光谱选择范文（精选5篇）

光谱选择 第1篇

光谱选择性激光隐身材料是指材料在激光波段(主要考虑1.06μm、10.6μm)附近有选择性低反射,且低反射的波段较窄(1.06μm光谱选择理想光谱曲线见图1,形成光谱“挖孔”,对材料其他波段隐身不产生影响或影响较小,因此光谱选择性激光隐身材料能够较好地满足激光与其他波段的兼容隐身要求[9,10,11,12]。以下章节对稀土上转换、光子晶体、有机类等光谱选择性激光隐身材料的光谱选择性吸收原理进行了分析,对其在激光隐身中应用的可行性、实现方式以及研究现状进行了综述,并对材料的进一步发展进行展望。

1 稀土上转换激光隐身材料

上转换材料主要是掺稀土元素的固体化合物,利用稀土元素的亚稳态能级特性,可以吸收多个低能量的长波辐射,经多光子加和后发出高能的短波辐射,从而可使人眼看不见的红外光变为可见光。利用它对激光频率的转换特性来降低激光回波反射的能量,从而达到激光隐身的目的[13,14,15,16,17]。

主要有两种方法来实现频率上转换[14,15]:一种是双光子吸收材料,通过虚中间态(virtue state)直接吸收两个光子而产生上转换发光。另一种是掺杂稀土离子的晶体、玻璃、光纤等材料,通过实际存在的中间态分步吸收两个或多个光子,实现离子数的反转而产生上转换发射。所涉及的机理包括激发态吸收、能量转换、光子雪崩等。激发态吸收过程(ESA)其原理是同一个离子从基态能级连续吸收多个光子到达能量较高的激发态能级的一个过程,是一种最为常见的上转换发光过程。能量转移(ET)是指两个能量相近的离子通过非辐射耦合,以交叉持豫方式进行能量传递,1个返回到基态,另1个跃迁到更高的能级。光子雪崩(PA)是离子没有对泵浦光的基态吸收,但有激发态的吸收以及离子间的交叉持豫,造成中间长寿命的亚稳态数增加,离子都被积累到E2能级上,使得E2能级上的粒子数像雪崩一样增加,因此称为“光子雪崩”过程,可产生有效的上转换。

通过分析国内外学者对稀土上转换材料的研究,发现稀土元素Sm、Er以及Ce的一些固体化合物对近红外波段的激光存在选择性吸收现象[18,19,20,21,22]。考虑激光隐身对1.06μm波长的激光强吸收和光谱转换效率的要求,可将在1.06μm附近具有强的吸收的稀土离子化合物(如Sm3+、Er2+)掺杂在基质体系中,将1.06μm的激光转化为其他波长的光,从而达到吸收激光能量的效果。

张拴勤等[18]采用湿化法制备出以氧化钇为基质掺杂稀土元素的上转换材料,通过优化掺杂体系,确定出对1.06μm激光具有良好吸收性能的掺杂元素种类和浓度,材料最小的反射率接近0.1左右,光谱反射曲线如图3所示。何伟等[19,20]分别采用溶胶-凝胶燃烧合成法和固相法制备了Sm BO3粉体,通过对工艺过程中各影响因素的调整,以及对生物晶相的分析,确定最终制备方法;溶胶-凝胶燃烧合成法所得Sm BO3粉体在1.06μm波长处的反射率约0.6%,固相法制备的Sm BO3粉体是一种能兼容1.06和10.6μm波长的激光防护吸收剂材料。单小兵、孟献丰等[21,22]在激光防护玻璃材料中进行了相关研究,他们通过稀土元素的筛选以及调整稀土在玻璃中的含量,发现通过适当增加稀土在玻璃中的含量,可以使得玻璃取得很好的激光吸收防护效果。

2 光子晶体激光隐身材料

光子晶体(photonic crystals,PC)的概念是贝尔通信研究所的Eli Yablonovitch和普林斯顿大学的Sajeev John在1987年分别独立提出的,它是指介电常数(或折射率)空间周期性分布而具有光子带隙的特殊材料[23,24]。光子晶体最显著的特性是光子禁带的存在,频率处于禁带中的电磁波不能在光子晶体中传播,意味着处于禁带中的入射电磁波将被全反射。如果在光子晶体中引入缺陷,光子禁带中将产生相应的缺陷能级,称为光子局域,相应频率的入射电磁波可以透过光子晶体。利用光子晶体的禁带和局域特性,通过合理的设计,掺杂光子晶体可以实现“光谱挖孔”结构,在常见的激光波长附近的窄波段内具有低反射率,从而实现激光隐身[25]。

运用薄膜光学原理,通过不同折射率材料的周期设计,可以实现光子晶体在激光波段的窄带吸收。利用掺杂光子晶体的缺陷能级形成的“光谱挖孔”结构可以很好地解决激光与其他波段的兼容隐身,掺杂光子晶体的缺陷能级是由高透射引起的低反射,并不满足激光隐身的实际要求,可以通过在光子晶体薄膜的基底中引入吸收材料去把缺陷能级透过的激光吸收掉[26,27,28]。

黄巍等[27]基于薄膜光学中特征矩阵法,对一些材料的光学性质进行考察,以金属铜和铝为基底设计了Si O/ITO多层膜系的光子晶体,利用Si O在10.6μm处的强吸收和ITO阶跃性的反射光谱,将二者结合,在目标表面覆盖Si O/ITO膜系,提出了同时实现了1.06μm、10.6μm激光和红外的兼容隐身的可能性,其光谱反射曲线如图4。刘必鎏等[28]利用薄膜光学理论中的特征矩阵法计算了设计的掺杂Zn Se的Cd Se/Si O2光子晶体薄膜的反射、透射和吸收光谱,计算结果表明,掺杂光子晶体能够很好地满足热红外与1.06μm或10.6μm激光隐身兼容的要求。

