《激光光谱学》全套教学课件.pptx
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第一章引言,LaserSpectroscopy,光谱学激光激光简介腔模,原子的吸收和辐射光谱,光子简并度,目录,第一节光谱学,17世纪中叶,牛顿完成色散实验,开始了光谱学的发展,第一节,光谱学,19世纪初,夫琅和费用棱镜观察到太阳谱线,发展了经典光谱学(漫话光谱,科学出版社,无字天书)60年代初,激光出现,光谱分析的极限探测灵敏度,光谱分辨率,时,间分辨率,空间分辨率都提高了几,个数量级,光谱学对原子分子结构非常重要波长决定原子分子体系能级强度正比于跃迁几率,自然线宽决定激发态寿命多普勒线宽决定于原子分子速度分布,第一节光谱学,电磁波谱:
将电磁波按其频率或波长高低排列频率从低端的109Hz,到高端的1019Hz无线电波(射频波):
甚低频,低频,中频,高频和甚高频微波:
分米波,厘米波,毫米波,亚毫,米波,红外可见紫外,X射线射线,波段频率(Hz)波长,波数(cm-1),无线电波,109,300mm,0.033,微波,3001.0mm,0.03310,第一红节外光,10931011光3101谱141学014,10000.75um,101.3104,可见光,410147.51014,0.750.38um,1.31042.5104,紫外光,7.510141016,38030nm,2.51043.3105,X射线,10161019,30.00.03nm,3.31053.3108,射线,1019,0.03nm,3.3108,电磁波谱,第一节光谱学,电磁波谱,历史名称:
laser(lightamplificationbystimulatedemissionofradiation)思想:
爱因斯坦(1917年)实现:
1960年(梅曼:
红宝石激光器),2.1激光简介,第二节,激光,第二节激光,特点单色性光源发出的光强随着频率的分布曲线狭窄的程度。
方向性光束的指向性相干性,在同一量子状态内的光子是相干的。
瞬时性,脉冲宽度的可压缩性高亮度面光源在一定范围内辐射功率强弱的物理量应用激光存储、激光打印、激光制导、激光测距、激光通信、激光武器等等,第二节激光,种类固体(solid-statelasers)液体(liquidlasers)气体(UVandX-Raylasers)半导体(semiconductorlaser),原子(atomlaser),激光武器,第二节激光,激光产生的必要条件在光频条件下,寻找光子简并度(处于同一量子态或一个光波模式中平均分布的光子数目)=光子总数/模式数目1的条件,即激,光产生的必要条件.,提高光子简并度的条件:
一是解决如何实现原子在能级上布居数反转分布的问题,二是解决光学谐振腔的实现问题。
这就是激光产生的基本物理思想和必要条件,第二节激光,2.2光谱学的一些基础,1)腔模,模型:
边长为L的立方腔,温度为T,腔壁吸收和发射电磁辐射。
热平衡。
稳定辐射场E,这些波在腔壁上来回发射,稳,定的驻波。
这些驻波称为腔模。
第二,节激光,经典和量子图像,A.经典图像:
一维腔:
驻波,Lx=nx/2,nx=1,2,Lx是x方向腔的长度,即空间分布的差别用nx表示二维情况:
Lx=nx/2,nx=1,2,Ly=ny/2,ny=1,2,三维情况:
Lx=nx/2,nx=1,2,Ly=ny/2,ny=1,2,Lz=nz,/2,nz=1,2,xyz,这样(n,n,n),决定了电磁波的空间分布,确定了一个状,态.,说明:
1)每个腔模都有两个可能的偏振态。
2)有多少个频率的模?
2)在一定的频率间隔内,有多少模数?
