第9章激光光谱技术-9.1基本原理
激光原理课件
吸收跃迁： 低 吸收能量 高 辐射跃迁： 高 辐射能量 低
（自发辐射）
h E1 E2
3. 受激辐射：
激光原理 . 第一章
爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁， 黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达 到热平衡，还必须存在受激辐射。
二、自发辐射、受激吸收和受激辐射
1. 自发辐射
E2
h
E1
发光前
发光后
h E2 E1
激光原理 . 第一章
普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程 为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、 振动方向、相位不一定相同——为非相干光。
A 自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）： 21
1
A21 S
原子在能级 E2 的平均寿命
只与原子本身性质有关，与辐射场无关
爱因斯坦——1917年，提出受激辐射概念。 1. 黑体辐射的Planck公式：
任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。
黑体：能够完全吸收任何波长 的电磁辐射的物体。
空腔辐射体
热平衡状态：
激光原理 . 第一章
黑体吸收的辐射能量 黑体发出的辐射能量
单色能量密度
：
dE
dVd
Planck辐射能量量子化假说：
激光原理 . 第一章
A21 B21
8 h 3
c3
n h
B12 f1 B21 f2
f1 f2
B12 B21 W12 W21
A21
8 h
c3
3
B21
结论：
激光原理 . 第一章
1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故 正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。
周炳坤激光原理与技术课件第九章 典型激光器与激光放大器
钕玻璃中Nd3+的吸收谱：
三、Nd:YVO4激光器
——掺钕钒酸钇激光器 优点：受激发射截面大，是Nd:YAG的5倍 在 λ = 809nm 存在很强的吸收带，更适用激光管泵浦，YVO4 是双折射 晶体，激光输出 π 方向偏振光，可避免多余的热致双折射
四、Nd:YLF激光器
• Nd:YLF（Nd:Li YF）发射 1053nm波长激光，与掺Nd的 磷酸玻璃的峰值增益相匹配， 适用于制作激光放大器 Nd:YLF的荧光寿命是Nd:YAG 的2倍，适合于激光二极管抽 运，由于荧光寿命长，Nd:YLF 提供的储能是Nd:YAG的两倍 Nd:YLF能级及其跃迁图 发射1053nm和1047nm。可用 腔内起偏器选择
Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线
Lexel Argon Laser
§9.2.3 二氧化碳激光器
一、 CO2激光器的特点
• • • • • • • 属于气体激光器，分子激光器 波长 9－11um，最常见10.6um 效率高 光束质量好 功率范围大（几瓦～几万瓦） 运行方式多样 结构多样
（a）同轴泵浦 （b）傍轴泵浦
• 钛宝石激光器的应用——双端差分吸收激光雷达
§9.2 气体激光器
主要气体：He-Ne、CO2、Ar+、Kr、He-Cd、N2等 优点：气体光学均匀性好 光束质量好：单色性高，相干性好，光束稳定性好 功率大：如CO2激光10.6um可达Kw以上 寿命长 激励方式： 导电激励为主 气体放电激励： 热激励 化学激励
