第六章无多普勒展宽光谱技术

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能级上的分子数为:
Ni
uz
duz
Ni
up
euz
/ up
2
duz
Biblioteka Baidu
Ni Ni uz duz
up=(2kBT/m)1/2为在绝对温度T下原子的最可几速度,m 为原子质量,KB为玻耳兹曼常数
第一节 饱和吸收光谱技术
可解得:
N 1uz
1
N 1 0uz S
emz 2/u2kBT
0kuz2/22
式中S=B12/R为受激吸收率与驰豫率之比,饱和参数
括号内的表达式表示谱线中心有一个小的兰姆凹陷
第一节 饱和吸收光谱技术
兰姆凹陷位于吸收曲线 () 上=0处,是两束 激光对同一群分子共同作 用引起吸收饱和的结果, 兰姆凹陷为洛仑兹线型, 半宽度为s,在=0处, S()降低为S()(1-S0), 而在离中心较远处则降低 为S()(1-S0/2)。当- 0> 时,两束光对不同 群分子起饱和作用,就 跑出了凹陷区
宽度为01S1/2
0为自然线宽, N2(uz)上 有一对应的凸峰
第一节 饱和吸收光谱技术
饱和吸收无多普勒光谱是通过测量布居数速度分布曲线 上的贝纳特孔来实现的 考察原子吸收截面:
1 2 / c B 1 g 2 0 k u z
吸收系数12与吸收截面12的关系为:
12 12 N N N 1N 2g 1/g2
E 0co tskz
第一节 饱和吸收光谱技术
从反射镜反射回的探测光强度近似与入射光相等,即
E 0co t+ skz
两束光在速度分布曲线N(uz)上烧出两个贝纳特孔, u z 0 / k , u z 0 / k
调谐入射光的频率,使接近布居数速度分布曲线的中 心频率0,于是两孔将在uz=0处合并,其物理含义是两束 光波与uz=0的同一群原子相互作用.其结果是饱和参数S 增大了一倍,光对N(uz=0)的消耗也将大于uz 0的消耗 .于是,在吸收曲线()上出现一个吸收系数减小的凹 陷区。
第一节 饱和吸收光谱技术
这个凹陷与非均匀介质激光器的功率曲线上的凹陷一样, 称为兰姆凹陷,显然兰姆凹陷不受多普勒效应的影响,常 称之无多普勒(Doppler-free)凹陷,经过计算可得吸收系 数的表达式为
s0 1S 2 0 1 0 s2/ 22s/22
式中 0 A 0 e N l x 2 n p 0 2 / D 2 ,是多普勒线型
第六章 无多普勒展宽光谱技术
光谱线展宽:自然线宽、碰撞展宽与多普勒展宽等展宽 机制,
原子间的相互作用产生的谱线展宽,即碰撞展宽,可以 通过测量低压气体的谱线来弥补
分子运动的多普勒效应带来的谱线展宽测要采用一些新 的、特殊的光谱技术来解决-无多普勒展宽光谱技 术.第四章中讨论过的外场扫描光谱技术是一种无多 普勒展宽的光谱技术
第一节 饱和吸收光谱技术
二、实验技术 2、腔外饱和吸收光谱技术 激光线宽应小于样品的多普勒宽度,在可见光谱区,激 光线宽应在MHz以下;调制的泵浦光束引起分子布居数 变化,探测光在被样品 吸收时也感受了调制的 作用.当激光频率接近 被测谱线时,由于 泵浦光的饱和 作用,
第一节 饱和吸收光谱技术
吸收系数将发生变化,因此当调谐入射光束频率扫过被 测跃迁频率时,光电检测器便测量出穿过样品池后调制 的探测光强的变化,经锁相放大器处理,输出无多普勒 展宽的信号
第六章 无多普勒展宽光谱技术
第六章 无多普勒展宽光谱技术
人们关于原子、分子与物质结构的许多知识是从光谱学的 研究中获得的
光谱学技术要求:高灵敏度、高光谱分辨率.
在可见与紫外光谱区,分子有很稠密的电子光谱.谱线之 间的间隔远小于展宽机制所给出的最小间隔,用常规 的光谱方法测量时,测到的是一片准连续的谱带.因 此.反映原子、分子与物质结构更精细结构的信息被 各种光谱展宽机制掩盖起来
第一节 饱和吸收光谱技术
二、实验技术 1、腔内饱和吸收光谱技术 将分子吸收池放进激光共振腔内,并调谐激光频率.腔 内的驻波激光场就是使分子饱和吸收的两束相反方向的 光场.对激光腔,吸收体是腔的附加损耗,它使激光输 出功率减小.根据上述的饱和吸收原理,当激光频率调 谐到吸收线的中心时,样品的吸收系数减小,激光器的 输出突然增加,因此,这种测量方法非常灵敏. 腔内吸收技术要求被研究的分子的吸收谱线在激光振荡 的调谐范围内,因此能用这种方法进行研究的样品不 多,尽管这种方法简单,灵敏度很高,但它的应用范围 受到了限制
当 D多普勒 时线 可得宽 = 01 + S 1/2
多普勒线型下降了一个因子 1+S ,并且与频率无关
第一节 饱和吸收光谱技术
在多普勒线型内处处都下降了一个因子,这说明如果用 一束可调谐激光,使其扫过原子的吸收区,则发现不了 有贝纳恃孔存在.
可采用两束激光.通常将一束波称为泵浦光,另一束 为探测光.对稀薄气体介质,可以通过一个简单方法 来获得这两束激光,即在样品池的一端放置一反射 镜,将入射进样品池的光作为泵浦光,通过样品池后 从反射镜反射回的称为探测光 设泵浦光为:
N 2 u z 1
N 1 0 u z
S
0 k S u z2/2 2 e m z 2 /2 u k B T
0 k u z2 /2 2
第一节 饱和吸收光谱技术
在频率为的单色光作 用下,在N1(uz)的分布 曲线上,有一个以
0/k
中心的“烧孔”-贝 纳
特(Bennet)孔,孔的半
g 0 ku 0 k /2 u 2 2/4
能级1上的粒子数变化为:
d d 1 N t N 1 B 12 g 0 k u z R N 1 0 N 1
第一节 饱和吸收光谱技术
对于稳态情况,可解得:
N 1u z1B 1 2g N 1 0 0 u z ku z/R
对于气体,热平衡时,速度分量在uz-uz+duz间的第i
第一节 饱和吸收光谱技术
一、兰姆凹陷与饱和吸收 由于辐射衰减,一个静止、孤立的受激原子的辐射线 型为:
g /2 022/4
一个以速度u运动的原子,相对于实验室坐标系发射的
中心频率为0的辐射存在多普勒频移:
/ 0
0ku
则有
g
/2
0ku22/4
第一节 饱和吸收光谱技术
考虑一入射光束与处于热运动的N个二能级原子间的 相互作用,设频率为的单色光沿z方向通过样品池, 原子吸收入射光后从基态1跃迁到激发态2:
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