根据光的干涉原理制成的一种仪器。将来自一个光源的两个光束完全分并，各自经过不同的光程，然后再经过合并，可显出干涉条纹。在光谱学中，应用精确的迈克尔逊干涉仪或法布里-珀罗干涉仪，可以准确而详细地测定谱线的波长及其精细结构。
干涉仪分双光束干涉仪和多光束干涉仪两大类，前者有瑞利干涉仪 、迈克耳孙干涉仪及其变型泰曼干涉仪、马赫-秦特干涉仪等，后者有法布里-珀罗干涉仪等。干涉仪的应用极为广泛，主要有如下几方面：
①长度的精密测量。在双光束干涉仪中，若介质折射率均匀且保持恒定，则干涉条纹的移动是由两相干光几何路程之差发生变化所造成，根据条纹的移动数可进行长度的精确比较或绝对测量。迈克耳孙干涉仪和法布里-珀罗干涉仪曾被用来以镉红谱线的波长表示国际米。
②折射率的测定。两光束的几何路程保持不变，介质折射率变化也可导致光程差的改变，从而引起条纹移动。瑞利干涉仪就是通过条纹移动来对折射率进行相对测量的典型干涉仪。应用于风洞的马赫-秦特干涉仪被用来对气流折射率的变化进行实时观察。
③波长的测量。任何一个以波长为单位测量标准米尺的方法也就是以标准米尺为单位来测量波长的方法。以国际米为标准，利用干涉仪可精确测定光波波长。法布里-珀罗干涉仪（标准具）曾被用来确定波长的初级标准（镉红谱线波长）和几个次级波长标准，从而通过比较法确定其他光谱线的波长。
④检验光学元件的质量。泰曼干涉仪被普遍用来检验平板、棱镜和透镜等光学元件的质量。在泰曼干涉仪的一个光路中放置待检查的平板或棱镜，平板或棱镜的折射率或几何尺寸的任何不均匀性必将反映到干涉图样上。若在光路中放置透镜，可根据干涉图样了解由透镜造成的波面畸变，从而评估透镜的波像差。
⑤用作高分辨率光谱仪。法布里-珀罗干涉仪等多光束干涉仪具有很尖锐的干涉极大，因而有极高的光谱分辨率，常用作光谱的精细结构和超精细结构分析。
⑥历史上的作用。19世纪的波动论者认为光波或电磁波必须在弹性介质中才得以传播，这种假想的弹性介质称为以太。人们做了一系列实验来验证以太的存在并探求其属性。以干涉原理为基础的实验最为精确，其中最有名的是菲佐实验和迈克耳孙-莫雷实验。 1851年，A.H.L.菲佐用特别设计的干涉仪做了关于运动介质中的光速的实验，以验明运动介质是否曳引以太。1887年，A.A.迈克耳孙和E.W. 莫雷合作利用迈克耳孙干涉仪试图检测地球相对绝对静止的以太的运动。对以太的研究为A.爱因斯坦的狭义相对论提供了佐证 实验用迈克尔逊干涉仪测量激光波长一、目的：1、熟悉迈克尔逊干涉仪的主要结构，掌握其调节方法。2、观察等厚干涉、等倾干涉、非定域干涉的形成条件及条纹。二、仪器及用具:1、迈克尔逊干涉仪；2、He－Ne 激光器；3、毛玻璃；4、透镜；5、白光光源。三、迈克尔逊干涉仪： 迈克尔逊干涉仪在光学实验和计量技术中有着广泛的应用。例如：可用它测量光波的波长、微小长度、光源的相干长度，用相干性较好的光源可对较大的长度作精密长了测量，以及可用它来研究温度、压力对光传播的影响等。随着应用的需要，迈克尔逊干涉仪有多种多样的形式，其基本光路如图2所示。图中S为光源，G1、G2为平行平面玻璃板，G1称为分束镜，在它的一个表面镀有半透半反射金属膜A，G2称为补偿板。M1、M2为互相垂直的平面镜。M1、M2与G1、G2均成 角。 表2 干涉仪各部件名称及作用序号部件名称作用注意事项1底座调节螺钉（三个）调节仪器水平 2铸铁底座承载体 3精密丝杠（螺距为1mm）精密调节平面反射镜M1的移动精密丝杠如受损，仪器精度下降，甚至仪器报废，使用中动作要轻、慢。4机械台面承载体5导轨承载平面反射镜M1前后移动6平面反射镜M1（动镜）反射光线镜面勿碰！7反射镜调节螺钉（各三个）调节平面反射镜的空间取向调整时动作要轻、慢。8平面反射镜M2（固定）反射光线镜面勿碰！9分束镜G1将一束光分解为二束分束镜G1和布偿板G2在光路中已严格校准，勿碰！10布偿板G2补偿作用，保证二束光光程相等11读数窗 12齿轮系统传动装置操作时动作要轻、慢。13手轮控制平面反射镜M1的移动转1分格M1镜平移 mm14水平方向拉簧螺丝精细调节反射镜M2在该方向的倾斜度调整时动作要轻、慢。15微动鼓轮精密控制平面反射镜M1的移动转1分格M1镜平移 mm16垂直方向拉簧螺丝精细调节反射镜M2在该方向的倾斜度调整时动作要轻、慢。1. 本实验室常用的WSM－200型迈克尔逊干涉仪的主要技术规格： a、动镜移动范围：200mm。 b、动镜移动的最小读数0.0001mm。 图 12. 