3 有机激光隐身材料

有机分子存在着多种形式的官能团振动,对红外辐射能够选择性地吸收。通过改变有机分子的氧化-还原状态,调节其分子结构和电子跃迁能带,从而实现在光学、红外或雷达波段的独特响应是可能的[29,30]。目前,有大量近红外防护吸收的有机化合物不断涌现,这些染料可用于激光防护、激光隐身等。

通常将取代苯二硫环戊烯镍络合物类、酞菁类、蒽醌类、双二硫醇镍络合物类等用作近红外吸收剂,其中菁类由于吸收光谱是锐利曲线所以对特定近红外波长的激光伪装有一定的应用潜力。一些金属有机化合物也被用作1.06μm激光吸收剂,主要包括有机钨盐、镍盐、钼盐和银盐等[31,32,33,34,35]。

杨晶晶[32]针对1.06μm波长激光的防护,试设计并合成一系列供电性不同取代基的胺盐类化合物,研究不同取代基对最大吸收波长的影响,溶剂极性对最大吸收波长的影响等,材料取得了很好激光吸收效果。国内外对激光防护染料的研究已经取得了一定的进展,目前已经实用化的近红外激光线性防护染料可同时防护488 nm、514 nm、532 nm、1.06μm及紫外激光的辐射,可见光透过率达到60%,光密度达到4以上。杨小兵等[29,33]以间氨基苯酚为原料合成了两个3-甲基-7-二烷氨基-1,4-氧氮杂萘-2-酮化合物,并将其与方酸缩合得到了两种氧氮杂环方酸菁近红外吸收染料,染料的最大吸收波长都在1.06μm左右。此外何兴权、段潜等[34,35]对激光防护塑料以及有机金属盐激光吸收剂等进行了相关研究,取得很好的激光吸收防护效果,但是其激光吸收波段相对较宽。

4 结束语

综上所述,运用上述光谱选择性激光隐身材料能够在一定程度上实现激光与光学或红外波段的兼容隐身。但是要想使得光谱选择性激光伪装材料有效地保护目标,需在如下方面进行进一步研究。

(1)增强材料的激光吸收率。在不影响材料光谱选择特性的前提下,材料的激光吸收系数越高,被保护目标的安全性越高。以稀土上转换材料为例,常用材料的吸收中心并不在激光的中心波长的位置,可以通过材料的共掺杂、调整基质材料等优化材料体系,将材料的吸收中心移向激光中心波长处或增宽其吸收带宽,可有效提高材料的激光吸收系数。

(2)提升材料的实用性。隐身材料的使用环境通常较恶劣,这对材料的耐性和适用性提出了较高的要求。以有机材料为例,有机物通常较易分解,耐老化性能较差(特别是激光的能量比较集中,会加快材料的老化),这就需要加强材料的耐性研究。

(3)进行材料兼容性研究。在通过使用光谱选择性激光隐身材料实现多波段兼容隐身时,必定要对材料进行掺杂、着色等相关处理,必然会改变材料的性能,因此必须要进行兼容性研究。以光子晶体为例,其周期性结构对材料提出了较高的要求,当需要实现可见光隐身时就需要对其着色等进行相关研究。

摘要：综述了稀土上转换、光子晶体和有机体系光谱选择性激光隐身材料的光谱选择吸收机理,稀土上转换材料通过上转换原理、光子晶体材料通过膜系材料结构设计、有机体系材料通过特定官能团振动均可实现特定波段光谱能量的选择性吸收。分析了三种光谱选择吸收材料应用于激光隐身的可行性和激光隐身的实现方式,综述了材料的研究现状。指出,光谱选择性激光隐身材料需在增加激光吸收率、加强材料实用性和兼容性方面进行进一步研究。

光谱选择 第2篇

用激光激发的拉曼光谱和荧光光谱(PL)对物质分子的组成与结构的.分析是很灵敏的.本文采用激光拉曼光谱和荧光光谱分析方法对灵芝(Canoderma lucidum(Curtis)P.Karst.)的特性进行表征与研究,特别是对不同地区生长的灵芝菌肉及菌管的发育状况进行比较、并进行对应的光谱表征比较研究,给出一些有价值的结果.这种光谱分析方法具有特征性强、取样量小且简便迅速等特点,对各种灵芝特性的鉴别和经济价值的确认具有重要的意叉.

作 者：黄伟其 韩志V 吴兴亮 许丽 吴克跃 刘世荣 秦朝建 蔡绍洪 王海旭 金锋 HUANG Wei-qi HAN Zhi-rong WU Xing-liang XU Li WU Ke-yue LIU Shi-rong QIN Cao-jian CAI Shao-hong WANG Hai-xu JIN Feng  作者单位：黄伟其,韩志V,许丽,吴克跃,蔡绍洪,王海旭,金锋,HUANG Wei-qi,HAN Zhi-rong,XU Li,WU Ke-yue,CAI Shao-hong,WANG Hai-xu,JIN Feng(贵州光电子技术与应用重点实验室,贵州大学,贵阳,550025)

吴兴亮,WU Xing-liang(贵州科学院,贵阳,550001)

生命的光谱证据 第3篇

生命的起源

生命是美妙的，然而生命的形成条件又是苛刻的。众所周知，生命的最基本物质是氨基酸，那么地球上最初的氨基酸从何而来?

