定义
利用光与物质相互作用的方法，例如用于检测物质或测量浓度的方法。
术语光谱学表示利用光与物质相互作用的方法。 通常，某些相互作用的强度作为波长或光学频率的函数进行测量；即，光谱起着重要作用。
本文仅涉及光谱学；还有其他各种领域，例如粒子光谱学。
光谱学的目的通常是检测某些物质或测量其性质。 例如，气体光谱通常用于测量痕量气体的浓度或气体的温度。 在其他情况下，物质的已知特性用于目的，例如实现光学频率标准。 有时使用术语光谱法而不是光谱学来强调以定量方式测量某些量。
存在非常广泛的非常不同的光谱方法；本文只能提供课程概述。 许多现代光谱方法涉及一个或多个激光器，然后称为激光光谱。 由于激光器在时间和空间相干性、窄线宽和波长可调性、光功率（特别是峰值功率）、超短脉冲产生等方面的巨大潜力，自激光器出现以来，光谱学领域已经大大拓宽。 甚至在此之前，光谱学已经为许多现象提供了宝贵的见解；例如，它允许研究人员研究太阳的内部并在那里发现氦，甚至在地球上发现氦之前。
另请参阅有关激光光谱和激光吸收光谱的更具体文章。
被利用的物理效应
光的吸收
光和物质之间的不同相互作用可以在光谱学中使用。 最常用的相互作用是光的吸收（→吸收光谱）。 例如，原子和分子表现出不同的吸收特征，因此如果测量吸收与波长的关系，可以很容易地区分不同的原子或分子。 特别是在中红外光谱区域，分子具有与其振动和旋转模式相关的相对较强和狭窄的吸收线。 这使人们能够以非常高的灵敏度检测各种物质。 应用的一个例子是检测微小浓度的空气污染物。
由于分子可以有许多不同的吸收线，其中一些可能与不同的物种重叠，因此检测单个谱线通常不足以区分不同的分子。 然而，记录一些足够宽的波长范围的吸收光谱通常会导致清晰的光谱指纹。 人们也可以区分不同的同位素。
中红外光谱区域非常适合灵敏光谱，例如许多气体，如空气污染物。 不幸的是，中红外激光源通常比近红外激光源功率小和/或更复杂和昂贵。 例如，可以在非线性晶体材料中应用差频产生，需要两个输入波长，并且通常会导致相当低的光功率。 其他挑战是更难获得长波长高透射率的光学材料和灵敏的光电探测器。 因此，人们经常利用泛音，即更高光学频率的吸收线，对应于较短的波长，其中更容易实现合适的激光源并且有更好的光电探测器可用（在极端情况下，甚至用于光子计数）。 然而，这种泛音吸收带较弱，因此通常会导致较低的灵敏度。
吸收测量通常使用分光光度计进行。 此类仪器可以覆盖较大的波长范围并提供相当高的波长分辨率。 然而，它们在培养基中只能利用相当有限的传播长度，因此不适用于吸光度非常低的物质。
如果光的通过长度相应增加，低吸收系数仍然可以允许高灵敏度。 因此，人们使用多通道气体单元，其中可以在相对紧凑的单元中实现长路径长度。 然而，只有当光线的空间相干性相对较高时，该原理才允许大量通过。 因此，多通道吸收池与激光结合使用最有效。
激光吸收光谱还具有波长分辨率高得多的优点，因为激光的线宽可以远远小于光谱仪的分辨率。 提高分辨率的一个受欢迎的副作用是窄带吸收特征的灵敏度也大大提高。
还有共振技术，其中使用被动光学谐振器内的吸收（例如，腔衰荡光谱）或激光谐振器内的吸收（腔内激光吸收光谱）。 在后一种情况下，例如可以使用宽带光纤激光器，其中在施加短泵浦脉冲后检测输出光谱一段时间。 即使是较弱的吸收特征也会导致测量频谱的明显下降，因为这种吸收适用于许多后续谐振器往返。
光谱学不仅适用于微观粒子，也适用于光学谐振器等宏观物体。 例如，高精细稳定的光学谐振器可以用作光学频率标准，并用光谱方法进行探测。