在读数与测量时要注意以下两点： a、转动微动鼓轮时，手轮随着转动，但转动手轮时，鼓轮并不随着转动。因此在读数前应先调整零点，方法是：将微动鼓轮沿某一方向（例如顺时针方向）旋转止零，然后以同方向转动手轮使之对齐某刻度。这以后，在测量时只能仍以同方向转动鼓轮使M1镜移动，这样才能使手轮与鼓轮二者读数互相配合。b、为了使测量结果正确，必须避免引入空程，也就是说，在调整好零点以后，应将鼓轮按原方向转几圈，直到干涉条纹开始移动以后，才可开始读数测量。c、图 2为了延长迈克尔逊干涉仪的使用寿命，以免反射镜长时间受到形变压力，实验完毕，需将反射镜背面的三颗调节螺丝调至自然放松状态。四、实验原理：1、迈克尔逊干涉仪的定域干涉现象： 迈克尔逊干涉仪的光路如图2所示，从准单色光源S发出的光，被平行平面玻璃G1的半反射面A分成互相垂直的两束光（图中的光束（1）和光束（2））。这两束光分别由平面镜M1、M2反射再经由A形成互相平行的两束光，最后通过凸透镜L在其焦面上P点叠加。G2是一块补偿板，其材料的厚度与G1完全相同，且两者严格平行放置。它的作用是补偿光束（2）的光程。因为光束（2）在色散材料G1中只通过一次，而光束（1）在G1中通过三次。只有在放入补偿板后，当M1与M2严格对称于反射面A放置时，光束（1）与（2）对任何波长的光的光程差为零，因此在观察白光干涉条纹时必须 放上补偿板，否则将看不到干涉条纹。设M2＇是M2在半反射面A中的虚象，显然光线经M2的反射到达P点的光程与它经虚反射面M2＇反射到达P点的光程严格相等，故在焦面上观察到的干涉条纹是由M1及M2＇之间的空气层两表面的反射光叠加所产生的。当M1与M2严垂直时，也即M1平行于M2，就会在L的焦面上看到等倾干涉条纹，其形状为一组同心圆，又若L的主光轴与镜面M1垂直，则圆心在焦点F上。光束（1）与（2）在P点的光程差为：……………………………（1）式中d为M1与M2＇间的空气层厚度，i为射向P点的光束（1）与M1法线之间的夹角，干涉级次在圆心处（i=0）最高，若圆心处恰为一亮点，则该点的级次m与d之间的关系为： ………………………………（2）图 3旋转干涉仪上精密丝杆，可使M1沿平直导轨前后平移，当d增大时，干涉环中心级次就会相应增加，于是可观察到干涉环逐个从中心冒出来，反之，当d减小时，干涉环逐个向中心缩进去，每变化1个条纹，（即干涉仪中心由亮→暗→亮或由暗→亮→暗）d就变化 距离。由此可以精密地测量长度或光波波长。 如果M1和M2＇靠的很近，且相互间有一个很小的楔角时，即可观察到等厚干涉条纹，条纹定域在空气层上（或在其附近），条纹形状是一组平行于楔棱的直条纹。随着M1与M2＇间距离增大，由于入射角的变化带来影响，使条纹弯曲，并凸向楔棱一边，观察等厚条纹时，可直接用眼睛向空气楔调焦，也可用凸透镜将空气楔成象在其共轭面上。2、迈克尔逊干涉仪的非定域干涉现象： 近来由于用激光作光源，故亦可观察到迈克尔逊干涉仪的非定域干涉现象，在图3中，激光通过短焦距透镜L，会聚成一个强度很高的点光源S，同时其发散角增大了许多倍，尔后入射到迈克尔逊干涉仪。A即为G1的半反射面（G1略去未画出），S'是点光源S经过半反射面所成的虚象，S1'是S'经M1所成的虚象，S2'是S'经M2＇所成的虚象。显然S1'、S2'是一对相干光源，只要观察屏放在两点光源发出光波的重叠区域内，都能看到干涉现象，故这种干涉称为非定域干涉。观察屏C上任一点P的光强取决于S1'和S2'至该点的光程差： 由于光程差相同点的光强相同，故干涉条纹是一组旋转双曲面与观察屏相交所形成的曲线，其旋转轴就是S1'和S2'的连线。当观察屏C垂直于S1'S2'轴线时，即能看到一组明暗相间的同心圆干涉条纹，其圆心为S1'S2'轴线与屏的交点P0，P0处的光程差 可以证明，屏上任意点的光程差： ………………………（3）式中i为S1'射到P点的光线与M1法线之间的夹角。式（3）与定域情况的（1）式相同。当M1与M2＇之间距离d连续改变时，同样可以看到圆心处有条纹向外冒出（或缩进）。故在屏C上将看到一组弧形条纹。四、实验内容：1、观察激光的非定域干涉现象；2、观察定域干涉现象：a、等倾干涉；b、等厚干涉；五、实验步骤：1、点亮He－Ne激光器，使激光稳定出光半小时侯后再测量。观察部分：2、使He－Ne激光束大致垂直于M2，在C处放一块毛玻璃屏，即可看到两排激光光斑，每排都有几个光点，这是由于G1上与反射面相对的另一侧面的平玻璃面上亦有部分反射的缘故。调节M2背面的三只螺丝，使两排中两个最亮的光斑大致重合，则M2＇与M1平行。