第四章激光光谱学中的光源
《激光光谱学》课件
光电子学
激光光谱学在光电子学中广泛应用于激光器、太阳 能电池和光纤传感等技术。
总结与展望
激光光谱学是一门强大的科学工具，在各个领域中发挥着重要作用。随着技术的不断进步，我们对光谱学的理 解和应用将会不断深化。
通过激光光谱分析，我们可以准确检测物质的组成和浓度，应用于环境监测和化学分析等领 域。
信息传输
激光被广泛用于光纤通信，带来高速、稳定的数据传输。
激光光谱的原理与技术
1
激光共振拉曼光谱
2
ห้องสมุดไป่ตู้
激光共振拉曼光谱分析技术可以检测分
子的振动模式，用于反应动力学和材料
表征研究。
3
激光诱导荧光光谱
通过激光光谱技术，可以观察分子的发 光行为，用于药物研究和生物成像等应 用。
激光吸收光谱
激光吸收光谱通过测量物质吸收激光的 能量变化，用于化学反应研究和气体检 测等领域。
激光光谱在科学研究中的应用
分析化学
激光光谱学在分析化学中用于定量分析、物质鉴别 和纯度检验。
生物学与医学
激光光谱学在生物学和医学领域中有广泛应用，如 激光手术和细胞成像。
激光光谱在工业应用中的应用
材料科学
《激光光谱学》PPT课件
探索激光光谱学的奥秘，了解其基础概念，以及在科学研究和工业应用中的 重要性。
光谱学的定义
光谱学是研究光的性质和相互作用的科学领域。通过对光的分析，我们可以 深入了解不同物质的特性和结构。
激光的特性及应用
高度聚焦
激光光束具有高度聚焦的特性，可用于精确操作和微创治疗。
激发光谱分析
激光光散射谱学
激光光散射谱学
激光光散射谱学（Laser Light Scattering Spectroscopy）是一种用于研究物质的结构和性质的分析技术。
它利用激光光源与样品相互作用产生的散射光来获取有关样品的信息。
在激光光散射谱学中，激光光束照射到样品上，并与样品中的分子或粒子发生散射作用。
根据散射光的特性，可以获得有关样品的结构、粒径、分布以及运动状态等信息。
激光光散射谱学常用的两种技术是动态光散射（Dynamic Light Scattering，DLS）和静态光散射（Static Light Scattering，SLS）。
动态光散射通过测量散射光的强度变化来获取样品中微小颗粒的尺寸和扩散系数。
该技术适用于纳米颗粒、蛋白质、聚合物等溶液中微观粒子的尺寸分析。
静态光散射则通过测量散射光的强度来获得样品中大颗粒的粒径和分布信息。
这种技术适用于粒子团簇、胶体颗粒等较大尺寸的样品。
激光光散射谱学在物理、化学、生物学等领域具有广泛应用。
它可以用于研究纳米材料、胶体分散体、蛋白质聚集状态、聚合物溶液的分子量和分子量分布等。
此外，激光光散射谱学还被应用于药物研发、生物医学工程、环境监测等领域，为科学研究和工业生产提供了重要的分析手段。
1。
第四章激光的基本技术
第4章激光的基本技术激光器发明以来各种新型激光器一直是研究的重点。
为将激光器发出的高亮度、高相干性、方向性好的辐射转化为可供实用的光能，激光技术也得到了极大的发展。
这些技术可以改变激光辐射的特性，以满足各种实际应用的需要。
其中有的技术直接对激光器谐振腔的输出特性产生作用，如选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等；有的则独立应用于谐振腔外，如光束变换技术、调制技术和偏转技术等。
在使用激光作为光源时，这些技术必不可少，至少要使用其中一项，常常是诸项并用。
本章讨论激光工程中一些主要的单元技术。
因为激光技术涉及的内容十分广泛，这里只给出基本概念和基本方法。
4.1激光器输出的选模激光器输出的选模技术就是激光器选频技术。
前几章中已经讨论过激光谐振腔的谐振频率。
大多数激光器为了得到较大的输出能量使用较长的激光谐振腔，这就使得激光器的输出TEM模)与高阶模相比，具有亮度高、发散角小、径向光强分布是多模的。
然而，基横模(00均匀、振荡频率单一等特点，具有最佳的时间和空间相干性。
因此，单一基横模运转的激光器是一种理想的相干光源，对于激光干涉计量、激光测距、激光加工、光谱分析、全息摄影和激光在信息技术中的应用等都十分重要。
为了满足这些使用要求，必须采用种种限制激光振荡模的措施，抑制多模激光器中大多数谐振频率的工作，利用所谓模式选择技术，获得单模单频激光输出。
激光器输出的选模（选频）技术分为两个部分，一部分是对于激光纵模的选取，另一部分是对激光横模的选取。
前者对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性，常常也叫做激光的选频技术；而后者主要影响激光输出的光强均匀性，提高激光的亮度，一般称为选模技术。
4.1.1 激光单纵模的选取1．均匀增宽型谱线的纵模竞争前面已经指出，对于均匀增宽型的介质来说，每个发光粒子对形成整个光谱线型都有相同的贡献。
