光谱学术语和定义词汇表
 

为了帮助大家理解那些在颐光科技光学的产品介绍与报告中经常提到的术语。但根据我们的经验，整理相同的术语。不过在在不同产品的描述和定义上也会有细微的差别。

 

Electromagnetic Wave

电磁波

 

      电磁波（electromagnetic wave）：由相同且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波在真空中速率固定，速度为光速。

       电磁波伴随的电场方向，磁场方向，传播方向三者互相垂直，因此电磁波是横波。当其能阶跃迁过辐射临界点，便以光的形式向外辐射，此阶段波体为光子，太阳光是电磁波的一种可见的辐射形态，电磁波不依靠介质传播，在真空中的传播速度等同于光速。电磁辐射由低频率到高频率，主要分为：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。人眼可接收到的电磁波，称为可见光（波长380~780nm）。电磁辐射量与温度有关，通常高于绝对零度的物质或粒子都有电磁辐射，温度越高辐射量越大，但大多不能被肉眼观察到。

   

       频率是电磁波的重要特性。按照频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。

 

Frequency

频率

 

       频率（frequency）：单位时间完成振动的次数，是描述振动物体往复运动频繁程度的量，常用符号f或v表示。每个物体都有由它本身性质决定的与振幅无关的频率，叫做固有频率。

       频率是电磁波的重要特性。按照频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。  自然界中各类辐射源的电磁波谱是相当丰富、相当宽阔的，它们的特征参量是波长λ、频率f和光子能量E。三者的关系是f=c/λ，E=hf=hc/λ和E=1.24/λ，式中，E和λ的单位分别是eV（电子伏）和μm，h为普朗克常数（6.6260755X10J·S）；c为光速，其真空中的近似值等于3X10m/s，在工程实践中，根据不同的需要和习惯，采用不同的频谱参量计量单位。

 

Photon Energy

光子能量

 

       光子能量( photon energy)：光子即光量子（light quantum），传递电磁相互作用的规范粒子，记为γ。其静止质量为零，不带电荷，其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积，即E=hv，在真空中以光速c运行，单位为焦（J）·秒（s）。

 

Lnterference Of Light

光的干涉

 

       光的干涉（Interference of light）：物理学中，干涉（interference）是两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加从而形成新的波形的现象。两列波在同一介质中传播发生重叠时，重叠范围内介质质点同时受到两个波的作用。若波的振幅不大，此时重叠范围内介质质点的振动位移等于各别波动所造成位移的矢量和，这称为波的叠加原理。若两波的波峰（或波谷）同时抵达同一地点，称两波在该点同相，干涉波会产生最大的振幅，称为相长干涉；若两波之一的波峰与另一波的波谷同时抵达同一地点，称两波在该点反相，干涉波会产生最小的振幅，称为相消干涉。　　

 

什么条件下会发生光的干涉光的干涉条件？

       准确的说，应该是两列相干光可以发生干涉，任何一个光束都不可能是绝对的单色光，也可说绝对不可能只有单一频率。所以，任何一个光源只要满足时间相干性，都可以发生干涉，比如一束光的波长是600nm-601nm，另外一束光是600.5nm-601.5nm，他们的频率成分当中（频率就是光速除以波长）有相同的部分，如果满足时间相干性，也就是相干频率大于他们直接的频率差就可以干涉！另外就是满足空间相干性，任何一个光源，可以是光源上不同两个地方发出的光线，只要这两个发光的部分的长度小于空间相干长度，就也可以发生干涉！关于相位差恒定，也是不必要条件，只要大致稳定就行，举例说明：比如，双缝干涉，当屏幕不动的时候，光程差是恒定的，也可以说是相位差是恒定的，当光屏向后或者向前移动的时候，相位差肯定会变，条纹间距也会变，变宽或者变窄，但是干涉图样始终存在，说明相位差变化了，只能使得干涉图样发生波动，但是不稳定的相位差一样可以发生干涉！震动方向一致也是非必要条件，只要震动方向不垂直，两个互成角度的震动，可以向力的分解那样，把震动分为一致方向和垂直方向，一致方向的分量依然可以和另外一个震动发生干涉，只不过干涉图样的明暗对比度会下降，而只要当完全垂直的时候，对比度才下降为零，才可以认为是不干涉了。