3、用短焦距透镜扩展激光束，即能在屏上看到弧形条纹，再调节M2镜座下的微调螺丝，可使M2＇与M1趋向严格平行，而弧形条纹逐渐转化为圆条纹。4、另一种调节方法是：使细激光束穿过小孔光阑后，再照射到干涉仪的半反射镜上。调节M1使反射回来的一排光斑中最亮点返回小孔光阑，即可使M2＇与M1平行。在弧形条纹变为圆条纹的调整过程中，应仔细考察条纹的变化情况，根据条纹形状来判断M2、M1间的相对倾斜，从而确定调节哪几个螺丝，是放松还是拧紧等等。5、改变M2＇与M1之间的距离，根据条纹的形状，宽度的变化情况，判断d是变大还是变小，记录条纹的变化情况。解释条纹的粗细、密度和d的关系。6、把毛玻璃放在透镜L的前面，使球面波经过漫反射成为扩展光源（面光源）必要时可加两块毛玻璃。用聚焦到无穷远的眼睛直接观察可以看到的圆条纹。7、接着调节M2的微调螺丝，使眼睛上下左右移动时，各圆条纹的大小不变，而仅仅是圆心随眼睛的移动而移动，这时我们看到的就是定域干涉条纹现象中的等倾干涉条纹了。8、转动M1镜传动系统使M1前后移动，观察条纹变化的规律（和非定域干涉要求相同）。9、移动M1镜使M1镜与M2＇大致重合，调M2的微调螺丝，使M2＇与M1有一很小的夹角，视场中出现直线干涉条纹，干涉条纹的间距与夹角成反比，夹角太大，条纹变得很密，甚至观察不到干涉条纹，这时我们看到的就是定域干涉现象中的等厚条纹了。取条纹的间距为1mm左右，移动M1镜，观看干涉条纹从弯曲变直再变弯曲的过程。测量部分：10、调节出等倾干涉条纹后，从某一位置开始缓慢移动M1镜，改变d的大小，并对干涉条纹的变化进行计数，当N≥500时，停止移动记下干涉仪读数窗口的示值△d，则He －Ne激光的波长即为 ，按上述步骤重复三次，计算He－Ne激光的波长。 六、思考题：1、如果不用激光光源，从一开始就用钠光，试拟定调出等倾干涉条纹的主要步骤
为了解决有色宝石学中不断出现的新问题，波谱分析、微束等现代测试技术得以引入及应用。表1-5-1列出了电磁波谱在宝石学中的应用，各种不同的电磁波与物质相互作用产生各种谱学信息，这类仪器大多称为分光光度计(光谱仪)。
表1-5-1 电磁波谱在宝石现代测试中的应用
微束是指用电子束、离子束、激光束、质子束或其他粒子束来激发样品的微区，微束分析中，微束激发源(即入射光束)与样品作用产生各种信息，产生的信息主要有:特征X射线、连续X射线、二次电子、二次离子、背散射电子、俄歇电子、透射电子、吸收电子、阴极荧光等。将这些信息收集、分析处理、放大、转换成各种图像、图谱或强度数字，可进行成分、形貌和结构的直接观察和测定。
在有色宝石学研究中采用的微束和谱学现代测试技术方法主要有紫外—可见光分光光度计、红外光谱仪、X射线粉晶衍射仪、X射线荧光光谱分析仪、电子探针、扫描电镜、拉曼光谱和阴极发光等。
一、傅立叶变换红外光谱仪
1.基本原理
宝石在红外光的照射下，引起晶格(分子)、络阴离子团和配位基的振动能级发生跃迁并吸收相应的红外光而产生的光谱称为红外光谱(Infrared Spectra)。测量和记录红外吸收光谱的仪器称为红外分光光度计(或红外光谱仪)。它利用物质对红外光的选择性吸收，定性或定量分析有色宝石的组成或结构。
红外光谱是波长约为0.78～1000μm的电磁波，通常将整个红外光区分为以下3个部分:
1)远红外光区:波长为25～1000μm，波数为400～10cm-1。一般宝石分析不在此区范围内进行。
2)中红外光区:波长为2.5～25μm，波数为4000～400cm-1。该区的吸收带主要为基频吸收带，可分为两个区域，即基团频率区和指纹区。基团频率区(又称官能团区或特征频率区)分布在4000～1500cm-1区域内，出现的基团特征频率较稳定，可利用该区红外吸收特征峰鉴别宝石中可能存在的官能团。指纹区分布在1500～400cm-1区域，可以通过该区域的图谱来识别特定的分子结构。
3)近红外光区:波长为0.78～2.5μm，波数为12820～4000cm-1，该区的光谱可用于研究稀土和其他过渡金属离子的化合物，以及水、含氢原子团化合物的分析、检测O-H、N-H、C-H伸缩振动，可用于检测宝石充填的胶、蜡或有机染料。
2.仪器组成
在宝石测试和研究中，主要采用傅立叶变换红外光谱仪。如图1-5-1所示，在傅立叶变换红外光谱仪中，首先是把光源发出的光经迈克尔逊干涉仪变成干涉光，再让干涉光照射样品。经检测器(探测器—放大器—滤波器)获得干涉图，由计算机将干涉图进行傅立叶变换得到光谱。其特点是:扫描速度快，适合仪器联用不需要分光，信号强，灵敏度高。
