光栅光谱仪的光谱仪基础知识介绍

CCD，是英文Charge Coupled Device 即电荷耦合器件的缩写，它是在MOS晶体管电荷存储器的基础上发展起来的，突出的特点是以电荷作为信号，而不是以电流或电压作为信号的。

在P型或N型硅单晶的衬底上生长一层厚度约为120~150nm的SiO2层，然后按一定次序沉积m行n列个金属电极或多晶硅电极作为栅极，栅极间隙约2.5μm，于是每个电极与其下方的SiO2和半导体间构成了一个MOS结构，这种结构再加上输入、输出结构就构成了m×n位CCD（m＞1，n≥1）；当n=1时，CCD器件被称为线阵CCD；当n＞1时,则为面阵CCD。

CCD按受光方式分为前感光和背感光两种。前感光CCD由于正面布置着很多电极，光经电极反射和散射，不仅使得响应度大大减低（量子效率通常低于50%），也因为多次反射产品的干涉效应使光谱响应曲线出现马鞍形的起伏；背感光CCD由于避免了上述问题，因而响应度大大提高，量子效率可达到80%以上。（如图示）

● CCD的重要性能参数：

◆ 量子效率
   量子效率是表征CCD芯片对不同波长的光信号的光电转换本领的高低，是CCD的一个重要参数。

◆ 动态范围
   一般定义动态范围是满阱容量与噪声的比值。增大动态范围的途径是降低暗电流和噪声，如采用制冷型CCD，或选择量子效率更高、像素尺寸更大的CCD。

◆ 噪声
   CCD的噪声包含信号噪声、读出噪声和热噪声。
1、信号噪声是指信号的随机噪声。
2、读出噪声是电荷转移时产生的噪声，它发生在每次电荷转移过程中，因此与读取的速度有关，读取速度越快，读出噪声也越高。
3、热噪声是温度引起的噪声，温度越低，热噪声越小。

◆ 分辨率
   面阵CCD的分辨率一般是指空间分辨率，它主要取决于CCD芯片的象元数和像素大小。
   当CCD与光谱仪配合使用来进行光谱摄制时，其光谱分辨率则与光谱仪的光学色散能力以及CCD芯片的像素大小都有关系。

◆ 线性度
   线性度是表征CCD芯片中的不同像元对同一波长的输入信号，其输出信号强度与输入信号强度成比例变化的一致性。

◆ 读出速度（帧数）
   读出速度是用来表征单位时间内处理数据速度的快慢的参数。读出速度越快，单位时间内获得的信息越多；但同时要注意，读出速度越快，读出噪声越高。

◆ 制冷方式
   CCD的制冷方式主要有半导体（TE）制冷和液氮制冷。

（来源：北京卓立汉光仪器有限公司）

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光栅光谱仪实验：应用与原理解析

光栅光谱仪是一种常用于分析光的组成与特性的重要仪器，它通过光栅衍射的原理，将入射光谱分解成不同波长的光，广泛应用于物理、化学、生物等多个学科领域。本文将详细探讨光栅光谱仪的工作原理、实验过程、以及其在科研与工业中的重要作用，旨在为广大科研人员及学者提供相关的实践与理论指导。

光栅光谱仪的工作原理基于光的衍射效应。光栅通常由众多平行的细线条构成，每条线条之间的间隔非常微小。当光线照射到光栅表面时，由于光的衍射效应，光线会按照一定的规律发生偏折，并在不同的角度上出现衍射光谱。根据光栅的设计，光谱中每一条光线的角度与入射光的波长成一定的关系。通过测量光线的衍射角度，可以准确推算出光的波长和频率，这一过程即为光谱分析。

在光栅光谱仪实验中，首先需要选用合适的光源，通常使用激光或其他连续光源，确保光源的波长稳定性和适合衍射光谱分析的特性。实验中，光源通过准直透镜使得光线平行，接着光线通过光栅，并在光栅的衍射作用下产生一系列光谱。实验者通过设定适当的角度位置，使用探测器或光电二极管接收不同波长的衍射光，从而分析出光谱数据。

实验的另一关键环节是光栅的选择和光学系统的调校。光栅的周期性结构和光栅常数（即光栅上条纹之间的间距）对衍射角度的精度有着至关重要的影响。为确保实验的准确性，必须选择合适的光栅，并且对仪器进行精密调节，使得光谱的测量范围和灵敏度达到佳状态。仪器的探测系统和光电元件的性能也对实验结果产生影响。

在实际应用中，光栅光谱仪被广泛用于各种科学实验中。例如，在天文学中，科学家利用光栅光谱仪分析天体发出的光谱，进而推算出天体的化学成分、温度、运动速度等信息。在化学分析中，光栅光谱仪可用于检测物质的分子特征，通过光谱线的精确测量，推断物质的浓度和纯度。光栅光谱仪还广泛应用于光通信、激光技术以及材料科学等领域。