      综上所述：频率相同，位相差恒定，振动方向一致的相干光源是发生“稳定”干涉的条件，而非发生干涉的条件。

 

Polarized light 

偏振光

       偏振光（ polarized light ）：振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。光波是电磁波，因此，光波的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度v垂直，因此光波是横波，它具有偏振性。 具有偏振性的光则称为偏振光。偏振光是指光矢量的振动方向不变，或具有某种规则地变化的光波。按照其性质,偏振光又可分为平面偏振光（线偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光、部分偏振光几种。

       完全偏振光可分为

     （a）线偏振光指光矢量端点的轨迹为直线，即光矢量只沿着一个确定的方向振动，其大小随相位变化、方向不变，称为线偏振光。
     （b）椭圆偏振光指光矢量端点的轨迹为一椭圆，即光矢量不断旋转，其大小、方向随时间有规律的变化。
     （c）圆偏振光指光矢量端点的轨迹为一圆，即光矢量不断旋转，其大小不变，但方向随时间有规律地变化。
       部分偏振光
       在垂直于光传播方向的平面上，含有各种振动方向的光矢量，但光振动在某一方向更显著，不难看出，部分偏振光是自然光和完全偏振光的叠加。

 

Refractive Index

折射率

       光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变而使线在不同的交界处偏折的现象即光的折射。折射率指光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比。材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。 折射率与介质的电磁性质密切相关。根据经典电磁理论，εr和μr分别为介质的相对电容率和相对磁导率。折射率还与频率有关，称色散现象。

 

 

Extinction Coefficient

消光系数

 

透射率

 

Absorption Coefficient

吸收系数

 

 

Complex Refractive Index

复折射率

 

Penetration Depth

穿透深度

 

Permittivity

介电常数

 

Complex Dielectric Function

复介电常数

 

Absorbance

吸光度

 

吸光度（absorbance）：是指光线通过溶液或某一物质前的入射光强度与该光线通过溶液或物质后的透射光强度比值的以10为底的对数

 

 

光进入样品或光谱仪时可能发生色散或准直。色散光包含了多个方向的光束，而准直光只包含平行入射的光束。

 

 有不参加光谱图的像元（这些像元接收不到光）。将这些暗像元

荧光是指吸收光和后来的发射光是两个不同的频率或波长。这通常出现在一个实验装置中，一种低波长带的入射光在一个方向上被吸收，另一种更高波长带的光在所有方向被发射出。在样品吸收紫外光（人眼不可见），发射可见光的时候，这种情况更加明显。

样品分子可以是激发电子，由于入射光子的影响而振动，通过加热周围样品而变成更低的振动状态，然后电子返回基态，发射比吸收的

荧光粉涂层是应用在检测器上用来提高紫外波段的灵敏性。这种涂层能够发射出被检测器紫外末端的像元识别的更低频率的光子。参考紫外涂层。

 

 

积分时间是检测器在将累积的电荷通过A/D转换器加工之前，被允许收集光子的时间长度。最小积分时间是设备支持的最短积分时间，它取决于检测器读出所有像素信息的快慢，积分时间与数据传输速度是不同的概念。

 

照度不是这个量值的技术性的正确术语，这个量值是依赖波长的，它的正确术语应该是绝对光谱辐照度。

 

Optical Resolution

光学分辨率

 

光谱仪的光学分辨率是指测量曲线的半峰宽（FWHM），它是由光栅刻线密度和入射光口径（光纤或狭缝）决定的。光分辨率随着光栅刻线密度的增大而增大，但是增加光栅刻线密度的同时，光谱范围会随之降低。光分辨率同样随着狭缝宽度或光纤直径的减少而增大，但减少狭缝宽度或者光纤芯径的同时，信号强度会降低。光分辨率通过下面的公式计算出来：

OR = SR/n x PR

OR=光谱仪的光分辨率（单位：nm）

SR=光栅分光范围（单位：nm）

n=检测器原件的数量（单位：像素）

PR=光谱仪和狭缝的像素分辨率（单位：像素）

这个比值称之为色散，单位是：纳米/像素。这个数值对检测器和光栅的结合是很重要的。

 