图1-5-1 傅立叶变换红外光谱仪工作原理示意
3.测试方法
1)透射法:透射法包括粉末透射法、直接透射法两种。粉末透射法为有损检测方法，适用于宝石矿物原料，需按要求将样品粉末与溴化钾以1∶100～1∶200的比例混合，压制成一定直径或厚度的透明片，然后进行测定。直接透射法是将宝石直接置于样品台上进行测试。
2)反射法:红外反射光谱(镜、漫反射)在宝石鉴定与研究中具有重要意义。要求待测宝石样品至少有一个抛光良好的光面。对于半透明—不透明的玉石材料，如翡翠、软玉和绿松石，漫反射附件装置可提供令人满意的光谱。
4.应用
红外光谱一般以波数(cm-1)作横坐标，以透过率或吸收率为纵坐标。根据红外光谱的谱带数目、位置、形状及强度等进行分析。主要用途有:
①确定宝石品种②宝石中的羟基、水分子的检测③划分钻石类型④鉴别人工充填处理宝石，如翡翠A货和B货的区别。
二、紫外—可见分光光度计
紫外—可见吸收光谱是在电磁辐射作用下，由宝石中原子、离子或分子的价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁而产生的一种分子吸收光谱。具不同晶体结构的各种有色宝石，其内所含的致色杂质离子对不同波长的入射光具有不同程度的选择性吸收，根据样品吸收波长(波长范围)及吸收程度，对样品中组成成分进行定性或定量分析。按所吸收光的波长区域不同，分为紫外分光光度法和可见分光光度法，合称为紫外—可见分光光度法。
1.结构和工作原理
紫外—可见分光光度计类型很多，其工作原理见图1-5-2，宝石测试中常用的分光光度计如图1-5-3所示。光由单色器分光后经反射镜分解为强度相等的两束光，一束通过参比池，一束通过样品池。光度计能自动比较两束光的强度，此比值即为试样的透射比，经对数变换将它转换成吸光度并作为波长的函数记录下来。双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。由于两束光同时分别通过参比池和样品池，还能自动消除光源强度变化所引起的误差。
图1-5-2 紫外可见光分光光度计原理框图
图1-5-3 紫外可见光分光光度计
2.测试方法
用于宝石的测试方法可分为两类，即直接透射法和反射法。直接透射法是将宝石样品的光面或戒面直接置于样品台上，获取宝石的紫外可见吸收光谱，属无损测试方法，但从中获得的有关宝石的信息十分有限反射法是利用紫外—可见分光光度计的反射附件(如镜反射和积分球装置)，有助于解决直接透射法在测试过程中遇到的问题。
3.宝石学应用
1)检测人工优化处理宝石。
2)区分某些天然与合成宝石。
3)探讨宝石呈色机理。
三、X射线荧光光谱仪(X-Ray Fluorescence Spectrometry，XRF)
X射线是一种波长在0.001～10nm之间的电磁波。对已镶和未镶的宝石成品、原石、珠串以及宝石材料的粉末等，均可用X射线来进行检测。X射线荧光光谱分析与电子探针分析相似，但不同的是前者激发源使用X射线，后者使用电子束。
1.原理
X射线荧光的波长λ与元素的原子序数Z有关，随着元素的原子序数的增加，特征X射线有规律地向短波长方向移动。各种不同的元素都有本身的特征X射线荧光波长，只要测出荧光X射线的波长，就可知道元素的种类，这是荧光X射线定性分析的基础，荧光X射线的强度与相应元素的含量有一定的关系，这就是用X射线荧光光谱仪进行定量分析的依据。
2.仪器类型
(1)波长色散光谱仪
通过分光晶体对不同波长的X射线荧光进行衍射而达到分光的目的，然后用探测器探测不同波长处的X射线荧光强度。仪器由X射线发生器、晶体分光器、准直器、检测器、多道脉冲分析器、计算机等组成。
(2)能量色散X射线荧光光谱仪(EDXRF)
利用荧光X射线具有不同能量的特点，将其分开并检测，依靠半导体探测器来完成。仪器由X射线发生器、检测器、放大器、多道脉冲分析器、计算机组成。
X射线荧光能谱仪(EDXRF)对X射线的总检测效率比波谱高，在宝石学中应用最广泛。可同时测定样品中几乎所有的元素，分析速度快缺点是能量分辨率差，探测器必须在低温下保存，对轻元素检测有困难。
3.样品制备及测试适用性
样品要求表面抛光。X射线荧光光谱仪的适用性如下:①分析快速、准确、无损，适用于各种宝石②分析的元素范围广，从4Be至92U均可检测③荧光X射线谱线简单，相互干扰少，样品不必分离，分析方法比较简便④分析浓度范围较宽，从常量到微量均可检测，重元素检测限可达10-6量级，轻元素稍差。
