还以全新的 姿态和更大的活力进入原子物理、分子物理、核物理、固体物理、表面物理、 低温物理、等离子物理、声学、化学、生物学、医学等学科领域，以及精密测 量、计量标准，环境保护、遥感、同位素分离等技术领域。

分别有以下几方面： （1）高光谱分辨率的应用；（2）高时间分辨率的应用；（3）高分析灵敏度 和高激发选择性的应用；（4）激光光谱在核物理研究中的应用；（5）激光光 谱在化学、生物学、医学等方面的应用五、结束语五、结束语应用激光光谱学是一个迅速发展的科学研究领域，新的应用将不断涌现 人们预计，随着激光光源、光学纤维元件及计算机的性能越来越好，价格越来 越合理，应用激光光谱学将会有更多的机会扩大它的应用范围参考资料：参考资料：1、《光谱诊断技术在现代医学中的应用》2、 百度百科、百度文库- 5 -3、《激光光谱学与激光化学》——河北人民出版社4、《应用激光光谱学的发展现状》——王振亚（1980）5、《激光光谱学》——(德)德姆特勒德（Demtroder,W.）（2008）。