当强度很大的光通过均匀增宽型增益介质时，由于受激辐射，使粒子数密度反转分布值下降，于是光增益系数也相应下降，但是光谱的线型并不会改变。
光谱激发光源
光谱激发光源
光谱激发光源是用于原子发射光谱分析、原子吸收光谱分析、荧光光谱分析等光谱学领域的一种关键设备。
它的作用是提供足够的能量以激发样品中的原子或分子，使其从基态跃迁到激发态。
当这些原子或分子返回到基态时，会发射出特定波长的光，这些光线的强度和波长与样品中的元素种类和浓度有关，通过分析这些光谱信息，可以实现对样品的定性和定量分析。
光谱激发光源的种类繁多，包括但不限于以下几种：
1. 火焰光源：如酒精灯、煤气灯等，适用于火焰原子发射光谱分析。
2. 电弧光源：如直流电弧、交流电弧等，适用于电弧原子发射光谱分析。
3. 火花光源：如电火花、火花塞等，适用于火花原子发射光谱分析。
4. 等离子体光源：如电感耦合等离子体（ICP）、射频等离子体（RFP）、微波等离子体（MIP）等，适用于等离子体原子发射光谱分析。
5. 辉光放电光源：如辉光放电管等，适用于辉光放电光谱分析。
6. 激光光源：如固体激光器、气体激光器等，适用于激光光谱分析，包括激光原子吸收光谱和激光荧光光谱。
7. LED光源：用于荧光显微镜、荧光光谱分析等，具有单色性好、稳定性高、寿命长等特点。
光谱激发光源的选择取决于光谱分析的类型、所需的分析性能以及样品的特性。
每种光源都有其特定的优点和应用范围，因此在实际应用中，需要根据具体的需求来选择合适的光源。
分子光谱学实验中的光源选择与调节技巧
分子光谱学实验中的光源选择与调节技巧分子光谱学实验是化学和物理学领域中的重要研究手段，它通过研究物质吸收、发射光的特性，来了解分子结构和化学反应机理。
在这些实验中，光源选择和调节技巧是非常关键的。
本文将讨论分子光谱学实验中的光源选择和调节技巧，并提供一些实用的建议。
一、光源选择在分子光谱学实验中，光源的选择是非常重要的。
不同的光源有着不同的特点和应用范围。
常见的光源包括连续光源、激光光源和X射线光源等。
1. 连续光源连续光源是指能连续发射一定波长范围内的光线的光源，如白炽灯、钨丝灯等。
这类光源通常具有较宽的光谱范围，适用于对光谱的整体特性进行研究。
在分子光谱学实验中，连续光源常用于吸收光谱和荧光光谱实验。
2. 激光光源激光光源是指通过激发物质产生高度聚集和单色性极高的激光光束的光源。
激光的单色性和方向性非常好，适用于高分辨率的光谱研究和激发态的研究。
在分子光谱学实验中，激光光源常用于拉曼光谱、原子吸收光谱等的研究。
3. X射线光源X射线光源是利用X射线产生装置产生的一种特殊光源。
X射线具有很高的穿透力，适用于对物质内部结构进行研究。
在分子光谱学实验中，X射线光源主要用于X射线衍射、X射线光电子能谱等的研究。
二、调节技巧光源的调节是为了获取合适的光谱信号，提高实验的准确性和可靠性。
下面将介绍一些常见的光源调节技巧。
1. 光强调节光强的调节是指调整光源的强度以适应实验的需要。
一般来说，光谱实验中需要保证光线的稳定性和一定的强度范围。
可以通过调整光源的电流和电压来实现光强的调节。
初始实验中，可以尝试不同的电流和电压组合，选择适合实验需求的光强。
2. 光谱范围选择不同的实验需要不同波长范围的光源。
在实验中，可以通过选择不同的滤光片或调整反射镜的角度来实现波长范围的选择。
此外，还可以利用干涉滤波器等光学元件来实现具有特定波长范围的光源。
3. 光线均匀性调节在分子光谱学实验中，均匀的光线分布对于获得准确的实验结果非常重要。
Raman(拉曼)光谱
光栅，多单色器； 检测器：
光电倍增管， 光子计数器；
傅立叶变换-拉曼光谱仪
FT-Raman spectroscopy 光源：Nd-YAG钇铝石榴石激光器（1.064m）； 检测器：高灵敏度的铟镓砷探头； 特点： （1）避免了荧光干扰； （2）精度高； （3）消除了瑞利谱线； （4）测量速度快。
的谱带称为退偏振谱带，表示分子对称振
动模式较低。
三、 仪器结构与原理
高压电源
凹面镜 样品
单色仪
光电倍增管
驱动电路
光子计数器
激 光 器
计算机
显示器
仪器组成
激光拉曼光谱仪的基本组成有激光光源，样品 室，单色器，检测记录系统和计算机五大部分。
拉曼光谱仪中最常用的是He~Ne气体激光器。
其输出激光波长为6328埃，功率在100mW以下。
拉曼散射效应的进展：
拉曼散射效应是印度物理学家拉曼（C.V.Raman）于1928年首次发 现的，本人也因此荣获1930年的诺贝尔物理学奖。
1928~1940年，受到广泛的重视，曾是研究分子结构的主要手段。 这是因为可见光分光技术和照相感光技术已经发展起来的缘故；
1940~1960年，拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太 弱（约为入射光强的10-6），并要求被测样品的体积必须足够大、无 色、无尘埃、无荧光等等。所以到40年代中期，红外技术的进步和商 品化更使拉曼光谱的应用一度衰落；