三、抽运方式 1、气体放电灯（闪光灯）激励——光泵
常用氙灯、氪灯
泵浦光源应该满足两个基本条件：
(1)、闪光灯光泵应与激光物质吸收谱重合
高压氙灯的发射光谱
激光光谱简介
激光对高分辨光谱的发展起很大作用，是研究原子、分子和离子结构的有力工具，可用来研究谱线的精细和超精ห้องสมุดไป่ตู้分裂、塞曼和斯塔克分裂、光位移、碰撞加宽、碰撞位移等效应。
时间分辨激光光谱
能输出脉冲持续时间短至纳秒或皮秒的高强度脉冲激光器，是研究光与物质相互作用时瞬态过程的有力工具，例如，测定激发态寿命以及研究气、液、固相中原子、分子和离子的弛豫过程。
常见的激光光谱
编辑
吸收光谱
激光用于吸收光谱，可取代普通光源，省去单色器或分光装置。激光的强度高，足以抑制检测器的噪声干扰，激光的准直性有利于采用往复式光路设计，以增加光束通过样品池的次数。所有这些特点均可提高光谱仪的检测灵敏度。除去通过测量光束经过样品池后的衰减率的方法对样品中待测成分进行分析外，由于激光与基质作用后产生的热效应或电离效应也较易检测到，以此为基础发展而成的光声光谱分析技术和激光诱导荧光光谱分析技术已获得应用。利用激光诱导荧光、光致电离和分子束光谱技术的配合，已能有选择地检测出单个原子的存在。
激光光谱简介
编辑
可调（谐）激光光源实际上是一台可调谐激光器，又称波长可变激光器或调频激光器。它所发出的激光，波长可连续改变，是理想的光谱研究用光源，可调激光器的波长范围在真空紫外的118.8纳米至微波的8.3毫米之间。可调激光器分为连续波和脉冲两种，脉冲激光的单色性比一般光源好，但其线宽不能低于脉宽的倒数值，分辨率较低。用连续波激光器作光源时，分辨率可达到10-9（线宽<1兆赫）。
荧光光谱
高强度激光能够使吸收物种中相当数量的分子提升到激发量子态。因此极大地提高了荧光光谱的灵敏度。以激光为光源的荧光光谱适用于超低浓度样品的检测，例如用氮分子激光泵浦的可调染料激光器对荧光素钠的单脉冲检测限已达到10-10摩尔/升，比用普通光源得到的最高灵敏度提高了一个数量级。
激光光谱学课件 第九章
章动的名称来源于磁共振，由于光濒现象可用光学Bloch方 程描述，我们即用矢量模型对此现象作一个定性的描述，
9．3 自由感应衰变，超辐射，超荧光
Hale Waihona Puke 1 超辐射N 个原子被短脉冲光从下能级E1同时激发到上能级E2, 在E2->E1中发射的总荧光强度:
实验中均用脉冲光激发，一般是调节脉冲强度及作用时间，使上下能 级粒子数相等，以获得最强的超辐射。对笔杆样品，在沿轴向一个小 的锥角内，可获得强的相干辐射。由于原子间驰予作用，各微观矩的 相位很快分散形成无规分布，这时原子间相干关系消失，超辐射过程 很快就停止了。
如果上能级有细微分裂，且满足相干激发条件，则在自由感 应衰变信号中出现量子拍。通过富氏变换，可以得到谱的结 构，目前NMR高分辨谱仪中无例外地采用了这种技术。
光场 开和关?
斯塔克开关: 原理:
气态分子具有窄的共振线,只有入射激光频率等于跃迁频率, 才有强的吸收.
方法: 调节入射激光, 调节分子的跃迁频率.
吸收光场产生光学章动.
实际上,两者是合在一起的.因为DOPPLER展宽.
3) 超荧光
比较:
1) 章动: 在脉冲前沿 后 透射光强 以拉比频率振动.由于驰 豫,拉比振荡只在短于驰豫时间内观察到.大于时,透射光 强 趋于稳定值.
2) FID: 当脉冲取消(后沿) 后介质的一种超辐射,要求原子处 在二能级的相干叠加态(原子自身相干),和N个原子同相 (原子间相干).
