第七章 Components of Optical Instruments

1. 第七章 第七章Components of Optical Instruments 光學儀器之組件

2. 運用於紫外光(UV)、可見光與紅外線(IR)等各項範圍的儀器，其彼此間都具有許多共通之處，所以這些儀器被統稱為光學儀器。 • 可以被使用於比紫外光更高能量的範圍或比紅外線更低能量的範圍等兩者之光譜研究儀器，因為其性質與光學儀器有著明顯的差異，將分別在其他章探討之。

3. 7A. 光學儀器之共通性設計General designs of optical instruments • 光學光譜法乃是以下列六種現象為基礎：(1)吸收；(2)螢光；(3)磷光；(4)散射；(5)放射；與(6)化學放光。 • 典型之光譜儀器包括有五種組件： • 安定之輻射能量光源。 • 容納樣品之透明容器。 • 將光譜之限定範圍擷取出以便於進行測量工作之裝置。 • 將輻射能量轉換成有用之電子訊號的輻射偵檢器。 • 將訊號轉換而表現在錶計尺規、電腦螢幕、數位式錶計或記錄紙上的訊號處理器與輸出裝置。

4. (a)表示的是應用於吸收測量方法的排列方式。請注意!所選擇之波長的光源輻射線會穿透樣品，再使用偵檢器－訊號處理器－讀出處理單位來測量穿透後的輻射量。在某些儀器中，樣品與波長選擇器的位置是對調互換的。(a)表示的是應用於吸收測量方法的排列方式。請注意!所選擇之波長的光源輻射線會穿透樣品，再使用偵檢器－訊號處理器－讀出處理單位來測量穿透後的輻射量。在某些儀器中，樣品與波長選擇器的位置是對調互換的。

5. (b)所表示的是應用於螢光測量方法的排列方式。在這種方法中，需要兩種方法選擇器來選擇激發波長與放射波長。所選擇的光源輻射線會照射在樣品上，通常接著會在垂直的方位測量放射出的輻射線，以避免散射效應干擾。(b)所表示的是應用於螢光測量方法的排列方式。在這種方法中，需要兩種方法選擇器來選擇激發波長與放射波長。所選擇的光源輻射線會照射在樣品上，通常接著會在垂直的方位測量放射出的輻射線，以避免散射效應干擾。

6. (c)所表示的是應用於放射光譜法的排列方式。在這種方法中，使用如火焰或者電漿之類的熱能來源會產生分析物蒸氣，並放出輻射線，再利用波長選擇器將其分離出並經由偵檢器轉換成電子訊號。(c)所表示的是應用於放射光譜法的排列方式。在這種方法中，使用如火焰或者電漿之類的熱能來源會產生分析物蒸氣，並放出輻射線，再利用波長選擇器將其分離出並經由偵檢器轉換成電子訊號。

7. 圖7-1 各種光學光譜法儀器類型的組件。　

8. 應用於吸收、螢光與磷光測量的前兩種儀器排列方式，都需要有額外的輻射光源。 • 對吸收測量而言，在有些類型的儀器中，樣品容槽與選擇器的位置會前後倒置。 • 放射光譜法與化學放光光譜法不需要額外的光源，而以樣品自身為放射源。 • 各種儀器組件其細節部分都有差異，與其所適用之波長範圍有關。 • 這些組件之設計與儀器之主要用途為定性分析或定量分析，又或者儀器是應用於原子光譜法或分子光譜法等都有相關性。

9. 圖7-2 光譜儀器之構造材質與波長選擇器。 干涉栔 干涉濾光片 玻璃濾光片

10. 圖7-3 光譜儀器之光源與偵檢器。

11. 圖7-2 光譜儀器之構造材質與波長選擇器。

12. 圖7-3 光譜儀器之光源與偵檢器。

13. 7B輻射光源 Sources of radiation • 使用之光源必須能夠放射出具有相當功率值的輻射光束，而能輕易地被偵檢與測量出來。 • 光源一段合理的時間範圍內，其輸出功率值應該要呈現出穩定性。 • 光源穩定性的問題，可以藉由雙光徑的設計方式而改善之。 • 光源可分為兩種型式： • 所放射之輻射強度只會緩慢地隨著波長改驗而變化的連續性光源(continuum source)。 • 只會放射出有限數目之譜線，或者波長範圍受限制之一些譜帶的譜線性光源(line source)。