红外光谱与Raman光谱比较
③ 两者间的联系
可用经验规则来判断分子的红外或拉曼活性： a 相互排斥规则：凡有对称中心的分子，若有拉
曼活性，则红外是非活性的；若红外活性，则 拉曼非活性。 b 相互允许规则：凡无对称中心的分子，大多数 的分子，红外和拉曼都活性。 c 相互禁止规则：少数分子的振动，既非拉曼活性， 又非红外活性。
激光光谱学
第一张基本概念：1.能级寿命是指自发辐射能级寿命，能级寿命与自发辐射系数互为倒数关系。
2.自发辐射与受激辐射的区别：(1)受激跃迁与自发辐射，前者与外场揉(谬)有关，而后者则只取决于原子、分子系统本身，与外场揉(谬)无关。
理论和实验证明受激辐射光子与入射光子具有四同（同频率、同位相、同波矢、同偏振），即受激辐射光子与入射光子属于同一光子态（光波模式），受激辐射光是相干光，而自发辐射是非相干的随机过程。
(3)自发辐射系数A21与受激跃迁系数的关系：在热平衡条件下，能级E1、E2的粒子数N1、N2应保持平衡，则有: 3. 光子简并度n 为受激辐射几率与自发辐射几率之比，前者产生相干光子，后者产生非相干光子。
4. 激光器的三要素：（1）工作物质(气体、固体、液体、半导体等);(2）泵浦源：二者可实现粒子数反转，实现光放大。
（3）激光谐振腔 ---实现选模和光学正反馈。
5.线宽：分布函数半最大值所对应的频率宽度叫线宽—半最大值全宽，线宽内部分叫谱线的核,外部部分叫翼。
6.光谱学中常见的谱线展宽有：自然展宽、碰撞展宽、 Doppler 展宽。
自然加宽：由于自发辐射的存在，导致处于激发态的粒子具有一定的寿命，使得所发射的光谱具有一定的线宽称为自然加宽。
7.碰撞又分为弹性碰撞和非弹性碰撞：弹性碰撞，碰撞对之间没有通过无辐射跃迁所进行的内能交换时，称为弹性碰撞。
非弹性碰撞，碰撞对A 、B 在碰撞期间，A 的内能完全的或部分的转移给了B(或成为B 的内能或转变为A 、B 的平动动能)，有内能变化，称为非弹性碰撞，也叫淬灭碰撞。
小距离弹性碰撞主要引起谱线加宽，而大距离弹性碰撞主要引起频移。
8.Doppler 加宽：由于气体原子、分子的热运动而具有一定的速度分布，一定速度的粒子相对于探测器来讲，都会产生Doppler 频移，这样具有一定速度的粒子只对谱线的某一频率范围有贡献，总体效果使得谱线加宽，Doppler 加宽的谱线线型为高斯线型。
第四章拉曼光谱.pdf
拉曼散射效应是以此现象的发现者——印度物 理学家C.V.Raman（拉曼，1888-1970，1930年获诺 贝尔物理学奖）的名字命名的。拉曼于1928年首先 在液体中观察到这种现象，并记录了散射光谱。
4.1 方法原理
当单色光的光子与作为散射中心的分子相互 作用时，大部分光子只是改变方向发生散射，散 射光的频率仍与入射光的频率相同，这种散射称 为瑞利散射；但约占总散射光强度的10-7左右的散 射，不仅改变了光的传播方向，而且散射光的频 率也改变了，不同于入射光的频率，称为拉曼散 射。产生拉曼散射的原因是光子与分子之间发生 了能量交换。见图所示：
对于斯托克斯拉曼散射来说。分子由处于振动
基 态 E0 被 激 发 至 激 发 态 E1 ， 分 子 得 到 的 能 量 为 ΔE，恰好等于光子失去的能量：
ΔE＝E1－E0＝hΔν 与之相对应的光子频率改变Δν为
Δν＝ΔE/h
式中h为普朗克常数。此时，Stokes散射的频率为
νs： νs＝ν0－ΔE/h，Δν＝ν0－νs 斯 托 克 斯 散 射 光 的 频 率 低 于 入 射 光 频 率 ν0 。
在散射光谱中，瑞利线最易观察，其频率等于
入射光频率ν0，其强度大，表现为十分尖锐的瑞利
峰。另外，在瑞利峰的两侧还能看到强度比瑞利线低
很多的频宽分别为ν0±Δν的散射线，瑞利峰与散 射线（拉曼线）的频率之差Δν叫拉曼位移，是散射
物质的特征量，可用于物质的定性测定。拉曼线在瑞
利线两侧成对出现，在瑞利峰低频侧的拉曼线叫斯托 克斯（Stokes）线；在瑞利峰高频侧的拉曼线叫反斯 托克斯（Anti-Stokes）线。因反斯托克斯线的强度比
激光光谱学PPT课件PPT课件PPT学习教案
会计学
1
激光光谱学参考书： 《激光光谱学原理和方法》黄世华 编著 其它参考书目： 1．《激光光谱学的基础和技术》W. Demtroder（戴姆特瑞德）著；黄潮 译 Chap. 1－3。 2．《光的量子理论》R. Loudon 著；于良 等译 Chap. 1，3，8，9。 3.《近代量子光学导论》彭金生 李高翔 著 Part. I Chap. 1，2；Part. II, Chap.1 4．《量子力学》 曾谨言 编著 Chap. 11，量子跃迁 5．《光学》 赵凯华 钟锡华 著 Chap. 2，4，5，8，9 6．《超短脉冲激光器原理及应用》 J. 赫尔曼；B. 威廉 著 Chap.1－4，8，9 7.《激光物理学》 邹英华 编著 Chap. 1，4，6－10 8．《 Laser and Electro-Optics 》Christophor C. Davis Chap. 1，2，6，23， 9.《概率论与数理统计》 10.《电动力学》 曹昌淇 著 11.《Electricity and Magnetism》Berkeley Physics Course Vol.2, E. M. Purcell Chapter. 6，7，9，10。