短脉冲相干激发能级1，2
指数衰减受调制的荧光强度
实例：束－箔光谱学。快速离子在穿过固体箔靶的过程中被激发，当它退激时会发射出能量相应的光子。由于箔很薄， 离子的速度很高，束－箔光的激发几乎是瞬发的,Δt≤10-14s。因而激发态能量就有不确定性。受激粒子所在的某一激 发态（初态）可能是两个或多个间隔极小的能级的叠加。
光谱学与光谱技术
mEq sin 2
q m t c
mEq 2
sin
q
mห้องสมุดไป่ตู้
t c
产生两个新的频率，它们与原先纵模的相位差为0：
q m
振幅调制（Cont.）
如果调制器调制频率 m c / L
那么新产生的频率也为激光纵模，就可实现前述原理的锁模
相位调制
调制相位为： bt n cosnt
纵模q调制后的振幅为：
Pump-Probe的应用之一：研究 液体中的碰撞过程
Pump-Probe的应用之二：半导 体中电子驰豫的测量
Pump-Probe的应用之三：实时观察 分子和原子的振动
Pump-probe技术应用之四： 飞秒化学
分子势能曲线
探测信号随时间的衰减
tektronix示波器带宽6ghz可测200ps的脉冲pin二极管响应时间为20ps可测量几百皮秒的脉冲无法达到亚皮秒量级1光电管与示波器探测技术目前唯一一种探测极限达到目前唯一一种探测极限达到psps量级的探测器量级的探测器可达皮秒量级不适合于连续锁模激光器价格昂贵结构复杂2条纹相机条纹相机将光脉冲的时间轴转化为了荧光屏的空间轴把对脉冲的瞬时测量变成测量具有相对延迟的两个脉冲乘积的时间积分3相关测量1光脉冲一分为二产生相位延迟再将两脉冲叠加2用线性探测器检测光脉冲3通常利用二次谐波实验装置用于改变相位延迟检测二次谐波课后思考题
（2）能级跃迁时间，电子能级跃迁，约几十阿秒
E2 E1
飞秒光谱——诺贝尔奖
1999年，Ahmed H. Zewail 由于利用飞秒光谱在实验上研究了化学 反应的转移过程而获得诺贝尔化学奖。
Marcos Dantus, Mark J. Rosker, and Ahmed H. Zewail, Realtime femtosecond probing of “transition states” in chemical reactions, Journal of Chemical Physics, 1987, 87(4): 2395.
激光原理PPT课件
5. 自由电子激光器 以自由电子为工作物质微波到X射线的受激辐射
均称为自由电子激光。
第12页/共33页
这是一种特殊类型的新型激光器，被电子加速器
加速的电子流注入周期变化的磁场。只要改变电子束
的速度就可产生波长连续变化的相干电磁辐射，原则
上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，其 峰值功率和平均功率高且可调，相干性好，可获得偏
政”辐射光子。
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激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激 光产生的机理与普通光源的发光不同，这就使激光具 有不同于普通光的一系列性质。
1. 方向性好 激光不像普通光源向四面八方传播，几乎在一条 直线上传播，我们称激光的准直性好。因为激光要在 谐振腔内来回反射，若光线偏离轴线，则多次反射后 终将逸出腔外，因此从部分透明的反射镜射出的激光 方向性好。良好的方向性使激光是射得最远的光，应 用于测距、通讯、定位方面。
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2. 亮度高 一般光源发光是向很大的角度范围内辐射，如电 灯泡不加约束是向四面八方辐射。激光的辐射范围在 1×10-3rad（0.06º）左右，因此既使普通光源与激光 光源的辐射功率相同，激光的亮度将是普通光源的上 百万倍。1962年人类第一次从地球上发出激光束射向 月球，由于激光的方向性好、亮度高，加上颜色鲜红， 所以能见到月球上有一红色光斑。激光的高亮度在激 光切割、手术、军事上有重要应用，现正研究用高亮 度的激光引发热核反应。