总结来说，光栅光谱仪是一种高精度的光谱分析工具，能够通过衍射原理将光分解成不同波长的光线，广泛应用于科学研究和工业生产中。了解其工作原理和实验操作过程，对于提高实验的准确性和拓展其应用领域具有重要意义。无论是在天文学的星际物质分析，还是在化学反应监测中的定量分析，光栅光谱仪都发挥着不可替代的作用，为科研和技术创新提供了重要的支持。

一、什么叫试验机

我们通常所见的试验机实际应叫做材料试验机，它是一种用来验测各种材料式部件的机械物理性能的仪器。

二、材料试验机的分类材料试验机的分类方法很多，常见的有：

b)按测量结束的指示类型分主要有数显、指针；

d)按控制方式分主要有开环控制)和闭环控制) 对于闭环控制等觉的控制类型有：速度控制、载荷控制、变形控制、位置控制。

什么是拉曼

光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射. 弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分，成为瑞利散射；非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分, 称为拉曼散射（斯托克斯及反斯托克斯拉曼散射）。拉曼散射大约只占散射光的千万分之一，这些散射散布到四面八方，而且它们的波长和偏振态都会发生改变。
拉曼效应是光子与光学支声子相互作用的结果，源于分子振动（和点阵振动）与转动，因此从拉曼光谱中可以得到分子振动能级（点阵振动能级）与转动能级结构的信息。
斯托克斯拉曼散射光子能量比瑞利散射光子能量弱，即斯托克斯拉曼散射光的波长比瑞利散射光的波长长；而反斯托克斯拉曼散射光子具有更高的能量。反斯托克斯谱线强度比斯托克斯谱线强度弱得多，这是因为只有处于振动激发态的分子引起的辐射才能产生反斯托克斯谱线。相对来说，在拉曼实验中，斯托克斯谱线更容易被测量到。

几种常见的拉曼技术

共振拉曼(RRS) 

如果激光的波长和分子的电子吸收相吻合，这一分子的某个或几个特征拉曼谱带强度将增至100-10,000 倍以上，并观察到正常拉曼效应中难以出现的、其强度可与基频相比拟的泛音及组合振动光谱。这种共振增强或共振拉曼效应非常有用，不仅能显著降低检测限，而且可引入电子选择性。由于共振拉曼能提供结构及电子等信息，因此，共振拉曼也被用于物质鉴定。

紫外共振拉曼(UVRRS) 

荧光干扰问题和灵敏度较低严重阻碍了常规拉曼光谱的广泛应用。但近年来发展起来的紫外拉曼光谱技术有效地解决了上述问题。紫外拉曼光谱技术的出现和发展大大地扩展了拉曼光谱的应用范围。右图是紫外拉曼光谱避开荧光干扰的原理图。荧光往往出现在300 nm-700 nm 区域，或者更长波长区域。而在紫外区的某个波长以下，荧光极少出现。因此，对于许多在可见拉曼光谱中存在强荧光干扰的物质，例如氧化物、积碳等， 通过利用紫外拉曼光谱技术就可以成功的避开荧光从而得到信噪比较高的拉曼谱图。从下图磷酸铝分子筛ALPO-5 示例可以看出，紫外共振拉曼光谱技术由于能避开荧光，可以成功用于微孔和介孔分子筛材料的表征。

紫外拉曼光谱技术的另一个突出特点是，拉曼信号可以通过共振拉曼信号得到增强。共振拉曼效应可以从拉曼散射截面公式得到解释：根据Kramers-Heisenberg-Dirac 散射公式:

 
在公式 (1) 中，ωri 是初始态i 到激发态r 的能量差频率，ωL 是入射激光频率。当激发光源频率靠近电子吸收带时，diyi项分母趋近于零，因而其散射截面异常增大, 导致某些特定的拉曼散射强度增加104~106 倍。共振拉曼光谱的谱峰强度随着激发线的不同而呈现出与普通拉曼不同的变化。

紫外拉曼光谱规避荧光成功表征AIPO-5 分子筛的信号

将紫外共振拉曼用于表征多组份体系时，可以选择性的激发某些组分相应的信息，从而使与这些组分相关的拉曼信号大大增强，得到共振拉曼光谱
这种共振增强或者共振拉曼效应是非常有用的一个技术，它不仅可以极大的降低拉曼测量的探测极限，而且还可以引入到电子选择上面。这样，如果我们使用共振拉曼技术来研究样品，不仅可以看到它的结构特征，而且还可以得到它的电子结构信息。金属卟啉， 类胡萝卜素以及其他一系列生物重要分子的电子能级之间跃迁能量差都处在可见光范围之内，这使得它们成了共振拉曼光谱的理想研究材料。

拉曼散射和共振拉曼散射的能级图以及它们对应拉曼谱图示意图

共振选择技术还有一个非常实际的应用。那就是二分之一载色体的光谱由于这种共振作用会得到增强，而它周围的环境则不会。对于生物染色体来说这就意味着，我们使用可见光即可特定的探测到有源吸收ZX，而它们周围的蛋白质阵列则不会对探测产生影响（这是因为这些蛋白质需要紫外光才能使其产生共振增强作用）。共振拉曼光谱在化学上探测金属ZX合成物，富勒分子，联乙醯以及其他的稀有分子上也是一种重要的技术，因为这些材料对于可见光都有着很强的吸收。