Wif
2π
|
f
| H | i |2 δ
(E f
Ei )
第14页/共74页
根据d 函数的性质，上式也可以写为：
Wif
2π 2
|
f
| H | i |2δ
(ω
ω fi )； δ (ω ) 1δ (ω )
式中设微扰是由能量的光子引起的， fi = (Ef - Ei)/
(1) 吸收：i fi f , 吸收引起终态 f 布居N f 变化
第四章 光谱分析法导论
22:51
1
第四章 光谱分析法导论
Basic of Spectrometry analysis
光学分析法是根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射 与物质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。
这些电磁辐射包括从射线到无线电波的所有电磁波谱 范围，而不只局限于光学光谱区。电磁辐射与物质相互 作用的方式有发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、 衍射、偏振等。
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9
辐射的速度、频率和波长之间的关系
c =λ
注意： 辐射的频率只决定于辐射源，与介质无关 。 在真空中，辐射的传播速度与频率无关， 且有它们的最大值。
c 3×1010 cm·s-1
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10
波数的定义
有时用波数来描述电磁辐射，波数的定 义是每厘米内该波的振动次数。
=104/λ(μm)=107/λ(nm)
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40
2.光栅 光栅由玻璃片或金属片制成，其上准确地 刻有大量宽度和距离都相等的平行线条（刻 痕），可近似地将它看成一系列等宽度和等 距离的透光狭缝。
光栅光谱的产生是多狭缝干涉和单狭缝衍 射两者联合作用的结果。
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41
22:51
42
右图为平面反射 光栅的一段垂直于刻线 的截面。
它的色散作用可用光 栅公式表示
核磁共振波谱法 质谱法
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4
非光谱法是基于辐射能与物质相互作用时， 不包含物质能级之间的跃迁，电磁辐射只改 变了传播方向或某些物理性质，如折射、偏 振等。
X射线衍射、透射电镜、扫描电镜等。
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5
第一节 电磁辐射的波动性
电磁辐射在传播时表现出波的性质，如反射、 折射、衍射、干涉和散射等。
激光光源光谱
激光光源光谱
激光光源的光谱主要由几个特征组成：
1. 单色性：激光光源具有很高的单色性，即其发出的光线大部分都集中在一个非常窄的波长范围内。
这是因为激光光源所采用的激发机制，如气体激光、固体激光或半导体激光等，都具有特定的能级结构，导致只有特定波长的光线被放大。
2. 光强：激光光源的光强通常非常高，远远超过传统光源，这是因为激光光源通过光的放大过程产生的光线具有很高的能量密度。
3. 窄带宽：激光光源的光谱带宽通常很窄，一般在几纳米至几百皮米的范围内。
这使得激光光源可以提供非常精确的光束，用于精密测量、医学成像、激光加工等应用。
4. 高相干性：激光光源的光线具有高度的相干性，即光的波动具有特定的相位关系。
这使得激光光源可以产生干涉、衍射等现象，用于干涉测量、光学显微镜等应用。
总之，激光光源的光谱特性具有单色性、光强高、窄带宽和高相干性等特点，使得其在各种应用领域具有广泛的应用价值。
激光共焦显微拉曼光谱分析
第五篇 光谱分析第四章 拉曼光谱分析——激光显微共焦拉曼光谱仪拉曼散射是印度科学家Raman 在1928年发现的，拉曼光谱因之得名。
光和媒质分子相互作用时引起每个分子作受迫振动从而产生散射光，散射光的频率一般和入射光的频率相同，这种散射称为瑞利散射，由英国物理学家瑞利于1899年进行了研究。