2. 用激光固定原子
气态原子、分子处在永不停息的运动中（速度接
近340m/s），且不断与其它原子、分子碰撞，要“捕
获”操纵它们十分不易。1997年华裔科学家、美国斯
坦福大学朱棣文等人，首次采用激光束将原子束冷却
激光原理与技术PPT(很全面)
激光束质量对应用的影响
分析激光束质量对激光加工、光通信、激光雷达等应用的影响。
激光束的控制与整形
激光束控制技术
探讨通过光学元件、机械装置等手段对激光束进行控制的原理和 方法。
激光束整形技术
介绍将激光束整形为特定形状（如平顶、环形等）的原理和方法， 以及整形后激光束的特性。
激光束控制与整形的应用
阐述激光束控制与整形在材料加工、生物医学、光通信等领域的应 用实例。
激光Байду номын сангаас眼睛的危害
激光束直接照射眼睛，可能导致视网膜烧伤、视力下降甚至失明。防护措施包 括佩戴合适的激光防护眼镜，避免直接观看激光束。
激光对皮肤的危害
激光照射皮肤可能导致烧伤、色素沉着、皮肤癌等。防护措施包括穿戴防护服 、使用防晒霜等。
激光安全标准与防护措施
激光安全标准
国际电工委员会（IEC）和美国国家标准学会（ANSI）等制定了激光安全标准， 对激光产品的分类、标识、使用等做出了规定。
液体激光器
染料激光器
使用有机染料作为增益介质，通 过泵浦光激发染料分子产生激光 ，具有宽调谐范围和短脉冲输出 能力。
液体激光核聚变
利用高功率激光束照射含有氘、 氚等聚变燃料的靶丸，实现核聚 变反应，是惯性约束聚变研究的 重要手段。
半导体激光器
边发射半导体激光器
电流注入半导体PN结，电子与空穴 复合释放能量形成激光输出，具有体 积小、效率高、寿命长等优点。
激光手术
利用激光的高精度和可控性，进行微 创手术操作，如眼科手术、皮肤科手 术等。
生物医学成像
利用激光的高亮度和方向性，对人体 内部组织进行光学成像，以辅助医学 诊断和治疗。
05
激光测量与检测技术
激光光谱技术和应用 课件
绪论
为什么要研究光谱？
光谱是从微观角度研究物质世界的一种重要手段；光谱学是研 究物质和电磁波相互作用的科学。
光谱从何而来？
每一种分子、原子都有它固有的频谱特性。对物质结构的表征 和研究也都依赖于光谱学。
什么是激光光谱
1960年，第一台红宝石激光器的 问世，成为光谱学发展的新纪元。
2. 多原子分子中的能级跃迁
多原子分子的能级的数目随分子中原子数的增加变得非常之多， 因此具有很多复杂的能级结构。它们的谱线不再有线系的外观， 也没有规整的吸收轮廓线。
在受到光激发之后，分子 跃迁到单重电子激发态的 某个振动能级上。处于高 能级的分子基本通过辐射 的、非辐射的或振动弛豫 三条途径耗散其能量。
处于能级2的自发辐射寿命为 2 1 A21
2. 受激发射和吸收过程
与自发辐射不同，受激发射是在外 界辐射场的激发下发生的发射过程。
W 21B 21
吸收是与受激发射相反的过程。
W 12B 12
3. 爱因斯坦跃迁系数间的关系
原子因吸收辐射场能量从低能 级跃迁到高能级。
平面电磁波的能流密度（单位时间
流过单位面积的能量），即坡印廷
矢量S.
SEH r10r0n crrn
光强 I
I c nr
电磁场的动量
当电磁波照射到金属表 面时，导体会受到辐射 压力，电场分量产生传 导电流 j，磁场分量对该 电流施加洛伦兹力 f。
f jB 方向与电磁波传播方向一致。
3. 等离子体的光谱发射机制 等离子体是原子分子集团处 于高度电离的状态，它是物 质存在的第四种形式。
在等离子体的高温与高度电 离的状态下，原子的发射光 谱具有许多新的特点。
激光原理
激光” 四、 Laser －“激光” Laser
Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation “通过受激辐射实现光放大” 通过受激辐射实现光放大” 通过受激辐射实现光放大
激光原理 . 绪论
五、激光器种类 根据工作物质 根据工作物质