单位体积内的模式数,每个腔模有二个可能的偏振态,体为的立方腔中,频率在间:
单位体积内状态数:
kz,kx,k,第二节激光ky单位体积,单位频率内模得个数:
B.量子图像,x,px,经典粒子:
(x,y,z);(Px,Py,Pz),出发点:
测不准关系同一相格中粒子处于同一状态,两个偏振态,故在vv+dv相空间体积的状态数:
三维运动情况PP+dP体积:
第二节激光,二节激光,光学谐振腔的模式(CavityModes):
谐振腔内可能存在的电磁场本征态称为腔的模式模密度:
单位体积单位频率间隔内的模式数,第激光的本质:
一个模里的光子数大于1,光子数,越多越好。
激光的模式:
激光的光场分布,分为纵模和横模。
C.纵模:
光场的纵向分布,它由振荡频率决定。
特点:
在腔的横截面内场是均匀分布的,沿腔的轴线方向形成驻波,驻波的波节数由q决定。
通常把由整数q所表征的腔内纵向的稳定场分布称为激光的纵模(或轴模),q称为纵模的序数(即驻波系统在腔的轴线上零场强度的数目)。
不同的纵模相应于不同的q值,对应不同的频率。
第二节,激光,例如:
对于腔长L=10cm的He-Ne气体激光器,设=1,频率间隔是多少?
注意:
光学谐振腔的谐振条件决定的谐振频率有无数个,但只有落在原子(或分子、离子)的荧光谱线宽度内,并满足阈值条件的,那些频率才能形成激光,因而纵模频率只是,只有一个纵模振荡的激光器称为单频(或单纵模)激光器可能出现多种频率的激光器,称为多频(或多纵模)激光器。
第有二限的节几个。
激光,求解,经典:
模型,求解量子图象腔模大小,激光的横模,实际上就是谐振腔所允许的,的)光场的各种横向分布。
D.横模:
除了纵向(Z轴方向)外,腔内电磁场在垂直于其传播方向的横向X-Y面内存在稳定的场分布不同的横模对应不同横向稳定的光场分布和频率,(也就是在腔内来激回反光射,能保持稳定不变,激光的模式一般用符号TEMmnq来标记,其中TEM表示横向电磁场,q为纵模的序数,即纵向驻波波节数一般为104107数量级,通常不写出来。
m,n(圆形镜,用p,l表示)为横模的序数,用正整数表示,它们描述镜面上场的节线数。
m=0,n=0,TEM00q称为基模(或横向单模),是,光斑的最简单结构,模的场集中在反射镜中心,,而其它的横模称为高阶横模,即在镜面上出现,场的节线(即振幅为零的位置)且场分布的重心也将靠近镜的边缘。
不同横模不但振荡频率不同,在垂直于其传播方向的横向X-Y面内的场分布也不同。
第二,节激光,E.激光模式的测量方式1.激光的纵模常用F-P扫描干涉仪来观测连续激光输出的模式结构,当然也能分析横模的存在2.横模:
在光路中放置一个光屏,即可观测激光的横模光斑形状,可粗略给以判断;或者利用拍照的方法等。
选模技术:
由于光学谐振腔的尺寸远大于光波,波长,因此决定了通常情况下腔内大量模式,(102108)同时振荡。
通常要求输出的激光有很好的单色性和相干性(单横模工作,单频工作)选模技术分两类。
一类用来限制振荡激光束的发散角或横向模式数;一类是用来限制振荡频率范围或纵向模式数。
第,二节激光,Planck:
用了模密度+统计力学,及概念性的突破:
量子hv光量子光子导出了普朗克定律,解释了黑体辐射1)能量量子:
q个量子,qhv,2)热平衡,Maxwell-Boltzmann分布决定了总能量,率为,其中Z为配分函数,为归一化因子:
n为总数目,2.3光子简并度,第在二各个节不同模式激间的光分配,能量为qhv的模几,每个模的平均能量,黑体辐射的能量密度(普朗克公式)其中,为模密度,表示每个模式所具有的平均光子数,即光源的光子简并度,第二章激光,光子的简并度:
处于同一量子态中光子数,也即处于相干体积内的光子数。
(包含在同一量子状态的光子是相干的,而不同量子状态的光子则是不相干的).,对应于波长为的光源,光子简并度等于单位时间,单位立体角内发出单位频宽的光子数目。
光源的光子简并度,从第微观上二反映出节光源的单色激亮度B光v。
普通光源:
=0.5m,T=3000K,He-Ne激光器,功率1mW,线宽10-11m,激光比普通光源的光子简并度高出十几个数量级。