但当拉曼在他的实验室里用一个大透镜将太阳光聚焦到一瓶苯的溶液中，经色散分光过滤后的太阳光呈蓝色，但是当光束进入溶液之后，除了入射的蓝光之外，拉曼还观察到了很微弱的绿光。
拉曼认为这是光与分子相互作用而产生的一种新频率的光谱带。
因为这一重大发现，拉曼于1930年获诺贝尔物理学奖。
拉曼光谱得到的是物质分子的振动光谱，是物质的指纹性信息，即每一种物都有自己特征拉曼谱图，因此拉曼光谱是认证物质和分析成分的有力工具。
而且拉曼峰的频率（或波数）对物质结构的微小变化非常敏感，所以也常通过对拉曼峰的微小变化的观察，来研究在一些条件下，比如温度、压力、掺杂等，所引起的物质结构变化，以及间接推出材料不同部分微观上的环境因素的信息，如应力分布等。
拉曼光谱技术的优点：光谱的信息量大，谱图易辨认，特征峰明显；对样品无接触，无损伤；样品无需进一步处理；快速分析，鉴别各种材料的特性与结构；由于激光拉曼光谱仪还带有显微共焦功能，故又称激光显微共焦拉曼光谱仪，可做微区微量以及分层材料的分析（1微米左右光斑）；高空间分辨率对地质的包裹体尤其有用；能适合黑色和含水样品；高、低温及高压条件下测量；光谱成像快速、简便，分辨率高；仪器稳固，体积适中，维护成本低，使用简单。
激光拉曼光谱是激光光谱学中的一个重要分支，应用十分广泛。
如在化学方面应用于有机和无机分析化学、生物化学、石油化工、高分子化学、催化和环境科学、分子鉴定、分子结构等研究；在物理学方面应用于发展新型激光器、产生超短脉冲、分子瞬态寿命研究等，此外在相干时间、固体能谱方面也有广泛的应用。
一、基本原理当波数为 （频率为 ）的单色光入射到介质上时，除了被介质吸收、反射和透射外，总会有一部分被散射。
光谱仪的工作原理
光谱仪的工作原理光谱仪是一种用于测量光谱的仪器，它能够将光信号分解为不同波长的光谱成份，并对其进行分析和测量。
光谱仪的工作原理主要包括光源、光栅、光学系统和探测器等几个关键部份。
1. 光源：光谱仪的光源通常采用氘灯、钨灯或者激光器等。
这些光源能够发出连续的光谱，或者特定波长的单色光，提供给光谱仪进行分析。
2. 光栅：光栅是光谱仪中的核心部件，它能够将入射光线按照不同波长进行衍射。
光栅通常由一系列平行的凹槽或者凸起构成，通过改变光栅的参数，如凹槽间距和角度等，可以实现对不同波长光的衍射。
3. 光学系统：光学系统包括透镜、棱镜、光纤等光学元件，用于对入射光进行聚焦、分离和采集。
透镜能够将光线聚焦到光栅上，使得光线能够被光栅衍射。
棱镜可以用于分离不同波长的光，使得光谱仪能够同时测量多个波长的光谱。
光纤则可以将光线从光源传输到光学系统中的其他部件。
4. 探测器：探测器用于测量经过光栅衍射后的光信号。
常见的探测器包括光电二极管（Photodiode）、光电倍增管（Photomultiplier）和CCD（Charge-Coupled Device）等。
这些探测器能够将光信号转化为电信号，并通过放大和转换等处理，最终得到光谱数据。
光谱仪的工作过程如下：首先，光源发出连续的光谱或者特定波长的单色光。
这些光线经过透镜聚焦到光栅上，光栅将不同波长的光进行衍射。
衍射后的光线经过光学系统的分离和采集，最终到达探测器。
探测器将光信号转化为电信号，并经过放大和转换等处理。
这些处理过程可以增强信号的强度，并将其转化为数字信号。
最终，光谱仪将得到的光谱数据输出给用户进行分析和测量。
光谱仪的应用非常广泛。
在化学分析中，光谱仪可以用于测量物质的吸收光谱，从而确定物质的组成和浓度。
在物理学和天文学中，光谱仪可以用于研究天体的光谱，揭示物质的性质和演化过程。
在生物医学领域，光谱仪可以用于检测生物体内的荧光信号，实现药物分析和疾病诊断。
光源的概念和分类
光源是指能够发出光线的物体或装置，是光学中一个重要的概念。
光源可以根据其产生光线的方式、特性和用途进行分类。
下面我将从光源的概念、分类和特点等方面展开详细介绍。
一、光源的概念光源是指能够发出光线的物体或装置。
光源可以是自然的，如太阳、月亮和星星，也可以是人工制造的，如灯泡、荧光灯、LED 等。
光源是光学研究的基础，广泛应用于照明、显示、通信、成像等领域。
二、光源的分类1. 根据产生光线的方式：(1) 自然光源：指自然界中产生光线的物体，如太阳、月亮、星星等。
自然光源的特点是光强和光色随时间和环境条件变化，具有不稳定性。
(2) 人工光源：指人工制造的能够发出光线的装置，如灯泡、荧光灯、LED等。
人工光源的特点是光强和光色可以通过控制电流、电压或其他方式进行调节，具有稳定性和可控性。
2. 根据光谱特性：(1) 白光源：指能够同时发出各种波长的可见光的光源，如白炽灯、日光灯等。
白光源的光谱覆盖整个可见光范围，具有较好的色彩再现性。
(2) 单色光源：指只发出特定波长的光线的光源，如激光器、单色LED等。
单色光源的光谱集中在某一波长附近，具有纯净的光谱特性。
3. 根据用途和特性：(1) 照明光源：主要用于室内外照明，包括白炽灯、荧光灯、卤素灯、LED灯等。