一些科学家提出了这样的假设：在距今46亿年前，由尘埃和气体包裹的地球诞生了。最初的原始大气中仅有一些极为简单的有机分子，它们在高能紫外线和宇宙射线的强烈辐射下，经过一系列漫长而复杂的化学反应，最终产生了氨基酸。

为验证这一假设，1953年和1959年，美国和德国的科学家分别做了类似的实验：他们把氨气、甲烷、氢气混合(模拟地球最初的大气)，注入一个真空玻璃器皿，用电火花或紫外线模仿原始雷电交加的自然条件，照射这些混合气体。经过数昼夜之后，结果在完全无生命的玻璃器皿中发现了氨基酸。

那么，宇宙中有没有和地球条件相似的星球存在?如果有这样的星球，是不是就有生命甚至智慧生命存在的可能呢?

少数持怀疑态度的科学家认为，这种可能性几乎为零。他们认为在地球以外的大部分宇宙空间，辐射程度和温度都太高，适合生命生存的星球极少，而且宇宙轰击(类似6500万年前致使恐龙灭绝的那一次轰击)极为严重。即使有生命形式存在，也只能是生活在深层土壤中类似细菌的生物，存在智慧型生物的几率微乎其微。

尽管在观点上存在分歧，但几乎所有科学家都认为有必要继续深入研究和探索。

希望的火星

火星和金星向来被认为是太阳系中最有可能存在生命的地方。然而通过探测获悉，金星表面被一层厚达25千米的浓硫酸云所包裹，大气中二氧化碳的含量超过97％。又因为热量无法散射出去，所以常年温度高达480℃，而且它的大气压力约为地球的90倍。这样恶劣的环境简直令人生畏，存在生命的可能性几乎为零。

于是人们对火星寄予厚望。从1962年前苏联的“火星1”号到1997年美国的“火星探路者”号，几十年间，共计约有20多个探测器对火星进行了勘测，并发回大量珍贵的图片及土壤试验数据。

虽然勘探结果尚未发现有生命存在，但是从拍摄的照片上可以看到一些绿色的区域，并且每年都有所变化。经过光谱仪的分析，初步断定其类似于地球上的苔藓植物。而且在火星赤道附近探测到了面积约500平方千米的赤铁矿。赤铁矿是一种氧化铁，是经过一些与水有关的化学反应而形成的，这意味着火星的大气中含有游离氧，而且火星表面曾经有过热水。最近的勘探还发现火星北极存有冰盖，据估计含水量约为格陵兰岛的1／2。

另一方面，科考人员在南极洲发现的火星陨石(形成于300万年以前)，虽然并非像先前认为的那样含有能证明火星存在微生物的证据，但美国科学家最近指出，陨石中氘与氢的含量比为2∶1。也就是说，火星上水的成分与地球并不相同。因此，科学家认为,火星的水含量可能是原先设想的2倍～3倍，而这些水很可能就藏在火星的地壳之中。

有水和氧，看上去具备了某些孕育生命的条件，但事实会是怎样的呢?

2001年，美国发射的“火星勘测者登陆器”能嗅探火星土壤，以帮助确定火星是否适合生命生存。未来其他的探测包括送回泥土的使命、火星气球和远程火星车，它们能连续数年探测火星表面。

无论这些探测器是否发现火星上有生命踪迹，美国都计划于2014年派人前往。届时，将对这颗红色的星球进行全面而细致的搜索。

新的目标

找寻生命的另一个目标是寻找地球外海洋。木星的卫星木卫二的冰帽下据认为存在海洋。科学家们推断，如果存在这样的海洋，木卫二必定有一个熔化的地核和出口，而在地球上这样的出口充满了奇异的生命形式。

土星神秘的卫星土卫六可能具有地球生命开始的环境和条件。现已发现它上面有大气层，它不仅是太阳系中惟一有大气的卫星，而且还是体积最大的卫星。“先驱者11”号拍下的土卫六呈橘红色，它的表面很可能是冰层。于2004年进入土星轨道的“卡西尼”号宇宙飞船将向土星表面空投一个探测器，而后，配备一对小登陆器的土卫六轨道器会接踵而至。这些消息无疑使坚信有地外生命的人们看到了新的希望。此外，在前往地外行星途中掠经地球的太空探测飞船，已经探测出地球存在生命的光谱证据，它的谱线证明存在叶绿素、分子氧和甲烷。如果在其他行星上也发现相似的光谱，我们就有可能发现地外生命。

飞向远方

人类的目光并未局限在太阳系内，科学家们借助日益发达的科技手段，将搜索的范围辐射到了更遥远的地方。

1974年11月，美国利用设在波多黎各的阿雷西沃山谷的巨大射电望远镜，向太空发出了一组人类精心设计的密码信息。目标是武仙星座球状星团M13，共发射了3分钟。但是，即便那里真的有外星智慧生物给人类回电，按照电波30万千米／秒的速度计算，一去一回至少也需要50 000年，时间太漫长了，以至于不太现实。

从1983年3月开始，美国又执行了一项极其庞大的“搜索地外文明”计划。在西班牙、澳大利亚和美国分设三座巨大的无线电天线，对天空一连观测了4年，到1987年3月告一段落。观测了整个宇宙中距地球80光年以内的773颗中年恒星，其结论正在研究之中。

太阳能光谱选择性吸收涂层研究进展 第4篇

1 光谱选择性吸收涂层的制备机理

太阳是一个炽热的球体,通过其体内的热核反应不断向外辐射能量。太阳表面的温度接近6000K,太阳辐射的能量主要集中在0.3~2.5μm的范围内。根据黑体辐射定律可知:不同温度条件下,黑体辐射有一个波长极大值,太阳辐射的波长峰值集中在0.5μm附近,而普通物体的温度一般只有几百开,其向外辐射的能量主要集中在2~50μm的波长范围内,二者的光谱线不重合(如图1所示)。所以,从理论上讲,可以制备 出一种涂 层在太阳 能辐射波 段 (0.3~2.5μm)具有高的吸收率α,同时在红外波段(2.5~20μm)具有低的热发射率εT[5]。