即,激光器是在光源的单色亮度(即光子简并度)方面获得重大突破的新型光源。
2.4原子的吸收和辐射,激光是光与物质相互作用产生的,涉及原子受激吸收,受激发射和自发发射。
第二节激光,受激吸收,每一次吸收,电磁波一个模中的光子数减1,入射光谱的能量密度,是分子每秒吸收一个光子的几率,B12是爱因斯坦受激吸收系数。
受激发射,入射hv,激发下,发射一个能量hv。
B21为爱因斯坦受激辐射系数(Einsteincoefficientofinducedemission).,一个分子每秒自发辐射一个光子的几率为:
A21被称为爱因斯坦自发辐射系数(Einsteincoefficientofspontaneousemission),通常也叫自发跃迁几率。
(spontaneoustransitionprobability),所有不同的模中增加自发辐射光子的几率相同,取决于分子原子结构和所选择的跃迁。
自发发射,爱因斯坦系数间的关系,设空腔单位体积内的分子总数为N,分布在粒子数密度为Ni的各个能级Ei上,有,热平衡是粒子数分布为Boltzmann分布,其中gi是能态Ei的统计权重,给出能级Ei的能级简并度,配分函数Z是归一因子。
稳定情况下,忽略驰豫过程,每单位体积内吸收的光子数总吸收速率必等于总发射速率代入Boltzmann分布中有,与热辐射的Plank公式比较得到,意义,爱因,斯坦系数间的关系,第3节,光谱,光谱:
辐射源辐射能量的频率分布,通过光谱仪器分光后,不同频率单色光入射狭缝像(光谱线)的集合,线光谱:
由许多分立的谱线组成.原子在束缚态之间的跃迁产生分立的光谱.连续谱:
谱线无分离而连续过度的光谱分布.热辐射产生的谱.原子或者分子在辐射激发下,若高能级超过了电离能或者有离解能.,连续光谱,线光谱,第3节,光谱,带状谱:
介于线光谱和连续谱之间的一类谱结构。
分子光谱.,电子能量(1-20eV),:
可见光,和紫外光谱区,振动能量(0,1,2.)(0.05-1eV),一般在红外光谱区,转动能量(J=0,1,2.)(0.05eV):
远红外,可到微波区,分子光谱-若干谱带系(不同的电子能级跃迁相对应)若干谱带(不同电子能级上的各振动能级间跃迁)-若干谱线(不同电子振动能级的各转动能级间跃迁),第3节,光谱,Summarize,光谱学激光激光简介腔模光子简并度原子的吸收和辐射光谱,电偶极子的自发辐射受迫振动吸收与色散,Kramers-Kronig关系吸收的饱和线性和非线性吸收,(Lorentz理论),经典原子模型:
原子经典模型涉及的概念和数学方法简单.提供的物理图象对于光与原子相互作用的许多方面的理解很有帮助.计算的结果与量子力学处理的结果经常相同.,电磁波在通过折射率为n的介质时,不仅电磁波的振幅减小(吸收),而且相速度也从真空中的c值减小为c/n(w)(色散)。
经典模型原子中电子,阻尼谐振子+E(w),受迫振动,给出吸收和色散之间的关系图像(Kramers-Kronig关系)宏观折射率与微观起源(原子或分子的电子电荷分布及其对电磁波的响应),电子,原子核线度在,在能量最低状态,电子与核在空间位置重合。
原子被激发后,一个(或者多个)电子偏离平衡位置,以特征频率i做谐振动(i对应于原子实际发光频率,发射的光波长)谐振子振动的恢复力是理论假设,不是原子内部的静电作用。
成功之处:
解释了光的吸收以及反常色散。
引入了辐射阻尼。
不成功之处:
不能解释原子的线状光谱。
不能解释受激辐射的相位。
解释自发辐射是错误的。
本章重点在于用电动力学推出一些在量子理论中仍然有效的近似公式和概念,并给出其局限性.,2.1偶极子模型:
一个中性的原子或者分子有带有正负电荷的粒子组成。
在一定的条件下,它可以形成电偶极矩。
电偶极矩在作简谐振动时将发射电磁波。
设偶极子沿z方向。
(推导),z,它将辐射线偏振的场,平均辐射功率为:
原子或者分子还能发射圆偏振电磁波。
设偶极子位于XY平面上,,yx,偶极子在自发辐射时,能量将不断被消耗掉,所以振动的振幅将不断变小。
有电动力学的分析知道,
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