其他更多的分子吸收光谱由于处于紫外，所以需要紫外激光进行共振激发，我们就称之为紫外共振拉曼（Ultra Violet Resonance Raman Spectroscopy）; 紫外共振拉曼光谱技术是研究催化和复杂生物系统中分子分析的一个重要工具。大多数的生物系统都吸收紫外辐射， 所以它们都能提供紫外的共振拉曼增强。这样高的共振拉曼共振选择效应使得像蛋白质和DNA 等重要生物目标的拉曼光谱得到极大增强， 而其他物质则不会，非常便于目标确认及分析。例如，200nm 的激发光能够增强氨基化合物的振动峰；而220nm 的激发光则可以增强特定的芳香族残留物的振动峰。水中的拉曼散射非常弱，这个技术使得与水有关的微弱系统的拉曼分析也变成了可能。

金属卟啉、类胡萝卜素以及其他几类重要的生物分子在可见光区域内有强烈的电子跃迁，因此他们成了理想的共振拉曼光谱检测对象。

表面增强拉曼（SERS）

自1974 年Fleischmann 等人发现吸附在粗糙化的Ag 电极表现的吡啶分子具有巨大的拉曼散射现象，加之活性载体表面选择吸附分子对荧光发射的YZ，激光拉曼光谱分析的信噪比大大提高，这种表面增应被称为表面增强拉曼散射(SERS)。
拉曼散射由化合物（或离子）的散射吸附，或在结构化金属表面，可达到溶液中散射的103 倍到106 倍。这种表面增强拉曼散射在银表面表现得强，在金或铜表面也比较强。其他金属则没有这么强的增应。

表面增应产生的两个机制：

diyi种是在贵金属表面产生一种增强的电磁场。当入射光的波长接近金属等离子体波长时，金属表面传导电子被激发到一个扩展表面的电子激发态，称为表面等离子体共振。分子吸附在表面或接近表面经过一个异常大的电磁场。垂直于表面的振动模式带来的增强强烈。
第二种是是在表面和分析物分子之间形成电荷转移络合物。许多电荷转移络合物带来的电子跃迁会产生可见光，以便发生增强谐振。

显微共聚焦拉曼（Confocal）

共焦：从一个点光源发射的探测光通过透镜聚焦到被观测物体上，如果物体恰在焦点上，那么反射光通过原透镜应当汇聚回到光源， 这就是所谓的共聚焦，简称共焦。共焦指的是空间滤波的能力和控制被分析样品的体积的能力，通常是利用显微镜系统来实现的。只有显微镜系统的无限远光路才可以实现良好的共焦性能。
显微拉曼光谱技术是将拉曼光谱分析技术与显微分析技术结合起来的一种应用技术。与其他传统技术相比，更易于直接获得大量有价值信息，共聚焦显微拉曼光谱不仅具有常规拉曼光谱的特点，还有自己的独特优势，样品区接近衍射极限（约1 微米）；成像和光谱可以被组合以产生“拉曼立方体”三维数据，在二维图像的每个像素对应一个拉曼频谱信息。
从光学结构来说，显微共聚焦拉曼光谱仪主要有针孔共聚焦和“狭缝-CCD”共聚焦两种设计结构。
先进的“狭缝+CCD 焦平面共焦”技术，具有较高通光效率，高灵敏度，操作简单。
原理：显微镜头聚焦到样品上，将显微镜头收集的样品信号聚焦到光谱仪狭缝入口，通过狭缝对焦平面的一维（X 方向）限制进入光谱仪； 经光谱仪分光，光谱成像在CCD 上；在通过对CCD 上像元的提取， 对另一维（Y 方向）的信号的限制，提取出样品上的信号，实现共焦作用。“狭缝+CCD 焦平面共焦”技术特点：
1、 共焦区域任意设置（狭缝宽度，CCD 像元区域任意设定）。
2、 全部信号进入光谱仪，没有信号损失。
采用“狭缝+CCD焦平面共焦”技术的Finder Vista（“微曼”共聚焦拉曼显微镜）空间分辨率指标：
 X，Y方向空间分辨率：1um
 Z方向空间分辨：2um

典型拉曼光谱系统架构

典型拉曼光谱系统由如下几个部分构成：

 激发光源。通常采用激光器，要求单色性好、功率大并且Z好能选择多个工作波长。
 激发光路。包含聚焦、汇聚、滤光等多个功能元件以及样品调节装置。
 光谱仪。科研级的系统中通常采用高分辨率光谱仪， 推荐采用影像校正光谱仪，可以进一步提升系统的检测性能。
 探测器。通常采用CCD探测器或高灵敏度的PMT（配合光子计数器等高灵敏电子学设备）。
 数据处理单元。包括计算机和软件。

拉曼光谱应用

拉曼光谱能给出的物质信息