Die typische IR-Spektrometer-Breitbandquelle emittiert alle interessierenden IR-Frequenzen gleichzeitig

Ich studiere gerade das Lehrbuch Infrared and Raman Spectroscopy , 2nd edition, von Peter Larkin. In einem Abschnitt mit dem Titel „Infrared Absorption Process“ sagt der Autor Folgendes:

Die typische IR-Spektrometer-Breitbandquelle emittiert alle interessierenden IR-Frequenzen gleichzeitig, wobei der nahe IR-Bereich 14.000–4.000 cm beträgt − 1 , liegt der mittlere IR-Bereich bei 4000–400 cm − 1 , und der Fern-IR-Bereich beträgt 400–10 cm − 1 .

Ich weiß, dass Laser ungefähr mehr oder weniger monochromatisch sind. Offensichtlich ist Wellenlänge nicht dasselbe wie Frequenz, aber die Vorstellung, dass eine Lichtquelle gleichzeitig einen breiten Frequenzbereich emittieren könnte, bereitete mir angesichts der oben erwähnten Tatsache über Monochromatizität Unbehagen.

Bei meiner Recherche fand ich folgende Erklärung (siehe 10.6.2 Wahrnehmungsmechanismen ):

Optische Sensoren sind typischerweise mit einem optischen Modul verbunden, wie in Abbildung 10.38 gezeigt. Das Modul liefert das Anregungslicht, das von einer monochromatischen Quelle wie einem Diodenlaser oder von einer Breitbandquelle (z. B. Quarz-Halogen) stammen kann, die gefiltert wird, um eine schmale Anregungsbandbreite bereitzustellen.

Es scheint mir, dass diese Erklärung die Konzepte "Breitband" und "Monochromatizität" verwechselt oder zumindest so schreibt, dass es so aussieht:

Das Modul liefert das Anregungslicht, das von einer monochromatischen Quelle wie einem Diodenlaser oder von einer Breitbandquelle (z. B. Quarz-Halogen) ...

Ich würde es sehr schätzen, wenn sich die Leute bitte die Zeit nehmen würden, zu erklären, wie eine Lichtquelle „breitbandig“ sein kann (d. h. einen breiten Frequenzbereich aussendet), und klarzustellen, was die obige Erklärung aussagt

Kennst du dich mit Schwarzkörperstrahlung aus? Die thermische Emission ist breitbandig (mehrere Frequenzen gleichzeitig). Eine Glühbirne ist so. Es scheint mir, dass die von Ihnen angegebenen Referenzen eine angemessene Unterscheidung zwischen monochromatischer Emission von Laserdioden und Breitbandemission von thermischen Quellen treffen.
Beachten Sie auch, dass der zitierte Satz, der die Quarz-Halogen-Quelle erwähnt, darauf hinweist, dass ihre Breitbandemission gefiltert werden muss, damit sie sich eher wie eine monochromatische Quelle verhält - ohne den Filter hat sie diese Eigenschaft nicht
@kleingordon Ahh, ja, ich habe Schwarzkörperstrahlung und thermische Emission vergessen. In Bezug auf die Referenz, angesichts Ihrer Antwort, glaube ich, dass ich sie falsch verstanden habe. Danke für die Abklärung. Fühlen Sie sich frei, eine Antwort zu posten, damit ich sie akzeptieren und diese Frage schließen kann.

Antworten (2)

Thermische Emission (oft als Schwarzkörperstrahlung idealisiert) ist breitbandig, dh sie sendet mehrere Frequenzen gleichzeitig aus. Eine Glühbirne ist so. Die in der Frage angegebenen Referenzen unterscheiden richtig zwischen monochromatischer Emission von Lasern und Breitbandemission von thermischen Quellen.

Der zitierte Satz, der die Quarz-Halogen-Quelle erwähnt, weist darauf hin, dass ihre Breitbandemission gefiltert werden muss, damit sie sich eher wie eine monochromatische Quelle verhält – ohne den Filter hat sie diese Eigenschaft nicht.

Es gibt zwei mögliche Wege zur Herstellung einer Breitbandlichtquelle.

  1. Inkohärente Quellen

    Der erste Weg besteht darin, eine Quelle herzustellen, die Licht mit einer Reihe verschiedener Frequenzen ohne Kohärenz zwischen diesen verschiedenen Frequenzkomponenten emittiert. Dies geht am einfachsten über thermische Quellen (wie die in Ihrem Angebot beispielhaft genannten Quarz-Halogen-Lampen), aber es gibt auch andere Mechanismen wie zB Fluoreszenz.