4.应用
1)贵金属首饰成色检测。
2)鉴定宝石种属及亚种。
3)区分某些天然宝石和合成宝石。
4)鉴别某些人工优化处理的宝石。
5)判断宝石产地。
图1-5-4 新疆珊瑚化石的粉晶X射线衍射图C—方解石D—白云石
四、X射线粉末衍射(X-ray Diffraction，XRD)
用于测定晶体结构的X射线，波长为0.055～0.25nm，这个波长范围与晶体点阵面的间距大致相当。多晶衍射仪法是利用计数管和一套计数放大测量系统，把接收到的衍射光转换成一个大小与衍射光强成正比的讯号记录下来。多晶衍射所得的基本数据是“d-I”值(衍射面间距和衍射强度)，每一种晶体因结构不同，会有不同的衍射样式和衍射强度，都有一套特征的“d-I”数据，图1-5-4所示为新疆吐鲁番珊瑚化石的X射线衍射分析结果，横坐标衍射角为2θ，对应衍射角θ可求d值，纵坐标表示强度I。根据特征的“d-I”数据可以查手册或X射线衍射数据库，得到其物相主要为方解石，还有少量的文石。
X射线粉末衍射法可以不破坏样品，如翡翠，软玉、石英岩玉等做的戒面、耳环和小的挂件等都可用X射线衍射进行物相鉴定。对于大的玉雕或宝石则只能破坏样品，从原石碎块或雕件底部刮下极少量的样品，碾成粉末，然后进行快速的分析以鉴别晶质材料。
五、电子探针(Electron Micro-probe)
电子探针主要用于定量或定性地分析宝石矿物的微区成分、近表面的宝石包裹体的成分、观察宝石表面形貌及结构特征。
1.仪器组成和基本原理
电子探针一般由电子枪、电子透镜、样品室、信号检测、显示系统及真空系统等组成。电子枪用以发射具有一定能量的电子束轰击宝石样品待测微区，在样品表面产生特征X射线、二次电子、背散射电子等信息。通过测定特征X射线的波长，即可确定样品中所含元素的种类，将样品中所测得的某元素的特征X射线强度与标准样品中相同元素的特征X射线强度相比，从而得到该元素在样品中的实际含量。根据二次电子的强度还可作宝石样品的形貌分析。
2.样品制备及要求
宝石样品大小一般要求直径Φ≤25mm，高度H≤10mm。用于定量分析的宝石，样品表面要磨平和抛光，样品表面应具有良好的导电性，若不导电，应在样品表面镀碳膜(金属膜)。
3.分析仪器
电子探针根据收集特征X射线的仪器不同，分为波谱分析和能谱分析两种方法。能谱仪(EDS)中探测器可以接收到更多的X射线，因此检测效率较高。能谱仪的分辨率比波谱仪低，但测试速度快，仅需几分钟就可得到全谱定性分析结果，波谱仪(WDS)只能逐个测定每一元素的特征波长，一次全分析往往需要几个小时。波谱仪可以测量4Be—92U之间的所有元素，能谱仪一般只能分析原子序数在11以上的元素。
4.分析方法
①点分析，用于测定样品上某个指定点的化学成分②线分析，用于测定某种元素沿给定直线分布的情况③面分析，用于测定某种元素的面分布情况。
5.电子探针在宝石学中的应用
1)根据成分鉴定宝石的种类。
2)根据某些微量元素区分天然宝石与合成宝石。
3)根据成分变化特点区分某些优化处理的宝石。
4)研究宝石内部的包裹体成分。
5)根据背散射图像和二次电子图像分析宝石表面微形貌。
六、扫描电镜(Scanning Electronic Microscopy)
扫描电镜用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生的信息对样品表面或断口形貌进行观察和分析，也可结合能谱仪对样品化学成分进行分析。
1.基本原理
电子束在试样表面扫描，与样品相互作用产生二次电子像(SE)、背散射电子像(BE)，特征X射线等信号，这些信号分别被不同的接收器接收而成像。
2.样品制备
样品最大直径一般不超过15mm。如果单为观察形貌像，直径稍大一些(39mm)仍可以使用，但试样必须导电。若不导电，须在表面镀上一层厚约200Å碳或150Å的金。
3.SEM在宝石学上的应用
1)根据二次电子图像或背散射图像观察宝石的表面微形貌。
2)利用扫描电镜所带的能谱仪对宝石的化学成分进行测试。
七、拉曼光谱(Raman Spectrum)
不同物质的分子或不同矿物结构具有不同的拉曼光谱特征。通过分析宝石拉曼光谱的特征峰位、峰强、线型、线宽而达到鉴定识别宝石的目的。
1.基本原理
激光拉曼光谱是一种激光光子与宝石分子发生非弹性碰撞后，改变了原有入射频率的一种分子联合散射光谱，通常将这种非弹性碰撞的散射光光谱称为拉曼光谱。