由此可见,光谱选择性吸收涂层中吸收率α、热发射率εT是衡量涂层优劣的重要指标。材料在同一波长范围内,吸收率的变化会引起热发射率的变化,吸收率增大的同时发射率也增大。太阳光辐射到物体表面时,一部分能量被吸收,一部分能量被反射,剩下的能量通过物体,其吸收率为α,反射率为R,透射率为τ,三者之间遵从如下关系:α+R+τ=1。对于不透明的物体,由基尔霍夫定律中吸收率、热发射率的关系可知:τ=0,α(θ,λ)=1-R(θ,λ),α(T,λ)=ε(T,λ),其中θ、λ、T分别是入射光线的入射角、波长以及测试温度。所以,选择性吸收涂层在太阳光谱范围内的平均吸收率α、红外波段范围内的平均热发射率εT可通过下面积分式计算[6]:

式中:Is(λ)、Ib(θ,T)分别是太阳能辐射和黑体辐射的能量密度,R(θ,λ)是测试温 度下、波长范 围内的反 射率。理论上,涂层的吸收率α≥0.9、红外热发射率εT≤0.2,即认为该涂层具有很好的光谱选择性[7]。但是,在光谱选择性吸收涂层的实际应用中,吸收率α增大到一定值时,想要获得更大的吸收率,热发射率εT也会随之增加。例如,涂层厚度增加引起吸收率α的增大,随着厚度的增加,涂层的热发射率εT也增加;温度升高会引起涂层吸收率α的增加,同样发射率εT 也增加。所以,通常用吸收比α/εT来衡量涂层的吸收性能[8]。另外,光谱选择性吸收涂层在实际应用中还要考虑到温度、湿度、酸碱性等环境因素对涂层其它性能的影响。

2 光谱选择性吸收涂层的种类

研究者通过对光谱选择性吸收涂层的长期研究,已经制备出了吸收率高、热稳定性好、耐候性强、抗老化程度高的涂层。依据光谱选择性吸收涂层的吸收原理、涂层结构,可以将其归为以下几类:本征吸收涂层、渐变型吸收涂层、表面纹理型吸收涂层、金属-电介质复合吸收涂层[9]。

2.1 本征吸收涂层

本征吸收涂层也称为本体吸收涂层,它主要是由一些具有合适禁带宽度的半导体材料和过渡金属组成。能带理论认为,半导体和过渡金属存在的禁带宽度为Eg,入射光的能量大于半导体的禁带宽度Eg时,入射光被吸收,实现半导体中的价电子由价带向导带的跃迁;入射光能量小于半导体的禁带宽度Eg时,入射光被反射。因此,作为制备吸光涂层的半导体材料 或过渡金 属材料,需要其在 太阳光谱 范围内(0.3~2.5μm)具有合适的 禁带宽度Eg(0.5~1.26eV)。Si(Eg=1.1eV)、Ge(Eg=0.7eV)、PbS(Eg=0.4eV)是常见的半导体材料,可以作为制备光谱选择性吸收涂层的材料。除此之外,一些过渡金属(Fe、Co、Ni、Mo、Mn、Cr)以及其氧化物、硫化物、硼化物、碳化物、氮化物都可以作为选择性吸收材料[10,11]。半导体材料是一类广泛的光谱选择性吸收材料,它具有耐高温、抗老化、稳定性强、导热率高等一系列优点,但是,这类材料往往具有高的折射率,表面的反射率也比较高,造成太阳光的损失,对吸收率 产生不利 影响。所以,需要利用化学刻蚀的方法或采用不同的制备技术改变半导体膜的形貌、几何 构型,降低膜表 面的反射 率,提高吸收率[12]。

2.2 渐变型吸收涂层

渐变型光谱选择性吸收涂层是依据涂层材料的光学性质设计制备而成。这类涂层利用其特殊的光学性质或者复合层之间光学性质 的差异,对紫外-可见光波 进行吸收[13]。这类涂层的结构往往如图2所示。

减反射层(ARC)在长波辐射范围内有很强的反射能力,在太阳光谱范围内具有很好的透过性,减反射层的厚度被模拟设计为λ/4。通常作为 减反射层 的材料有SiO2、Si3N4、Al2O3、SnO2、AlN、In2O3 以及ITO等半导体材料。其中,对这类材料进行掺杂会对其光学性质产生很大的影响。低金属体积含量(LMVF)、高金属体积含量(HMVF)的涂层对太阳光谱辐射起到吸收的作用。基底在红外区域要有较高的反射率,通常选用Cu、Al、Au、Ag、Cr、Ni、Fe以及不锈 钢(SS)等作为基底[14]材料。

多层渐变型吸收涂层从基底到表面,各层的折射率n、消光系数k逐渐减小,膜系的化学成分(金属含量)呈现梯度变化,光学常数也随之变化,从而拓宽对太阳能谱带的吸收[15]。近年来,文献报道在多层渐变型吸收涂层的基础上设计出了双减反射层(DRARC),双减反射层能够在更宽的太阳光谱范围内降低反射率,同时也产生顶层与底层较大的折射率差值,有助于涂层对光的选择性吸收。尽管多层渐变型涂层具有高的太阳光吸收率,但是这类涂层成本较高,随温度的升高(温度为300~500℃),涂层的热发射率上升,影响其光谱选择性吸收。另外,涂层中金属原子的迁移也会对涂层的光学性能产生影响[16]。