 

 

Raman   拉曼光谱

 

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,非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分, 统称为拉曼效应。拉曼效应是光子与光学支声子相互作用的结果。

拉曼光谱－原理　拉曼效应起源于分子振动(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)与转动能级结构的知识。用虚的上能级概念可以说明了拉曼效应:

设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如图所示。当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态（Virtual state），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。设仍回到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为拉曼线。在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。

附加频率值与振动能级有关的称作大拉曼位移，与同一振动能级内的转动能级有关的称作小拉曼位移：

大拉曼位移：(为振动能级带频率)

小拉曼位移：(其中B为转动常数)

简单推导小拉曼位移：利用转动常数

 

Sensitivity

灵敏度

 

光谱仪的灵敏度是一个衡量可见光输入与光谱输出关系的参数，可以在海洋光学软件中看到这个参数。

检测器灵敏度，不是指光谱仪灵敏度，通常是可以通过以下两种方法表示的：

1.单位入射辐射功率（单位：瓦）的输出电流（单位：安）

灵敏度可以由在给定辐射功率的发光光源条件下，检测器输出的电流值来确定。这种方法测得的单位通常是A/W（这经常作为检测器的响应率，见NEP）。当灵敏度被表达成A/W时，检测器的量子效率和灵敏度由以下公式得出：

QE = Sx1240/λ x 100 (%),这里λ是波长，单位是nm。

2.单位入射曝光量（单位：lux.s）的输出电压（单位：V）

灵敏度也可以由在一定大小的曝光量下，检测器的输出电压值来确定。通常这种方法测得的灵敏度单位是V/lux.s。

3、灵敏度可以表示成生成每隔count时需要的入射光的光子数量。海洋光学说明书通常显示在特定波长下（通常在400nm和600nm）counts（计数值）（在OceanView 或SpectraSuite软件中y-轴的数值）与入射光子数量的比值。这个定义是最有用的定义，因为它直接反应了用户在海洋光学软件上看到的结果。

 

Shot Noise

散粒噪声

 

散粒噪声是统计产生的变化，它存在于任何离散的随机系统中。与光谱仪有关的散粒噪声的类型有光子噪声和暗噪声。

 

Signal to Noise Ratio

信噪比

 

信噪比（SNR）的定义是，在一个特定的信号水平，信号强度与噪声强度的比值——因此它会随着测量不同而有所不同。由于光子噪声的原因，噪声通常以信号函数的形式增长,信噪比函数实际上是单个信噪比值与它们获得的该信号的曲线图。海洋光学数据表中记载的光谱仪信噪比值是最大可能的信噪比值（在检测器饱和状态下获得）。假设每一个像元的信噪比响应曲线都相同。

具体测量如下：当挑选好光源，以便在最低的积分时间或积分时间远低于热噪声限制的积分时间内使光谱峰值饱和（光谱仍需要有低于0 counts（计数值）或其左右的区域）；想要计算信噪比，需要取100个没有光入射的扫描，计算出每个像元的平均基线值，再取100个有光入射的扫描，计算出每个像元输出值的平均值和标准差；然后信噪比由以下公式给出：

SNRρ = (S – D)/σρ

这里

SNR=信噪比

S=样品的平均光谱响应强度（有光入射）

D=暗光谱的平均值（没有光入射）

σ=样品的标准差（有入射光）

ρ=像元数量

想要获得完整的信噪比与信号图，画出计算得到的SNRρ值（噪声）和Sρ – Dρ值（信号）。这将涵盖了一个很宽的峰值范围（从光谱暗状态到近乎饱和）。因为所有的像元都有相同的响应曲线，所以信噪比和信号图的数据可以来自不同的像元。因为在信号大值的时候，光子噪声是主要的噪声来源，故理想的光谱图应该与y = √x的图形相似。

请注意，应用不同类型的信号平均方法可以提高信噪比。在基于时间的信号平均时，信噪比将以光谱扫描次数的平方根增加。举例说明，信噪比为300:1,如果将100次扫描取平均时，信噪比会变成3000：1。在基于空间的信号平均时，信噪比将以取平均的像元数量的平方根增加。