14. 7B-1連續性光源 Continuum sources • 在紫外光範圍中最常使用的光源為氘燈。 • 當需要強度相當大的光源時，可以使用內部充滿氬、氙或汞蒸氣之高壓電弧燈。 • 在光譜之可見光範圍中，一般都使用鎢絲燈。 • 常見之紅外線光源則是加熱到1500至2000K的惰性固體，在這個溫度範圍中，最大之輻射輸出值出現在1.5至1.9 mm之間。

15. 7B-2譜線性光源 Line sources • 能放射出有限數目之獨立譜線的譜線性光源被廣泛地被應用於原子收收光譜法、原子與分子螢光光譜法，以及拉曼光譜法中(折射法與旋光法也使用譜線性光源)。 • 汞蒸氣燈與鈉蒸氣燈能在紫外光與可見光範圍中，提供出相當少量之尖銳譜線，能夠被應用於數種光譜儀器中。 • 對於原子吸收與螢光方法而言，中空陰極燈與無電極放電燈是重要的譜線性光源。

16. 7B-3雷射光源 Laser sources • 雷射是由light amplification by stimulated emission of radiation之英文單字字首組合而成的。 • 雷射具有高強度、狹窄的譜帶寬度以及其輸出之同調性質。 • 雷射光源可以被應用於： • 高解析度光譜方法 • 生命期在10-9至10-12 s間的化學過程之動力學研究 • 偵檢與測量大氣中超痕量濃度的物種 • 同位素選擇性反應的誘導效應 • 拉曼光譜法、分子吸收光譜法、放射光譜法等數種例行性分析方法

17. 雷射介質可以是像紅寶石的固態晶體、像砷化鎵的半導體、有機染料溶液或者像氬或氪的氣體。雷射介質可以是像紅寶石的固態晶體、像砷化鎵的半導體、有機染料溶液或者像氬或氪的氣體。 • 通常雷射介質經由活化或泵激(pumped)作用，而由具有適當能量值的少數光子可以引發一連串具有相同能量值的光子。 • 雷射介質作用所放射出的輻射會因為反射現象在介質中來回了無數次，因此產生有相當大的放大效應，而重複往返的結果會得到平行性極佳的一束輻射光束。

18. 圖7-4 典型雷射光源之圖示。

19. 雷射作用之機制包括四種過程來描述之： • (a)泵激 • (b)自發放射(螢光) • (c)剌激放射 • (d)吸收

20. 圖7-5 產生雷射之四種過程。

21. 泵激 • 泵激為雷射產生作用之必需過程。 • 在泵激過程中，可以經由電子放電、通過電流或者暴露在強烈輻射光源下等各種方式來激發雷射之活性物種。 • 由於激發振動能階之生命期較為短暫，因此在10-13至10-15 s後，可以藉由釋放出未知數量的熱能而鬆弛回到此時之最低激發振動能階。 • 有時比起其對應之激發振動能階而言，雷射物質的某些激發電子能階之生命期顯得較長些(通常為1 ms或更長些)；所以生命期較長的能階有時又稱為具有半穩定性。 • 處於激發電子能階之物種，可以藉助自發性的輻射放射作用而失去全部或部分之多餘能量。

22. 自發放射 • 自發放射是一種隨機的過程，在不同的激發態分子中，其出現放射現象的瞬間與所產生之光子行徑等兩者都會有所差異。 • 自發放射會產生非同調性之單光性輻射。 7B-3

23. 剌激放射與吸收 • 剌激放射為雷射行為的基礎。 • 剌激放射的撞擊過程會導致激發態物種立即鬆弛至較低能量之能階，且同時放射出一個光子，而其能量值與剌激這個過程之光子的能量值是相同的。 • 刺激放射所放射出來的光子會剛好都在同一方向前進，而且與引發放射過程之光子是完全同相位的。 • 刺激放射與入射輻射是完全同調性的。 • 吸收過程會與剌激放射相互競爭。

24. 倒逆佈居與光放大作用 • 為了在雷射中產生光放大作用，因為刺激放射而產生的光子數目必須遠大於吸收作用所消耗之光子數目。 • 倒逆佈居(population inversion )：處於較高能階之粒子數目遠大於處於較低能階者。 • 倒逆佈居可以藉由泵激作用而達成的。 圖7-6當雷射通過非倒逆佈居與倒逆佈居等兩者的情況。 7B-3