拉曼散射中，当散射光的频率低于入射光的频率时，分子能量损失，这种类型的散射线称为斯托克斯线若散射光的频率高于入射光的频率，则分子能量增加，这类散射线称为反斯托克斯线。前者是分子吸收能量跃迁到较高能级，后者是分子放出能量跃迁到较低能级。
由于常温下分子通常都处在振动基态，所以拉曼散射中以斯托克斯线为主，反斯托克斯线的强度较低，一般很难观察到。斯托克斯线和反斯托克斯线统称为拉曼光谱。一般情况下，拉曼位移由宝石分子结构中的振动能级所决定，而与其辐射光源无关。
2.仪器结构
激光拉曼光谱仪的主要部件有:激光光源、样品室、分光系统、光电检测器、记录仪和计算机。如图1-5-5和图1-5-6所示。激光光源通常用514.5nm绿色激光。
图1-5-5 激光拉曼光谱仪结构框图
图1-5-6 激光拉曼光谱仪
3.仪器特点
1)测试精度高、灵敏，测量下限可达10-9g微区微量检测，可实现1～2μm微区测试。
2)无损检测，无需特别制样。
3)固相、气相、液相均适用，可定性-定量分析气液相成分，分析CO2、N2、CH4等挥发组分，也可测气液包体的盐度。
4)可测距离表面5mm下的宝石内部包裹体。
4.宝石学中的应用
1)鉴别宝石种:可直接利用拉曼光谱对宝石进行无损鉴定，根据拉曼标准图谱进行比对，确定宝石的种属，与相似宝石区别。
2)利用拉曼光谱对宝石的包裹体进行研究，有利于区别天然宝石和合成宝石、确定宝石产地并对宝石包裹体的成因类型进行研究。拉曼光谱具有分辨率和灵敏度较高且快速无损等优点，特别适用于宝石内部1μm大小的单个流体包体及各类固相矿物包体的鉴定与研究。若在两个物相交界处，则同时产生两个物相的拉曼散射光谱。
3)利用拉曼光谱分析测试技术可以鉴别某些人工优化处理的宝石。
4)区别天然宝石和合成宝石。
八、阴极发光仪(Cathode Luminescence，CL)
阴极发光是物体在从阴极射线管发出的具有较高能量的加速电子束激发下发出可见光的现象。不同宝石由于含有不同的激活剂元素，因而产生不同的阴极发光，其光波波长和强度与该宝石的成分、结构、微量杂质等有关。
1.仪器的组成和功能
仪器主要由高压发生器、真空系统、电子枪、样品室和显微镜组成。仪器各部分作用是:高压发生器产生0～16kV的负高压真空系统，产生和维持5～200Pa的中度真空电子枪发射电子束激发样品发光显微镜用于观察样品发光的显微特征。
2.宝石阴极发光的特征
宝石阴极发光的特征主要包括阴极发光的图案、颜色、亮度和阴极发光光谱等。阴极发光的图案主要研究宝石晶体生长的特点与过程、玉石的结构等阴极发光的颜色主要用来区别不同的发光体，如宝石中不同的生长区、充填物、致色剂等阴极发光的亮度区别发光中心的类型和密度阴极发光的光谱定量地描述宝石阴极发光的颜色和亮度。
3.阴极发光在宝石学中的应用
阴极发光技术是研究金刚石内部结构的重要手段之一。通过高能阴极射线激发金刚石中的杂质和晶格缺陷造成发光中心，从而产生不同的阴极发光图案。这些图案随金刚石生长扭曲、晶格缺陷和杂质的成分、分布情况等变化而变化，为区分天然金刚石与合成金刚石提供关键的证据，也可用于区分淡水珍珠和海水珍珠。阴极发光的样式可揭示淡水珍珠生长和组成的某些特点，研究表明，在阴极射线激发下，淡水养殖珍珠和处理珍珠发黄绿或绿色光，而各色海水养殖珍珠和处理珍珠不发光。市场上很多染色黑珍珠都是淡水珍珠，因此可利用阴极发光与塔希提黑珍珠区别。阴极发光特征可作为无损鉴别海水、淡水养殖珍珠以及处理养殖珍珠的主要依据之一。
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XPS 的样品一般是 10mm*10mm*5mm, 也可以更小些。厚度不能超过 5mm. XPS 分析室的真空度可以达到<10-9 Pa, 因此样品要干燥，不能释放气体。XPS的灵敏度很高，待测样品表面，绝对不能用手，手套接触，也不要清洗。
一
发展历史
XPS理论首先是由瑞典皇家科学院院士、乌普萨拉大学物理研究所所长 K·Siebahn 教授创立的。原名为化学分析电子能谱: ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)。
1954年研制成世界上第一台双聚焦磁场式光电子能谱仪。
XPS是一种对固体表面进行定性、定量分析和结构鉴定的实用性很强的表面分析方法。
现今世界上关于XPS的刊物主要有：Journal of Electron Spectroscopy. Related Phenomena.