2.3 表面纹理型涂层

表面纹理型涂层是利用化学或者物理的方法在底衬表面沉积,制备的涂层在宏观上平整,微观上不平整,往往呈现出特殊的纹理。这些微观结构上的不平整性类似于光学陷阱,当波长较短的太阳光波通过陷阱时,在陷阱内经过多次折射而被吸收。这些光学陷阱对波长较长的红外光往往呈现镜面反射,从而达到对太阳光谱选择性吸收的目的[17]。这类涂层的表面通常呈“V”型沟、树枝状、蜂窝结构等。采用热蒸发沉积、化学气相沉积、阳极氧化、表面刻蚀等方法可制备该类涂层。Xiao等[18]在一定配比的NaOH与NaClO溶液中通过控制反应温度、反应时间,在铜基底上生长出不同形貌的CuO薄膜,其中带状结构的CuO像光学陷阱一样提高了涂层的吸收率。

2.4 金属-电介质复合吸收涂层

金属-电介质复合涂层是在具有高红外反射的金属基底表面通过物理沉积、化学沉积的方法得到一种金属细小颗粒嵌入到氧化物、氮化物、氮氧 化物电介 质中所形 成的涂层。这类涂层是由非晶电介质包覆微晶金属颗粒构成,金属粒子在电介质中的含量、粒子尺寸、粒子形状、粒子取向均会影响其光学性能。涂层越薄、涂层中粒子尺寸越小对太阳光的吸收率越高,随着粒子尺寸的增加,涂层对可见光的吸收逐渐转化成散射,导致涂层吸收率降低。涂层中金属粒子浓度、层厚度的增加均会造成热发射率的升高[19]。金属-电介质复合吸收涂层具有高的吸收率、低的热发射率,一般在中、高温条件下工作。 目前研究 较多的金 属-电介质涂 层有Cr-Cr2O3、M(Ni、Co、Mo、Ag、W、Pt、Al)-Al2O3、W-AlN、Al-AlN、Cu-SiO2、Mo-SiO2、Au-SiO2、Ni-SiO2等[20]。制备在500℃以上热稳定性好、光学性能优越的金属电介质氧化物、氮化物(如Y2O3、ZrO2、HfN、TiN)等材料仍然具有研究前景。另外,考虑到金属-电介质复合涂层中层与层之间的界面效应,通过光学模拟计算,采用不同的制备方法得到金属-电介质串联型复合涂层,进一步提高涂层的光学性能[21]。

3 光谱选择性吸收涂层的制备方法

国内外制备光谱选择性吸收涂层的方法主要有电镀法、阳极氧化法、涂料法、物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶法等。

3.1 电镀法

利用电镀法将光谱选择性吸收材料沉积到基底材料上,通常利用此方法制备的涂层有:黑镍涂层、黑铬涂层、黑钴涂层。在电镀过程中,通过控制镀液浓度、电镀时间、电镀温度、电流密度(Dk)等条件制备光学性能较好的涂层。

电镀黑镍涂层一般都是镍基合金镀层,其涂层组成通过改变镀液组成和沉积条件而变化。镀液一般为硫酸盐和氯化物,以硫酸盐镀液为主。涂层的吸收率为0.88~0.95,热发射率为0.05~0.07,工作温度低于300℃。电镀黑镍涂层耗能少,成本低,镀液无毒,但是,黑镍涂层薄,耐候性、耐腐蚀性、热稳定性差,一般适用于低温环境[22,23]。黑铬涂层具有很好的耐候性、耐腐蚀性和热稳定性,且在高温条件下具有较好的光谱选择吸收性。通常它的吸收率为0.95~0.98,热发射率为0.18~0.12。黑铬涂层电镀过程中由于镀液导电性差需要高的电流密度,高电流密度下产生的热量需要冷却设备来进行处理,因此大大增加了生产成本。另外,镀液中的Cr6+会对环境造成严重的污染[24]。黑钴涂层的主要化学成分CoS是一种良好的光谱选择性吸收半导体材料,涂层具有蜂窝型网状结构[25]。

3.2 阳极氧化法

目前采用阳极氧 化法制备 的涂层有 铝阳极氧 化涂层、CuO转化涂层和钢 阳极氧化 涂层。CuO涂层的吸 收率为0.88~0.95,热发射率为0.15~0.30,其膜层表面有一层黑色的绒毛,一旦绒毛受到破坏,涂层的吸收率就会降低[26]。应用较为广泛的是铝阳极氧化膜,常用的制备方法是将金属基板放入含有磷酸的电解质溶液中进行阳极氧化,使其表面产生一层多孔氧化物,然后在金属盐溶液中利用电解沉积,在多孔氧化物中沉积金属粒子,形成金属-电介质复合涂层。研究发现金属粒子大部分沉积在孔底部,从而有效地避免了外界的侵蚀。多孔氧化物的热稳定性、化学稳定性有效地增强了涂层的耐热性、耐腐蚀性;一般涂层的吸收率高于0.9,热发射率在0.1左右,是一种很好的光吸收材料[27,28]。文献报道通过光学软件模拟,采用电化学沉积的方法,在阳极氧化铝的空隙中沉积金属铜,成功制备出Cu-CuAl2O4 的杂化涂层,它的光学 性能主要 依靠铜纳 米粒子的 本征吸收,CuAl2O4 作为保护层,避免高温条件下铜粒子被氧化,而影响其光学性能。Cu-CuAl2O4 具有良好的光谱选择性,α/ε为0.932/0.06,经温度测试发现,300℃的工作条件下,涂层的吸收率降到0.87,热发射率 几乎不变。 研究还发 现表层Al2O3 有裂纹会导致涂层吸收率下降。将来对铝阳极氧化膜孔隙率、薄膜在高温条件下光学性能、耐湿性等研究仍然具有广阔的前景[29]。