25. 圖7-6當雷射通過非倒逆佈居與倒逆佈居等兩者的情況。圖7-6當雷射通過非倒逆佈居與倒逆佈居等兩者的情況。

26. 三階與四階雷射系統 • 在三階系統中，由激發能階Ey與基態E0之間的躍遷行為會產生雷射輻射。 • 在四階系統中，是由Ey與能量大於基態之Ex等兩者之間的躍遷行為來產生雷射。 • 四階雷射通常僅需要少量之泵激能量，即可達成倒逆佈居情況。 • 相較於三階系統而言，四階系統之優點乃在於，較容易達成雷射產生作用所需要之倒逆佈居情況。 圖7-7 兩種雷射系統之能階圖示。 7B-3

27. 圖7-7 兩種雷射系統之能階圖示。

28. 某些可用雷射之範例 • 固態雷射 • 第一部發明成功的雷射，也是目前仍然廣泛地使用之雷射系統是以紅寶石晶體為活性介質之三階系統裝置。 • 早期的紅寶石雷射會產生脈衝性光線。目前已經有連續性光波(CW)之紅寶石光源問世。 • Nd-YAG雷射也是一種被廣泛應用的固態雷射。 • 由於Nd-YAG雷射比紅寶石雷射更容易達成倒逆佈居，所以這個系統具有四階雷射的優點。 • Nd-YAG在1064 nm處有一個非常大的輻射功率輸出，而通常可以經由倍頻方式，得到在532 nm的高強度譜線。 • Nd-YAG雷射通常可以被使用來泵激可調頻式染料雷射。 7B-3

29. 氣體雷射 • 這類雷射裝置有四種類型：(1)像He-Ne的中性原子雷射；(2)活性物種為Ar+或Kr+的離子雷射；(3)雷射介質為CO2或N2的分子雷射；與(4)激發態準分子雷射。 • 由於氦–氖雷射具有最低的購置與維護成本、可信度高、與耗電量低等各項優點，所以在所有雷射種類中，它是被應用最廣泛的一種。它的最重要輸出譜線為632.8 nm。 • 氦–氖雷射的輸出是採取連續性模式而不是脈衝模式。 • 氬離子雷射為四階系統，可以在綠色光(514.5 nm)與藍色光(488.0 nm)範圍內放射出高強度的譜線。 • 氬離子雷射會在337.1 nm處，產生短暫脈衝(約數奈秒而已)而高強度(可高達1 MW)的輻射光束，可以做為螢光與拉曼光譜法的光源，以及被使用來泵激染料雷射。 • 二氧化碳氣體雷射則是能夠放射出10.6 mm的單光性紅外線輻射。 7B-3

30. 激發態準分子雷射包括有氦、氟，以及一種稀有氣體如氬、氪或氙等各種氣體之混合物。激發態準分子雷射包括有氦、氟，以及一種稀有氣體如氬、氪或氙等各種氣體之混合物。 • 當以電流方式電子式激發稀有氣體，此時它們會與氟反應生成像ArF*、KrF*或XeF*的激發態離子，由於這些離子只會穩定存在於激發態，所以又稱之為激發態準分子(excimer)。 • 因為激發態準分子處於基態時會呈現不穩定，因此當這些化合物進行鬆弛過程時，會迅速分解而釋放出光子。所以只要持續進行泵激，就必然會呈現出倒逆佈居的情況。 • 激發態準分子雷射可以在紫外光範圍中放射出高能量的脈衝輻射(若是XeF，波長為351 nm，若是KrF，則波長為248 nm，與ArF，其波長為193 nm)。 7B-3

31. 染料雷射 • 染料雷射是四階系統，可以連續地在20至50 nm的波長範圍內進行調頻。 • 藉由改變染料種類，染料雷射的可用波長範圍可以變得相當寬廣。 • 可調頻的雷射其典型譜帶寬度約為零點零幾個奈米或更狹窄些。 • 染料雷射的活性物質則是能在紫外光、可見光或紅外線等範圍內產生螢光效應的有機化合物溶液。 • 隨著泵激光源種類的不同，染料雷射可以採用脈衝式或者CW模式等兩種操作方式。 7B-3