企业包括：PHI公司，VG公司，Karatos 公司
发展方向：单色化，小面积，成像XPS
二
功能与特点
（1）定性分析--根据测得的光电子动能可以确定表面存在哪些元素，
a. 能够分析出了氢，氦以外的所有元素，灵敏度约0.1at%。 空间分辨率为 100um, X-RAY 的分析深度在 1.5nm 左右。
b. 相隔较远，相互干扰较少，元素定性的相邻元素的同种能级的谱线标识性强。
c. 能够观测化学位移，化学位移同原子氧化态、原子电荷和官能团有关。化学位移信息是利用XPS进行原子结构分析和化学键研究的基础。
（2）定量分析--根据具有某种能量的光电子的强度可知某种元素在表面的含量，误差约20%。既可测定元素的相对浓度，又可测定相同元素的不同氧化态的相对浓度。
（3）根据某元素光电子动能的位移可了解该元素所处的化学状态，有很强的化学状态分析功能。
（4）由于只有距离表面几个纳米范围的光电子可逸出表面，因此信息反映材料表面几个纳米厚度层的状态。
（5）结合离子溅射可以进行深度分析。
（6）对材料无破坏性。
（7）由于X射线不易聚焦, 照射面积大,不适于微区分析。
（8）是一种高灵敏超微量表面分析技术，样品分析的深度约为20Å，信号来自表面几个原子层，样品量可少至10的-8次方g，绝对灵敏度高达10的-18次方g。
三
原理
XPS的产生
当单色的X射线照射样品,具有一定能量的入射光子同样品原子相互作用：
（1）光致电离产生光电子；（2）电子从产生之处迁移到表面；（3）电子克服逸出功而发射。用能量分析器分析光电子的动能,得到的就是X射线光电子能谱。
这方面很多书上都介绍了，归根结底就是一个公式：
E(b)= hv-E(k)-W
E(b): 结合能（binding energy）
hv: 光子能量 （photo energy）
E(k): 电子的动能 （kinetic energy of the electron）
W: 仪器的功函数（spectrometer work function）
通过测量接收到的电子动能，就可以计算出元素的结合能。
铝靶：hv=1486.6 eV
镁靶：hv=1253.6 eV
XPS谱线中伴峰的来源：
振离(Shake-off): 多重电离过程（能量差为带有一个内层空穴离子基态的电离电位） A hν=(A2 )* 2e- 正常：Ek(2P)=hν-Eb(2P) 振离：Ek’(2P)=hν-[Eb(2P) Eb(3d)]
振激(Shake-up) :在X-ray作用下内层电子发生电离而使外层电子跃迁到激发的束缚态导至发射光电子的动能减少。（能量差为带有一个内层空穴离子基态的电离电位）
能量损失(Energy loss): 由于光电子在穿过样品表面时同原子（或分子）发生非弹性碰撞而引起的能量损失。
X射线伴线(X-ray statellites): X-ray不是单一的Ka，还有Ka1,2,3,4,5,6以及Kβ。(主要有Ka3,4构成)多重分裂(Multiplet splitting):一般发生在基态有未成对电子的原子中。
俄歇电子(Auger electron): 当原子内层电子光致电离而射出后，内层留下空穴，原子处于激发态，这种激发态离子要向低能态转化而发生弛豫，其方式可以通过辐射跃迁释放能量，波长在X射线区称为X射线荧光；或者通过非辐射跃迁使另一电子激发成自由电子，这种电子就称为俄歇电子。对其进行分析能得到样品原子种类方面的信息。
XPS谱图中伴峰的鉴别：
在XPS中化学位移比较小，一般只有几ev，要想对化学状态作出鉴定，首先要区分光电子峰和伴峰）
光电子峰：在XPS中最强（主峰）一般比较对称且半宽度最窄。
俄歇电子峰：Auger有两个特征：1. Auger与X-ray源无关，改变X-ray，Auger不变。2. Auger是以谱线群的形式出现的。
振激和振离峰：振离峰以平滑连续 谱的形式出现在光电子主峰低动能的 一边，连续谱的高动能端有一陡限。 振激峰也是出现在其低能端，比主峰 高几ev，并且一条光电子峰可能有几条振激伴线。
能量损失峰：其特点是随X-ray的波动而波动。
多重分裂峰：多重分裂峰的相对强度等于终态的统计权重。如：Mn2 离子具有5个未成对电子，从Mn2 内层发射一个s电子，其J值为（5/2 1/2）和 （5/2-1/2），其强度正比于（2J 1），即其分裂峰的相对强度为7 :5；
X-ray伴线产生的伴峰：X-ray的伴线能量比主线（Ka1,2）高，因此样品XPS中光电子伴峰总是位于主峰的低结合能一端（如下图所示），这也是X-ray伴线产生的伴峰不同于其 它伴峰的主要标志。
紫外光电子能谱分析（UPS—Ultra-violet photoelectron Spectroscopy）
XPS分析使用的光源阳极是Mg或Al，其能量分别是1487和1254eV。