照明光源在色温、光效、寿命等方面有不同特点。
(2) 显示光源：主要用于显示器、电视、手机屏幕等设备，包括液晶背光灯、OLED等。
显示光源在亮度、对比度、响应速度等方面有特殊要求。
(3) 激光光源：主要应用于激光打印、激光加工、激光医疗等领域，具有高亮度、高聚焦度、窄带宽等特点。
三、不同光源的特点1. 光谱特性：不同光源的光谱特性决定了其色彩表现能力和对物体颜色的影响。
白光源的色温、显色指数等参数反映了其色彩性能，而单色光源则具有特定的波长和光谱特性。
2. 光效和能耗：光源的光效指标反映了单位能量转化为可见光的效率，不同光源在光效和能耗上有显著差异。
LED作为一种高效节能的光源受到广泛关注。
激光原理第四章
n1W14 n 4S43
n 4S43 n 3 A 32 n 2S21 n1W14
n1+n3=n
n n3
0
→
W14 n
n1+n3=n
W14 A32
小信号增益系数
定义
G dI(z) I( z)dz
计算
G
1 l
ln
I I0
I0:初光强，I:末光强, l:传播距离
孔宽
1
0
I 1 Is
H
)
增益曲线均匀下降
孔深 增益曲线烧孔
Gi ( 1 ) Gt
二、非均匀加宽
1、对入射强光 ( 1 , I ) 的增益系数
1
Gi ( ν 1 , I 1 )
G ( 1)
0 i
Gm 1 I 1 Is
4 ln 2 ( 1 0 ) i
2
2
e
1
I 1 Is
各增益系数
均匀加宽
G ( ν)
0
非均匀加宽
Gm 2
4 ln 2( 0 ) i
4 i
大信号反转粒子数
一、均匀加宽
1、反转粒子数表达式
n( ν1 , I 1 ) ( ν1 ν 0 )
2
2 2
νH 2
( ν1 ν 0 )
2
(1
νH 2
I 1 Is
n )
0
Is
4 ν0 h H
2 3
v
2
的强光入射时的 大信号反转粒子数 ，Is:饱和光强参数(w/mm2)
(1)光源静止、接收器运动
第四章激光光谱学中的光源
的光放大。但是把工作物质作得无限长是不现实的。
所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装上两块反射率很高的 平面镜，一块平面镜对光几乎全反射，另一块则让光大部分反射，少部分透 射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。光学谐振腔的作用为：①提供光 学正反馈，②限制激光的模式。
l
全反射镜
. 激光光束
适当的工作物质，在适当的激励条件下可在特定的高低能级间实现粒子 数反转。
第三节 激光器基本结构
1．激光工作物质 必须能在该物质中实现粒子数反
转。可以是气体、液体、固体或半导 体。现已有工作物质近千种，可以产 生波长从紫外到远红外波段
2. 激励源（泵） 为使工作物质中出现粒子数反转，必须用一定的方法激励原子体系，使处
小信号增益越来越大， 但同时对激光作贡献的原子减少, 特别是 q 0 时，只有一群 uz 0 原子对激光贡献
输出功率反而下降--- 烧孔
第五节 光谱学中常用激光光源
1． 固体激光器
√将可激活离子掺杂到晶体或玻璃体中的一大类激光器； √一般采用光激发泵浦，如采用闪光灯或另一台激光来泵浦； √激光介质加工成圆柱状，称为激光棒； √为了有效地利用泵浦光能，需要加上聚光器；
第四节 激光振荡
傅里叶红外光谱仪常用的光源
傅里叶红外光谱仪常用的光源傅里叶红外光谱仪是一种用于分析有机、无机和生物样品中分子振动光谱的仪器。
在傅里叶红外光谱分析中，光源是非常关键的组成部分之一。
下面我们将介绍常用的傅里叶红外光谱仪光源。
1. 红外线灯2. 光源晶体3. 吊灯4. 半导体激光器半导体激光器是用于傅里叶红外光谱仪中的新型光源。
它比传统红外线灯具有更高的光谱亮度和更窄的光谱线宽度，具有较好的时间和空间稳定性。
半导体激光器通常适用于在2500cm^-1以上的波数区域进行傅里叶红外光谱分析。
它还可以通过调整电流调节可见光谱和近红外光谱的强度。
傅里叶红外光谱仪的光源对其分析精度有重要影响。
根据样品特性，研究人员可以选择不同类型的光源。
这些光源各有优缺点，在使用前需要仔细考虑它们的参数并进行合理选择。
1. 红外光谱仪的分辨率分辨率是傅里叶红外光谱仪分析精度的一个重要因素。
分辨率越高，样品中不同光谱线之间的区别就会变得更加显著，因此可以检测更多的细微变化。
光谱仪的分辨率通常由光学中的狭缝宽度和探测器的工作方式决定。
高分辨率傅里叶红外光谱仪的应用覆盖了各个领域。
2. 光学系统的质量光学系统的质量对傅里叶红外光谱仪的性能和精度产生很大影响。
一个高质量的光学系统能够提供更精确的光谱数据，从而实现更准确的分析。
光学系统的设计和制造需要借助于最先进的技术以确保其优良质量。
3. 样品处理方法傅里叶红外光谱仪的样品处理方法也影响着其分析精度。