32. 半導體二極管雷射 • 雷射二極管是以現代之半導體技術所製造出的。 • 一種材質是半導體或者是絕緣體，不只是與帶域間隙能量(Eg)有關，也與操作溫度和材質之激發能量有關，而這個能量值則與施加於材質之電壓有關。 圖7-8三種材質之導電帶與價電子帶。 7B-3

33. 圖7-8三種材質之導電帶與價電子帶。

34. 這種磊晶裝置包括有可放射約975 nm紅外線輻射之砷化鎵pn-接合二極管。 • 將特殊材質在晶片上加工製造出可做為輻射共振空腔的條紋，以便於在空腔中產生光放大效應。 • 磊晶柵極可以回饋訊號至共振空腔，因此所得到之輻射其譜帶寬度會相當窄，而僅約為10-5 nm。 圖7-9分佈型布喇格反射器雷射二極管。 圖7-9分佈型布喇格反射器雷射二極管。 7B-3

35. 被製造成可增強產生光束之效應的二極管就稱為發光二極體(light-emitting diodes)或LEDs。 • 發光二極體通常是以砷磷化鎵所製造成的，其帶域間隙能量相當於波長為650 nm的輻射能。 • 在目前，由砷化鋁鎵(lm = 900 nm)、磷化鎵(lm = 550 nm)、氮化鎵(lm = 465 nm)與氮化鎵銦(lm = 450 nm)等材質所製成的二極體已經大量問世。 • 雷射二極管可以脈衝式或連續式(CW)等各種方式進行操作，因此能夠增加它們在各種應用上的適用性。 • 已經有報導言明，氮化鎵雷射二極管可直接放射出藍色、綠色與黃色光譜範圍的輻射光束。 7B-3

36. 當應用於光譜法時，雷射二極管的主要限制在於它僅能夠放射出在紅光與紅外線光譜範圍中，很狹窄波長範圍內的輻射光束。 • 非線性光學裝置進行倍頻操作， 可將雷射二極管之輸出聚焦於倍頻晶體上，而獲得在藍綠色光譜範圍(~ 490 nm)的輻射輸出。 • 當使用適當之外接式光學裝置，倍頻後之雷射二極管的平均輸出功率可以達到0.5至1.0 W，而可調頻之光譜範圍約為30 nm。 • 這類光源之優點包括有一體成型、高度功率效能、高可信度與高堅固性。 圖7-10非線性倍頻光學裝置。 7B-3

37. 雷射之非直線性光學效應 • 當電磁波傳輸經過介電介質時，輻射線的電磁場會促使組成介質之分子其價電子雲發生瞬間變形，或極化現象。 • 對於一般輻射線而言，極化程度P直接正比於輻射線的電場大小E： • 當雷射放射出高強度的輻射線，且E趨近於電子的鍵結能量時，可以觀察得到非線性光學效應： 7B-3

38. 在較高之輻射強度時，式子7-3中的二次項顯得較為重要，其結果將使得輻射頻率成為2w，而為入射輻射的兩倍。在較高之輻射強度時，式子7-3中的二次項顯得較為重要，其結果將使得輻射頻率成為2w，而為入射輻射的兩倍。 • 這種倍頻過程已經被廣泛地應用來產生較短波長的雷射頻率。 • 將Nd:YAG雷射所放射出的1064 nm近紅外線輻射照射通過像磷酸二氫鉀結晶物質時，就能進行倍頻而產生產率為30 %的532 nm綠光輻射。接著再將532 nm輻射照射通過磷酸二氫銨晶體，就再倍頻一次，而產生266 nm的UV輻射。 7B-3

39. 7C. 波長選擇器 wavelenght selectors • 對大多數的光譜分析方法而言，所需要的是波長為有限而狹窄、且具有連續性而被稱為譜帶(band)的輻射線。 • 當使用狹窄的譜帶寬度時，能夠提升吸收測量工作的靈敏度，也能提供放射分析與吸收分析等兩種方法所需要的選擇性，並且也可以符合基於光學訊號值與濃度等兩者之間應具有直線關係的觀點時所必須之要求。 • 圖中所定義之有效帶寬(effective bandwidth)是波長選擇器其品質之負面測量值。 圖7-11典型波長選擇器之輸出。

40. 圖7-11典型波長選擇器之輸出。

41. 7C-1 濾光片Filters • 干涉濾光片(interference filter)，有時又稱為法布里–珀羅濾光片(Fabry-Perot filter)，可以被使用於紫外光、可見光，以及紅外線等範圍。 • 吸收濾光片(absorption filter)僅限於使用在光譜的可見光範圍。