3.3 涂料法

涂料法是将吸光颜料分散在粘结剂中,然后再加入助剂形成涂料,将涂料刷涂或者喷涂到高红外反射的金属基底上形成涂层。这种涂层的制备方法简单、操作方便、实验条件要求低、容易实现大面积制备。最早采用的黑板漆为非选择性吸收涂层,吸收率为0.95~0.98,热发射率为0.89~0.97。常用的选择性吸光颜料为PbS、GeSi等半导体材料以及过渡金属氧化物,粘结剂通常为聚烯基材料和有机硅树脂,前者的透光性好,后者的耐候性强[30]。利用涂料法制备的光谱选择性吸收涂层中,涂层厚度与光学性能密切相关的涂层称为厚度敏感型光谱选择性吸收涂层(简称TSSS)。Orel等[31]以FeMnCuOx为吸光颜料,有机硅树脂为粘结剂,在金属铝、铜、不锈钢基底上采用喷涂或者拉杆涂布的方式制备出了光谱选择性吸收涂层,涂层在铝基底上的厚度分别为2.0g/m2和3.3g/m2,两种涂层的吸收率和发射率分别为α=0.89,εT=0.20;α=0.93,εT=0.36。随着涂层厚度增加,吸收率和发射率也相应增加。鉴于对TSSS涂层的研究,研究者进一步研发了厚度不敏感型光谱选择性吸收涂层(简称TISS),在涂层制备的过程中,将片状金 属粉 (铝、铜、镍)加入涂料中,以提高涂层的红外反射性,通过适当增加TISS涂层的厚度得到高吸收率和较好的力学性能。Orel等[32]将片状铝粉、彩色颜料分散于有机硅和聚氨酯树脂中制备出彩色TISS涂层。以有机硅为粘结剂,采用喷涂法制备的涂层具有高的热发射率,主要是由于SiO2中Si-O-Si键的振动引起红外吸收而造成。Japelj[33]尝试在Si-O-Si键中引入重原子Ti来对Si-O-Si链上极性基团之间的偶极-偶极作用进行去偶,从而减弱红外振动吸 收,达到降低 涂层发射 率的目的。Jerman等[34]将多面体倍半硅氧烷作为改性剂用于制备TSSS涂层,它有效地改善了涂层表面性质,使涂层具有自清洁性,一定程度上提高了涂层的光谱选择性。利用涂料法制备的涂层,由于有机粘结剂较高的红外吸收导致了涂层热发射率较高,涂层的光谱选择性不 高。另外,有机粘结 剂较差的 耐高温性、耐候性、耐老化性都影响着涂层的使用性能。

3.4 物理气相沉积

蒸发镀膜、等离子镀膜、脉冲激光镀膜、多弧离子镀、磁控溅射等一些不经过化学反应而直接制备薄膜的方法称为物理气相沉积(PVD)[35]。PVD法需要一定的真空条件,对环境友好,能够制备出预期性质的太阳能光谱选择性吸收涂层,尤其是制备中、高温光谱选择性吸收涂层[36]。目前PVD法主要用于制备3类光谱选择性吸收涂层:金属-电介质复合涂层、多层吸收涂层和减反射-吸收串联型涂层。利用蒸发镀膜的方法已 经制备出 许多陶瓷 涂层,如Au-Al2O3、Ag-Al2O3、Cr-Al2O3、铬尖晶石型涂层、铜尖晶石型涂层。这些涂层的α>0.90,εT<0.05。由于蒸发镀膜法薄膜的沉积速率难以控制,导致出现大量的针孔,所以不适宜大面积沉积薄膜[37,38]。Yin等[39]用阴极电弧蒸发的方法制备出Al-AlN(硅基底)陶瓷,a-C∶H-SS(玻璃基底)陶瓷。未过滤阴极电弧沉积得到的Al-AlN涂层,α=0.90,εT=0.06。大颗粒过滤条件下,利用阴极电弧蒸发沉积得到的a-C∶H陶瓷涂层在可见光区具有低的反射率。阴极电弧蒸发法制备涂层最大的缺陷是放射出大颗粒的阴极金属粒子。Wu等[40]通过光学软件模拟,利用磁控溅射技术制备出Ti-AlN陶瓷型多层膜系的彩色光谱选择性吸收涂层,涂层颜色为黑、紫、黄、黄绿、橙黄,吸收率为0.82~0.94,热发射率为0.05~0.27,涂层的亮度范围为0.65%~8.89%。彩色涂层与传统的黑色涂层相比光热转化效率有些低,但是它为太阳能应用于将来的建筑材料开辟了广阔的应用前景。

3.5 化学气相沉积

化学气相沉积(CVD)是利用气态的反应物,通过原子、分子间化学反应,使气态前驱体中的某些成分发生分解,沉积在基底上形成涂层。通过改变气相组成可以控制涂层的化学成分,进而可以获得梯度沉积物或复合涂层。采用等离子体和激光辅助技术可以显著地促进化学反应,使有些不耐高温的材料可以在较低温度下进行沉积[41]。Berghaus等[42]以铜作为底材,以W(CO)6和Al(C3H7O)3作为反应物进行热分解,实验中采用低压冷壁CVD沉积系统,得到无定形的W-WOx-Al2O3 涂层,它在纯H2气氛下800℃热处理1h得到W-γAl2O3 涂层,其α=0.85,εT=0.04。根据涂层中钨含量的梯度变化增加减反射层可以提高涂层的吸收率,该涂层可在500℃条件下工作。Schuler等[43]利用PVD-PECVD结合的方法制备a-C∶H/Ti光谱选择 性吸收涂 层,其α=0.876,εT=0.016。利用CVD法制备光谱选择性吸收涂层具有广阔的应用前景。