吸收的其他影响
通常，光谱学中测量的效果是由于吸收而导致的光功率降低。 但是，还有其他可能性。 例如，在光声光谱学中，人们利用通过吸收来自功率调制源的光来产生声音。 吸收的光会导致一些加热，从而导致气体膨胀，从而产生声波，可以用灵敏的麦克风检测到。
光的发射或散射
物质也可以退出以发射或散射具有特征的光。 这已经可以通过简单的加热或太阳光照明来实现。 例如，卫星上的光谱仪可以记录来自地球表面的散射光的光谱，以区分岩石、植物、湖面等。
在天文学中，人们分析来自遥远恒星和星系的光的光谱，其中包含温度，化学成分，运动速度等信息。 在实验室中，人们经常使用气体放电来激发原子或分子，使它们辐射光。
许多先进的光谱方法使用激光源照射样品。 吸收的光不仅可能导致加热，而且还会激发原子或分子，然后发射荧光。 可以记录发射光的光谱和/或激发强度作为泵浦光波长的函数；这两种方法都可以导致对某些物质的高度特异性检测，或者允许人们测量材料的某些微观特性。 有关更多详细信息，请参阅有关荧光光谱的文章。
另一种选择是激光诱导击穿光谱，其中用强烈的激光脉冲激发样品，形成等离子体，并检测样品在可见光和/或红外光谱区域发出的光。
此类方法的一个例子是激光增益介质的研究。 具有合适光学频率的激光束可以将激光活性离子激发到亚稳态，从中它们可以被进一步激发（对于足够高的光学强度）或回到基态，发射荧光。 荧光光谱与波长相关的发射横截面有关，这与可实现的激光增益有关。 还可以检测用短激光脉冲激发后荧光强度的衰减，以确定上态寿命。 通过结合光谱技术，可以实现激光增益介质（如激光晶体或稀土掺杂光纤）的物理细节的全面表征[8]。 人们甚至可以研究微妙的效应，例如不同激光活性离子之间的相互作用，从而导致能量转移现象。
另一个例子是拉曼光谱，其中物质被高光功率水平（通常从激光获得）的窄带光照射，并且检测波长稍长的光的微弱发射，这是由自发和/或受激拉曼散射引起的，这是一种非弹性散射。 拉曼散射光的光谱（用特殊的窄带二向色光学滤光片（如Rugate滤光片）与泵浦光分离）包含有关分子振动的信息。 有关更多详细信息，请参阅有关拉曼光谱的文章。
高能激光雷达系统，例如用于大气研究，允许远距离的远程光谱测量。 在这里，人们可以利用背散射光的多普勒频移，揭示纵向风速。 已经开发了多种方法，可以远程测量许多特性，例如温度，压力，痕量气体浓度和云颗粒密度。
光相位的变化
在一些光谱方法中，人们利用光学相位的变化。 通常，感兴趣的相互作用发生在干涉仪的一个臂中。 由此产生的相位变化可以灵敏地检测到，因为它们在干涉仪输出端转化为功率变化。 吸收线引起的相变在调频谱中也相关。
光谱学方法
透射光的光谱分解
可以使用宽带光源（白色光源），然后在光检测系统中应用光谱分解。 通常，通过将光电探测器与某种单色器相结合来获得高光谱灵敏度。 例如，高分辨率光谱仪可以在不精确控制光源的情况下测量许多不同的窄波长箱。 如果每个波长分开处理并且有许多窄波长箱，则测量时间可能会很长，但一些光谱仪可以同时记录许多波长，例如当它们包含CCD阵列而不是单个光电二极管时。
获得光谱分辨率的一种特殊方法是使用干涉仪，在测量过程中扫描臂长。 使用窄带光源时，这将导致输出功率的简单正弦振荡。 然而，使用宽带源可以获得许多不同振荡的叠加。 使用傅里叶变换，可以检索频谱。 （干涉波计也有类似的工作原理。 这种方法称为傅里叶变换光谱。 这通常应用于红外光谱区域，然后也称为傅里叶变换红外光谱（=FTIR光谱）。 许多现代红外光谱仪都是基于这种技术。