42. 干涉濾光片： • 干涉濾光片是由兩片半透明金屬薄層包夾一片透光之介電材質(通常為氟化鈣或氟化鎂)所組成的，而利用光學干涉效應來提供狹窄之輻射譜帶。 • 其中的介電層之厚度必須經過小心地控制，且厚度可以決定出穿透輻射之波長值。

43. 介電層之厚度d與穿透波長值λ之間的關係為： 整數n為干涉級數。 • 這種濾光片所採用的玻璃板通常會選擇性吸收某個增強譜帶之外的其他增強譜帶；所以穿透輻射可以被限制於單一級數中。 圖7-12干涉濾光片之橫切面圖示與建設性干涉狀態的圖示。 7C-1

44. 圖7-12干涉濾光片之橫切面圖示與建設性干涉狀態的圖示。圖7-12干涉濾光片之橫切面圖示與建設性干涉狀態的圖示。

45. 濾光片是依其穿透峰線的波長值、入射輻射在該峰線處的穿透百分比率，以及其有效譜帶寬度來標示出其效能特性。濾光片是依其穿透峰線的波長值、入射輻射在該峰線處的穿透百分比率，以及其有效譜帶寬度來標示出其效能特性。 • 干涉濾光片可以適用於位於整個紫外光與可見光範圍中的穿透峰線，甚至在紅外線範圍也可延伸至約14 mm。 • 在一般上，其有效譜帶寬度大約為穿透峰線之波長值的1.5 %，雖然在某些窄譜帶寬的濾光片中，這個數字可以降低到0.15 %；但是其最大穿透率則只達到10 %。 圖7-13 典型干涉濾光片的穿透特性。 7C-1

46. 圖7-13 典型干涉濾光片的穿透特性。

47. 法布里–珀羅標準具 • 法布里–珀羅標準具(Fabry –Perot etalon )是由一片透明材質平板所構成的，而在其上又以不具吸收性，但是具有高度反射性之材質，塗佈上一層上下平行性極佳的表面層。 • 法布里–珀羅標準具的另一種組裝方式是，將不變鋼或石英所製造出，而具有上下平行性極佳之表面層，並且已知其厚度的隔板，包夾在兩個鏡片之間，就可以構成標準具。 • 法布里–珀羅標準具的使用波長值是由塗佈層或者鏡片的反射係數所決定的，而穿透譜帶的分離情況則受限於鏡片之間的距離。 • 當傾斜標準具時，就會改變穿透的譜帶範圍。 • 如果反射表面是由夾層之間的空氣所構成時，就可以使用機械方式來調整它們的分離結果，而此時的這種裝置就稱為法布里–珀羅干涉器(Fabry-Perot interferometer)。 7C-1

48. 干涉楔 • 干涉楔是由一對以楔型介電材質薄層所分隔之鏡面半透明平板所組成的。 • 隨著楔型薄層的厚度改變，穿透輻射之波長值會由一端至另一端，呈現出連續式變化現象。 • 干涉楔可以適用於可見光範圍(400至700 nm)、近紅外線範圍(1000至2000 nm)，以及與紅外線範圍中的數個部分(2.5至14.5 mm)。 • 干涉楔可以取代單光器中的稜鏡或光柵。 7C-1

49. 全息影像濾光片 • 先將同調性雷射光束分裂成兩束光束。 • 這兩束光束被分別導向兩個前向表面鏡片，而在一片薄光敏性薄片表面上再結合在一起。 • 因為呈現同調性的兩束光束，都具有固定一致的相位–強度關係性，在薄層表面上，就會產生具有高度一致之明暗條紋的干涉圖形。 • 這些干涉指紋會讓具有一層光學乳化性或光致抗蝕性聚合物薄層的薄片，產生感光現象，而在受質表面上留下溝槽狀結構。 • 將這種溝槽結構塗佈上鋁或其他反射材質，就形成全息影像反射光柵(holographic reflection grating))。 圖7-14製造全息影像器的實驗裝置與一些相關圖示。 7C-1

50. 圖7-14製造全息影像器的實驗裝置與一些相關圖示。圖7-14製造全息影像器的實驗裝置與一些相關圖示。