3.6 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是近几年发展起来的一种制备涂层的方法,它操作简单,制备成本低,对环境友好,并且涂层参数(如:吸光粒子尺寸、粒子的分布、薄膜的均匀性、化学成分、膜厚度等)容易控制。它可以在任何形状和较大尺寸的基底上沉积所需要的涂层。另外,它能够在低温条件下制备出微结构的沉积薄膜[44]。目前采用 溶胶-凝胶法合 成的涂层 主要有3类:金属氧化物选择性吸收涂层(氧化铜吸收膜、氧化钴吸收膜、氧化钌吸收膜)[45]、金属-电介质陶瓷膜[46]和碳-电介质陶瓷膜[47]、尖晶石和类尖晶石型选择性吸收膜(CuMnOx、Cu-Cr2O4、CuCoMnOx、CuFeMnOx等)[48,49]。利用溶胶-凝胶法合成金属氧化物/尖晶石(路径A)和金属/碳粒子包覆无机电介质陶瓷型光谱选择性吸收涂层,合成设计过程如图3所示。

目前通过溶胶-凝胶法制备的光谱选择性吸收涂层的吸收率、热发射率如表1所示。

尽管采用溶胶-凝胶法制备光谱选择性吸收涂层具有很多优势,但在进行商业化应用之前仍然有许多技术问题需要进行深入研究。金属氧化物和尖晶石型的涂层很容易用溶胶-凝胶法合成,但是其光谱选择性不高。为了提高其光学性能,前驱体的结合方式、吸收层的堆积构成、减反射层仍然需要进行研究。金属-电介质涂层有很好的光谱选择性,但是其溶胶的可重复性利用仍缺少研究,也没有对碳-电介质陶瓷型光谱选择性吸收涂层中的碳颗粒进行深入研究。

4 结语

光谱选择 第5篇

摘要：CCD-1型平面光栅电弧直读发射光谱仪替代了测微光度计和光谱投影仪，其分析应用软件SpecDirect操作界面简便实用，具有分析速度快，分析精准，稳定性好的特点。

关键词：CCD；直读发射光谱仪；相板；摄谱

1. 发射光谱分析的基本原理及主要仪器设备

1.1 原子发射光谱法是以测量物质内部能级跃迁时辐射出电磁波的波长和强度为基础的光学分析法。组成物质成分的各种元素或化合物，在一定的温度条件下解离成原子或离子，激发辐射出各种不同特征波长的复合光；经过光谱仪的分光系统分光记录后得到一系列代表各元素的特征谱线；[1] 不同元素，产生不同波长的光谱线，通过观察辨认各特征波长谱线存在的情况，可以进行光谱定性分析，各元素的谱线强度与物质的含量有关，通过进一步测量各特征谱线的黑度可以进行光谱定量分析。[2]

1.2 在地质矿样的光谱分析中通常使用一米平面光栅摄谱仪或两米平面光栅摄谱仪。常用的激发源是交直流电弧发生器。测微光度计用来测量相板上各元素相对应的谱线的黑度。光谱投影仪是目视观察相板上谱线黑度的仪器，是进行光谱定性、半定量分析的必备仪器。CCD-1型平面光栅直读发射光谱仪将被测元素的光谱线用光电倍增管接收，然后经放大、光电直接测量，显示读数及含量。

2. 光谱分析的特点及应用范围

2.1 原子发射光谱分析是一种多元素分析技术，其操作简单，分析速度快。对于岩石、矿物试样，可以不经任何处理，直接利用固体粉末制样，就能同时对样品中几十种金属元素进行全分析。可以避免溶液测试样品的一些缺点，例如易挥发元素硼的损失、难溶元素锡分解不完全等问题，原子发射光谱法可以利用不同的元素蒸发温度的差异来避开某些干扰，可以用来全面了解各种岩石、土壤、矿物等成分的含量，为剔除低品位的矿石矿物，为矿产的综合利用，为选择合理的分析方法、查明化学分析的干扰成分，制定合理的分析方案等提供了依据。

2.2 地球化学试样分析通常批量较大，一些元素如镓、锡、硼、银等因多种原因难以用多元素分析流程测试，通常使用石墨炉原子吸收光谱法、极谱法等逐一测定。而原子发射光谱法选择性好，只要选择合适的工作条件，减少谱线的重叠干扰，可以一次摄谱同时完成镓、锡、硼、钼、铅、银等元素的分析测试，而不需进行化学分离，减少了单元素分析流程，降低了分析成本，提高了分析效率。原子发射光谱法适用于微量及痕量元素的分析，测定各元素的指标可达到《区域地球化学勘查规范》（DZ/T0167-95）的要求，准确度较高，已广泛应用于地球化学勘查试样批量分析中。

3. 传统相板摄谱法

3.1 试剂的配制：对光谱分析来说，曝光后的相板一般都在固定条件下显影。显影液有多种配方，通常使用A（米吐尔、无水亚硫酸钠、对苯二酚）和B（无水碳酸钠、溴化钾）显影液。配制显影液时必须按照试剂的先后顺序逐一加入，充分搅拌待一种试剂完全溶解后再加入另一种试剂，否则显影液容易变质、失效。配制好的A液和B液要分别存放在两个棕色瓶中，不能混合在一个瓶中，密闭遮光存放在阴凉处，待相板显影时将A液和B液按比例等量混合。根据需要，混合后的显影液还可以加入一定量的蒸馏水稀释。定影液的配制方法和显影液一致，必须按照试剂的先后顺序逐一加入，充分搅拌待一种试剂完全溶解后再加入另一种试剂。为了防止相板的胶面在冲洗过程中过分吸水膨胀，破损或脱落，通常会在定影液中加入坚膜剂明矾，它可以使相板的胶面变得坚固。明矾在酸性条件下才能发挥坚膜剂的作用。因此，我们在定影液中加入一定量的冰醋酸。