样品污染、采样方法、样品的制备质量等都会影响到结果的精度。
在液体样品中添加非透明材料可能会导致样品中所含分析物的浓度不够，从而影响光谱数据的准确性。
4. 傅里叶变换红外光谱的准确性傅里叶变换红外光谱是目前最常用的傅里叶红外光谱分析方法。
它通过逐点对光谱数据进行计算而得到样品的各种振动光谱。
由于傅里叶变换本身的局限性和数据采集过程中的误差，计算过程中可能会出现某些偏差。
这些偏差可能会导致傅里叶变换红外光谱的准确性下降。
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3 受激辐射
恰出好与原满外子足 来中光h处子于一E高样2 能特E级征1 )E的的2光诱的子发电,下子这向,会叫低在受能外激级来辐光E射1子跃. (迁其,频并率发
可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当 有一个频率 =（E2-E1）/h的光子入射，从而激 励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完 全相同的光子，这两个光子又激励E2能级上原 子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相 同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。 这种在受激辐射过程中产生并被放大的光，就 是激光。
第四节 激光振荡
1. 增益 光在传播过程可以得到增强的介质称为增益介质
I (z) I (0) expG( )z
增益系数： G( ) dI(z) I (z)dz
粒子数布居：
粒子数反转是在泵浦源的作用下获得的。泵浦源的作用可以用多种方法，最常 用的，对固体与液体介质有光激发，气体介质用放电激发。但是泵浦源是无法 对二能级系统造成粒子数反转的，需要用多能级系统，常用的有三能级与四能 级系统。
1、光子在腔内的平均寿命τR
δ为各种原因引起的总损耗因子
2、无源腔的Q值 ε为存储在腔内的总能量，P单位时间内损耗的能量 腔损耗越小，Q越高
激光器模式：横模和纵模
横模：反映激光输出横截面上的光强度分布情况
1）定义：谐振腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布 激光器输出光束在屏上形成的光斑形状直观地显示了横模形式， 2）激光横模的表示法：TEMmnTEM表示横电磁，m,n为序数，分别表示水 平（x）和垂直（y）方向的极小值数目；TEM00表示基横模
增益饱和现象
2. 增益饱和现象
非均匀加宽情形
增益饱和现象
3.激光的阈值
激光增益介质除了增益G 以外，介质内还有损耗 i ,谐振腔的两腔镜也有损耗
两腔镜的反射率 r1 , r2
r1 r2
1 1
a1 a2
t1 t2
腔内激光在往返一次以后，光强比值
I4 I0
r1r2振器，入射光经偏 振器后成为与x轴相平行的线偏振 光；
晶体KDP(磷酸二氘钾)在外加电压下 它是一个双折射晶体，它的两个晶 轴x’与y’分别与坐标轴x与y成45°角， 沿x’晶轴的折射率小，沿y’晶轴的折 射率大。
电光调Q
当加有电压时，由于折射率不同导致传播速度的差异，沿x’与y’方向的线偏振光 在晶体出射端将产生90度相位差，变为圆偏振光。它经反射镜反射返回到偏振 器表面时退化为线偏振，但振动面转了90°，就不能通过偏振器，也就回不到 YAG晶体内。这相当于激光腔损耗很大。
设在增益曲线属于均匀展宽，在增益范 围内只有一个纵模频率 q
开始时，G0 Gt
频率为 q 的激光光强将不断增长，但光强的增加将使介质中的粒子反转 数减小，结果使增益下降。增益的下降使光 强增长变缓，最终将使腔内光强达一个稳定 值I，此时，介质增益将下降到阈值大小， 即
G( q ,I ) Gt
线型函数 g(ν) 有均匀展宽与非均匀展宽两类
增益系数 G( )与频率和线型函数g(ν)有关 均匀加宽情形
GH0
(ν0
)
ΔN 0
λ02 A21 4π 2 ΔνH
小信号增益时
GH0
(
)
ΔN
0
λ02 A21 4π 2 ΔνH
(Δ H 2)2
(ν ν0 )2 (ΔνH
2)2
非均匀加宽情形
2. 增益饱和现象 均匀加宽情形
激光器的起振要求： r1r2 exp2L(Gt i ) 1
Gt
( )
i
，1 2L
ln(r1r2 )
激光介质的阈值增益
阈值粒子反转数 ：
ΔN t
8 2
c2 g(ν,ν0 )
3.激光模式竞争
在激光谐振腔内，被放大的光必须是谐振腔的某个纵模。因此，除了介质的 增益必需超过阈值外，只有在介质的增益曲线范围内某个谐振腔的纵模上才 能形成激光。
多个纵模情形，并且开始时它们的增益都满足 开始时三个模的光强都会增加，光强增加的 结果使粒子反转数 N 0 下降，于是增益也
随之下降，整个的增益曲线开始下压,…….