红宝石，Nd:YAG， 固体激光器 ：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃 气体激光器 ：He Ne，CO2，离子激光器 He—Ne Ne，
E2
hν
发光前 发光后
E1
hν = E 2 E1
激光原理 . 第一章
普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯） 普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程 为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、 为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、 振动方向、相位不一定相同——为非相干光。 振动方向、相位不一定相同 为非相干光。 自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）： 自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：
π m kx = x π n ky = y π kz = q z
相邻模间隔： 相邻模间隔：kx =
π
x
, ky =
π
y
, kz =
π
z
激光原理 . 第一章
kz
波矢空间中每个光波模式所占体积： 波矢空间中每个光波模式所占体积：
k x k y k z =
π3
x y z
=
π3
V
r k
液体激光器 ：染料激光器 半导体激光器
激光原理 . 第一章
第一章
激光的基本原理
§1.1 相干性的光子描述 光波模式、光子状态、相格、 光波模式、光子状态、相格、相干体积 一、光波模式与光子态
激光的基本原理课件
单色性好
激光的波长范围很窄，颜色纯度高， 因此其单色性非常好，常用于光谱分 析和精密测量。
相干性好
激光的频率单一且稳定，因此其相干 性非常好，常用于干涉仪和全息成像 等光学实验。
激光的分类
01
02
03
04
按工作物质分类
根据工作物质的不同，激光可 以分为固体激光、气体激光、 液体激光和半导体激光等。
20世纪50年代，随着光学技术和电子技术的不断发展，激光技术开始进入实用阶段。
激光的发展历程
1960年，梅曼发明了第一台红 宝石激光器，标志着激光技术的
诞生。
随后，各种不同类型的激光器不 断涌现，如二氧化碳激光器、固
体激光器、气体激光器等。
随着技术的不断进步，激光技术 的应用领域也不断扩大，涉及到 通信、医疗、军事、工业制造等
激光美白
通过激光照射，能够刺激 皮肤胶原蛋白的再生和修 复，使皮肤更加紧致有弹 性，达到美白效果。
激光脱毛
利用激光能量破坏毛囊的 生长能力，实现永久性脱 毛，具有安全、无痛、效 果持久等优点。
科研实验
激光光谱学
利用激光的特性，研究物质与光 相互作用的规律，广泛应用于化
学、物理、生物等领域。
激光雷达
按输出功率分类
根据输出功率的大小，激光可 以分为低功率激光、中功率激
光和高功率激光。
按波长分类
根据波长的不同，激光可以分 为可见光激光、红外激光和紫
外激光等。
按工作方式分类
根据工作方式的不同，激光可 以分为连续激光和脉冲激光。
04 激光的应用领域
工业制造
激光切割
激光打标
利用高能激光束对材料进行精确切割， 具有切割速度快、精度高、切口质量 好等优点。
激光光谱技术在纳米材料表征中的应用研究
激光光谱技术在纳米材料表征中的应用研究纳米科技是近年来科技领域里备受瞩目的一个领域，它以纳米结构和纳米材料作为研究对象，研究其特性和应用。
而在纳米材料的表征和实验研究过程中，激光光谱技术得到了广泛的应用和关注。
本文将探讨激光光谱技术在纳米材料表征中的应用研究。
一、纳米材料的表征纳米颗粒的特殊性质主要由其尺寸和表面性质所决定，因此纳米材料的表征技术就显得尤为重要。
纳米材料表征通常包括形貌结构、表面性质、化学成分和物理性质等几个方面的研究。
目前常用的纳米材料表征技术包括扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、荧光光谱技术等。