3.2 摄谱及洗相：制备好试样后操作人员首先进入暗室，在红光灯下将相板装入暗盒。把暗盒装在摄谱仪上，开始摄谱。相板曝光后，操作人员再次进入暗室，将相板进行显影、定影。暗室处理对测试分析结果有直接的关系，其中显影液的成分，各种分析试剂的配比，显影液的温度以及显影时间等相关因素对相板谱线的黑度影响很大。如果操作人员显影时间过长，相板上谱线的黑度就较深，若显影时间过短，谱线的黑度就较浅。每个人的视觉误差不同，相板上谱线的黑度不同，直接影响分析测试结果。相板经过显影、定影后需要用流动的清水缓慢冲洗，以洗去残留在相板上的硫代硫酸钠及银的配合物，使相板上曝光的谱线清晰可见。否则相板晾干后表面会有一层白色的硫代硫酸钠结晶，它吸收空气中的二氧化碳后，分解出的硫与银发生反应生成硫化银，使相板变色，谱线模糊不清，无法测试相板的黑度。

3.3 测光及结果计算：测光时相板应调平，保证谱线在测微光度计的狭缝上的成像特别清晰，同时相板的谱带要与测微光度计的狭缝保持平行。相板调平后进行零点校正，测试过程中要严格保持狭缝的宽度一致，不能中途改变，分析测试人员要时刻注意相板每板移一步，必须保证测光狭缝始终与谱带居中切平。测试结束后处理分析样品的谱线，保存测试结果。

4.光谱直读摄谱法

4.1 CCD-1型平面光栅电弧直读发射光谱仪简介：CCD-1型平面光栅电弧直读发射光谱仪使用高品质的CCD全谱单色器代替相板采集信息，以直读数字信息的方式取代了摄谱时使用感光相板摄谱、洗相、定影、晾干、调平译谱等一系列过程，大大提升了分析速度。现在的CCD-1型平面光栅电弧直读发射光谱仪使用SpecDirect分析软件，支持WinXp/Win7/Win8系统。SpecDirect 是数据采集和数据处理软件，主要功能有建立分析方法和管理、数据采集、查看谱图、谱线位置指示、谱图局部放大、分析测试结果存盘和打印、测量数据结果可根据需要导出为文本文件或Excel电子表格。其中谱线的波长定位功能，极大的方便光谱分析人员辨识和分析不熟悉的特 征谱线和谱线的位置。

4.2 用SpecDirect分析软件摄谱及数据处理：SpecDirect分析软件，操作界面简便实用。试样准备好后，操作人员双击软件的桌面快捷图标进入软件操作界面，在主程序屏幕中点击工具栏按钮打开方法，再点击样品摄谱窗口，输入样品编号，该软件可同时输入1000件样品号。输完后点击确定。点击试样摄谱按钮开始摄谱，所有试样完成摄谱后，单击结束退出。單击样品分析按钮，进入数据分析界面。首先要校正参考线。校准后谱线指示针应对准参考线的峰顶上，可以使用放大谱图的功能来确定指针是否对准谱线。校准参考线后点击校正谱带按钮，开始校正谱带波长，多次校正直至所有谱线偏移为零。单击开始测量按钮，软件进行数据测试。测完后选择存盘，点击确定后显示标准曲线，逐条修正曲线后保存文件，打印数据。

5. 传统相板摄谱与光谱直读的对比

5.1 原子发射光谱分析之前多采用相板记录方式，需要经过洗相、显影、定影、晾干等一系列过程，流程较长。每个人操作时显影温度、显影时间不同对相板黑度影响很大。晾干后的相板还需用测微光度计测量相板各元素的谱带黑度，之后经过计算才能得出分析数据。两米平面光栅摄谱仪只是单纯的摄谱仪器，需和测微光度计联合使用才能完成分析测试。

5.2 现在的CCD-1型平面光栅电弧直读发射光谱仪是一台完整的分析仪器，可以直接将试样曝光的光强转换为数字信号，完全取代了使用感光相板摄谱、洗相、译谱等过程，省去了摄谱前显影液、定影液的配制过程，节约了显影液、定影液试剂及相板的花销，有效地降低了操作人员显影操作时产生的系统误差。CCD-1型平面光栅电弧直读发射光谱仪搭载的SpecDirect分析软件，可同时输入1000件样品号。而相板摄谱时一块相板最多只能摄谱70多件。之前分析人员需要用光谱投影仪目视观察相板上谱线黑度，并且要熟悉掌握各个元素的特征谱线，用平面光栅摄谱仪光谱图对应相板上的谱线查找特定谱线。现在的CCD-1型平面光栅电弧直读发射光谱仪其SpecDirect分析软件的谱线定位功能极大地方便了光谱分析人员辨识和分析不熟悉的特征谱线和谱线的位置。

6. 综述

现在的CCD-1型平面光栅电弧直读发射光谱仪替代了测微光度计和光谱投影仪，其分析应用软件操作界面简便实用，可以一次曝光摄谱满足多元素同时分析的要求，经测试硼、银、锡等元素的分析质量完全满足化探分析的要求，减少了分析环节，降低了操作人员个人操作误差，摒弃了显影液和定影液的使用，减少了人工成本和材料成本，避免了相板洗相过程中分析样品银沾污的困扰。省去了一系列处理过程，具有分析速度快，分析精准，稳定性好的特点。

参考文献：

[1] 《岩石矿物分析》编委会，岩石矿物分析，北京：地质出版社，2011：434.