最后增益曲线下压到曲线3，腔内剩下唯一的模
是 q振荡的，成为单纵模振荡。
G 0 Gt
模式竞争:一个振荡模的增长把其余振荡模抑制下去的现象
Q值是描述光学谐振腔的储能与损耗关系的参数，称为品质因素：
Q 2nr L = c
开关的基本思想是设法控制光腔在泵浦期间的损耗，使在泵浦脉冲前期腔 的损耗很大，光的增益超过不了损耗，达不到激光起振的阈值；在泵浦脉 冲作用下粒子反转数持续增长，待粒子反转数积累到很大数量，介质的增 益足够大时，突然减小损耗，于是光的增益将大大超过损耗，在瞬间建立 起很强的激光
3．谐振腔
光在放大介质中经历的路程越长，和越多的原子发生作用，才能获得越有效
的光放大。但是把工作物质作得无限长是不现实的。
所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装上两块反射率很高的 平面镜，一块平面镜对光几乎全反射，另一块则让光大部分反射，少部分透 射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。光学谐振腔的作用为：①提供光 学正反馈，②限制激光的模式。
4.烧孔现象
非均匀展宽介质 只要纵模的间隔足够大，整个增益曲线并不下降，增益饱和只在该振荡频率附 近造成一个凹陷，称为烧孔现象
在非均匀展宽增益介质中可以实现多纵模 振荡，靠近增益曲线中心的模，增益高， 光强大，输出功率也高，而远离的模增益 低，输出功率也低。
不同模的输出功率不同，说明不同运动速 度的原子对不同纵模所作的贡献是不同的
第四章 激光光谱学中的光源
二十世纪四大发明 原子能、半导体、计算机、激光
1917 年 爱因斯坦提出了受激辐射理论； 1954年汤斯和肖洛实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激光器； 1958年普罗霍洛夫和巴索夫研制了振荡器和放大器。
。 汤、普、巴三人共同赢得了1964年的诺贝尔物理学奖
1960年 梅曼制成了世界上第一台激光器——红宝石激光器
激光的特性
√能量集中，高方向性
光束发散角=2 α
探照灯-35毫弧度=1度
激光---10-2毫弧度 投射到月球（38万公里）光斑直径仅约2公里
√高强度，高亮度
测地—月距离精度达几厘米
太阳表面亮度约103W·cm-2·sr-1 ；大功率激光亮度1010 - 1017W·cm2强·sr度-1：聚焦状态可达到 I 1017 W/cm2 脉冲瞬时功率可达～10 14 W
实现能级2对能级1的粒子数分布反转要求：
A10 A21
N2
N1
A10 ( A20
( A10 A21 ) A21 ) B21 ( A10
N r A20 )
N r 为将粒子从能级0泵浦到能级2的净速率
增益系数 G( ) : G (N2 N1) g( ) B21 h / c
g(ν) : 线型函数
l
全反射镜
. 激光光束
部分透光反射镜
光学谐振腔示意图
谐振腔基本类型
（1）、平行平面腔由两块相距为L平行放置的平面反射镜构成 (2)、凹面反射镜腔
由相距为L，曲率半径分别为R1和R2的两块凹面反射镜构成。对于凹面反射镜， 曲率半径R与焦距f的关系为：f R / 2
共焦腔：两反射镜焦距之和等于镜面间距f1+f2=L 当f1=f2时，为对称共焦腔
√一般脉冲方式运转。
√ Q开关技术
为何要调Q？
在强泵浦光作用下，粒子反转数的上升很快，建立起振荡，而振荡激光又 将消耗粒子反转数，令其快速下降，振荡起来的激光很快熄灭；泵浦光还 在持续照射，粒子反转数又重新建立，激光再次振荡。上述过程重复发生， 出现多尖峰脉冲；在泵浦的持续照射时间内都有输出，使脉冲输出功率受 到限制。
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation
第二节 粒子数反转
受激辐射的概念爱因斯坦1917提出，激光器却在1960年问世，相隔43年，为 什么？主要原因是普通光源中的粒子，产生受激辐射的概率极小。
谐振频率
mnq
c 2L
q
1
(1 m n) cos1
(1
L
/
R1 )(1
L
/
R2
)
腔模记为 TEM mnq
q是一个很大的数字，腔的谐振频率主要由纵模序数q决定
当腔内只存在单横模（TEM00）振荡时，频谱结构较为简单，为一系列 分立的振荡频率，其间隔为
横模与纵模的物理意义：谐振腔所允许的激光光场的各种纵向和横向的稳定分 布模式
移动。
0
小信号增益越来越大， 但同时对激光作贡献的原子减少, 特别是 q 0 时，只有一群 uz 0 原子对激光贡献
输出功率反而下降--- 烧孔
第五节 光谱学中常用激光光源
1． 固体激光器
√将可激活离子掺杂到晶体或玻璃体中的一大类激光器； √一般采用光激发泵浦，如采用闪光灯或另一台激光来泵浦； √激光介质加工成圆柱状，称为激光棒； √为了有效地利用泵浦光能，需要加上聚光器；
第一节 物质与光相互作用的规律
光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子， 同时改变自身运动状况的表现。
微观粒子都有它特有的一套能级。任何时刻，一个粒子只能处于与某一个能 级相对应的状态（或者简单地表达为处在某一个能级上）。与光相互作用时，粒子 从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射一个光子。光子的能量值为此
。 两能级间的能量差△E，频率为 =△E/h（h为普朗克常量）
1. 光吸收
原子吸收外来光子
能量 h, 并从低能
级 跃E1 迁到高能