这些技术虽然可以对纳米材料进行表征，但是传统的表征技术存在一些缺陷。
例如，SEM只能对样品表面进行观测，而不能了解其内部结构和多层结构，有时也会因为表面膜层存在的原因而产生误差。
而TEM虽然可以用于内部结构的观测，但是需要制备极其复杂的横截面，且颗粒大小和数量有限。
因此，需要更先进的表征技术来补充这些传统技术的局限性。
二、激光光谱技术基本原理激光光谱技术是近年来发展较快的一种纳米材料表征方法，其原理是利用激光辐射纳米颗粒，测量其散射光、透射光、拉曼光谱等信息，从而推断其结构和性质。
激光光谱技术的主要用途有三种：散射光谱(SLS)、拉曼光谱和透射光谱(TLS)。
SLS是指当纳米颗粒受到光散射和吸收时，所形成的散射光谱。
拉曼光谱是指激光辐射光照射到样品上后，由于振动自由度的存在而产生的“拉曼光谱”。
而TLS是指通过透射特定波长的激光辐射光，研究材料的透射行为。
三、激光光谱技术在纳米材料表征中的应用（1）纳米颗粒的尺寸测量纳米颗粒的表征中，其尺寸测量是首要的一个参数，因为纳米颗粒的性质和行为与其尺寸紧密相关。
SLS是常用的一种纳米颗粒尺寸测量工具，因为可以根据颗粒散射和吸收光的强度，估算出颗粒的大小。
此外，透射光谱(TLS)还可以用来测量颗粒的大小。
透射光谱可以通过改变激光的波长和角度来调节颗粒尺寸，进而获得颗粒的大小信息，特别是对于大尺寸的纳米颗粒有更好的适用性。
激光光谱学(2009)
蓝光、紫外波长连续激光，主要442、 325nm 输出光束质量好。 寿命短、体积大、价格高
应用
激光全息 3D激光成型 材料荧光激发光源 ……
固体激光器
特点
红外、可见、紫外波长种类多。 连续、脉冲多种激光都有 输出光束质量好、能量大、稳定性好。 寿命长、体积小、价格适中。
应用
致力于取代各种气体激光器
§9.激光 / 三、激光原理 激光
Fig. 1 激光诱导荧光(LIF)光谱测量装置示意图
3.3 自点火流场PLIF测量
• 光源系统：YAG ＋ DYE • 光路和片光系统：透镜、 反射镜组 • 荧光信号采集和处理系 统。ICCD 、滤光片、 DG535和计算机、图像 处理软件
2 3
4 1
7 5 6
N2 N1
激发态
亚稳态
基态
§9.激光 / 三、激光原理 激光
激光器原理--结构
激励源-粒子搬迁的动力 工作介质-激光产生的内因 谐振腔-激光的振荡放大器
全反镜 激光工作物质 部分反射镜 激光
激光的四大特点
单色性好 频率、波长单一 方向性好 发散小、可远距离传输 亮度高 高能量密度 相干性好 相位固定，长相干长度
一、激光 普通光源-----自发辐射 自发辐射 普通光源 激光光源-----受激辐射 激光光源 受激辐射 激光又名镭射 ，它的全名是 “辐射的受 辐射的受 激发射光放大”。 激发射光放大 。 1. 特点： 特点： 相干性极好 时间相干性好（ 时间相干性好（∆λ～10 − 8埃）， 相干长度可达几十公里。 相干长度可达几十公里。
自发辐射.受激辐射和吸收 §9.激光 / 二、自发辐射 受激辐射和吸收 激光
实验表明， 实验表明，受激辐射产生的光子与外来 光子具有相同的频率、相位和偏振方向。 光子具有相同的频率、相位和偏振方向。 4. 光放大 4. 在受激辐射中通过一个光的作用，得 在受激辐射中通过一个光的作用， 到两个特征完全相同的光子， 到两个特征完全相同的光子，如果这两个 光子再引起其它原子产生受激辐射， 光子再引起其它原子产生受激辐射，就能 得到更多的特征完全相同的光子----光放 得到更多的特征完全相同的光子 光放 激光。 大，激光。
激光基本原理
激光基本原理
激光（Laser）是一种通过激光器产生的具有单色、聚束和高
亮度的电磁波。
激光的基本原理是通过受激辐射来放大并聚束光束。
激光的产生取决于三个基本过程：激活（excitation）、拉伐斯托夫过程（lasing process）和受激辐射（stimulated emission）。
在激活过程中，能源（如电流、光或化学反应）被输入激光介质中，使其获得能量。