源波长的变化
在许多情况下，光谱学是使用波长可调的光源完成的。 （下面将讨论各种此类来源。 例如，可以测量样品的吸收作为激光发射波长的函数。 由于制造广泛可调的窄带激光源更加困难，因此该技术通常会导致更小的调谐范围 - 小于简单宽带光源可能的范围。 然而，该方法具有卓越的分辨率和低噪声的快速数据采集，因为可以获得相对较强的探测器信号。 请注意，所有可用的光功率都集中在特定的感兴趣波长上，而不是分布在整个测量范围内。
由于光功率通常随波长（也可能随时间）而变化，因此高精度需要监控该功率。 例如，这可以在双光束光谱仪中完成，其中来自光源的光被分成两束。 只有一个光束（样品光束），而不是参考光束，通过所研究的介质发送，并测量两个光束的功率或强度。 使用平衡光电探测器可以获得特别高的灵敏度，其中直接测量来自两个光束的光电流差。
非线性效应的利用
当使用高强度光源（通常是激光）时，可以利用各种非线性光学效应进行光谱学。 吸收饱和在无多普勒激光光谱中被利用。拉曼光谱在上面已经提到过。双光子吸收已经使用了很长时间[6]。 另一个重要的例子是相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS），其中两个输入波通过四波混合产生光学频率略高的检测信号。 其他各种非线性效应，如布里渊散射，可以用其他方法加以利用。
消除多普勒效应
气体中的原子和分子由于其热运动而表现出其吸收线的显着多普勒展宽。 然而，有各种无多普勒光谱的方法。 例如，这可能涉及反向传播激光束，其中一个方向的探测光束通过吸收饱和度[1]选择一定的速度等级，而另一个光束检测到该饱和度。 这种方法称为无多普勒饱和光谱[27]。
太赫兹光谱
一个相对较新的领域是太赫兹光谱学[21]，其中使用太赫兹辐射（频率为数百千兆赫兹至几太赫兹）代替光。 虽然激光不能直接发射太赫兹辐射，但它们可以在不同的波中用于产生这种辐射，例如通过使用电光采样或非线性频率转换技术。 此外，超短脉冲激光器可用于太赫兹波的时间分辨检测。 由于许多光学不透明的材料对太赫兹辐射具有很大的透明度，因此太赫兹光谱可用于科学和技术领域的广泛研究。 例如，它现在用于飞机部件和安全检查的故障定位。
频率梳
现代激光光谱学的一些技术采用锁模激光器生成的频率梳[15]。 由于这样的频率梳在频谱中包含一定数量的完全相同等距的线，如果只有两个参数是固定的（可能通过一些反馈技术稳定），则其所有频率分量都是已知的（除了一些噪声）：梳状间距，这与脉冲重复率有关，以及载波包络偏移频率。 因此，频率梳可以在宽波长范围内用于极其精确的频率测量，如果它们以高光带宽（有时超过倍频程跨度）和适当的频率稳定生产。 在频率计量（特别是超精密光学时钟）和其他领域有各种重要应用。
具有高时间分辨率的时间分辨光谱
光谱学还可能涉及具有极高时间分辨率的时间分辨测量。 在泵浦-探头光谱学中，使用超短泵浦脉冲，然后是具有几飞秒到几纳秒之间可变时间延迟的探头脉冲。 泵浦脉冲对样品的影响，从而对探头脉冲的影响可以作为时间延迟的函数进行测量，时间延迟通常只需通过可变光学延迟线进行调整 另一种方法是使用两个脉冲重复率略有不同的锁模激光器，以便连续扫描一系列时间延迟。
参考文献
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