(1)Mg/Al双阳极X射线源能量范围适中（Mg：1253.7，Al：1486.7eV）(2)X射线的能量范围窄（0.7和0.85 eV）能激发几乎所有的元素产生光电子；(3)靶材稳定，容易保存以及具有较高的寿命。
UPS的光源为氦放电灯，能量为21.2或40.8eV，其能量只能够激发出价带电子，因此主要用于价带分析。
深度剖面
分析用离子束溅射剥蚀表面,用X射线光电子谱进行分析,两者交替进行, 可以得到元素及其化学状态的深度分布。
四
制样
样品尺寸不宜过大，一般应不大于10x10x5mm；
样品表面应大体上平整；
样品最好能够导电；
表面应作脱脂处理，绝对避免用手触摸；
原始表面应尽可能尽快测试，避免长时间在空气中存放；
粉末样品可以压成块状，或撒布在胶带上；
也可以将粉末溶解在适当溶剂中做成溶液，涂在样品台上，再使溶剂挥发即成样品；
气体、液体样品多用冷却法令其凝固。
样品的预处理 ：（对固体样品）
1.溶剂清洗（萃取）或长时间抽真空除表面污染物。
2.氩离子刻蚀除表面污物。注意刻蚀可能会引起表面化学性质的变化（如氧化还原反应）。
3.擦磨、刮剥和研磨。对表理成分相同的样品可用SiC(600#)砂纸擦磨或小刀刮剥表面污层；对粉末样品可采用研磨的方法。
4.真空加热。对于能耐高温的样品，可采用高真空下加热的办法除去样品表面吸附物。
样品的安装：
一般是把粉末样品粘在双面胶带上或压入铟箔（或金属网）内，块状样品可直接夹在样品托上或用导电胶带粘在样品托上进行测定。
其它方法：
1.压片法：对疏松软散的样品可用此法。
2.溶解法：将样品溶解于易挥发的有机溶剂中，然后将其滴在样品托上让其晾干或吹干后再进行测量。
3.研压法：对不易溶于具有挥发性有机溶剂的样品，可将其少量研压在金箔上，使其成一薄层，再进行测量。
利用XPS谱图鉴定物质成分：
利用某元素原子中电子的特征结合能来鉴别物质
自旋-轨道偶合引起的能级分裂，谱线分裂成双线（强度比），特别对于微量元素。
利用俄歇化学位移标识谱图鉴定物质：如：Cu与CuO的化学位移为0.4eV，Ag与Ag2SO4化学位移为0.1eV而对它们来说俄歇化学位移相当大。
应用
由于元素的结合能是唯一标识的，因而我们可以用 xps 作：
（1）组成样品的元素的标定
（2）各元素含量的计算
（3）元素的侧向分布
（4）化学态标定
（5）测量超薄（小于5纳米）样品的厚度
XPS 实验结果如何分析
XPSpeak 软件,或者 origin
XPS 手册 C. D. Wagner, W. M. Riggs, L. E. Davis, et al., Handbook of X-ray photoelectron spectroscopy [M], (G. E. Muilenberg, editor) Perkin Elmer Corporation (Physical Electronics), 1979
网络数据库http://www.lasurface.com/database/elementxps.php
XPS谱图的解释步骤：
在XPS谱图中首先鉴别出C1s、O1s、C(KLL) 和O(KLL)的谱峰（通常比较明显）
鉴别各种伴线所引起的伴峰。
先确定最强或较强的光电子峰（或俄歇电子峰）
再鉴定弱的谱线。辨认p、d、f自旋双重线，核对所得结论。
XPS分峰
计算表面元素含量
用所有分峰面积加和做总面积，除以灵敏度因子，如一个元素如 Si 2p 有两个峰，把每一个人的峰面积相加，然后除以灵敏度因子。
计算元素相对含量
XPS和EDX的区别XPS 不光可以分析出何种元素，什么含量，还可以知道该元素是何种价态，比如金属表面，可以知道它是否被氧化，生成物是什么；而EDX只能知道何种元素，各元素含量。
XPS 一般采样深度为几个纳米，如果用角分辨XPS可以到十几个纳米，用深度剖析可以达到几百个纳米；一般EDX打入的深度只有零点几到几个微米。
深圳市华讯测试技术有限公司（以下称“华讯测试”）——是国内最大的材料计算服务商深圳华算科技有限公司全资子公司。
华讯测试，业务涉及化学化工、电子产品、新材料、新能源、半导体、钢铁、冶金、生物医药、环境、食品、化妆品等领域，拥有像同步辐射、冷冻电镜、球差电镜、原位表征测试、FIB、SEM、TEM、AFM、XRD、XRF、XPS、ICP、Raman、BET、TGA-DSC、NMR、FTIR、UV-vis-NIR、PPMS、VSM、VNA、UPS、PL等200余种测试解决方案，从形貌、成分、结构、物理化学、热学、力学、电学、光学、磁学等多角度和手段表征样品的性能，为企业研发和科研工作者提供精准的检测测试服务。
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