这些能量激发了介质中的原子、分子或离子，使它们处于激发态。
此时，激光介质中存在着大量的能级过渡。
在拉伐斯托夫过程中，激发态的粒子通过自发辐射或碰撞的方式回到较低能级。
这些过程产生了光子，并将激活能量转化为辐射能量。
在受激辐射过程中，一个光子与一个处于激发态的粒子相互作用。
这个激发态的粒子会通过吸收这个光子的能量而跃迁到一个更低的能级，并释放出两个与吸收的光子相等的光子。
这种过程是放大光子数量的关键，并形成了激光特性的基础。
激光器的结构一般包括激光介质、能量泵浦源、光学反射镜和光学输出口。
激光介质是产生激光的核心部分，其中包含了活跃离子、晶体或气体等。
能量泵浦源通过输入能量激活介质。
光学反射镜通过反射和聚焦光束，增强光的强度。
光学输出口是激光从激光器中发出的位置。
通过控制激光器中的激励来源和光学元件的位置，可以调整激光的功率、波长和聚焦性质。
激光因其具有高度单色性、聚焦性和亮度，广泛应用于科学研究、通信、材料加工、医学和军事等领域。
激光光谱
激光光谱laser spectra以激光为光源的光谱技术。
与普通光源相比，激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等特点，是用来研究光与物质的相互作用，从而辨认物质及其所在体系的结构、组成、状态及其变化的理想光源。
激光的出现使原有的光谱技术在灵敏度和分辨率方面得到很大的改善。
由于已能获得强度极高、脉冲宽度极窄的激光，对多光子过程、非线性光化学过程以及分子被激发后的弛豫过程的观察成为可能，并分别发展成为新的光谱技术。
激光光谱学已成为与物理学、化学、生物学及材料科学等密切相关的研究领域。
可调（谐）激光光源实际上是一台可调谐激光器，又称波长可变激光器或调频激光器。
它所发出的激光，波长可连续改变，是理想的光谱研究用光源，可调激光器的波长范围在真空紫外的118.8纳米至微波的8.3毫米之间。
可调激光器分为连续波和脉冲两种，脉冲激光的单色性比一般光源好，但其线宽不能低于脉宽的倒数值，分辨率较低。
用连续波激光器作光源时，分辨率可达到10-9（线宽＜1兆赫）。
常见的激光光谱包括以下几种：①吸收光谱。
激光用于吸收光谱，可取代普通光源，省去单色器或分光装置。
激光的强度高，足以抑制检测器的噪声干扰，激光的准直性有利于采用往复式光路设计，以增加光束通过样品池的次数。
所有这些特点均可提高光谱仪的检测灵敏度。
除去通过测量光束经过样品池后的衰减率的方法对样品中待测成分进行分析外，由于激光与基质作用后产生的热效应或电离效应也较易检测到，以此为基础发展而成的光声光谱分析技术和激光诱导荧光光谱分析技术已获得应用。
利用激光诱导荧光、光致电离和分子束光谱技术的配合，已能有选择地检测出单个原子的存在。
②荧光光谱。
高强度激光能够使吸收物种中相当数量的分子提升到激发量子态。
因此极大地提高了荧光光谱的灵敏度。
以激光为光源的荧光光谱适用于超低浓度样品的检测，例如用氮分子激光泵浦的可调染料激光器对荧光素钠的单脉冲检测限已达到10-10摩尔／升，比用普通光源得到的最高灵敏度提高了一个数量级。
激光原理与技术课件课件
激光原理与技术课件一、引言激光作为一种独特的人造光，自20世纪60年代问世以来，已经在众多领域取得了举世瞩目的成果。
激光原理与技术已经成为现代科学技术的重要组成部分，并在光学、通信、医疗、工业加工等领域发挥着重要作用。
本课件旨在阐述激光的基本原理、特性以及应用技术，使读者对激光有更深入的了解。
二、激光的基本原理1.光的粒子性与波动性光既具有粒子性，也具有波动性。
在量子力学中，光被视为由一系列光子组成的粒子流，光子的能量与频率成正比。
而在波动光学中，光被视为一种电磁波，具有频率、波长、振幅等波动特性。
2.光的受激辐射受激辐射是指处于激发态的原子或分子在受到外来光子作用后，返回基态并释放出一个与外来光子具有相同频率、相位、传播方向和偏振状态的光子。
这个过程是激光产生的核心原理。
3.光的放大与谐振在激光器中，通过光学增益介质实现光的放大。
当光在增益介质中往返传播时，不断与激发态原子或分子发生受激辐射，使光子数不断增加。