  2. Kohärente Quellen

    Oder anders gesagt: gepulste Laser. Um ehrlich zu sein, wenn Sie sagen

    Ich weiß, dass Laser mehr oder weniger annähernd monochromatisch sind

    Sie "wissen" falsch. Tatsächlich wird oft beschrieben, dass Laser nur Licht einer Frequenz erzeugen, aber das ist ein Irrglaube. Laser kommen aus der Verstärkung von Licht durch stimulierte Emission, und diese Verstärkung kann für jede Frequenz erfolgen, bei der das Verstärkungsmedium verfügbare Übergänge hat. Bei Festkörpersystemen treten diese Übergänge häufig über breite Frequenzbänder auf, sodass diese Verstärkungsmedien als "abstimmbare" Laser verwendet werden können (bei denen Sie den Hohlraum verwenden, um die zu verstärkende Frequenz auszuwählen), aber Sie können sie auch so einrichten dass alle Frequenzen gleichzeitig verstärkt werden, wobei ihre relative Phase so festgelegt wird, dass sie miteinander kohärent sind, was zu einer Reihe von (oft sehr kurzen) Laserimpulsen führt.

Aufgrund der hinzugefügten Technologieschichten sind gepulste Laser oft teurer als thermische Quellen (die sehr einfach sein können). Wenn Sie also die Kohärenz nicht benötigen (wie z. B. in einem Spektrometer), verwenden Sie einfach thermische Quellen, wenn Sie brauchen Breitbandlicht.

Wenn ich mich nicht irre, bezieht sich Monochromatizität auf elektromagnetische Strahlung einer einzelnen Wellenlänge , nicht auf eine Frequenz. Und nach meinem Verständnis werden Laser oft so beschrieben, dass sie Licht mit nur einer Wellenlänge erzeugen – nicht mit einer Frequenz. Bin ich falsch? Sie scheinen die Wellenlänge, die die Monochromatizität betrifft, und die Frequenz, die eine andere Eigenschaft ist, zu verwechseln. Laut meinem Link ist Monochromatizität ein physikalisch unmögliches Phänomen, dem sich Laser annähern, weshalb ich es so formuliert habe, wie ich es getan habe. Verstehe ich hier etwas falsch?
Schön, ich hatte in meiner Antwort keine Breitbandemission über gepulste Laser berücksichtigt, und dies ist in der Tat für die Frage relevant
@ThePointer Wie bei jedem Wellenphänomen besteht eine Eins-zu-Eins-Beziehung zwischen Frequenz und Wellenlänge, die durch die Dispersionsbeziehung gegeben ist. Für elektromagnetisches Licht, das sich im Vakuum oder nahe dem Vakuum ausbreitet, ist die Beziehung einfach Frequenz * Wellenlänge = Lichtgeschwindigkeit (in guter Näherung). Daher ist es üblich, die beiden Größen miteinander zu identifizieren und „Wellenlänge“ oder „Frequenz“ austauschbar zu erwähnen, wenn die Emission bei verschiedenen Wellenlängen oder Frequenzen unterschieden wird
@kleingordon Oh, ok, ich verstehe. Das ist sehr interessant. Bedeutet dies also, dass wir ein Lasergerät haben können, das gleichzeitig mehrere verschiedene Wellenlängen über ein breites Spektrum emittiert? Könnten wir zum Beispiel ein Lasergerät haben, das einen einzelnen Strahl aussendet, der gleichzeitig Wellenlängen von 500 nm und 1000 nm oder 1500 nm und 2000 nm enthält? Oder verstehe ich Emilios Antwort falsch?
Ja, wie Emilio sagte, gepulste Laser können kohärentes Licht emittieren, das gleichzeitig einen Bereich von Wellenlängen umfasst. Dazu können verschiedene Geräte in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen eingerichtet werden. In der Praxis könnte man durch die Wellenlängen begrenzt sein, die ein verfügbares gepulstes Lasersystem erzeugen kann.
@kleingordon Sehr interessant. Danke für die Abklärung.
@ThePointer Ja, richtig. Wie immer erlegt die reale Welt praktische Einschränkungen auf, wie breit Ihre Bandbreite sein kann (und insbesondere das oktavenumspannende Spektrum in Ihrem ersten Beispiel wäre eine erhebliche praktische Herausforderung, obwohl es Gruppen gibt, die ähnliche Spektren im IR erreichen ganz routiniert), aber dem steht prinzipiell nichts entgegen.
Die typische IR-Spektrometer-Breitbandquelle emittiert alle interessierenden IR-Frequenzen gleichzeitig
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