同时，通过谐振腔的选择性反馈，使特定频率的光得到进一步放大，最终形成激光。
三、激光的特性1.单色性激光具有极高的单色性，即频率单一。
这是由于激光器中的谐振腔对光的频率具有高度选择性，只有满足特定频率的光才能在谐振腔内稳定传播。
2.相干性激光具有高度的相干性，即光波的相位关系保持稳定。
相干光在传播过程中能形成稳定的干涉图样，广泛应用于光学检测、全息成像等领域。
3.方向性激光具有极高的方向性，即光束的发散角很小。
这是由于激光器中的谐振腔对光的传播方向具有高度选择性，只有沿特定方向传播的光才能在谐振腔内稳定传播。
4.高亮度激光具有高亮度，即单位面积上的光功率较高。
这是由于激光的单色性、相干性和方向性使其在空间上高度集中，从而具有较高的亮度。
四、激光的应用技术1.光通信激光在光通信领域具有广泛应用，如光纤通信、自由空间光通信等。
激光的高单色性、相干性和方向性使其在传输过程中具有较低的信号衰减和干扰，从而实现高速、长距离的数据传输。
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N2
1收时， Bv A 即 N2 1
N1 N2 2
换句话说，饱和吸收时，基态粒子与激发态粒子数比约1：1
饱和效应的推导（Cont.）
入射光能量密度与入射光功率密度存在关系 I c
即饱和吸收要求光源功率密度
I c A 8 h 3 16 2 3
B
c2
c2
附：
A B
8
h 3
c3
一个例子
入射光波长为600 nm时，要求功率密度达到多少时才能 实现饱和效应？
I
c
A B
8
h 3
c2
8
hc
3
8
6.621034 3108 600109 3
2.3103 W / cm2 MHz
对激光而言这个条件 很容易达到！
9.1.3 激发方法
第9章 激光光谱技术
9.1 基本原理 9.2 提高光谱探测灵敏度的方法 9.3 高分辨亚多普勒光谱技术 9.4 时间分辨光谱技术
9.1 基本原理
9.1.1 普通光源与激光光源 9.1.2 饱和效应 9.1.3 激发方法 9.1.4 激光光谱的探测方法 9.1.5 激光光谱的优点
9.1.1 普通光源与激光光源
大了信号探测的信噪比，提高了灵敏度
9.1.5 激光光谱的优点（Cont.）
激光强度大，也可以使受激态产生可观的粒子数，
更利于实现受激态的吸收（如荧光光谱）
激光强度大，有利于激发光谱的探测，如拉曼散射
强度与激发光强成正比
可使用多种去多普勒技术以减小多普勒效应，从而
减小谱线展宽，提高光谱分辨率
激光脉冲可以快速调谐，从能够利用激光光谱测量
一些快变过程
单步激发 多步激发：先激发到中间态，饱和效应可使粒子在中间
态停留较长时间，从而能够再从中间态激发到激发态
多光子激发：激光的一种非线性效应，同时吸收多个光
子，光子能量和等于能级间隔
9.1.4 激光光谱的探测方法
常规吸收光谱探测
激光光谱探测
激光光谱中的波长标定
(1) 利用法布里-帕罗标准具
如果是脉冲光源功率密度可更大 线宽小、发散性小、相干性好、强度大，是激光的特点
9.1.2 饱和效应
激光功率密度大，与物质相互作用时，有可能将物质的
大部分基态粒子激发到激发态，而使得多余的光无法再 被吸收，即物质相对于激光而言是透明的
探测器 接收的 光强是 否相同？
这种好
饱和效应的推导
平衡情况下，总发射=总吸收
波长标定的一个例子
9.1.5 激光光谱的优点
使用可调谐激光器，不需要色散系统 使用F-P标准具进行波长标定，可以提高波长测量的
准确度，从而更加准确的测量谱线的线形和轮廓
激光的发散度小，可以来回多次反射通过样品池，
增大光程，以测量吸收系数很小的粒子跃迁
激光强度大，使得探测器带来的噪声可以忽略，增
2
2nl
or
c
2nl
(2) 同时记录标准具干涉曲线与光谱，利用自由光程 度量吸收峰的间距、半宽等
(3) 如果要知道波长或频率的绝对值，则需要与一个已 知波长进行比较 (4) 将激光波长稳定在谱线中心，让光束稍有发散通过 法布里-帕罗干涉仪，则会形成干涉环，将该环与已知 波长的干涉环比较，即可测出当前实际波长